本發(fā)明涉及一種以焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)催化重整提高焦油產(chǎn)率的裝置及方法，屬于能源技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今社會(huì)，國家提倡發(fā)展新能源，如潮汐能、太陽能等，但是技術(shù)目前還不成熟，無法完全替代現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，所以一次能源依舊是我國主要利用的能源。但作為主要能源，在滿足人們需求的同時(shí)，隨之而來的還有能源枯竭與環(huán)境污染等問題。煤炭在代替石油方面，已經(jīng)具備了相當(dāng)成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，因此煤產(chǎn)油已成為重要的技術(shù)方案。煤熱解是一個(gè)簡單的熱加工過程，煤熱解工藝是使煤炭利用率提高的一種工藝。傳統(tǒng)煤熱解過程中存在焦油產(chǎn)率低等問題。研究表明煤熱解過程中焦油的形成與裂解自由基有關(guān)。煤加氫熱解可以有效提高煤熱解過程中的焦油產(chǎn)率已得到證明，但氫氣價(jià)格昂貴，甲烷是天然氣和煤層氣的主要成分，經(jīng)檢驗(yàn)煤熱解氣即焦?fàn)t煤氣中含有50％左右的氫氣和25％左右的甲烷，所以考慮用焦?fàn)t煤氣在一定程度上可以減少加氫量。

目前提高焦油產(chǎn)率主要是通過以下幾類方法來實(shí)現(xiàn)：

煤的預(yù)處理：熱解之前經(jīng)過一系列的處理，一定程度上改變煤的結(jié)構(gòu)來提高熱解過程的焦油產(chǎn)率和質(zhì)量。周強(qiáng)等研究表明，適量H₂預(yù)處理可提高熱解焦油產(chǎn)率，降低熱解水的產(chǎn)率。用CO₂和N₂預(yù)處理效果顯示對(duì)焦油產(chǎn)率影響不大。

反應(yīng)氣氛：熱解過程中，為了最大程度上提高焦油產(chǎn)率。在熱解過程中，一般選擇含氫較多的氣氛，因?yàn)樗跓峤膺^程中可以產(chǎn)生較多的自由基。

1.中國專利200510045853.8公開了甲烷氣氛下的熱解，采用的方案是：以甲烷為反應(yīng)氣提高煤熱解焦油產(chǎn)率的方法，以甲烷為反應(yīng)氣，并在甲烷中加入適量氧化劑，混合后經(jīng)過金屬鎳催化劑催化活化后對(duì)煤進(jìn)行熱解；條件為：壓力為 0.1-3MPa，溫度 400-800℃，恒溫 0-60min。結(jié)果表明焦油產(chǎn)率高于相同條件下加氫氣氛下，同時(shí)半焦收率也高于相同條件要加氫氣氛下。

2.焦?fàn)t煤氣氣氛下的熱解：焦?fàn)t煤氣中含有大量的氫氣和甲烷。研究者在將焦?fàn)t煤氣作為反應(yīng)氣氛時(shí)一般只關(guān)注其中的氫氣，但是沒有考慮到甲烷的作用。中國專利98104732.7的技術(shù)方案為：以褐煤及煙煤為原料，加入適量的廢塑料通入焦?fàn)t煤氣中對(duì)煤進(jìn)行熱解。條件為：壓力為0.1～5MPa，溫度為400～800℃，恒溫10分鐘，結(jié)果顯示焦油含量高于相同條件下氮?dú)鈿夥盏?。但是二氧化碳的制備來源成本較高。

3.其他富含甲烷混合氣氣氛下的熱解：中國專利201510141584.9利用熱解氣回爐催化轉(zhuǎn)化提高煤焦油的產(chǎn)率，反應(yīng)條件為溫度 500-650℃，空速 1200-6000mL/g·h，催化劑和煤樣質(zhì)量比 1:10，壓力 0.1Mpa，恒溫 30min。結(jié)果顯示焦油產(chǎn)率高于相同條件下氮?dú)獾漠a(chǎn)率。中國專利201010300034.4的方案是采用一種以富含甲烷混合氣為反應(yīng)氣氛提高流化床煤熱解焦油產(chǎn)率的方法，以富含甲烷的混合氣為反應(yīng)氣，結(jié)果也顯示焦油產(chǎn)率高于相同條件下氫氣和氮?dú)鈿夥障?。但是二氧化碳的制備來源成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種以焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)催化重整提高焦油產(chǎn)率的裝置及方法，以焦?fàn)t煤氣和焦?fàn)t燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳作為反應(yīng)氣，通過催化劑催化重整來提高煤熱解焦油產(chǎn)率，在一定程度上減少了加氫的量，節(jié)約成本，焦油的產(chǎn)率也高于相同條件下 N₂氣氛下焦油產(chǎn)率，在一定條件下還高于氫氣氣氛下的焦油產(chǎn)率。

