CN115926828A - 一种仿生绝氧一步制取天然气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤化工领域，涉及一种仿生绝氧一步制取天然气的方法。在隔绝氧气的条件下，使原料煤与水蒸气接触并被加热至热解反应所需温度，得到含天然气的产品气。本发明通过原料煤与水蒸汽接触，使原料煤中的单质金属物和单质非金属物在蒸汽、高温的作用下，具有提升的氢化、被氧化、催化效能，在对碳元素热解的同时，进行一系列热解反应，实现一步制取天然气。

Description

一种仿生绝氧一步制取天然气的方法

技术领域

本发明属于煤化工领域，具体地，涉及一种仿生绝氧一步制取天然气的方法。

背景技术

煤制天然气作为清洁产业，极大地节约了煤炭资源，提升了煤炭价值。特别是针对“缺油、少气、富煤”的能源结构，积极发展煤制天然气工业，实现煤的就地转化，减少运输成本，具有非常重要的战略意义。

全世界已投产的工业级煤制天然气装置较少，我国长期致力于煤制天然气全技术链的国产化，但真正进入工业应用的也不多。煤制天然气整个生产工艺流程可简述为：原料煤与高纯氧气和中压蒸汽进行反应制得粗煤气；粗煤气经耐硫耐油变换冷却和脱硫脱碳后，制成净煤气；净煤气进入甲烷化装置合成甲烷，生产出天然气。主工艺生产装置包括空分、碎煤加压气化炉、耐硫耐油变换装置、气体净化装置、甲烷化合成装置及废水处理装置。

甲烷化是把煤炭变为清洁的天然气的关键核心技术之一，在高温、高压和催化剂作用下，把煤气化生成的一氧化碳、二氧化碳和氢气催化生成甲烷。其中，甲烷化催化剂在这个化学反应过程中发挥着至关重要的作用，也是限制我国煤制天然气整套系统自主化的关键点。由于主流工艺路线基本确定，很多研究都是围绕甲烷化催化剂的改进展开的。

发明内容

鉴于目前全球煤炭分析、检测方式均采用氧化法，由此造成煤炭伴生物的分析和检测结果为完全氧化物的结论。然而，发明人经研究发现，在自然界中，煤炭伴生物中存在大量未被氧化或未被完全氧化的单质金属物和单质非金属物，这些单质物具有极强的被氧化能力和氢化、催化效能。基于该发现，提出一种模拟自然界产生煤层气的方法。

具体地，本发明提供一种仿生绝氧一步制取天然气的方法，在隔绝氧气的条件下，使原料煤与水蒸气接触并被加热至热解反应所需温度，反应得到含天然气的产品气。

本发明的技术效果体现在：

(1)该技术建立在隔绝氧气条件下，故而氧作用弊端极小，并可最大化减少副产品氧化物的产生，能够极大提高碳元素利用效率，一步实现甲烷产出率达到80％以上，原料成本可降低一半。

(2)由于以水作为热解剂、反应剂、辅助催化剂、洗涤剂，以煤炭伴生物中的单质金属物和单质非金属物作为催化剂，所以本发明的工艺方法仅少量产生或不产生污染物，对环境友好，并且摆脱了现有技术对外部催化剂的依赖。

(3)本发明优选利用高温烟气以及产品热能制取高温蒸汽，并以此作为热解剂和反应剂，故而，相对传统煤制天然气中的加氧热解或有氧热解工艺，本发明通过热能往复利用提升了50％以上的热效率，直接降低了生产成本。

(4)本发明技术不受规模效应约束，可根据需求设定规模，并且技术装备可灵活调动。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明采用的一种仿生绝氧一步制取天然气的装置的示意图。

图2示出了本发明的实施例采用的仿生绝氧一步制取天然气的设备的结构示意图。

图3示出了本发明的实施例采用的一种涡流配热喷煤枪装置的主视结构示意图。

图4示出了本发明的实施例采用的一种涡流配热喷煤枪装置的左视结构示意图。

图5示出了本发明的实施例采用的一种涡流配热喷煤枪装置的右视结构示意图。

图6示出了图4的A向剖视结构示意图。

图7示出了本发明的实施例采用的涡流配热喷煤枪装置的喷煤枪芯的三维结构示意图。

图8示出了本发明的实施例采用的多角度分布式混热器装置的主视结构示意图。

图9示出了本发明的实施例采用的多角度分布式混热器装置的侧视结构示意图。

图10示出了图8的A向剖视结构示意图。

图11示出了图7的B向剖视结构示意图。

图12示出了本发明的实施例采用的负压烟气炉的结构示意图。

图13示出了本发明的实施例采用的分流热解反应装置的结构示意图。

图14示出了本发明的实施例采用的物料加热分配器的剖视图。

图15示出了本发明的实施例采用的物料加热分配器的立体图。

图16示出了本发明的实施例采用的物料加热分配器的另一个角度的立体图。

图17示出了本发明的实施例采用的螺旋热解反应器的剖视图。

图18示出了本发明的实施例采用的螺旋热解反应器的局部立体图。

附图标记说明

1初级混热装置；2二级混热装置；3水蒸气供给装置；4高温烟气炉；

P1原料煤；P2第一水蒸气；P3第一煤气混合物；P4水蒸气；P5第二煤气混合物；P6产品气；

10仿生绝氧一步制取天然气的设备；101蒸汽缓冲罐；102雾化器；103煤浆搅拌装置；104煤浆泵；105缓冲罐；106储气装置；107产品气出口流量计；108水源；109软化水罐；110沉淀池；111换热器给水泵；112水泵；113增压泵；114压缩机；115燃气增压泵；116换热器进水调节阀；

200涡流配热喷煤枪装置；2001混流通道；2002雾态物料通道；2003加热蒸汽通道；2004分支通道；2005喷煤枪外壳；2006喷煤枪芯；2007槽；2008第一封堵部；2009环形槽；2010第一锥状部；2011第二封堵部；2012第二锥状部；2013盲孔；2014加热蒸汽入口；

