劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成气的方法

摘要

本发明涉及一种采用劣质煤全氧化，以纯氧与水蒸汽为气化剂，在常压下生产甲醇和二甲醚合成气的方法。该方法包括原料煤的干燥、破碎、筛分，达到10mm以下粒度的粉煤，通过供煤机送入炉内与由喷嘴喷入炉内纯氧和蒸汽混合而成的气化剂发生气化反应，生产出甲醇合成原料气。此生产方法具有原料煤资源丰富，价格低廉，投资小，设备结构与工艺流程简单，运行稳定，气化强度大，原料气成本低，设备运转周期长，故障率低，设备维修量少，维护费用低，三废处理简单等优点，是一种生产合成气的新方法。

说明书

技术领域

本发明涉及生产甲醇合成气领域，特别是涉及一种劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成气的方法。

技术背景

目前，在化工生产中，以煤造气生产甲醇的气化工艺主要有壳牌干粉煤气化工艺，德士古水煤浆加压气化工艺，鲁奇固定床加压气化工艺和固定床间歇常压气化工艺。以上这几种气化技术在国内化工企业中相继得到了推广和应用。由于壳牌干粉煤气化、德士古水煤浆加压气化、鲁奇固定床加压气化等均是从国外引进的大型煤气化技术，设备投资昂贵，运行维护成本高，要用优质无烟煤。而间歇式固定床常压气化技术落后，产气量低，原料局限于焦炭和优质无烟块煤，价格昂贵且供不应求，甲醇合成原料气生产成本高，对环境易造成污染，流程复杂，合成气的H₂O/CO≤1，其值偏低，削弱以煤价格低廉的优势。

中国专利CN2513997Y，1418935，采用块煤和天然气为原料，以及特定结构的合成气制备炉，气化反应中加块状石灰石等，给造气及排渣处理造成流程复杂，难度增加，尽管采用部分块煤代替部分天然气，工艺流程复杂，但成本很高，尤其近年来天然气价格昂贵，无天然气地区难以实现。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术和生产工艺存在不足之处，经发明人多年开发研究及长期工业化生产实践，开发出一种采用劣质煤的全氧气化，投资小，工艺流程简单，运行平稳，气化强度大，成本低，设备简单运转周期长，设备维修费用低，三废处理简单，安全可靠的劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成气的新方法。

本发明提供的劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成气的方法，包括下列步骤：

①原料煤的预处理将劣质原料煤经干燥、破碎及筛分得到粒度10mm以下粉煤直接送入贮煤仓内，供气化炉制气用原料粉煤；

②原料粉煤的输送

将步骤①中的贮煤仓内的原料粉煤用螺旋给煤机送入气化炉下部锥体段内，在输煤过程中，贮煤仓内通入压力为35KPa的氮气作为安全气，防止炉内气倒回贮煤仓内；

③气化反应

在气化炉内，将浓度为99％的压力为45KPa氧气与压力为0.3MPa的低压蒸汽组成的气化剂，在混合器内均匀混合后，通过位于气化炉中、下部的上、下气化剂喷嘴层喷入气化炉内与炉内燃烧着处于流化状态的粉煤发生气化反应，炉下部气化反应温度为950-1000℃，反应压力为8-11Kpa，中部气化反应温度为1000-1050℃，氧气与低压蒸汽之比为1∶0.8-0.9(体积比)，粉煤与蒸汽之比为3.4-3.8∶1(重量比)上下喷嘴氧气比为1∶3.0-4.5；

④合成气的降温净化除尘

由气化炉顶部产出的合成气经上气道进入炉出口旋风分离器除尘，分离下来未反应粉煤通过回流管返回气化炉，再次进行流化气化反应，离开旋风分离器的高温含尘合成气去废热锅炉系统回收热量，将合成气降温至150-200℃后进入空喷塔初步洗涤除尘，再进入合成气洗涤塔进一步洗涤除尘后，再经文丘里除尘器再次除尘后，产出合格合成气；

