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基本信息

項目名稱：
CH4/CO2催化重整與煤熱解耦合反應(yīng)系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡介：
本作品提出了一種基于CH4/CO2重整與煤熱解耦合反應(yīng)的新理念，設(shè)計并構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)獨特的耦合反應(yīng)系統(tǒng)，建立了5-10kg/h煤的低溫?zé)峤膺B續(xù)化裝置，實現(xiàn)煤的低溫高效熱解，大幅提高焦油產(chǎn)率。耦合反應(yīng)器和重整催化劑是提高焦油收率的關(guān)鍵。采用本作品的耦合新技術(shù)，焦油產(chǎn)率高達(dá)傳統(tǒng)加氫熱解的1.4倍。本作品突破傳統(tǒng)煤熱解模式，實現(xiàn)了催化轉(zhuǎn)化技術(shù)與傳統(tǒng)煤熱解工藝有機融合，是一種新型的熱解技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。
詳細(xì)介紹：
煤的熱解工藝是一種在溫和條件下由煤制備高附加值化工原料或優(yōu)質(zhì)液體燃料的技術(shù)方法。傳統(tǒng)的煤熱解技術(shù)所得焦油量少，加氫熱解雖可以提高富含芳香性化學(xué)品的煤焦油收率，但較高的制氫成本和復(fù)雜的制氫工藝成為制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的一個瓶頸性難題。 本作品提出了一種以甲烷二氧化碳重整反應(yīng)氣作為煤加氫熱解過程中的氫氣氣源，在結(jié)構(gòu)獨特的耦合反應(yīng)系統(tǒng)上實現(xiàn)煤的低溫高效熱解。該耦合反應(yīng)體系是一個由氣體預(yù)熱、耦合反應(yīng)器、氣固分離、焦油捕集和控制系統(tǒng)等五部分組成的新穎的一體化煤熱解系統(tǒng)，新結(jié)構(gòu)的耦合反應(yīng)器是技術(shù)的核心和關(guān)鍵。采用高效催化劑和耦合重整反應(yīng)系統(tǒng)，大幅度提高了焦油的產(chǎn)率?；诩淄槎趸贾卣c煤熱解耦合反應(yīng)的新理念，設(shè)計建立了每小時5-10kg煤的低溫?zé)峤膺B續(xù)化裝置。與常規(guī)加氫煤熱解技術(shù)相比，甲烷二氧化碳重整與煤熱解反應(yīng)耦合新技術(shù)的焦油產(chǎn)率提高了1.4倍；與傳統(tǒng)的煤熱解技術(shù)相比，耦合新技術(shù)的焦油產(chǎn)率提高了1.6倍。 該作品突破了傳統(tǒng)煤熱解模式，實現(xiàn)了催化轉(zhuǎn)化技術(shù)與傳統(tǒng)的煤熱解工藝有機融合，是一種新型的煤炭熱解技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。

作品圖片

  • CH4/CO2催化重整與煤熱解耦合反應(yīng)系統(tǒng)
  • CH4/CO2催化重整與煤熱解耦合反應(yīng)系統(tǒng)
  • CH4/CO2催化重整與煤熱解耦合反應(yīng)系統(tǒng)
  • CH4/CO2催化重整與煤熱解耦合反應(yīng)系統(tǒng)

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計目的：設(shè)計并構(gòu)建一種將CH4/CO2重整與低溫煤熱解反應(yīng)耦合于一體的反應(yīng)系統(tǒng)，大幅度提高煤焦油產(chǎn)率，為煤炭的分級轉(zhuǎn)化、高附加值的有效綜合利用開辟新途徑。 基本思路：耦合反應(yīng)器是該反應(yīng)系統(tǒng)的核心。根據(jù)CH4/CO2重整反應(yīng)與煤熱解反應(yīng)的特點，耦合反應(yīng)器采用固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器有機組合的結(jié)構(gòu)。其中，固定床反應(yīng)器部分進(jìn)行高溫甲烷催化重整反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫和高活性富氫氣體作為反應(yīng)性流化介質(zhì)進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在溫和條件下實現(xiàn)煤低溫?zé)峤夥磻?yīng)的連續(xù)化。 創(chuàng)新點：(1)提出了一種基于CH4/CO2重整與煤熱解耦合反應(yīng)的新理念，設(shè)計并構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)獨特的耦合反應(yīng)系統(tǒng)，建立了5-10kg/h煤的低溫?zé)峤膺B續(xù)化裝置，實現(xiàn)煤的低溫高效熱解。(2)大幅提高焦油產(chǎn)率，耦合體系焦油產(chǎn)率比加氫熱解提高40%。(3)建立了一種新型的低溫煤熱解方法，豐富了煤熱解技術(shù)。 技術(shù)關(guān)鍵主要涉及二個層面，即新型耦合反應(yīng)器的設(shè)計構(gòu)筑和高效重整催化劑的創(chuàng)制。新型耦合反應(yīng)器的設(shè)計，使CH4/CO2重整和煤熱解反應(yīng)分別在其最優(yōu)溫度下進(jìn)行，離開固定床反應(yīng)段的高溫富氫氣體流量和能量與煤流化熱解所需的反應(yīng)介質(zhì)的流量和能量有機匹配。高效重整催化劑的創(chuàng)制，則保證反應(yīng)系統(tǒng)連續(xù)高效運行，能夠避免催化劑的積碳失活，保證煤熱解反應(yīng)在最優(yōu)溫度區(qū)進(jìn)行。 主要技術(shù)指標(biāo) 1.實現(xiàn)處理量為5-10kg/h煤的低溫?zé)峤馀cCH4/CO2重整耦合系統(tǒng)的連續(xù)運行；2.大幅提高煤焦油收率，耦合體系焦油收率分別是加氫熱解和氮氣氣氛下的1.4倍和1.6倍。