300多角度分布式混热器装置；3001混热壳体；3002混热通道；3003加热管路；3004加热通道；3005变径连接管；3006加热芯；3007加热槽；

400负压烟气炉；401炉体；4011耐火材料浇筑层；4012耐火材料砌筑层；4013保温材料层；4014金属外壳；4015炉膛；402燃烧器；4021出气管道；403负压引风机；404高温烟气换热器；405低温烟气换热器；406高温产品换热器；407低温产品换热器；408压力控制阀；409压力控制罐；

500分流热解反应装置；501物料加热分配器；5011物料分配进口；5012物料分配出口；5013内筒；5014外筒；5015烟气出口；5016烟气管道；5017物料分配通道；5018端板；5019烟气进口；5020V型槽；5021连接板；502螺旋热解反应器；5021物料热解进口；5022物料出口；5023内壁；5024外壁；5025环形底壁；5026过热火道；5027螺旋片结构；

600水洗滤尘装置；700气液分离装置；800气固分离装置；900脱硫装置；

MI物料进口管；GE烟气出口管；PE产品出口管。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

本发明提供一种仿生绝氧一步制取天然气的方法，在隔绝氧气的条件下，使原料煤与水蒸气接触并被加热至热解反应所需温度，反应得到含天然气的产品气。

本发明的术语“热解反应”是指由原料煤和水蒸气至最终得到含天然气的产品气的整个反应过程。

本发明的方法中，原料煤与水蒸气反应得到所述产品气的步骤在一个加热反应容器内进行。其含义是，对于一个加热反应容器来说，进料以原料煤和水蒸气为主要组分，出料即为含有天然气的产品气，中间发生的所有反应都在一个密闭空间中进行，即，不需要采用多个反应器进行原料煤与水蒸气制备甲烷的反应，多个反应器的含义为本领域技术人员公知，反应器各自有独立的进口和出口以及独立的密闭空间。本发明在进行热解反应之前，也不需要分离体系内的固体组分，即在体系产生大量的甲烷气之前，无需设置分离固体组分的步骤和设备。

之所以称为仿生方法在于反应体系可不添加工业化催化剂，即不必须额外添加工业化催化剂，而是利用煤炭中原本含有的催化组分。所述工业化催化剂是指常规煤制天然气工艺中加入的各类催化剂，工业化并不意指它们已被产业化或在售，而是指该催化剂具有工业化应用的可能性。

若工艺运行过程中发现原料煤中含有的催化组分不足，本发明的工艺也不排除额外添加工业化催化剂的方案，但额外加入的催化剂作为补充即可，其加入量远低于现有工艺的催化剂加入量。

根据本发明一种优选实施方式，所述原料煤为煤粉或含有煤粉的水煤浆；所述煤粉的粒度优选为50～200目。

根据本发明一种优选实施方式，所述原料煤以雾化状态与所述第一水蒸气接触。所述雾化可以通过本领域常规的雾化器实现。用于雾化所述煤粉的雾化剂优选为纯化后的所述产品气。

根据本发明一种优选实施方式，加热至热解反应所需温度通过三步升温实现：

第一步，使原料煤与第一水蒸气接触，混热升温至100～150℃；

第二步，使第一步所得混合物与第二水蒸气接触，混热升温至200～360℃；

第三步，使第二步所得混合物升温至热解反应所需温度。

本发明中，所述第一水蒸气和所述第二水蒸气优选为800～1000℃、1.2～1.8MPa的高温蒸汽。

根据本发明，优选地，所述热解反应所需温度为700～1000℃。

根据本发明，优选地，所述加热反应容器内的系统温度控制在1150～1250℃，系统压力控制在0.5～1.0MPa。

根据本发明一种优选实施方式，本发明的工艺方法在如图1所示的装置上进行。

该装置包括依次连接的初级混热装置1、二级混热装置2和高温烟气炉4；初级混热装置1与原料煤供给装置和水蒸气供给装置3连接，用于使原料煤P1与第一水蒸气P2接触升温得到第一煤气混合物P3；二级混热装置2与水蒸气供给装置3连接，用于使第一煤气混合物P3与第二水蒸气P4接触升温得到第二煤气混合物P5；高温烟气炉4用于第二煤气混合物P5的继续升温和反应，得到产品气P6。

根据本发明一种优选实施方式，初级混热装置1为涡流配热喷煤枪装置，具体地，所述涡流配热喷煤枪装置包括：

喷煤枪本体，所述喷煤枪本体内部设置有混流通道、雾态物料通道和至少一个加热蒸汽通道，所述混流通道的一端开放，所述加热蒸汽通道为螺旋形，所述加热蒸汽通道的一端与所述混流通道的另一端连通，所述雾态物料通道的一端通过分支通道与所述加热蒸汽通道的所述一端连通，所述分支通道的轴线与所述雾态物料通道的轴线形成夹角。

根据本发明一种优选实施方式，二级混热装置2为多角度分布式混热器装置，具体地，所述多角度分布式混热器装置包括：

混热壳体，呈筒状，所述混热壳体的内部设置有混热通道；

多个加热管路，与所述混热通道连通，多个所述加热管路沿所述混热通道的轴线依次间隔设置，多个所述加热管路在所述混热通道的径向截面上处于不同的圆周角上。

根据本发明一种优选实施方式，所述高温烟气炉4为负压烟气炉，所述负压烟气炉包括：

炉体，所述炉体上设有贯穿炉壁的物料进口管、烟气出口管和产品出口管；

分流热解反应装置，包括物料加热分配器和螺旋热解反应器，所述物料加热分配器设于所述炉体内，所述物料加热分配器的物料分配进口与所述物料进口管连接，用于加热物料并将所述物料分配至螺旋热解反应器，以进行热解反应；所述螺旋热解反应器设于所述炉体内，所述螺旋热解反应器的物料热解进口和物料出口分别连接于所述物料加热分配器的物料分配出口和所述产品出口管；

燃烧器，所述燃烧器的出气管道穿过所述炉壁与炉膛连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及

负压引风控制系统，用于控制所述炉膛的温度和所述烟气出口管排出的烟气温度。

进一步地，所述负压引风控制系统包括控制器、负压引风机、炉膛温度传感器、出炉烟气温度传感器，所述负压引风机与所述烟气出口管连接，所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器分别用于测量所述炉膛温度和所述烟气温度。

