煤轉換系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種煤轉換系統。該煤轉換系統包括：等離子反應器，用來在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物；漿體制備裝置，連接于所述等離子反應器，用來接收來自所述等離子反應器的焦來產生水焦漿；及氣化裝置，連接于所述漿體制備裝置，用來氣化所述水焦漿產生合成氣。本發明還提供一種煤轉換方法。
【專利說明】煤轉換系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明有關一種煤轉換系統及方法，尤其涉及一種煤液化的系統及方法。
【背景技術】
[0002]傳統的一種在工業中利用煤的方法是在鍋爐中直接用高溫燃燒煤。在大約1000° C至2000° C的高溫下，煤中的碳和氫全部會被破壞，結合成小分子(例如，H2, CO、co2)。此方法中煤和反應物需要在相當高的溫度(一般高于1000° C)下進行反應，如此需要提供很大的能量來達到高溫，且煤中的有用物質在此高溫下被破壞，因此煤的利用率較低。
[0003]因此，有必要提供一種煤轉換系統及方法來解決上面提及的技術問題。
【發明內容】
[0004]本發明的一個方面在于提供一種煤轉換系統。該煤轉換系統包括:等離子反應器，用來在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物；漿體制備裝置，連接于所述等離子反應器，用來接收來自所述等離子反應器的焦來產生水焦漿；及氣化裝置，連接于所述漿體制備裝置，用來氣化所述水焦漿產生合成氣。
[0005]本發明的另一個方面在于提供一種煤轉換方法。該煤轉換方法包括以下步驟:在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物；利用所述焦產生水焦漿；及氣化所述水焦漿產生合成氣。
[0006]本發明的煤轉換系統及方法在等離子體作用下利用微波液化含碳物質產生油液體,且產物焦可用來產生合成氣,油倍率較高且含碳物質的利用率較高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]通過結合附圖對于本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中:
[0008]圖1所示為本發明煤轉換系統的一個實施例的原理圖；
[0009]圖2所示為本發明煤轉換系統的另一個實施例的原理圖；
[0010]圖3所示為本發明煤轉換系統的再一個實施例的原理圖。
【具體實施方式】
[0011]除非另作定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的“包括”或者“包含”等類似的詞語意指出現在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。
[0012]圖1所示為一個實施例的煤轉換系統100的原理圖。煤轉換系統100包括等離子反應器101、漿體制備裝置103及氣化裝置105。含碳物質作為原料加入等離子反應器101中。在一實施例中，含碳物質包含至少70%重量百分比的煤。在另一實施例中，含碳物質包含至少75%重量百分比的煤。在再一實施例中，含碳物質包含至少90%重量百分比的煤。在一些實施例中，含碳物質包含煙煤、粉末的盆地煤、褐煤或者上述任意幾種煤的混合物。在一些實施例中，含碳物質包含高階煤、低階煤或兩者的混合物。在一實施例中，含碳物質包含生物質和煤。生物質是來自生物體的物質，可作為原材料或可燃燒的材料。生物質可以是來自植物的物質，例如，木材、木片、鋸屑、樹皮、種子、稻草、草、農業或林業的廢物、能源作物等。生物質也可以是來自動物或人的廢物，例如，城市垃圾、動物的糞便等。在一實施例中，含碳物質包含含碳固體廢物。