科學(xué)性、先進(jìn)性

經(jīng)過科技查新，國內(nèi)外關(guān)于通過改變熱解氣氛提高低溫煤熱解焦油產(chǎn)率的方法主要有加氫熱解、催化加氫熱解、以焦?fàn)t煤氣或添加有機質(zhì)替代氫氣熱解，而未見以CH4/CO2重整氣為高溫高還原性氣氛，進(jìn)行煤的流態(tài)化低溫?zé)峤獾鸟詈戏磻?yīng)體系的任何報道。 與現(xiàn)有的常規(guī)加氫熱解、催化加氫熱解技術(shù)相比，本作品利用了CH4、CO2兩種溫室氣體為原料， Ni/MgO/Al2O3為重整催化劑，在耦合熱解反應(yīng)系統(tǒng)中，基于甲烷裂解產(chǎn)生的自由基與煤熱解生成自由基的有效耦合反應(yīng)，大幅度提高了煤焦油產(chǎn)率,避免了傳統(tǒng)的煤加氫熱解技術(shù)面臨的昂貴制氫成本等難以逾越的瓶頸性難題。在相同的熱解條件下，采用本作品的耦合新技術(shù)，煤焦油產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱解和催化加氫熱解技術(shù)，新技術(shù)的煤焦油產(chǎn)率是加氫熱解方法的1.4倍，是氮氣氣氛下常規(guī)熱解工藝焦油產(chǎn)率的1.6倍。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

本作品的工藝核心技術(shù)已經(jīng)申請國家專利（申請?zhí)枺篊N201010300034.4）；相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究工作已經(jīng)發(fā)表在能源相關(guān)的國際知名期刊Fuel，Energy & Fuels， Fuel Process Technology上。

作品所處階段

設(shè)計并建成5-10kg/h煤熱解與甲烷二氧化碳重整耦合反應(yīng)裝置，實現(xiàn)連續(xù)成功運轉(zhuǎn)

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利權(quán)轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

模型、實物和圖片

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

特點和優(yōu)勢 1.基于CH4/CO2重整反應(yīng)氣為高溫和高還原活性介質(zhì)、與煤的流態(tài)化熱解實現(xiàn)有機無縫銜接，構(gòu)筑連續(xù)化的流態(tài)化煤熱解反應(yīng)新體系。 2.本作品是一個由氣體預(yù)熱、耦合反應(yīng)器、氣固分離、焦油捕集和控制系統(tǒng)等五部分組成新穎的一體化煤熱解耦合系統(tǒng)，新結(jié)構(gòu)的耦合反應(yīng)器是技術(shù)的核心和關(guān)鍵。 3.設(shè)計并建造了煤處理量為5-10kg/h的低溫?zé)峤馀cCH4/CO2重整耦合反應(yīng)連續(xù)實驗裝置，獲得比傳統(tǒng)加氫熱解高達(dá)40%的煤焦油產(chǎn)率。驗證了學(xué)術(shù)思想和技術(shù)路線的先進(jìn)性和可行性。 前景分析 在我國的煤炭資源中，褐煤占12%左右、高揮發(fā)分煤占40%左右，如何實現(xiàn)這些低品質(zhì)資源的高效和高附加值利用，是一個需要解決的重大課題。本作品發(fā)明的新技術(shù)為該類高含油率煤炭資源的高效利用提供全新的技術(shù)途徑。如在陜西北部及周邊地區(qū)有約2千億噸高揮發(fā)分煙煤，若采用本作品研發(fā)的新耦合技術(shù)制備煤焦油，則相當(dāng)于建立一個儲量為300億噸的特大油田。該新技術(shù)經(jīng)進(jìn)一步放大和應(yīng)用，對緩解我國原油資源不足產(chǎn)生重大的社會和經(jīng)濟效益。