进一步地，所述控制器根据所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器的测量结果控制所述负压引风机的转速和所述燃烧器的功率，以使所述炉膛温度T1保持在一定温度范围内，使所述烟气温度T2保持在一定温度范围内。

进一步地，所述负压引风机设于所述低温烟气换热器的出口端。

进一步地，所述负压引风控制系统还包括烟气最终排放温度传感器，所述烟气最终排放温度传感器设于所述负压引风机和所述低温烟气换热器的出口端之间，用于测量烟气的最终排放温度。

进一步地，所述控制器根据所述烟气最终排放温度传感器的测量结果控制所述低温烟气换热器的冷却水流量，以使所述烟气的最终排放温度T4保持在一定温度范围内。

根据本发明，为了更好地利用热量，所述第一水蒸气和所述第二水蒸气优选由低温水与产品气、高温烟气发生炉产生的高温烟气依次换热得到。

相应地，所述高温烟气炉还包括烟气换热器和产品换热器，所述烟气换热器设于所述烟气出口管的出口端，所述产品换热器设于所述产品出口管的出口端；所述烟气换热器包括串接的高温烟气换热器和低温烟气换热器，所述产品换热器包括串接的高温产品换热器和低温产品换热器。

本发明所述水蒸气可由水蒸气供给装置3提供，所述水蒸气供给装置3包括蒸汽缓冲罐，所述蒸汽缓冲罐依次通过所述高温烟气换热器、所述高温产品换热器和所述低温产品换热器与水源连接。

根据本发明，该方法还包括对所述产品气进行纯化，得到净产品气(即所述纯化后的产品气)；所述纯化包括：依次对所述产品气进行滤尘、水洗、气液分离、气固分离和脱硫。

上述步骤可以在依次连接于所述低温产品换热器的水洗滤尘装置、气液分离装置、气固分离装置、脱硫装置和缓冲罐中进行；所述缓冲罐的出口分别与储气装置、所述燃烧器和用户管道连接，以将所述产品气储存至所述储气装置、供给至所述燃烧器和用户；所述原料煤供给装置包括煤浆搅拌装置、煤浆泵和雾化器，所述煤浆泵与所述煤浆搅拌装置连接，所述雾化器分别与所述储气装置和所述煤浆泵连接，通过来自于所述储气装置的产品气将所述煤浆泵供给的煤浆雾化，获得雾化状态的原料煤。

根据本发明，优选地，所述水洗滤尘装置包括：

水封滤尘组件，所述水封滤尘组件包括水封罐，所述水封罐由下至上依次设置有第一排污口、第一含尘气体入口、第一喷淋口和第一出气口；

水洗过滤组件，所述水洗过滤组件包括水洗罐，所述水洗罐由下至上依次设置有第二排污口、第二含尘气体入口、第二出气口和第二喷淋口，所述水洗罐内设置有阻流孔板，所述阻流孔板设置在所述第二含尘气体入口的上方，所述第二含尘气体入口与所述第一出气口连接。

根据本发明一种优选实施方式，用于雾化所述原料煤的雾化剂为所述净产品气；所述高温烟气炉的燃料为所述净产品气。

本发明的方法中，通过原料煤与蒸汽接触以及在反应器中的换热和加热，使原料煤中的单质金属物和单质非金属物在蒸汽、高温的作用下，具有提升的氢化、被氧化、催化效能，在对碳元素热解的同时，进行一系列甲烷化反应，实现一步制取天然气。

实施例1

在隔绝氧气的条件下，使原料煤与800～1000℃、1.2～1.8MPa水蒸气接触并被加热至700～1000℃，反应得到含天然气的产品气。反应体系中不额外添加工业化催化剂，在进行热解反应之前，不分离体系内的固体组分。

实施例2

本实施例用于说明本发明的一种仿生绝氧一步制取天然气的方法。采用如图1所示的仿生绝氧一步制取天然气的设备。

该装置包括依次连接的初级混热装置1、二级混热装置2和高温烟气炉4；初级混热装置1与原料煤供给装置和水蒸气供给装置3连接，用于使原料煤P1与第一水蒸气P2接触升温得到100～150℃的第一煤气混合物P3；二级混热装置2与水蒸气供给装置3连接，用于使第一煤气混合物P3与第二水蒸气P4接触升温得到200～360℃的第二煤气混合物P5；高温烟气炉4用于第二煤气混合物P5的继续升温至700～1000℃，并进行反应，得到产品气P6；所述第一水蒸气P2和所述第二水蒸气P4为800～1000℃、1.2～1.8MPa的高温蒸汽。反应体系中不额外添加工业化催化剂，在进行热解反应之前，不分离体系内的固体组分。

实施例3

本实施例用于说明本发明的一种仿生绝氧一步制取天然气的方法。采用如图2所示的仿生绝氧一步制取天然气的设备。

如图2所示，仿生绝氧一步制取天然气的设备10包括依次连接的初级混热装置、二级混热装置和高温烟气炉；初级混热装置与原料煤供给装置和水蒸气供给装置连接，用于使原料煤与第一水蒸气接触升温得到第一煤气混合物；二级混热装置与水蒸气供给装置连接，用于使第一煤气混合物与第二水蒸气接触升温得到第二煤气混合物；高温烟气炉用于对第二煤气混合物进行热解，得到产品气。

仿生绝氧一步制取天然气的方法包括：在隔绝氧气的条件下，使原料煤与水蒸气接触并被加热至热解反应所需温度，得到含天然气的产品气。加热至热解反应所需温度通过三步升温实现：