本發(fā)明提供了一種以焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)催化重整提高焦油產(chǎn)率的裝置，包括焦?fàn)t、氣固分離器、冷凝器、油水分離器、外熱式水蒸氣氣化裝置、氣體混合器；焦?fàn)t內(nèi)部為炭化室，炭化室為圓柱結(jié)構(gòu)，炭化室外側(cè)為環(huán)形的燃燒室，炭化室內(nèi)設(shè)有催化重整反應(yīng)裝置，該重整反應(yīng)裝置由豎直空心管和空心圓盤組成，炭化室中心設(shè)有能旋轉(zhuǎn)的豎直空心管，豎直空心管內(nèi)部為催化劑層，在豎直空心管內(nèi)發(fā)生催化重整反應(yīng)；豎直空心管外壁套有平行設(shè)置的空心圓盤，空心圓盤為環(huán)形板結(jié)構(gòu)，環(huán)形板上均勻設(shè)有孔，空心圓盤的內(nèi)側(cè)為敞開式，豎直空心管與空心圓盤接觸處相通；炭化室頂部設(shè)有集氣管，集氣管連接氣固分離器，氣固分離器另一端與冷凝器連接，冷凝器上部出口與氣體混合器相連接，冷凝器下部出口依次連接油水分離器和外熱式水蒸氣氣化裝置，氣化裝置底部與氣體混合器相連接；從燃燒室頂部排出的廢氣部分與氣體混合器相連接，氣體混合器與炭化室內(nèi)的豎直空心管底部相連接。

上述裝置中，所述空心圓盤為上下平行設(shè)置，且空心圓盤的外徑從上到下依次增大。

上述裝置中，所述重整反應(yīng)裝置的豎直空心管直徑與炭化室的直徑比為0.02-0.1：1，空心圓盤的外徑為100~200cm，空心圓盤的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際空心管的高度定。

上述裝置中，空心圓盤均勻分布在豎直空心管外側(cè)，間距為50-100cm；空心圓盤外徑為100-2000厘米。

上述裝置中，空心圓盤上設(shè)有均勻的孔，其孔徑為2-3mm，兩孔之間等間距，間隔為5-10cm。

上述裝置中，所述豎直空心管與空心圓盤內(nèi)側(cè)焊接在一起。

本發(fā)明提供了一種以焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)催化重整提高焦油產(chǎn)率的方法，將焦?fàn)t煤氣與燃燒室燃燒生成的二氧化碳以及水蒸氣作為反應(yīng)氣，通入到催化劑層，通過催化劑催化重整后，對(duì)煤進(jìn)行熱解，煤熱解的反應(yīng)條件為：溫度為500～1100℃，恒溫5-12小時(shí)，催化劑與煤樣質(zhì)量比為1：100-500，壓力為0.1～3MPa。

上述方法具體包括以下步驟：（1）熱解生成的產(chǎn)物隨氣體帶出焦?fàn)t，然后通過熱態(tài)氣固分離器分離出氣體和半焦/焦，再通過冷凝器分離出油水混合物和焦?fàn)t煤氣，然后通過油水分離器分離出焦油和水，將水通過外熱式水蒸氣氣化裝置氣化為水蒸氣，然后通入到氣體混合器；

（2）熱解生成的產(chǎn)物隨氣體帶出焦?fàn)t，然后通過熱態(tài)氣固分離器分離出氣體和半焦/焦，再通過冷凝器分離出油水混合物和焦?fàn)t煤氣，然后焦?fàn)t煤氣通入到氣體混合器；

（3）焦?fàn)t燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳通入氣體混合器；

（4）水蒸氣、焦?fàn)t煤氣和二氧化碳三種氣體經(jīng)氣體混合器充分混合后通入到重整反應(yīng)裝置中。

上述方法中，熱解所用的煤為粉煤或塊煤。

上述反應(yīng)過程中，豎直空心管與空心圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為30-60轉(zhuǎn)/小時(shí)。

