超临界水条件下煤制甲烷的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及超临界水条件下煤制甲烷的系统和方法，目的是提供一种以煤为原料，在超临界水条件下制取甲烷，将煤中的大分子碳化合物重整转化为小分子的甲烷、CO、H2等的系统和方法。实现上述发明专利技术目的的技术方案是：超临界水条件下煤制甲烷的系统，包括高压柱塞泵、输送管道、超临界反应器、冷凝器和气液分离器，高压柱塞泵、超临界反应器、冷凝器和气液分离器通过输送管道依次连接，所述超临界反应器内装有加热器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及甲烷的制取领域，更具体地说是一种以煤为原料，在超临界水条件下制取甲烷的系统和方法。
技术介绍
我国的化石能源结构是以煤为主、石油和天然气为辅，这是由于各种化石能源的贮藏量的不同而造成的。目前为止，已探明的煤炭储量为1.5万亿吨，按年采20亿吨，可开采750年，而石油储量为16000万吨，仅占世界总量的3％左右，可开采年限只有20.6年；天然气的消费仅占2.1％。煤的利用主要是利用其燃烧热，一般用于直接燃烧，因此热值较低的煤，如褐煤等，其利用途径受到较大的限制；另一方面，煤炭在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、二氧化硫等气体。二氧化硫会导致酸雨，进而污染环境，是要严格控制排放的对象；二氧化碳是最主要的温室气体，也需对其排放进行控制。因此，以煤作为燃料的利用方式存在有很大的不足。而甲烷(CH4，天然气的主要组成)是一种高能值、零排放的清洁燃料和化工原料，其利用过程具有高效性和环境友好性，是未来能源发展的主要方向之一。随着石油、煤炭等化石资源的日益枯竭，在当前大力发展多元能源的形势下，如何利用以碳和氢为主要成分的煤制取CH4替代天然气和作为化工原料，改变我国当前的能源消费结构，既有效利用资源，又发展洁净能源，实现能源的有效替代并同时解决环境问题，是当前的研究重点和热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种以煤为原料，在超临界水条件下制取甲烷，将煤中的大分子碳化合物重整转化为小分子的甲烷、CO、H2等的系统和方法。实现上述专利技术目的的技术方案是：一种超临界水条件下煤制甲烷的系统，包括高压柱塞泵、输送管道、超临界反应器、冷凝器和气液分离器，高压柱塞泵、超临界反应器、冷凝器和气液分离器通过输送管道依次连接，所述超临界反应器内装有加热器。上述技术方案中高压柱塞泵对水煤浆进行加压，加热器用于启动加热，用延长加热时间的办法减小所需的加热功率，使进入超临界反应器的水煤浆达到超临界状态.。所用的超临界反应器既可以是釜式反应器，也可以是管式反应器。作为本专利技术的进一步改进，所述超临界反应器底部设有无机盐分离系统，超临界反应器底部还连接有管道和阀门。反应过程中生成的无机盐通过无机盐分离系统进行分离出来，开启阀门，可排放无机盐，避免对设备的损坏。作为本专利技术的进一步改进，在所述高压柱塞泵、超临界反应器和冷凝器之间的输送管道上还设有换热器，所述高压柱塞泵的输出口接换热器的第一换热通道，高压柱塞泵输出的水煤浆作为冷介质输入换热器，换热后的水煤浆输入超临界反应器；所述超临界反-->应器顶部的输出口接换热器的第二换热通道，所述超临界反应器顶部输出高温高压状态的汽气混合物作为热介质输入换热器，换热后的热介质输入气液分离器。换热器的设置可以使超临界反应器产生的气液化合物和高压柱塞泵输出的水煤浆进行热交换，预热水煤浆，节省加热水煤浆至超临界状态所需的能量。作为本专利技术的进一步改进，所述氧化剂压力泵可以是柱塞泵或压缩机。实现本专利技术的方法技术方案是：一种超临界水条件下煤制甲烷的方法，包括以下步骤(1)用高压柱塞泵，将配制的水煤浆A加压至设定的压力，进入超临界反应器；(2)待超临界反应器中充满一定压力的水煤浆后，启动反应器所带的加热器，将其内的水煤浆静态加热至设定的温度，使其达到超临界状态；(3)当超临界反应器的压力至25～50MPa，温度至380～600℃时，启动高压柱塞泵，调节其流量，使之缓慢上升至额定流量3.2L/h；(4)超临界水煤浆在超临界反应器内停留3～50min，使煤中所含的大分子碳化合物经反应重整出小分子甲烷及CO、H2，同时产生的无机盐沉积于反应器的底部；此时超临界水既是反应介质又时反应物；(5)煤的重整反应为放热反应，从反应器顶部出来的高温高压状态的汽气混合物经冷凝器冷凝后再进行气液分离，经气液分离后出来的气体即为以甲烷为主的气体，出来的液体即为冷凝水。作为本专利技术方法的进一步改进，上述步骤(4)中进一步包括下列步骤：(41)间歇启闭反应器底部的两只阀门，采用外加自来水的方法，从反应器的底部将反应过程中产生的无机盐进行分离。作为本专利技术方法的进一步改进，所述步骤(4)中进一步包括下列步骤：(42)对超临界反应器输入经加压和加热的氧化剂。由于煤的品种不同或煤水比例不同，当反应所需的氧化剂供应不足时，在反应器中加入氧化剂。所用的氧化剂是双氧水、液氧、富氧空气、、空气、高锰酸钾溶液或氯化钾溶液。