第一步，采用初级混热装置使原料煤与第一水蒸气接触，混热升温至100～150℃；

第二步，采用二级混热装置使第一步所得混合物与第二水蒸气接触，混热升温至200～360℃；

第三步，在高温烟气炉中使第二步所得混合物升温至700～1000℃。

仿生绝氧一步制取天然气的设备10得到的产品气依次经过产品换热器、水洗滤尘装置600、气液分离装置700、气固分离装置800、脱硫装置900、缓冲罐105进行换热、水洗滤尘、气液分离、气固分离、脱硫、缓冲等处理，最终产品可由储气装置106储存，或者直接供给至用户管道，或者供给至高温烟气炉作为燃料。特别地，产品气进入燃烧器的端口处依次设有第一手动球阀、燃烧器一级调压器、第二手动球阀、燃烧器二级稳压器、第三手动球阀，对进入燃烧器的产品气进行压力调节。

气液分离装置700、气固分离装置800、脱硫装置900还分别通过电动控制阀与排污管线连接，产生的污水可通过排污管线排走。脱硫装置900与缓冲罐105之间还设有止回阀、产品气出口流量计107。缓冲罐105的出口设有压力控制阀和压力调节器，用于调节缓冲罐的压力。一般情况下，缓冲罐105内的压力保持在0.45MPa左右。储气装置106可以是储气瓶，储气瓶的入口端设置压缩机114，对产品气进行压缩，一般情况下，储气瓶内的压力控制在1.5MPa左右。此外，还设置气液分离气体回收装置7000，以回收水洗滤尘装置600排出的液体中所含的产品气。

原料煤优选地以雾化状态与第一水蒸气接触。为此，原料煤供给装置包括煤浆搅拌装置103、煤浆泵104和雾化器102。煤浆泵104与煤浆搅拌装置103连接，将煤浆供给至雾化器102。雾化器102分别与储气装置106和煤浆泵104连接，通过来自于储气装置106的产品气将煤浆泵104供给的煤浆雾化，获得雾化状态的原料煤。利用产品气对煤浆进行雾化可以避免引入杂质。所述原料煤为50～200目的煤粉。

在本实施例中，煤浆泵104和雾化器102之间还设有电动调节阀和煤浆流量计，用于控制煤浆泵104泵送的煤浆流量。雾化器102与储气装置106之间设有雾化气调节阀和雾化气流量计，用于控制进入雾化器102的水蒸气流量。

雾化状态的原料煤通过初级混热装置、二级混热装置与水蒸气供给装置(即蒸汽缓冲罐101)供给的水蒸气进行接触、混合、升温。优选地，雾化器102与初级混热装置之间设有止回阀和手动球阀，用于控制原料煤的供给。其中，初级混热装置包括涡流配热喷煤枪装置200，二级混热装置包括多角度分布式混热器装置300。

涡流配热喷煤枪装置

如图3至图7所示，涡流配热喷煤枪装置200包括：

喷煤枪本体，喷煤枪本体内部设置有混流通道2001、雾态物料通道2002和至少一个加热蒸汽通道2003，混流通道2001的一端开放，加热蒸汽通道2003为螺旋形，加热蒸汽通道2003的一端与混流通道2001的另一端连通，雾态物料通道2002的一端通过分支通道2004与加热蒸汽通道2003的一端连通，分支通道2004的轴线与雾态物料通道2002的轴线形成夹角。

具体的，雾态物料通道2002用于输送雾化后的物料，加热蒸汽通道2003用于输送高温蒸汽，雾化后的物料进入喷煤枪本体后依次经过雾态物料通道2002和分支通道2004，高温蒸汽进入喷煤枪本体后沿螺旋形的加热蒸汽通道2003呈螺旋流动轨迹，雾化后的物料和高温蒸汽在分支通道2004与加热蒸汽通道2003的交汇处混合，由于二者流动方向不同，雾化后的物料和高温蒸汽在该交汇处碰撞、混热、混合，并利用高温蒸汽对雾化后的物料进行了加热，形成混热物料，混热物料能够进入混流通道2001，混流通道2001设置在喷煤枪本体内的一端，经过混流通道2001喷出混热物料。

在一个示例中，高温蒸汽为800～1000℃、1.2～1.8MPa的水蒸气，经高温蒸汽加热后的混热物料的温度为100～150℃。

可选地，雾态物料通道2002的另一端开放，雾态物料通道2002的另一端用于连接物料雾化结构。

进一步的，高温蒸汽与雾化气体的压力作用能够实现混热物料从混流通道2001中的喷出。

可选地，加热蒸汽通道2003的另一端开放，加热蒸汽通道2003的另一端用于连接水蒸气供给装置。

具体的，水蒸气供给装置可以为蒸汽缓冲罐101，利用蒸汽缓冲罐为上述涡流配热喷煤枪提供800～1000℃、1.2～1.8MPa的水蒸气。

可选地，喷煤枪本体包括喷煤枪外壳2005和喷煤枪芯2006，喷煤枪外壳2005为筒状，喷煤枪芯2006穿设在喷煤枪外壳2005内，雾态物料通道2002设置在喷煤枪芯2006的内部，喷煤枪芯2006的外周上设置有至少一个螺旋形的槽2007，每个槽2007在喷煤枪外壳2005的内部形成一个加热蒸汽通道2003。

具体的，喷煤枪外壳2005和喷煤枪芯2006可以分别制造，再进行组装，简化制造工艺，提高制造精度；喷煤枪芯2006的外周上的螺旋形的槽2007，在喷煤枪芯2006与喷煤枪外壳2005之间形成螺旋形的加热蒸汽通道2003，加热蒸汽通道2003的数量可以根据需要进行设置。

在一个示例中，喷煤枪芯2006为圆柱状，喷煤枪外壳2005为圆筒状，槽2007在喷煤枪芯2006的外周上沿喷煤枪芯2006的圆周方向均匀设置有三个，雾态物料通道2002沿喷煤枪芯2006的轴线设置在喷煤枪芯2006的中心，分支管路设置有三个，分支管路的一端连通在雾态物料通道2002的侧壁，分支管路的另一端连通在槽2007的底部。

进一步的，分支管路与槽2007的交汇位置靠近混流通道2001的另一端，保证在分支管路内的雾化后的物料与槽2007内的高温蒸汽混合后立即进入混流通道2001并经混流通道2001喷出。