[0013]等離子反應器101用來在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦(Char)、油液體及氣體產物。一般情況下，等離子反應過程是利用微波能量從含碳物質中分解出脂肪族的烴類，同時通過在等離子(例如電離氣體)參與下與天然氣等氣體反應來提煉液體，提高烴類的氫的含量。然后，脂肪族的烴類轉化為液體燃料，液體燃料包括液體丙烷、石腦油、汽油、柴油等。
[0014]氫載體可以是氫氣、甲烷、天然氣、或其他含氫且可參與等離子反應的合適的氣體。天然氣的主要成分為甲烷，且包含氫氣。等離子反應器101需供電產生微波能量。例如，可以利用可再生能源供電，例如風能、太陽能等。微波能量在等離子反應器中作為熱能和等離子能。等離子體是由電子、離子、原子、分子、自由基團等組成的高能態。微波產生的等離子體產生離子和其他活性物質，降低化學反應中的溫度閾值。等離子體輔助液化煤可以提高油倍率。微波能量可提供較快的加熱速率。微波能量通過材料電磁轉化獲得，不同于對流力和輻射力。因此加熱速率不受表面反應的限制，且熱量分布的均勻性提高，加熱時間減少。
[0015]在一些實施例中，微波的頻率為800MHz或2.45GHz。等離子反應器101 —般在低于5倍的大氣壓的壓力下熱解含碳物質。在一個實施例中，等離子反應器101在一個大氣壓至五倍的大氣壓的壓力范圍內加熱含碳物質。在一實施例中，熱解含碳物質的溫度范圍大約從400° C至800° C，因此含碳物質中的有用物質不易被破壞，含碳物質的利用率較高，且不需要太多的能量來達到此熱解溫度。在一實施例中，以大約100千瓦/每磅煤(kiloWatt per pound, kW/lb)至大約1000千瓦/每磅的功率產生微波能量。在另一個實施例中，以大約200kW/lb至大約500kW/lb的功率產生微波能量。
[0016]漿體制備裝置103連接于等離子反應器101，用來接收來自等離子反應器101的焦來產生水焦漿。水焦漿指一定數量的焦、水和添加劑的混合物。焦為含碳物質在等離子反應器101中熱解后產生的固體顆粒。水焦漿是由焦、水和少量添加劑經過物理加工過程制成的具有一定粒度、能流動的穩定漿體。在一定的應用中，水焦漿可包括從60%到80%重量百分比(Weight Percentage, wt%)的焦顆粒，從20wt%到40wt%的水及一定量的添加劑，比如少于lwt%的添加劑。本發明的實施例不限于可用于水焦漿中的任何特定類型的添加齊U。在非限制性示例中，添加劑可包括亞甲基萘磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、馬來酸鈉、亞甲基萘磺酸鹽甲醛縮合物、木質素磺酸鹽和石油磺酸鹽等。熱解反應產生的焦的表面特性發生變化，利用含碳物質熱解產生的焦較易制備水焦漿。即使是低階煤，低階煤熱解后產生的焦也較易制成水焦漿。
[0017]氣化裝置105連接于漿體制備裝置103，用來氣化水焦漿產生合成氣。合成氣包含氫氣、一氧化碳及二氧化碳。通常，在應用中，提高水焦漿中焦的濃度可提升氣化效率。在等離子體輔助熱解含碳物質的熱解溫度(大約從400° C至800° C)下，焦產率較高且焦氣化反應活性較高，且焦的內在水分、發熱量和可磨性均滿足水焦漿氣化的基本要求，因此等離子反應器101中產生的焦是制備水焦漿的較好的材料，且水焦漿的焦濃度較高，氣化效率較高。
[0018]在圖示實施例中，煤轉換系統100進一步包括連接于氣化裝置105的發電裝置107。發電裝置107用來利用來自氣化裝置105的合成氣產生電能提供給等離子反應器101。合成氣中的氫氣、一氧化碳和二氧化碳用于發電裝置107發電。等離子反應器101獲得發電裝置107提供的電能產生微波能量。在一些實施例中，發電裝置107產生的電能可以提供給外部裝置(未圖示)。
[0019]在圖示實施例中，煤轉換系統100進一步包括連接于氣化裝置105的轉換裝置109。轉換裝置109用來接收合成氣獲得氫載體提供給等離子反應器101。在本實施例中，在轉換裝置109中，合成氣中的一氧化碳與水反應產生氫氣和二氧化碳,其中氫氣輸出給等離子反應器101，用于含碳物質的等離子體熱解過程。合成氣本身包含的氫氣也可作為氫載體提供給等離子反應器101。本實施例中，部分合成氣用于發電，部分合成氣用來提供氫載體，合成氣被有效地利用。在其他實施例中，合成氣還可用于其他一種或多種用途。
