基本信息
- 项目名称：
- CH4/CO2催化重整与煤热解耦合反应系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品提出了一种基于CH4/CO2重整与煤热解耦合反应的新理念，设计并构筑了结构独特的耦合反应系统，建立了5-10kg/h煤的低温热解连续化装置，实现煤的低温高效热解，大幅提高焦油产率。耦合反应器和重整催化剂是提高焦油收率的关键。采用本作品的耦合新技术，焦油产率高达传统加氢热解的1.4倍。本作品突破传统煤热解模式，实现了催化转化技术与传统煤热解工艺有机融合，是一种新型的热解技术，有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 煤的热解工艺是一种在温和条件下由煤制备高附加值化工原料或优质液体燃料的技术方法。传统的煤热解技术所得焦油量少，加氢热解虽可以提高富含芳香性化学品的煤焦油收率，但较高的制氢成本和复杂的制氢工艺成为制约其规模化应用的一个瓶颈性难题。 本作品提出了一种以甲烷二氧化碳重整反应气作为煤加氢热解过程中的氢气气源，在结构独特的耦合反应系统上实现煤的低温高效热解。该耦合反应体系是一个由气体预热、耦合反应器、气固分离、焦油捕集和控制系统等五部分组成的新颖的一体化煤热解系统，新结构的耦合反应器是技术的核心和关键。采用高效催化剂和耦合重整反应系统，大幅度提高了焦油的产率。基于甲烷二氧化碳重整与煤热解耦合反应的新理念，设计建立了每小时5-10kg煤的低温热解连续化装置。与常规加氢煤热解技术相比，甲烷二氧化碳重整与煤热解反应耦合新技术的焦油产率提高了1.4倍；与传统的煤热解技术相比，耦合新技术的焦油产率提高了1.6倍。 该作品突破了传统煤热解模式，实现了催化转化技术与传统的煤热解工艺有机融合，是一种新型的煤炭热解技术，有广阔的应用前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：设计并构建一种将CH4/CO2重整与低温煤热解反应耦合于一体的反应系统，大幅度提高煤焦油产率，为煤炭的分级转化、高附加值的有效综合利用开辟新途径。 基本思路：耦合反应器是该反应系统的核心。根据CH4/CO2重整反应与煤热解反应的特点，耦合反应器采用固定床反应器和流化床反应器有机组合的结构。其中，固定床反应器部分进行高温甲烷催化重整反应，产生的高温和高活性富氢气体作为反应性流化介质进入流化床反应器，在温和条件下实现煤低温热解反应的连续化。 创新点：(1)提出了一种基于CH4/CO2重整与煤热解耦合反应的新理念，设计并构筑了结构独特的耦合反应系统，建立了5-10kg/h煤的低温热解连续化装置，实现煤的低温高效热解。(2)大幅提高焦油产率，耦合体系焦油产率比加氢热解提高40%。(3)建立了一种新型的低温煤热解方法，丰富了煤热解技术。 技术关键主要涉及二个层面，即新型耦合反应器的设计构筑和高效重整催化剂的创制。新型耦合反应器的设计，使CH4/CO2重整和煤热解反应分别在其最优温度下进行，离开固定床反应段的高温富氢气体流量和能量与煤流化热解所需的反应介质的流量和能量有机匹配。高效重整催化剂的创制，则保证反应系统连续高效运行，能够避免催化剂的积碳失活，保证煤热解反应在最优温度区进行。 主要技术指标 1.实现处理量为5-10kg/h煤的低温热解与CH4/CO2重整耦合系统的连续运行；2.大幅提高煤焦油收率，耦合体系焦油收率分别是加氢热解和氮气气氛下的1.4倍和1.6倍。
科学性、先进性
- 经过科技查新，国内外关于通过改变热解气氛提高低温煤热解焦油产率的方法主要有加氢热解、催化加氢热解、以焦炉煤气或添加有机质替代氢气热解，而未见以CH4/CO2重整气为高温高还原性气氛，进行煤的流态化低温热解的耦合反应体系的任何报道。 与现有的常规加氢热解、催化加氢热解技术相比，本作品利用了CH4、CO2两种温室气体为原料， Ni/MgO/Al2O3为重整催化剂，在耦合热解反应系统中，基于甲烷裂解产生的自由基与煤热解生成自由基的有效耦合反应，大幅度提高了煤焦油产率,避免了传统的煤加氢热解技术面临的昂贵制氢成本等难以逾越的瓶颈性难题。在相同的热解条件下，采用本作品的耦合新技术，煤焦油产率远远高于传统的热解和催化加氢热解技术，新技术的煤焦油产率是加氢热解方法的1.4倍，是氮气气氛下常规热解工艺焦油产率的1.6倍。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品的工艺核心技术已经申请国家专利（申请号：CN201010300034.4）；相关的基础理论研究工作已经发表在能源相关的国际知名期刊Fuel，Energy & Fuels， Fuel Process Technology上。