可选地，喷煤枪芯2006的一端设置有环状的第一封堵部2008，第一封堵部2008与喷煤枪外壳2005的一端密封连接。

具体的，第一封堵部2008的端面或外周与喷煤枪外壳2005的一端密封连接即可，喷煤枪芯2006内部的雾态物料通道2002的另一端在靠近第一封堵部2008的端面上开放。

可选地，喷煤枪芯2006靠近第一封堵部2008的一端的外周开设有环形槽2009，槽2007开设在喷煤枪芯2006远离第一封堵部2008的一端的外周，槽2007的一端与环形槽2009连通。

具体的，环形槽2009的设置在喷煤枪外壳2005的内部形成加热蒸汽导入槽，加热蒸汽导入槽与加热蒸汽通道2003连通，用于将高温蒸汽导入加热蒸汽通道2003。

可选地，喷煤枪芯2006远离第一封堵部2008的一端的端面上设置有第一锥状部2010，第一锥状部2010与喷煤枪外壳2005的另一端之间形成截面渐扩的混流通道2001，槽2007的另一端与混流通道2001连通。

具体的，第一锥状部2010靠近喷煤枪芯2006的一端的截面直径大于其远离喷煤枪芯2006的一端的截面直径，第一锥状部2010的设置使得混流通道2001为截面渐扩的环形通道，通过混流通道2001的另一端进入混流通道2001的混热物料经过截面渐扩的混流通道2001再喷出，对混热物料起到降压提速的作用。

可选地，雾态物料通道2002靠近第一封堵部2008的一端开放，雾态物料通道2002远离第一封堵部2008的一端内部设置有第二封堵部2011，第二封堵部2011的一端设置有第二锥状部2012，第二锥状部2012的尖端处于雾态物料通道2002与分支通道2004的交接部位。

具体的，第二锥状部2012的尖端处于雾态物料通道2002与分支通道2004的交接部位，由于分支通道2004的轴线与雾态物料通道2002的轴线形成夹角，雾态物料通道2002中的雾化后的物料需要进入各个分支通道2004内，第二锥状部2012的设置能够使得进入各个分支通道2004内的雾化后的物料量更加均匀。

可选地，喷煤枪芯2006的一端设置有盲孔2013，盲孔2013与雾态物料通道2002连通。

具体的，盲孔2013用于连接物料雾化结构的出口管线。

可选地，喷煤枪外壳2005上设置有加热蒸汽入口2014，加热蒸汽入口2014与环形槽2009连通。

具体的，加热蒸汽入口2014开设在喷煤枪外壳2005上，可以根据需要设置加热蒸汽入口2014的轴线与喷煤枪外壳2005的轴线之间的夹角角度，在一个示例中，加热蒸汽入口2014的轴线与喷煤枪外壳2005的轴线之间的夹角为90°；加热蒸汽入口2014与环形槽2009所形成的加热蒸汽导入槽连通。

在本实施例中，水煤浆与产品气同时输入雾化器102，利用产品气对水煤浆进行雾化，形成雾化后的物料。雾化后的物料进入喷煤枪本体后依次经过雾态物料通道2002和分支通道2004，高温蒸汽进入喷煤枪本体后沿螺旋形的加热蒸汽通道2003呈螺旋流动轨迹，雾化后的物料和高温蒸汽在分支通道2004与加热蒸汽通道2003的交汇处混合，由于二者流动方向不同，雾化后的物料和高温蒸汽在该交汇处碰撞、混热、混合，并利用高温蒸汽对雾化后的物料进行了加热，形成100～150℃的混热物料，混热物料能够进入混流通道2001，混流通道2001设置在喷煤枪本体内的一端，经过混流通道2001喷出混热物料，喷出的混热物料可以进入下一工序的设备。

多角度分布式混热器装置

图8和图9分别示出了根据本发明的实施例的多角度分布式混热器装置的主视结构示意图和侧视结构示意图。图10示出了图9的A向剖视结构示意图。图11示出了图8的B向剖视结构示意图。如图8至图11所示，多角度分布式混热器装置300包括：

混热壳体3001，呈筒状，混热壳体3001的内部设置有混热通道3002；

多个加热管路3003，与混热通道3002连通，多个加热管路3003沿混热通道3002的轴线依次间隔设置，多个加热管路3003在混热通道3002的径向截面上处于不同的圆周角上。

具体的，混热通道3002内能够通入混热物料，通过多个加热管路3003向混热通道3002内通入高温蒸汽，利用高温蒸汽与混热物料进行混热，使得混热物料的温度升高，到达加热效果；沿混热通道3002轴线间隔设置并且处于混热通道3002的径向截面上不同圆周角度上的多个加热管路3003，在混热通道3002的轴线方向上形成多级式多角度的高温蒸汽混热，提高高温蒸汽与混热物料的混合和碰撞程度，进而实现对混热物料的混热升温。

可选地，加热管路3003内设置有螺旋形的加热通道3004。

具体的，螺旋形的加热通道3004能够对高温蒸汽起到导流作用，在加热通道3004的螺旋形导流作用下进入混热通道3002，提高加热蒸汽与混热通道3002内的混热物料的碰撞和混合程度，进而提高混热效果。

可选地，混热壳体3001的一端为混热物料入口，混热壳体3001的另一端为混热物料出口。

具体的，混热通道3002的两端均为开放的，混热物料从混热物料入口流入，在混热通道3002内流动，经过高温蒸汽的混热后，从混热物料出口流出。

可选地，混热物料出口上连接有变径连接管3005。

具体的，变径连接管3005的设置便于混热物料出口与下一工序的设备的物料入口连接。

可选地，加热管路3003内设置有加热芯3006，加热芯3006的外周上设置有螺旋形的加热槽3007，加热槽3007在加热管路3003的内部形成加热通道3004。

具体的，加热芯3006的形状与加热管路3003的内部形状相适配并与加热管路3003的内壁连接，加热芯3006可以为柱状或锥状，加热槽3007开设在加热芯3006的外周，在加热芯3006与加热管路3003的内壁连接后，加热槽3007与加热管路3003的内壁之间形成螺旋形的加热通道3004。