⑤灰渣适时控制排渣

根据气化炉气化床层阻力，通过锥体末端八字排管适时控制排渣。

按照本发明提供的劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成气的方法中，所述劣质煤是煤炭工业领域熟知的各种低质量煤，例如，长烟煤，不粘煤性烟煤，弱粘煤性烟煤，高灰份的褐煤等，由于煤价低廉，有利于降低生产成本。原料煤预处理简单，只需经过一级干燥，破碎，筛分即可符合生产合成气要求。由于煤价低，可以实现低成本生产，吨甲醇的原料成本比采用天然气制甲醇原料成本低200元左右。

经干燥、破碎，筛分粉煤粒度为10mm以下，直接送入贮煤仓，若有筛出大于10mm粒度的原料劣质煤返回送至破碎，筛分，使其粒度在10mm以下送入贮煤仓，供气化炉造气使用。上述粉煤由皮带送至气化装置(总称)受料斗，经螺旋给煤机送至加压贮煤仓，煤仓充氮气保压至35KPa进行保护，防止炉内气倒回贮煤仓内，煤仓例如容积为270立方米，设有料位测量及报警装置。加压煤仓中的粉煤由下部三台螺旋给煤机(根据生产能力及每台给煤机的功率而定)通过频率的调控向气化炉下部锥体部位送煤，粉煤加入炉中，通过炉体中部的点火孔伸入外接燃气将炉内的原料粉煤点燃。

所述气化炉为空筒结构，上部为直筒段，底部为锥体段，炉体内衬耐火材料，两层可拆卸的喷嘴分别设在炉体中部直筒段和下部锥体段，锥体段的喷嘴层(称下喷嘴层)设4-12个喷嘴，优、选为6-8个喷嘴，与炉体成一定角度(与锥面呈现20°-30°角)均匀分布在炉锥体的横截面上；中部直筒段的喷嘴层(称上喷嘴层)设16-30个喷嘴，优选为20-26个喷嘴，垂直于炉体均匀分布于筒体园截面上。例如工业生产用气化炉单台炉可产合成气可达4.0万Nm³/h，直径5米，内径4米，高41米，下部为高4米的锥体段，上部为直筒段，下喷嘴层位于锥体段3-3.8米处，上喷嘴层位于距炉顶18-20米处。该气化炉结构简单，维修量小，由于取消了气化炉底部的炉蓖，避免了原来存在炉底结渣等问题，气化炉本体实际上就是一个空筒结构。气化炉仅由内衬耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成，没有传动部分和易损部件，而床层温度相对气流床气化炉要低得多，对耐火材料的磨损和侵蚀强度大大降低，因此，对耐火材料要求不高，气化炉运转率较高。

气化炉运转备少(只有三台螺旋给煤机和两台螺旋排渣机)运转设备结构简单，运转周期长，故障率低，设备维修量少，维护费用低。在气化炉中进行气化反应，将经气化剂混合器内充分混合气化剂—浓度为99％的压力为45Kpa氧气(空分氧气)与压力为0.3Mpa低压蒸汽组成的气化剂(氧气与蒸汽的体积比1∶0.8-0.9)，由下喷嘴层喷入，借助气化剂自身的压力将炉内燃烧的粉煤吹起沸腾流化，使炉内原料粉煤处于沸腾流化状态，原料粉煤与氧气、蒸汽充分接触，在气化炉直筒段发生气化反应，控制炉下部反应温度在950-1000℃，气化炉内反应压力为8-11Kpa，控制适当的气体流速，即控制下喷嘴层喷入气化剂的量使得上下喷嘴层喷入气化剂的量处于一个适当比例，例如氧气比为1∶3.0-4.5以利于整个炉内温度的控制。使流化床内气固相接触较好，加强了热传导和热交换，强化了传热传质过程，使气体趋于完善。

