移動床加壓煤氣化生產(chǎn)富甲烷煤氣的工藝和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤制氣領(lǐng)域，特別涉及移動床（固定床）加壓煤氣化生產(chǎn)富甲烷煤氣 的工藝技術(shù)與流程裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤制天然氣（SNG)主要方法之一就是，首先要生產(chǎn)出含有較多甲烷的煤氣。目前 主要有3種工藝方法，即固定床（移動床）加壓煤氣化法，煤加氫氣化法和煤蒸汽催化氣化 法。
[0003] 固定床（移動床）加壓煤氣化能生產(chǎn)出含11 %左右甲烷的煤氣，如美國大平原公 司、中國大唐克旗和阜新等的煤制天然氣的煤氣化工藝，均是采用移動床（固定床）加壓煤 氣化工藝裝置，即魯奇爐加壓煤氣化工藝，將富氧蒸汽（氧氣/蒸汽~1/6左右）混合氣 化劑，從加壓固定床底部連續(xù)送入爐內(nèi)，氣化劑進入爐內(nèi)炭層后，氣化劑中的氧氣首先與炭 層底部的碳元素反應(yīng)：C+02 = C02,2C+02 = 2C0放出熱量，為炭層中部吸熱的水煤氣反應(yīng)： C+H20 = CCHH2，提供熱量并制出水煤氣后，含有大量水蒸汽的水煤氣進入炭層上部的干餾 層和干燥層，在加熱其炭層的同時為其干餾和干燥提供熱量。所以這種固定床生產(chǎn)的煤氣 中就含有富含甲烷的干餾煤氣。由于干餾煤氣量遠小于水煤氣量，因此，此類煤氣中的甲烷 總量并不高，即使采用高揮發(fā)分的褐煤為原料，煤氣中的甲烷也只有10~12%左右，所以 本案稱之為低甲烷水煤氣。要用水煤氣生產(chǎn)出甲烷產(chǎn)品，還需要配置較大規(guī)模的甲烷催化 合成工序，導(dǎo)致裝置投資、甲烷產(chǎn)品成本增加。但該煤氣化工藝的爐渣中的殘?zhí)康停ǔ５?于10%，甚至在5%以下；單位煤氣氧氣耗量低，僅為氣流床煤氣化工藝的40%，所以被業(yè) 內(nèi)首選為煤制天然氣的煤氣化工藝。
[0004] 煤加氫氣化，包括煤加氫催化氣化法生產(chǎn)富甲燒煤氣，多為加壓流化床氣化工藝。 煤氣中的甲烷濃度能夠大于30%。目前還在實驗階段。由于煤加氫氣化是放熱反應(yīng)，在高 溫下甲烷的平衡濃度低，所以煤加氫氣化工藝的溫度，通常設(shè)計在較低的600°C~800°C， 這又導(dǎo)致碳的加氫氣化速率降低，再加上C+2H2 = CH4反應(yīng)后期，焦粒上的活性中心減少，加 氫氣化速率大幅降低，實驗室加氫氣化，煤的粒度在5mm左右，加氫反應(yīng)2小時，碳轉(zhuǎn)化率一 般只有50%左右。要使煤加氫轉(zhuǎn)化后渣中的殘?zhí)康陀?0%，需要加氫反應(yīng)6小時以上，即 使加入催化劑，加快C+2H2 = CH4反應(yīng)速率的程度也不令人滿意。所以目前煤加氫氣化法生 產(chǎn)富甲烷煤氣成本還較高，尚無商業(yè)化運行裝置。
[0005] 煤蒸汽催化氣化法，通常也采用加壓流化床工藝。雖然不用氫氣和氧氣，煤氣中 的甲烷濃度也能夠大于30%。氣化工藝受甲烷平衡濃度的限制，氣化溫度通常也設(shè)計在 600°C~800°C，再加上C+2H2 = CH4反應(yīng)后期，焦粒上的活性中心減少，加氫氣化速率大幅 降低，除同樣存在碳轉(zhuǎn)化率低的問題外，還有催化劑的回收利用的成本和維持床層溫度的 能耗問題，所以至今也沒有商業(yè)化裝置面世。
[0006] 鑒于加氫氣化和催化氣化的碳轉(zhuǎn)化率低，最近也出現(xiàn)了多級流化床流化方案，主 要特點：①是采用富氧蒸汽，在900~1000°C溫度下，對加氫氣化或蒸汽催化氣化后期難以 氣化的焦粒進行低甲烷水煤氣反應(yīng)，來提高碳的轉(zhuǎn)化率；②是利用反應(yīng)余熱為煤干餾工藝 提供熱量。這種增加了富氧氣化的多級流化氣化，由于流化的固體物料的數(shù)倍增加，不僅大 幅增加了裝置的復(fù)雜性和投資，還會大幅增加本來就已經(jīng)很高的流化動力消耗。