进一步的，加热芯3006可以单独制造加工，加热芯3006制造好后可以与加热管路3003进行装配，这样可以降低内部带有螺旋形的加热通道3004的加热管路3003的制造难度，降低制造成本。

可选地，加热管路3003包括直管部分和变径管部分，直管部分与混热壳体3001连接，加热芯3006设置在变径管部分内部。

具体的，直管部分与混热壳体3001连接，在一个示例中，直管部分的轴线垂直于混热通道3002的轴线；变径管部件的设置便于实现加热管路3003与水蒸气供给装置的连接。

可选地，加热管路3003用于连接水蒸气供给装置。

具体的，水蒸气供给装置可以为蒸汽缓冲罐101，利用蒸汽缓冲罐为上述多角度分布式混热器装置提供800～1000℃的水蒸气。

可选地，混热壳体3001的外壁上开设有多个加热管路3003连接孔，加热管路3003与加热管路3003连接孔连接。

具体的，加热管路3003可以焊接在混热壳体3001上，使得加热管路3003与加热管路3003连接孔连通。

可选地，多个加热管路3003连接孔沿混热通道3002的轴线方向等间距设置。

具体的，沿混热通道3002的轴线方向等间距设置的多个加热管路3003在混热物料的流动路径上形成多级式的高温蒸汽混热，提高混热效果。

可选地，加热管路3003连接孔设置有三个，三个加热管路3003连接孔沿混热壳体3001的圆周方向均布。

具体的，三个加热管路3003沿混热物料的流动路径依次为第一加热管路3003、第二加热管路3003和第三加热管路3003，若第一加热管路3003所连接的第一加热管路3003连接孔处于混热壳体3001圆周方向上的0°圆周角上，则第二加热管路3003所连接的第二加热管路3003连接孔处于混热壳体3001圆周方向上的120°圆周角上，第三加热管路3003所连接的第三加热管路3003连接孔处于混热壳体3001圆周方向上的240°圆周角上；多个加热管路3003在混热通道3002的径向截面上处于不同的圆周角上，使得加热蒸汽从混热通道3002的径向截面上不同的圆周角方位上进入混热通道3002内，实现多角度式进汽混热，提高混热效果。

多角度分布式混热器装置使用时，以其在一次制取天然气的工艺流程中的应用为例：混热物料入口用于与该多角度分布式混热器装置前一工序的涡流配热喷煤枪装置的混热物料的出口连接，涡流配热喷煤枪装置能够输出100～150℃的混热物料，混热物料进入混热通道3002后，通过与水蒸气供给装置连接的加热管路3003向混热通道3002内通入高温蒸汽，高温蒸汽进入混热通道3002后与混热物料进行碰撞混合，对混热物料进行高温蒸汽混热，使得100～150℃的混热物料升温至200～360℃，再通过变径连接管3005输送至下一工序的设备中。

负压烟气炉

在本实施例中，高温烟气炉为负压烟气炉。图12示出了根据本发明的实施例的负压烟气炉的结构示意图。如图12所示，负压烟气炉400包括：

炉体401，炉体上设有贯穿炉壁的物料进口管MI、烟气出口管GE和产品出口管PE；

分流热解反应装置500，包括物料加热分配器501和螺旋热解反应器502，物料加热分配器501设于炉体401内，物料加热分配器501的物料分配进口与物料进口管MI连接，用于加热物料并将物料分配至螺旋热解反应器502，以进行热解反应；螺旋热解反应器502设于炉体401内，螺旋热解反应器502的物料热解进口5021和物料出口5022分别连接于物料加热分配器501的物料分配出口5012和产品出口管PE；

燃烧器402，燃烧器的出气管道4021穿过炉壁与炉膛4015连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及

负压引风控制系统，用于控制炉膛的温度和烟气出口管排出的烟气温度。

负压烟气炉工作时，燃烧器工作，通过出气管道向炉膛内供给高温烟气。经过混热的物料通过物料进口管进入物料加热分配器，在此被加热并分配至螺旋热解反应器，在螺旋热解反应器内被加热、进行热解反应。反应得到的产品通过产品出口管排出，进行下一工艺步骤；烟气通过烟气出口管排出。负压引风控制系统用于控制炉膛的温度和烟气出口管排出的烟气温度，保证反应的正常进行。

在本实施例中，炉体401由耐火材料制成，炉体801的外壁设有保温材料层，保温材料层的外部罩设有金属外壳4014。具体地，炉体401由耐火材料浇筑和/或砌筑而成，在本实施例中，炉体的内层为耐火材料砌筑层，外层为耐火材料浇筑层。保温材料层包括保温涂料层和保温棉层。通过设置保温材料层，能够增强炉体的保温效果，节约能源。

炉壁包括顶壁、底壁、前壁、后壁和一对侧壁，物料进口管MI和烟气出口管GE贯穿前壁，产品出口管PE贯穿底壁且靠近后壁，燃烧器402设于炉体的后段，其出气管道穿过后壁与炉膛连通，向炉膛内供给高温烟气。

负压烟气炉为卧式结构，其中的物料加热分配器501、螺旋热解反应器502和燃烧器的出气管道4021沿水平方向同轴设置，更节约空间、易于制造。物料加热分配器501和螺旋热解反应器502与炉体401的炉壁之间均设有间隙，该间隙被有利地设置以利于高温烟气的流动。

分流热解反应装置

图13示出了根据本发明的实施例的分流热解反应装置的结构示意图。如图13所示，分流热解反应装置500包括同轴设置且相互连接的物料加热分配器501和螺旋热解反应器502，物料加热分配器501用于加热物料并将物料分配至螺旋热解反应器502，以进行热解反应。

反应时，物料经喷射进入物料加热分配器501，在物料加热分配器501中被加热升温至350～450℃；然后，经过加热的物料被分配至螺旋热解反应器502，在此被再次加热升温，进行热解反应。螺旋热解反应器502具有螺旋形的物料热解通道，能够延长物料的热解反应路径，保证物料进行充分热解。完成热解反应的物料从螺旋热解反应器排出，进行下一工艺步骤。反应体系不额外添加催化剂。