[0020]在本實施例中，煤轉換系統100進一步包括連接于等離子反應器101的油精煉裝置111。油精煉裝置111用來接收來自等離子反應器101的油液體并在從合成氣獲得的氫氣參與下精煉油液體。等離子反應器101產生的油液體包括油和水等。油精煉裝置111可利用蒸餾、精餾、減壓蒸餾等煉油工藝精煉油液體。本實施例中，轉換裝置109產生的部分氫氣提供給油精煉裝置111用于煉油過程中。氫氣可用于加氫裂化、加氫精制等煉油過程。油精煉裝置111提煉油液體獲得質量高的成品油，例如汽油、柴油、煤油、石腦油等，可作為燃料提供給外部裝置(未圖示)。
[0021]在圖示實施例中，煤轉換系統100進一步包括連接于等離子反應器101的氣體分離裝置113。氣體分離裝置113用來將來自等離子反應器101的氣體產物分離為可凝性氣體和非可凝性氣體。等離子反應器101產生的氣體產物包括可凝性氣體和非可凝性氣體，可凝性氣體包括苯、二甲苯、甲苯和萘，非可凝性氣體包括氫氣、一氧化碳和二氧化碳。非可凝性氣體的主要成分類似于合成氣的主要成分，但成分的重量比不盡相同。在甲烷參與的煤熱解反應中，非可凝性氣體還可能包含甲烷。可凝性氣體凝結后為焦油，部分焦油返回至等離子反應器101中繼續參加反應，另一部分焦油提供給油精煉裝置111。焦油可以與油液體一起進入油精煉裝置111中進行分離獲得成品油。非可凝性氣體類似于合成氣提供給發電裝置107，用來發電。在一些實施例中，非可凝性氣體可輸入轉換裝置109來提供氫氣給油精煉裝置111和/或等離子反應器101。在另一些實施例中，非可凝性氣體可以用于其他一種或多種用途。
[0022]圖2所示為另一個實施例的煤轉換系統200的原理圖。圖2所示的煤轉換系統200類似于圖1所示的煤轉換系統100。相比于圖1所示的煤轉換系統100，圖2所示的煤轉換系統200包括化學品制備裝置207。化學品制備裝置207連接于氣化裝置105，用來接收來自氣化裝置105的合成氣來產生甲烷、甲醇、費托(Fischer-Tropsch，F_T)合成物等化學品。化學品制備裝置207利用催化法將合成氣轉換成不同的化學品，依據催化劑種類的不同得到不同的化學品。本實施例中，非可凝性氣體輸入化學品制備裝置207用來產生甲烷、甲醇、F-T合成物等化學品。該些化學品可以用于其他設備(未圖示)。本實施例中，等離子反應器101可以由外部供電設備(未圖示)供電。在一些實施例中，煤轉換系統200可以包括圖1所示的發電裝置107和圖2所示的化學品制備裝置207，部分合成氣用來發電，部分合成氣用來制備化學品，從而既可以給等離子反應器101供電，又可以產生化學品。
[0023]圖3所示為再一個實施例的煤轉換系統300的原理圖。圖3所示的煤轉換系統300類似于圖1所示的煤轉換系統100。相比于圖1所示的煤轉換系統100，圖3所示的煤轉換系統300包括連接于氣化裝置105的甲烷制備裝置307。甲烷制備裝置307接收合成氣來制備甲烷。甲烷制備裝置307可用催化法制備甲烷。本實施例中，甲烷制備裝置307也接收來自氣體分離裝置113分離出來的非可凝性氣體來制備甲烷。產生的甲烷可以輸入等離子反應器101中參加含碳物質的熱解反應。在應用中，煤轉換系統300可以設有圖1所示的發電裝置107、圖2所示的化學品制備裝置207和圖3所示的甲烷制備裝置307中的一個、其中兩個或全部，也可根據實際應用設置其他裝置來滿足特定的需求。在一些實施例中，煤轉換系統300可設有其他裝置用來利用合成氣產生所需的物質。煤轉換系統100、200和300充分利用含碳物質熱解的產物，含碳物質的利用率較高，整個系統比較優化。
[0024]煤轉換方法可利用圖1至3所示的煤轉換系統100、200和300實現。在一些實施例中，煤轉換方法可用其他煤轉換系統實現。煤轉換方法包括在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物。等離子體熱解含碳物質的油倍率較高，熱解溫度較低，用微波加熱可以提高加熱速率。氫載體可以包含氫氣和/或甲烷，也可以包含其他可參與等離子體熱解的含氫氣體。