[0007] 煤制天然氣的其它煤氣化工藝還有氣流床加壓氣化法，該工藝生產(chǎn)出的煤氣幾乎 不含甲烷，煤制天然氣的全部甲烷均需在合成工序中催化合成，每1000 Nm3甲烷需要C0+H4， 4000Nm3,需要純氧至少1400Nm3。因此，采用氣流床煤氣化工藝，必須配置投資巨大的空分 系統(tǒng)和甲烷合成系統(tǒng)，才能生產(chǎn)出天然氣產(chǎn)品來，所以氣流床加壓煤氣化最終也不能低成 本的生產(chǎn)出天然氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于現(xiàn)行煤制天然氣的煤氣化工序，移動床（固定床）加壓氣化工藝、加氫煤氣化 和催化煤氣化，均不能低成本的生產(chǎn)出富含甲烷的煤氣的現(xiàn)實問題。本案提出一種移動床 加壓氣化工藝技術(shù)方案予以解決。
[0009] 1.移動床加壓煤氣化生產(chǎn)富甲烷煤氣的工藝和裝置，其特征在于：
[0010] I. 1.將移動床加壓氣化爐內(nèi)，進行煤氣化的床層的高徑比設(shè)計為0. 8至5范圍，在 增大炭層高度和氣化反應(yīng)表面積、延長氣化劑在床層反應(yīng)時間、減小床層同平面溫差的同 時，獲得直接甲烷化反應(yīng)C+2H2 = CH4沿氣流方向的更平緩的煤氣化床層溫度分布梯度，以 增加甲烷產(chǎn)率；
[0011] 1.2.在氣化爐底部的氧氣和蒸汽的入爐進氣管路（3)上增設(shè)氫氣氣化劑加入管 路（QQ);
[0012] 1. 3.將控制蒸汽氣化劑、氧氣氣化劑、氫氣氣化劑進入煤氣爐的閥門分別設(shè)計為 串連雙閥結(jié)構(gòu)（1A)-(1B)、（2A)-(2B)、（15A)-(15B)，并在串連的A閥和B閥之間接入惰氣 管路（DQ)，分別通過（1C)閥、（2C)閥、（15C)閥，對關(guān)閉的雙閥之間的管內(nèi)充注壓力高于氣 化劑的隔離惰性氣體，以杜絕串聯(lián)的閥門出現(xiàn)萬一的泄漏，讓氫氣和氧氣在管路（3)內(nèi)相 遇而引發(fā)事故；
[0013] 1. 4.在原富氧蒸汽連續(xù)入爐加壓煤氣化的工藝中，嵌入煤加氫直接甲烷化的氣化 工藝，讓富氧蒸汽氣化劑和氫氣氣化劑這兩種氣化劑，分別輪流從爐底送入移動床加壓氣 化爐，對爐內(nèi)炭層周期性（T = T1+T2+T3+T4)的重復(fù)進行，富氧蒸汽制低甲烷水煤氣Tl工 藝過程和氫氣制高甲烷氫煤氣T3工藝過程，讓移動床的煤氣化界面既是水煤氣反應(yīng)階段 Tl的相界面，又是甲烷化反應(yīng)階段T3的相界面；使煤氣化層既是甲烷化反應(yīng)階段T3的吸 熱載體，又是水煤氣反應(yīng)階段Tl的供熱載體；水煤氣反應(yīng)階段Tl在氣化層形成的減溫分 布，有利于甲烷化反應(yīng)階段T3增加甲烷濃度上限；甲烷化反應(yīng)階段T3在氣化層形成的加溫 分布，又有利于水煤氣反應(yīng)階段Tl提高水煤氣濃度上限；這兩個互為有利的輪換氣化過程 的有機結(jié)合，還使煤加氫直接甲烷化反應(yīng)放出的顯熱，轉(zhuǎn)化為水煤氣反應(yīng)產(chǎn)物CO和H2的化 學(xué)潛熱，從而進一步提高了本工藝熱效率。
[0014] 1. 5.在兩種入爐氣化劑相互轉(zhuǎn)換前，設(shè)計有惰性氣體置換T2過程或T4過程，用純 蒸汽惰性氣體將入爐管路（3)內(nèi)和爐內(nèi)底部（4)的富氧蒸汽，置換并驅(qū)趕到爐內(nèi)炭層中的 氧化燃燒層7A中燒掉為T2置換過程，用純蒸汽惰性氣體將入爐管路（3)內(nèi)和爐內(nèi)底部（4) 的氫氣，置換并驅(qū)趕到爐內(nèi)炭層中的氧化燃燒層（7B)之上為T4過程，以防止Tl階段的富 氧蒸汽或T3階段的氫氣，在入爐管路（3)內(nèi)和爐底內(nèi)部（4)相遇而出現(xiàn)安全事故；
[0015] 1. 6.在入爐的氫氣氣化劑中均勻混合安全允許范圍內(nèi)的氧氣，通過少量氧氣在爐 渣上部的安全燃燒放熱，減少氫氣氣化劑在高溫氧化層吸收的熱量，以延長氫氣煤氣化直 接進行C+2H2 = CH4的甲烷生成反應(yīng)Τ3的時間段長度，提高直接甲烷化的產(chǎn)率；
[0016] 1. 7.出爐的高甲烷氫煤氣或低甲烷水煤氣經(jīng)洗滌、初步除去焦油、粉塵后，分別經(jīng) 過閥門16A進入高甲烷氫煤氣凈化分離工藝裝置，或閥門14A進入低甲烷水煤氣凈化分離 工藝裝置。
[0017] 2.根據(jù)本案所述的移動床加壓煤氣化生產(chǎn)富甲烷煤氣的工藝和裝置，其特征在 于，富氧蒸汽制低甲烷水煤氣階段T1，開啟蒸汽閥（IA)和（1B)、氧氣閥（2A)和（2B)、惰氣 閥