图14、图15和图16分别示出了根据本发明的实施例的物料加热分配器的剖视图和立体图，图17和图18分别示出了根据本发明的实施例的螺旋热解反应器的剖视图和局部立体图。

如图14至18所示，物料加热分配器501设有物料分配进口5011和物料分配出口5012，螺旋热解反应器502设有物料热解进口5021和物料出口5022；

物料加热分配器501的物料分配进口5011用于与物料进口管连接，物料热解进口5021与物料加热分配器501的物料分配出口5012连接，螺旋热解反应器502的物料出口5022用于与产品出口管连接。

反应时，物料从物料进口管经物料分配进口5011进入物料加热分配器501，被加热升温后，经物料分配出口5012进入物料热解进口5021进入螺旋热解反应器502，在螺旋热解反应器502内再次被加热，发生热解反应后，经物料出口5022从产品出口管排出。

在本实施例中，物料加热分配器501包括内筒5013和套设于内筒外的外筒5014；物料分配进口5011设于外筒5014的前端，外筒的侧壁上设有烟气出口5015。内筒5013的前端封闭，后端设有烟气进口5019，外筒的烟气出口5015通过烟气管道5016与内筒5013的内部连通，以允许通过烟气进口进入内筒的烟气依次通过烟气管道和烟气出口排出。内筒与外筒之间形成物料分配通道5017，物料分配通道5017的前端与物料分配进口5011连通，后端设有物料分配出口5012。

反应时，物料加热分配器501和螺旋热解反应器502均设于烟气炉内。一部分高温烟气流经外筒的外侧，从外侧对物料分配通道5017内的物料进行加热，另一部分高温烟气经烟气进口5019进入内筒5013的内部，从内侧对物料分配通道5017内的物料进行加热，然后经烟气管道5016从烟气出口5015排出；物料被高温烟气加热后从物料分配出口5012排出，进入螺旋热解反应器502。通过这种方式，可以从内外侧对物料分配通道5017内的物料进行充分加热，提高了加热效率。

在本实施例中，外筒5014包括锥形的第一前端和圆筒形的第一后端，物料分配进口5011设于第一前端的头部，烟气出口5015设于第一后端的侧壁上。内筒5013包括依次连接的第二前端、第二后端和端板5018。第二前端为锥形，第二后端为圆筒形，端板5018为环形，设于第二后端的端部外周。烟气进口5019设于端板5018的中心，端板5018的外周设有V型槽5020，V型槽5020与物料分配通道5017连通，连通部即为物料分配出口5012。

物料分配出口5012是由V型槽5020与物料分配通道5017的连通部形成的，在实际应用时，根据设计流量调整V型槽的深度，即可调整物料分配出口5012的截面积，从而改变物料的流量。

烟气出口5015和烟气管道5016均为多个，多个烟气出口5015和多个烟气管道5016沿外筒5014的周向均布，且每个烟气出口5015的位置与一个烟气管道5016的位置相对应；相应的，V型槽5020也为多个，多个V型槽沿端板5018的外周均布，且沿端板5018的周向，V型槽5020与烟气出口5015交替设置。通过这种设置，从物料分配进口5011进入物料分配通道5017的物料被均匀分配至多条流动路径，然后分别通过各物料分配出口5012离开物料加热分配器501。

在本实施例中，内筒5013还包括从端板5018的外周向外筒的前端延伸的多个连接板5021，多个连接板连接于外筒5014的外周壁，从而实现内筒与外筒的固定连接。

参考图16和图17，螺旋热解反应器502为环形，包括环形的内壁5023、套设于内壁外的环形的外壁5024、连接于内壁和外壁之间的环形底壁5025。

内壁5023连接于内筒5013的第二后端，且限定供烟气通过的过热火道5026，内壁和外壁之间设有绕所述内壁设置的螺旋片结构5027，以便在内壁和外壁之间形成螺旋形的物料热解通道。

物料热解进口5021设于物料热解通道的前端，与物料加热分配器501的物料分配出口5012连通，物料热解通道的后端由底壁5025封闭，外壁5024上设有分别与物料热解通道和产品出口管连通的物料出口。

物料分配通道5017与物料热解通道通过物料分配出口5012、物料热解进口5021连通，且形成封闭空间，在该封闭空间内，物料被加热并进行热解反应，然后经物料出口排出。一部分高温烟气流经外壁的外侧，从外侧对物料热解通道内的物料进行加热，另一部分高温烟气进入过热火道5026，从内侧对物料热解通道内的物料进行加热，双侧加热保证物料被充分加热，提高了加热和热解反应的效率。过热火道内的温度可达到1150～1250℃，使内筒的温度保持在1000～1150℃。此外，螺旋形的物料热解通道能够延长物料的热解反应路径，保证物料进行充分热解。

过热火道5026与烟气进口5019连通，高温烟气先进入过热火道5026，再进入烟气进口5019，对物料进行加热。

优选地，分流热解反应装置还包括气灰收集器(未示出)，气灰收集器连接于螺旋热解反应器502的物料出口，用于收集气灰。

进一步地，参考图11，该设备还包括烟气换热器和产品换热器，烟气换热器设于烟气出口管GE的出口端，产品换热器设于产品出口管PE的出口端。具体地，烟气换热器包括串接的高温烟气换热器404和低温烟气换热器405，产品换热器包括串接的高温产品换热器406和低温产品换热器407。高温烟气先经过高温烟气换热器404进行第一次换热，再经过低温烟气换热器405进行第二次换热，以充分利用烟气的热量。排出的产品先经过高温产品换热器406进行第一次换热，再经过低温产品换热器407进行第二次换热。负压引风机403设于低温烟气换热器405的出口端。