本發(fā)明原理：首先將焦?fàn)t煤氣、焦?fàn)t燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳以及水蒸氣通入催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體流通入煤中，在該氣氛下對(duì)煤進(jìn)行熱解。二氧化碳與甲烷發(fā)生重整反應(yīng)，一氧化碳與水之間發(fā)生水煤氣反應(yīng)，兩種反應(yīng)過程中產(chǎn)生的·H中間體可以與熱解過程中產(chǎn)生的大分子自由基相互作用，從而提高焦油產(chǎn)率。本發(fā)明以焦?fàn)t煤氣和燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳作為反應(yīng)氣，降低了加氫成本，從一定程度上減緩了溫室效應(yīng)，改善環(huán)境；并且通過調(diào)整焦?fàn)t內(nèi)部催化劑與煤的接觸方式，增加煤與反應(yīng)氣的接觸面積，提高利用率，節(jié)省反應(yīng)時(shí)間；并且催化劑與煤分層，催化劑易于回收利用，煤焦油產(chǎn)率高。

本發(fā)明的有益效果：

(1)所用氣體原料為焦?fàn)t煤氣以及燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳，生產(chǎn)成本大大降低；

(2)催化劑可以重復(fù)利用；

(3)焦油產(chǎn)率較N₂氣氛下大大提高；

(4)將煤燃燒后的尾氣加以利用，減少溫室效應(yīng)，降低環(huán)境污染；

(5)受熱比較均勻；

(6)明顯提高焦油的產(chǎn)率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為空心圓盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為空心圓盤的俯視圖。

圖中：1 空心圓盤；2 炭化室；3 氣固分離器；4 冷凝器；5 油水分離器；6 燃燒室；7 圓孔；8 豎直空心管；9 催化劑層；10 廢氣；11 外熱式水蒸氣氣化裝置；12 后續(xù)合成工段；13 氣體混合器；14 集氣管。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

如圖1~3所示，一種以焦?fàn)t煤氣為原料經(jīng)催化重整提高焦油產(chǎn)率的裝置，包括焦?fàn)t、氣固分離器3、冷凝器4、油水分離器5、外熱式水蒸氣氣化裝置11、氣體混合器13；焦?fàn)t內(nèi)部為炭化室2，炭化室2為圓柱結(jié)構(gòu)，炭化室2外側(cè)為環(huán)形的燃燒室6，炭化室2內(nèi)設(shè)有催化重整反應(yīng)裝置，該重整反應(yīng)裝置由豎直空心管8和空心圓盤1組成，炭化室2中心設(shè)有能旋轉(zhuǎn)的豎直空心管8，豎直空心管8內(nèi)部為催化劑層9，在豎直空心管8內(nèi)發(fā)生催化重整反應(yīng)；豎直空心管8外壁套有平行設(shè)置的空心圓盤1，空心圓盤1為環(huán)形板結(jié)構(gòu)，環(huán)形板上均勻設(shè)有圓孔7，空心圓盤1的內(nèi)側(cè)為敞開式，豎直空心管8與空心圓盤1接觸處相通；炭化室2頂部設(shè)有集氣管14，集氣管14連接氣固分離器3，氣固分離器3另一端與冷凝器4連接，冷凝器4上部出口與氣體混合器13相連接，冷凝器4下部出口依次連接油水分離器5和外熱式水蒸氣氣化裝置11，氣化裝置底部與氣體混合器13相連接；從燃燒室6頂部排出的廢氣部分與氣體混合器13相連接，氣體混合器13與炭化室2內(nèi)的豎直空心管8底部相連接。

上述裝置中，所述空心圓盤1為上下平行設(shè)置，且空心圓盤的外徑從上到下依次增大。

上述裝置中，所述重整反應(yīng)裝置的豎直空心管8直徑與炭化室的直徑比為0.02-0.1：1，第一個(gè)空心圓盤外徑為100cm，與空心管比為2:1，第二個(gè)空心圓盤外徑為150cm，第三個(gè)空心圓盤外徑為200cm，依次增加，空心圓盤個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際空心管高度定。

上述裝置中，空心圓盤1均勻分布在豎直空心管8外側(cè)，間距為50-100cm；空心圓盤外徑為100-2000厘米。本例中，空心圓盤均勻的焊接在豎直空心管上，空心圓盤內(nèi)徑為50cm。

上述裝置中，空心圓盤1上設(shè)有均勻的圓孔7，其孔徑為2-3mm，兩孔之間等間距，間隔為5-10cm。

上述裝置中，所述豎直空心管8與空心圓盤1內(nèi)側(cè)焊接在一起。

上述裝置的工藝流程為：將焦?fàn)t煤氣與燃燒室燃燒生成的二氧化碳以及水蒸氣作為反應(yīng)氣，通入到催化劑層，通過催化劑催化重整后，對(duì)煤進(jìn)行熱解，煤熱解的反應(yīng)條件為：溫度為500～1100℃，恒溫5-12小時(shí)，催化劑與煤樣質(zhì)量比為1：100-500，壓力為0.1～3MPa。