作为本专利技术方法的进一步改进，上述步骤(5)中进一步包括下列步骤：(51)煤的重整反应为放热反应，从反应器顶部出来的是处于高温高压状态的汽气混合物。为了节能，先将汽气混合物和加压后的水煤浆进行换热，利用其热量对加压后的水煤浆进行预热，换热后的汽气混合物再进行气液分离。作为本专利技术方法的进一步改进，上述步骤(5)之后还包括下列步骤：(6)对气液分离器顶部出来的气体进行成分分析，根据分析结果调节水煤浆中煤与水的混合比。本专利技术提供了一种在超临界水条件下，以煤(水煤浆)为原料连续制取甲烷的方法，可根据所用煤的品种，通过调节操作过程的压力、温度和氧化剂的当量等工艺条件调节产气量和气体的组成，并视情况需要与否决定是否添加催化剂。采用本专利技术处理后，可利用低品位的煤(如褐煤等)制取高热值城市煤气和替代天然气，在保证能源供应的前提下减排二氧化碳，既具有一定的经济效益，还具有较大的社会效益。-->附图说明图1为本专利技术实施例1超临界水条件下煤制甲烷的系统结构示意图其中：1-高压柱塞泵；2-换热器；3-超临界反应器；4-冷凝器；5-气液分离器；6-氧化剂加压泵；7-氧化剂加热器；8-输送管道；9-加热器。具体实施方式下面结合实施例作进一步说明。实施例1如图1所示，一种超临界水条件下煤制甲烷的系统，包括高压柱塞泵1、输送管道8、超临界反应器3、冷凝器4和气液分离器5，高压柱塞泵1、超临界反应器3、冷凝器4和气液分离器5通过输送管道8依次连接。超临界反应器3内装有加热器9。在高压柱塞泵1、超临界反应器3和冷凝器4之间的输送管道上还设有换热器2。高压柱塞泵1的输出口接换热器2的第一换热通道，高压柱塞泵1输出的水煤浆作为冷介质输入换热器2，换热后的水煤浆输入超临界反应器3；超临界反应器3顶部的输出口接换热器的第二换热通道，超临界反应器3顶部输出高温高压状态的汽气混合物作为热介质输入换热器2，换热后的热介质输入冷凝器4。氧化剂柱塞泵6的输出口接氧化剂加热器7的输入口，氧化剂加热器7的输出口接超临界反应器3。含碳量为68％的褐煤经过精洗后配制的水煤浆A由水煤浆柱塞泵1加压，经换热器2换热后进入超临界反应器3。在反应器3内由其自带的加热器加热并发生反应，从反应器3顶部出来的气汽混合物经换热器2换热后由冷凝器4冷凝，进入气液分离器5进行气液分离，分别得到气体产物和水。反应器3的底部设有无机盐分离系统，定时间歇性开启阀门V1和V2，可排放无机盐，避免对设备的损坏。实施例2一种超临界条件下水煤浆制甲烷的方法，包括以下步骤：(1)一定流量的水煤浆A经过水煤浆柱塞泵1加压，通过换热器2后进入反应器3；(2)关闭反应器出口阀，在釜式反应器3中有一定量的水煤浆后，关闭水煤浆柱塞泵，用加热器对水煤浆进行静态加热；(3)当反应器3内的压力至30MPa，温度至395℃时，开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超临界水条件下煤制甲烷的系统，其特征是，该系统包括高压柱塞泵(1)、输送管道(8)、超临界反应器(3)、冷凝器(4)和气液分离器(5)，高压柱塞泵(1)、超临界反应器(3)、冷凝器(4)和气液分离器(5)通过输送管道(8)依次连接；超临界反应器(3)内装有加热器(9)。

【技术特征摘要】
1.一种超临界水条件下煤制甲烷的系统，其特征是，该系统包括高压柱塞泵(1)、输送管道(8)、超临界反应器(3)、冷凝器(4)和气液分离器(5)，高压柱塞泵(1)、超临界反应器(3)、冷凝器(4)和气液分离器(5)通过输送管道(8)依次连接；超临界反应器(3)内装有加热器(9)。2.根据权利要求1所述的煤制甲烷的系统，其特征在于，所述超临界反应器(3)底部设有无机盐分离系统，超临界反应器(3)底部还连接有输送管道(8)和阀门(V)。3.根据权利要求1所述的煤制甲烷的系统，其特征在于，在所述高压柱塞泵(1)、超临界反应器(3)和冷凝器(4)之间的输送管道(8)上还设有换热器(2)，所述高压柱塞泵(1)的输出口接换热器的第一换热通道，高压柱塞泵(1)输出的水煤浆作为冷介质输入换热器(2)，换热后的水煤浆输入超临界反应器(3)；所述超临界反应器(3)顶部的输出口接换热器的第二换热通道，所述超临界反应器(3)顶部输出高温高压状态的汽气混合物作为热介质输入换热器(2)，换热后的热介质输入冷凝器(4)。4.根据权利要求1所述的煤制甲烷的系统，其特征在于，所述煤制甲烷的系统中还设有氧化剂压力泵(6)和氧化剂加热器(7)，所述氧化剂压力泵(6)的输出口接氧化剂加热器(7)的输入口，氧化剂加热器(7)的输出口接超临界反应器(3)。5.根据权利要求1所述的煤制甲烷的系统，其特征在于，所用的超临界反应器(3)为釜式反应器或管式反应器。6.一种超临界水条件下煤制甲烷的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：(1)用高压柱塞泵，将配制的水煤浆加压...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖传华，方向，朱跃钊，欧阳平凯，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32