在本实施例中，为了充分利用烟气和产品气的热量，水蒸气供给装置(即蒸汽缓冲罐101)依次通过高温烟气换热器404、高温产品换热器406和低温产品换热器407与水源108连接，这样水源108所供给的水依次与低温产品换热器407、高温产品换热器406、高温烟气换热器404进行换热，形成水蒸气，进入蒸汽缓冲罐101，再供给至初级混热装置和二级混热装置。经过换热的水蒸气温度可达到800～1000℃。水源108和低温产品换热器407之间依次设有管道泵、软化水罐109、蒸汽给水泵、蒸汽给水流量泵，用于水的泵送、软化、计量。低温烟气换热器405与软化水罐109之间设有换热器进水调节阀116，换热器进水调节阀116用于调节低温烟气换热器405的冷却水流量。

负压引风控制系统

在本实施例中，负压引风控制系统包括控制器、负压引风机403、炉膛温度传感器、出炉烟气温度传感器，负压引风机403与烟气出口管GE连接，炉膛温度传感器和出炉烟气温度传感器分别用于测量炉膛温度T1和烟气温度T2。

控制器根据炉膛温度传感器和出炉烟气温度传感器的测量结果控制负压引风机的转速和燃烧器的功率，以使炉膛温度T1保持在一定温度范围内，使烟气温度T2保持在一定温度范围内。在本实施例中，T1保持在1150～1250℃，T2保持在1000～1100℃。可以利用各种现有技术手段实现引风机的转速调节，例如采用变频器等。

具体地，当炉膛温度T1高于其温度范围的上限(例如高于1250℃时)且烟气温度T2高于其温度范围的上限(例如高于1100℃)时，控制器控制负压引风机的转速增大，并控制燃烧器的功率减小，从而使得炉膛温度T1和烟气温度T2同时降低。当炉膛温度T1低于其温度范围的下限(例如低于1150℃时)且烟气温度T2低于其温度范围的下限(例如低于1000℃时)时，控制器控制压引风机的转速减小，并控制燃烧器的功率增大，从而使得炉膛温度T1和烟气温度T2同时升高。通过这种方式，将炉膛温度保持在合适的反应温度范围内，同时将烟气温度控制在合理范围内。控制器可以选用PLC控制器。

在本实施例中，负压引风控制系统还包括进料阀门和产品初始温度传感器，进料阀门设于物料进口管MI上，产品初始温度传感器用于测量产品出口管PE排出的产品温度T3。

控制器根据产品初始温度传感器的测量结果控制进料阀门的开度和/或燃烧器的功率，以使产品温度T3保持在一定温度范围内；在本实施例中，T3保持在850～950℃。

具体地，当产品温度T3高于其温度范围的上限(例如高于950℃)时，控制器控制进料阀门的开度增大，使得进料流量增大从而产品温度T3降低，或者控制燃烧器的功率减小，使得产品温度T3降低，或者同时控制进料阀门的开度增大并控制燃烧器的功率减小，使得产品温度T3降低。当产品温度T3低于其温度范围的下限(例如低于850℃)时，控制器控制进料阀门的开度减小，使得进料流量减小从而产品温度T3升高，或控制燃烧器的功率增大，使得产品温度T3升高，或者同时控制进料阀门的开度减小并控制燃烧器的功率增大，使得产品温度T3升高。

负压引风控制系统还包括烟气最终排放温度传感器，烟气最终排放温度传感器设于负压引风机和403低温烟气换热器405的出口端之间，用于测量烟气的最终排放温度。

控制器根据烟气最终排放温度传感器的测量结果调节进水调节阀116，从而控制低温烟气换热器405的冷却水流量，以使烟气的最终排放温度T5保持在一定温度范围内；在本实施例中，T5保持在50～60℃。

具体地，当烟气的最终排放温度T5高于其温度范围的上限(例如高于60℃)时，控制器调节进水调节阀116使冷却水流量增大，以降低烟气的最终排放温度T5；当烟气的最终排放温度T5低于其温度范围的下限(例如低于50℃)时，控制器调节进水调节阀116使冷却水流量减小，以提高烟气的最终排放温度T5。

优选地，负压引风控制系统还包括设于高温产品换热器406和低温产品换热器407之间的压力传感器、压力控制罐409和压力控制阀408，控制器根据压力传感器的测量结果调节压力控制罐和压力控制阀，以使通过产品出口管排出的产品压力保持在预设压力范围内。在本实施例中，预设压力范围为0.5～1.0MPa。

由于极大提高了碳元素利用效率，相比现有煤制天然气的平均原料成本，本发明工艺的原料成本可降低一半。相对传统煤制天然气中的加氧热解或有氧热解工艺，本发明通过热能往复利用提升了50％以上的热效率，直接降低了生产成本。此外，由于以水作为热解剂、反应剂、洗涤剂，以煤炭伴生物中的单质金属物和单质非金属物作为催化剂，本发明的工艺方法仅少量产生或不产生污染物，对环境友好。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种仿生绝氧一步制取天然气的方法，其特征在于，在隔绝氧气的条件下，使原料煤与水蒸气接触并被加热至热解反应所需温度，反应得到含天然气的产品气。

2.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，原料煤与水蒸气反应得到所述产品气的步骤在一个加热反应容器内进行。

3.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，原料煤与水蒸气反应得到所述产品气的反应体系中不添加工业化催化剂。

4.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，在进行热解反应之前，不分离体系内的固体组分。

5.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，所述原料煤为煤粉或含有煤粉的水煤浆；所述煤粉的粒度为50～200目。

6.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，所述原料煤以雾化状态与所述水蒸气接触。

7.根据权利要求6所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，用于雾化所述煤粉的雾化剂为纯化后的所述产品气。

8.根据权利要求1所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，加热至热解反应所需温度通过三步升温实现：

第一步，使原料煤与第一水蒸气接触，混热升温至100～150℃；

第二步，使第一步所得混合物与第二水蒸气接触，混热升温至200～360℃；

第三步，使第二步所得混合物升温至热解反应所需温度；

所述第一水蒸气和所述第二水蒸气为800～1000℃、1.2～1.8MPa的高温蒸汽。

9.根据权利要求1或8所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，所述热解反应所需温度为700～1000℃。

10.根据权利要求2所述的仿生绝氧一步制取天然气的方法，其中，所述加热反应容器内的系统温度控制在1150～1250℃，系统压力控制在0.5～1.0MPa。

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