由上喷嘴层喷入气化剂入气化炉内，与从床层下部携带细小粉煤碳粒上升到炉体中部进一步反应，中部气化反应温度为1000-1050℃，由此减少炉内粉煤浓度并降低带出物的量，改善炉内气化反应条件，使气化强度增加。气化强度较高，床层温度可达到1050℃左右，且炉内温度分布均匀，均在900-950℃以上，原料中挥发份受热迅速分解，焦油高碳氢化合物等裂解比较完全，从而合成气基本上不含焦油酚类等，减轻净化负担和污染，改善环境。离开气化炉温度为930-980℃的合成气，最后气体离开气化炉后，进入炉出口旋风分离器(通用型)，分离下来未反应粗颗粒飞灰通过回流管(内径为200mm)返回气化炉进料部位，再次在炉内参加流化气化反应，不仅提高了气化过程的整体碳转化率，而且可以使飞灰含碳量降低到20％以下，从而提高了气化过程的效率及煤炭能源的利用率。使单台炉产合成气可达4.0万Nm³/h.碳利用率可达92％，合成气中有效成份较高，H₂+CO可达75％左右，H₂/CO比大于1。

气化炉内气化床层的温度主要由加入劣质粉煤的量，氧气量及蒸气量，三者来调节，当氧气量和蒸气量即气化剂稳定前题下，气化床层温度主要由加入粉煤量调节。气化剂中氧气与蒸气的体积比一般1∶0.8-0.9。劣质煤与蒸汽重量比为3.4-3.8∶1，其中氧气来自空分氧气，纯度过在99％，压力为45Kpa，蒸气为0.3Mpa的低压蒸汽，进入气化炉之前通过混合均匀后由炉上下喷嘴层喷入气化炉内，与炉内燃烧着处于流化状态的粉煤发生气化反应，产出甲醇合成气。

离开旋风分离器的高温气体，经三通管进入废热锅炉上部，下部出来的合成气进给水加热器。加热器出来的合成气温度降至150-200℃。

废热锅炉产3.9MPa饱和蒸汽，并入厂中压蒸汽管网，小时产气量为22吨，废锅入口三通管，废热锅炉和给水加热器分离下来的灰进入下部水封槽，随水封加水排走。

回收余热后的合成气，进入洗涤除尘系统(通用设备工艺)，首先进入空喷塔激冷除尘，然后进填料洗涤塔除尘，最后经两级串联的文丘里洗涤除尘器除尘，使气体含尘量由废锅入口的65g/Nm³降至60mg/Nm³，气体温度降至40℃以下，送至气柜贮存。

所述排渣是根据气化床层阻力适时控制排渣，气化炉下喷嘴以下为气化反应灰渣层，运行中存留在此处的灰渣通过锥体末端的“八”字排管，可分两路间断排至渣仓，渣仓设有料位测量，贮存一定量后，排到渣车外运，气化炉排渣温度为700-800℃，渣外排前可向渣仓内加水或加蒸汽降温。

本发明提供的合成气主要工艺参数：

合成气组成：

                         合成气组成(％)(V)  CO  H₂  CO₂  CH₄  O₂  N₂  CO+H₂  35.2  38.8  22.2  2.5  0.4  1.1  74