具體包括以下步驟：

（1）熱解生成的產(chǎn)物隨氣體帶出焦?fàn)t，然后通過熱態(tài)氣固分離器分離出氣體和半焦/焦，再通過冷凝器分離出油水混合物和焦?fàn)t煤氣，然后通過油水分離器分離出焦油和水，將水通過外熱式水蒸氣氣化裝置氣化為水蒸氣，然后通入到氣體混合器；

（2）熱解生成的產(chǎn)物隨氣體帶出焦?fàn)t，然后通過熱態(tài)氣固分離器分離出氣體和半焦/焦，再通過冷凝器分離出油水混合物和焦?fàn)t煤氣，然后焦?fàn)t煤氣通入到氣體混合器；

（3）焦?fàn)t燃燒室產(chǎn)生的二氧化碳通入氣體混合器；

（4）水蒸氣、焦?fàn)t煤氣和二氧化碳三種氣體經(jīng)氣體混合器充分混合后通入到重整反應(yīng)裝置中。

上述方法中，熱解所用的煤為粉煤或塊煤。

上述方法中，反應(yīng)過程中，豎直空心管與空心圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為30-60轉(zhuǎn)/小時(shí)。

下面通過具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明的實(shí)施效果：

實(shí)施例 1

N2氣氛下熱解

將一定大小的煤在熱解溫度500℃-1100℃范圍內(nèi)，壓力為常壓，停留時(shí)間為1小時(shí)，氮?dú)饬魉贋?00ml/min。焦油產(chǎn)率在 500℃，600℃，700℃，800℃,900℃分別為 4.17%，4.14%，4.46%，4.63%，4.52％。

實(shí)施例 2

焦?fàn)t煤氣、燃燒廢氣及水蒸氣混合氣氛下熱解

將一定大小的煤在熱解溫度500℃-1100℃范圍內(nèi)，壓力為常壓，停留時(shí)間為1小時(shí)，焦?fàn)t煤氣、燃燒廢氣及水蒸氣混合氣流速為600ml/min。焦油產(chǎn)率在 500℃，600℃，700℃,800℃，900℃，分別為 4.35%，4.63%，5.06%，4.74%，4.63％。

實(shí)施例 3

Ni/Al₂O₃催化活化混合氣熱解

選用催化劑為Ni/Al₂O_3，將一定大小的煤在熱解溫度500℃-1100℃范圍內(nèi)，壓力為常壓，停留時(shí)間為1小時(shí)，混合氣流速為600ml/min。焦油產(chǎn)率在 500℃，600℃，700℃,800℃，,900℃，分別為：3.49%，3.56%，4.96%，4.68%，4.71％。

實(shí)施例 4

Ni/MgO催化活化混合氣熱解

選用催化劑為Ni/MgO，選用催化劑為Ni/Al₂O_3，將一定大小的煤在熱解溫度500℃-1100℃范圍內(nèi)，壓力為常壓，停留時(shí)間為1小時(shí)，混合氣流速為600ml/min。焦油產(chǎn)率在500℃，600℃，700℃,800℃，900℃，分別為3.67%，4.01%，6.96%，4.03%，4.02％。

實(shí)施例 5

Ni/MgO催化活化不同流量混合氣熱解

選用催化劑為Ni/MgO，將一定大小的煤在熱解溫度500℃，混合氣空速在1200-6000mL/g·h 范圍內(nèi)條件下熱解，停留時(shí)間為一小時(shí)。焦油產(chǎn)率在 1200mL/g·h，2400mL/g·h，3600mL/g·h， 4800mL/g·h，6000mL/g·h 分別為 ：6.74%，7.44%，5.51%，5.12%，4.91%。

由實(shí)施例 1-5 結(jié)果可以看出，焦?fàn)t煤氣、燃燒廢氣及水蒸氣混合氣氣氛下可以提高焦油的產(chǎn)率，最適合應(yīng)溫度為 500℃-600℃，最適合應(yīng)流量為400mL/min。Ni/MgO 三種催化劑能夠活化混合氣，明顯提高焦油產(chǎn)率。Ni/Al₂O₃對(duì)提高焦油的產(chǎn)率作用并不明顯。