[0025]煤轉換方法進一步包括利用焦產生水焦漿。熱解產生的焦可與水和少量的添加劑混合成水焦衆。接著氣化水焦衆產生合成氣。合成氣包括氫氣、一氧化碳和二氧化碳。煤轉換方法進一步包括利用合成氣獲得氫載體。合成氣中的一氧化碳與水反應生成氫氣和二氧化碳，氫氣用于熱解過程。合成氣本身包含的氫氣也可用于熱解過程。
[0026]煤轉換方法進一步包括在從合成氣獲得的氫氣參與下精煉油液體。合成氣本身包含的氫氣和反應獲得的氫氣部分提供給熱解過程，部分提供給油精煉過程。可利用蒸餾、精餾、減壓蒸餾等煉油工藝精煉油液體。
[0027]煤轉換方法進一步包括利用合成氣產生電能且提供電能給熱解步驟。熱解步驟需要電能產生微波能量進行熱解反應。本實施例中直接利用含碳物質產生的合成氣來產生電能并提供給熱解步驟。在一實施例中，合成氣可用來制備甲烷、甲醇、F-T合成物等化學品，可在催化劑參與下用催化法獲得化學品，根據催化劑的不同可獲得不同的化學品。在另一實施例中，合成氣可用來制備甲烷，甲烷作為氫載體用于熱解步驟。
[0028]煤轉換方法進一步包括將熱解步驟中產生的氣體產物分離為可凝性氣體和非可凝性氣體。可凝性氣體部分返回至熱解步驟，部分提供給油精煉步驟。非可凝性氣體的主要成分類似于合成氣，也可用來發電、制備甲烷等化學品或轉換為氫載體提供給熱解步驟。
[0029]雖然結合特定的實施方式對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在于涵蓋在本發明真正構思和范圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種煤轉換系統，其特征在于，其包括: 等離子反應器，用來在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物； 漿體制備裝置，連接于所述等離子反應器，用來接收來自所述等離子反應器的焦來產生水焦漿；及 氣化裝置，連接于所述漿體制備裝置，用來氣化所述水焦漿產生合成氣。
2.如權利要求1所述的煤轉換系統，其特征在于:所述煤轉換系統進一步包括連接于所述氣化裝置的轉換裝置，用來接收所述合成氣獲得所述氫載體提供給所述等離子反應器。
3.如權利要求1或2所述的煤轉換系統，其特征在于:所述煤轉換系統進一步包括連接于所述等離子反應器的油精煉裝置，用來接收來自所述等離子反應器的油液體并在從所述合成氣獲得的氫氣參與下精煉所述油液體。
4.如權利要求1所述的煤轉換系統，其特征在于:所述煤轉換系統進一步包括連接于所述氣化裝置的發電裝置，用來利用來自所述氣化裝置的合成氣產生電能提供給所述等離子反應器。
5.如權利要求1或2所述的煤轉換系統，其特征在于:所述煤轉換系統進一步包括連接于所述等離子反應器的氣體分離裝置，用來將來自所述等離子反應器的所述氣體產物分離為可凝性氣體和非可凝性氣體。
6.一種煤轉換方法，其特征在于:其包括以下步驟: 在氫載體參與下且在等離子體作用下用微波能量熱解含碳物質來產生焦、油液體及氣體產物； 利用所述焦產生水焦漿 '及 氣化所述水焦漿產生合成氣。
7.如權利要求6所述的煤轉換方法，其特征在于:所述煤轉換方法進一步包括利用所述合成氣獲得所述氫載體。
8.如權利要求6所述的煤轉換方法，其特征在于:所述煤轉換方法進一步包括在從所述合成氣獲得的氫氣參與下精煉所述油液體。
9.如權利要求6所述的煤轉換方法，其特征在于:所述煤轉換方法進一步包括利用所述合成氣產生電能且提供所述電能給所述熱解步驟。
10.如權利要求6所述的煤轉換方法，其特征在于:所述煤轉換方法進一步包括將所述熱解步驟中產生的所述氣體產物分離為可凝性氣體和非可凝性氣體。
【文檔編號】C10J1/00GK104232162SQ201310226004
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月7日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】胡立舜, 薛俊利 申請人:通用電氣公司