同類課題研究水平概述

煤熱解是一種在相對溫和條件下、將富氫組分提取出來作為化工原料或優(yōu)質(zhì)液體燃料的技術(shù)方法，是實現(xiàn)煤分級轉(zhuǎn)化、清潔利用的重要手段。煤焦油是煤熱解的液態(tài)產(chǎn)品，富含大量芳香烴和雜環(huán)化合物，是大量特殊化學(xué)品和化工新材料的重要前驅(qū)體原料。世界上95%以上的2～4環(huán)芳香物和雜環(huán)化合物，15%～25%的BTX（苯、甲苯、二甲苯）是基于煤焦油制備得到的。但傳統(tǒng)煤熱解技術(shù)的焦油產(chǎn)率低、品質(zhì)差。如何由價廉易得的煤炭生產(chǎn)更多的高品質(zhì)煤焦油，是國內(nèi)外關(guān)注的一個富有挑戰(zhàn)性的課題。 國內(nèi)外研究者開展了多方面的探索研究，主要集中在三方面：改變煤結(jié)構(gòu)、改變熱解氣氛和催化熱解。從煤的分子結(jié)構(gòu)解離機理層面看，一定程度上改變煤的結(jié)構(gòu)或者調(diào)控煤結(jié)構(gòu)的破壞方式，可以使熱解過程中產(chǎn)生更多的自由基；改變熱解氣氛主要是提供更多的外在自由基以穩(wěn)定煤熱解過程中原位產(chǎn)生的高活性自由基。加氫熱解是公認(rèn)的能夠提高焦油產(chǎn)率和品質(zhì)的最有效方法之一。但傳統(tǒng)加氫熱解工藝存在制氫工藝復(fù)雜、設(shè)備投資大、操作條件苛刻、運行成本高等瓶頸性難題。催化加氫熱解是通過在煤中添加/擔(dān)載過渡金屬催化劑進(jìn)行加氫熱解，以提高煤焦油的產(chǎn)率和品質(zhì)。但存在制氫成本高、原位擔(dān)載催化劑不能回收和循環(huán)利用等問題。 為解決制氫成本高等瓶頸性難題，研究者利用焦?fàn)t煤氣或添加有機質(zhì)替代氫氣作為加氫熱解反應(yīng)氣，以提高焦油產(chǎn)率。發(fā)現(xiàn)，以焦?fàn)t氣為熱解氣進(jìn)行煤的熱解時，焦油產(chǎn)率與相當(dāng)氫壓下加氫熱解產(chǎn)品基本相當(dāng)；添加有機質(zhì)的方式進(jìn)行熱解時，煤焦油收率提高不足10%。 綜上，通過改變熱解反應(yīng)氣氛或煤結(jié)構(gòu)不能顯著提高焦油產(chǎn)率；而加氫熱解和催化加氫熱解雖然可以明顯提高焦油產(chǎn)率，但投資大、成本高、在經(jīng)濟上缺乏競爭力。因此，這些熱解工藝迄今為止尚無工業(yè)化應(yīng)用。為有效提高煤熱解焦油產(chǎn)率并降低成本，有必要開發(fā)新的熱解工藝。甲烷是天然氣、煤層氣的主要成份，是氫氣的最佳替代源，有可能替代煤加氫熱解過程中的氫氣直接使用。 查新顯示，文獻(xiàn)中以含甲烷組分的氣體為熱解介質(zhì)進(jìn)行低溫煤熱解時，CH4僅作為惰性氣氛，并沒有參與熱解反應(yīng)。本作品提出的新技術(shù)策略和方案中，CH4催化活化后的富含活性基團的高溫氣體有效參與煤的熱解，從而產(chǎn)生更多高附加值的煤焦油。本作品在學(xué)術(shù)思想、技術(shù)策略等方面與文獻(xiàn)報道是有本質(zhì)區(qū)別的，正是這些學(xué)術(shù)思想和技術(shù)策略的原始創(chuàng)新，才保證了新的耦合反應(yīng)技術(shù)可以獲得比傳統(tǒng)加氫熱解更高的焦油產(chǎn)率。
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