作品所处阶段
- 设计并建成5-10kg/h煤热解与甲烷二氧化碳重整耦合反应装置，实现连续成功运转
技术转让方式
- 专利权转让
作品可展示的形式
- 模型、实物和图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 特点和优势 1.基于CH4/CO2重整反应气为高温和高还原活性介质、与煤的流态化热解实现有机无缝衔接，构筑连续化的流态化煤热解反应新体系。 2.本作品是一个由气体预热、耦合反应器、气固分离、焦油捕集和控制系统等五部分组成新颖的一体化煤热解耦合系统，新结构的耦合反应器是技术的核心和关键。 3.设计并建造了煤处理量为5-10kg/h的低温热解与CH4/CO2重整耦合反应连续实验装置，获得比传统加氢热解高达40%的煤焦油产率。验证了学术思想和技术路线的先进性和可行性。 前景分析 在我国的煤炭资源中，褐煤占12%左右、高挥发分煤占40%左右，如何实现这些低品质资源的高效和高附加值利用，是一个需要解决的重大课题。本作品发明的新技术为该类高含油率煤炭资源的高效利用提供全新的技术途径。如在陕西北部及周边地区有约2千亿吨高挥发分烟煤，若采用本作品研发的新耦合技术制备煤焦油，则相当于建立一个储量为300亿吨的特大油田。该新技术经进一步放大和应用，对缓解我国原油资源不足产生重大的社会和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 煤热解是一种在相对温和条件下、将富氢组分提取出来作为化工原料或优质液体燃料的技术方法，是实现煤分级转化、清洁利用的重要手段。煤焦油是煤热解的液态产品，富含大量芳香烃和杂环化合物，是大量特殊化学品和化工新材料的重要前驱体原料。世界上95%以上的2～4环芳香物和杂环化合物，15%～25%的BTX（苯、甲苯、二甲苯）是基于煤焦油制备得到的。但传统煤热解技术的焦油产率低、品质差。如何由价廉易得的煤炭生产更多的高品质煤焦油，是国内外关注的一个富有挑战性的课题。 国内外研究者开展了多方面的探索研究，主要集中在三方面：改变煤结构、改变热解气氛和催化热解。从煤的分子结构解离机理层面看，一定程度上改变煤的结构或者调控煤结构的破坏方式，可以使热解过程中产生更多的自由基；改变热解气氛主要是提供更多的外在自由基以稳定煤热解过程中原位产生的高活性自由基。加氢热解是公认的能够提高焦油产率和品质的最有效方法之一。但传统加氢热解工艺存在制氢工艺复杂、设备投资大、操作条件苛刻、运行成本高等瓶颈性难题。催化加氢热解是通过在煤中添加/担载过渡金属催化剂进行加氢热解，以提高煤焦油的产率和品质。但存在制氢成本高、原位担载催化剂不能回收和循环利用等问题。 为解决制氢成本高等瓶颈性难题，研究者利用焦炉煤气或添加有机质替代氢气作为加氢热解反应气，以提高焦油产率。发现，以焦炉气为热解气进行煤的热解时，焦油产率与相当氢压下加氢热解产品基本相当；添加有机质的方式进行热解时，煤焦油收率提高不足10%。 综上，通过改变热解反应气氛或煤结构不能显著提高焦油产率；而加氢热解和催化加氢热解虽然可以明显提高焦油产率，但投资大、成本高、在经济上缺乏竞争力。因此，这些热解工艺迄今为止尚无工业化应用。为有效提高煤热解焦油产率并降低成本，有必要开发新的热解工艺。甲烷是天然气、煤层气的主要成份，是氢气的最佳替代源，有可能替代煤加氢热解过程中的氢气直接使用。 查新显示，文献中以含甲烷组分的气体为热解介质进行低温煤热解时，CH4仅作为惰性气氛，并没有参与热解反应。本作品提出的新技术策略和方案中，CH4催化活化后的富含活性基团的高温气体有效参与煤的热解，从而产生更多高附加值的煤焦油。本作品在学术思想、技术策略等方面与文献报道是有本质区别的，正是这些学术思想和技术策略的原始创新，才保证了新的耦合反应技术可以获得比传统加氢热解更高的焦油产率。