气化剂及煤耗指标

  耗氧气量  (m³/h)  耗蒸汽量  t/h  耗煤量  t/h  产煤气量  Nm³/h  9532  8.45  29.7  44533

灰渣残碳量：11.45％

碳的转化率：91.89％

气化效率：72.62％

本发明提供劣质煤全氧气化生产甲醇和二甲醚合成原料气的方法特点：

1、气化原料煤采用劣质煤，原料价格低，生产合成气成本低，原料煤预处理简单。

2、气化强度大，单台气化炉甲醇合成气产量可达4.0Nm³/h，碳利用率可达92％，合成气有效成份较高，H₂+CO可达74％左右。

3、气化温度高，床层温度可达到1050℃左右，炉内温度分布均匀，合成气中不含焦油，酚类等物质，减轻净化负担和污染。

4、合成气带出物循环回炉，通过设在气化炉中部的上喷嘴层喷入气化剂，使从床层下部夹带的细粒粉煤进一步气化，并使原料煤在气化炉下部产生的挥发分进一步分裂解成甲烷等合成气组分；另外采取将旋风除尘器分离出的粗颗粒飞灰返回气化炉参加反应，不仅提高了气化过程的整体碳转化率，而且可以使飞灰含碳量降低到20％以下，从而提高了气化过程中煤炭能源的利用率。

5、运行稳定周期长，操作弹性大，生产负荷可以在60-105％范围内任意调节。

6、操作方便，干扰因素少，观察直观，开停车容易，实现DCS集中控制。

7、气化炉直径5米内径4米高41米下部为高4米的锥体段，上部为直筒段，为气体反应提供了充分的反应空间。

8、气化炉结构简单，维修量小，由于取消了气化炉底部的炉蓖，避免了原来存在的炉底结渣等问题，气化炉本体实际上就是一个空筒结构。气化炉仅由内衬耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成，没有传动部分和易损部件，而床层温度相对气流床气化炉要低得多，对耐火材料的磨损和侵蚀强度大大降低，因此，对耐火材料要求不高，气化炉运转率较高。

9、气化炉运转设备少(只有三台螺旋供煤机和两台螺旋排渣机)，运转调设备结构简单，运转周期长，故障率低，设备维修量少，维护费用低。

10、投资省，建设周期短，半年即可投产。

具体实施方案：

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于实施例。

实施例1

采用内蒙古免渡河长煤(属劣质煤)，进行纯氧气化，生产甲醇合成气，原料入炉通过调节气化剂中氧气与水蒸汽配合比和入炉煤量来调节气化炉中部温度、底部温度，进而控制气化床层温度，通过调节上下喷嘴层气化剂比例来调节原料气组分。使炉中部温度控制在970-990℃之间，炉下部温度960-980℃，控制上下喷嘴喷入氧气比例1∶4，达到了比较理想的气化效果。

主要工艺参数：

入炉煤量：25t/h

入炉氧气量：9500m³/h

入炉氧气压力：45KPa

氧气浓度：99％

入炉蒸汽量：7.6t/h

炉上部温度：900-950℃

炉中部温度：970-990℃

炉下部温度：960-980℃

灰渣残碳：11.46％

飞灰残碳：20.4％

合成气组成及产气量

 组份  CO  H₂  CO₂  CH₄  N₂  CO+H₂ 组成 V(％)   35.8   37.5   21.2   2.8   2.3   73.3

合成气产量：41340Nm³/h

实施例2

采用内蒙古大雁褐煤，纯氧气化，生产甲醇合成气，根据入炉原料煤性质和加入量，调节入炉氧气和水蒸汽的配合比例，来控制、调节气化炉中部温度，底部温度，调节气化床层温度。通过调节上下喷嘴层气化剂比例，来微调原料气组份。使炉中部温度控制在950-980℃，炉下部温度控制在940-960℃，上下喷嘴氧气比例控制在1∶3.5，使发生炉处于理想的气化状态。

主要工艺参数：

入炉煤量：28.8t/h

入炉氧气量：9460m³/h

入炉氧气压力：45KPa

氧气浓度：99％

入炉蒸汽量：7.4t/h

炉上部温度：900-920℃

炉中部温度：950-980℃

炉下部温度：940-960℃

灰渣残碳：6.28％

飞灰残碳：21.06％

合成气组成及产气量

 组份  CO  H₂  CO₂  CH₄  N₂  CO+H₂ 组成 V(％)   35.6   38.3   21.9   2.4   1.8   73.9

合成气产量：43530Nm³/h。