外循環懸浮床反應器在煤直接液化中的應用

楊葛靈 蘭建華 王國棟 章序文

(1.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 2.上?；ぱ芯吭?

外循環懸浮床反應器在煤直接液化中的應用

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(1.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 2.上?；ぱ芯吭?

對外循環懸浮床反應器在煤液化中的應用進行了綜述，介紹了循環懸浮床的結構和應用形式，分析了物料在反應器各部分的狀態。對循環懸浮床反應器在煤直接液化應用中的問題和前景進行了評述。

煤液化 懸浮床反應器 強制循環 流體力學 多相反應

1 煤液化及其對反應器的要求

我國的化石能源結構富煤少油，開展煤制油技術是實施能源發展和石油替代的重要途徑之一，對保證國家能源安全具有重要的戰略意義。煤炭直接液化技術的應用始于20世紀初的德國，1936～1943年間，德國先后建成11套直接液化裝置，1944年總生產能力達到400萬t/a，為德國在第二次世界大戰中提供了近三分之二的航空燃料和50%的汽車及裝甲車用油。目前，我國神華集團的百萬噸煤直接液化示范項目第一條生產線已經建成，且在2008年底打通流程，進一步驗證了自主研發的神華煤直接液化工藝的可行性，這必將推動我國能源結構的合理布局。

煤直接液化工藝過程是將煤磨成粉，再和自身產生的液化重油 （循環溶劑）配成煤漿，在高溫（450℃）和高壓 （20 MPa～30 MPa）下直接加氫，即將煤轉化成液體產品。整個過程主要由煤漿制備、煤液化反應、分離單元三部分組成。生產的工藝流程如圖1所示。

煤直接液化操作條件一般為：

壓力：15～30 MPa

溫度：440～465℃

氣液比(標態V/V)： 700～1 000

停留時間：1～2 h

氣含率： 0.1%～0.5%

圖1 煤液化工藝流程

圖2 外循環懸浮床反應器結構

進出料方式： 下部進料、上部出料

煤直接液化反應器是煤液化的核心設備，是關系到煤液化工業化平穩運行的最重要設備。反應器的結構、操作條件直接關系到煤液化的轉化率、產品油的質量以及能耗。

目前世界上已經經過中試或者工業應用的煤液化反應器主要有鼓泡床反應器、循環懸浮床反應器和環流反應器。鼓泡床反應器，其結構簡單，液相速度偏低，長期運轉需要定期排渣，長徑比較大，單個反應器的容積受到限制。循環懸浮床反應器帶有循環泵，內部物料處于全返混狀態，液相速度高，氣體滯留少，不容易形成大顆粒物沉積，反應器生產能力大。環流反應器內流體定向流動，環流速度較快，氣體在其停留時間內所經過的路徑較長，反應器氣含率較大，特別是新型多級環流反應器的效率較高，能耗較小，環流反應器已有應用于重油加氫裂解和煤直接液化的報道。

2 循環懸浮床反應器在煤液化中的應用

煤直接液化過程是復雜的化學反應過程，主要包括煤的熱解和熱解產物的加氫反應，煤的熱解為吸熱反應，熱解產物的加氫為放熱反應，總的反應表現為放熱反應。反應中如何保持反應器各段溫度分布均一，是關系到反應能否持續高效運行的關鍵。強制循環懸浮床反應器內為全返混流，軸向溫度分布均勻，反應溫度控制容易，且其氣體滯留系數低，反應器液相利用率高，反應器內液速高，礦物質沉積少，無需定期排渣。通過對反應器上下物料的密度、反應器內部的溫度和軸向的溫度分布的檢測，可以判斷反應器的運行情況。

神華公司的煤直接液化工藝采用的是外循環懸浮床反應器。反應器的結構如圖2所示。主要由上下封頭、筒體、進料分布器、分布盤、循環杯及循環管、排出管等組成。

煤漿和氫氣混合后，從反應器底部進料管口進入反應器，經過錐形帽分布器變為速度較快的液流，分布器分割的氣流在流體湍動作用下分裂成較小氣泡 （較小氣泡對分布盤下方的氣液分界面不會產生大的擾動）。物料上升到達分布盤下方形成一個氣墊層，物料快速進入分布盤上的帽罩分布器進行進一步的分配。小氣泡在流體的湍動作用下進一步分裂，流體的壓頭轉化為速度頭，使得物料氣泡具有較大的動能，高速流體的動能傳遞給煤粉顆粒，表現為對煤粉的提升作用。氣液固混合物在上升過程中通過相界面進行傳質，氣泡越小，相界面越大，傳質速度就越快，提升反應區物料各相為全混流。在整個提升段，軸向溫度分布均一，濃度、氣液固分布都是比較均勻的，物料的混合和傳質情況俱佳，這是反應器的主反應區。反應的物料和生成氣高速通過循環杯和反應器內徑間隙。上升到反應器上部的物料和產物，經過脫氣后氣化產物從反應器排出口排出，未反應的物料等重組分在循環杯內與輕組分分離，從循環管到達底部循環物料出口，再通過管路進入循環泵，經加壓后與新反應物料混合進入反應器。

由于對煤液化反應工況的苛刻程度認識不足，在應用外循環懸浮床反應器初期，反應器內部的設計不盡合理，物料不能沖刷到反應器頂部，容易在此形成沉積結焦。此外，反應器預熱爐溫度過高，造成反應器內溫度過高，反應物料易于氣化，液體波動導致操作不穩定。循環泵的長時間抽空，造成反應器泄壓后，反應器內固體物由于液速降低而發生沉積。不能揮發的煤漿沉積在反應器分布盤上，而循環泵受揚程所限不能推動沉積物，造成反應物料通過反應器內循環管反流，并造成反應器阻塞等。經過改造后，經過長周期運行除局部少量煤漿沉積外，沒有其他沉積，沒有結焦、阻塞情況發生。這證明外循環懸浮床反應器適用于煤直接液化工況。

3 問題和展望

外循環懸浮床在煤直接液化應用的初期存在一些問題，其中最重要的問題就是反應器配置的循環泵抽空、反應器內結焦阻塞等。

針對外循環懸浮床反應器在應用中出現的問題，初步改進了反應器的進料分布，以及循環杯、出料管的結構和位置，使反應器的運行狀態得到一定的改善，減少了結焦和循環泵抽空的發生。循環懸浮床在煤直接液化中應用的可行性得到驗證，但仍然存在一些有待于進一步完善的地方。

[1]舒歌平,史士東,李克健.煤炭液化技術[M].北京:煤炭工業出版社,2003.

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The Application of External Circulation Suspended Bed Reactor in Direct Coal Liquefaction

Yang Geling Lan Jianhua Wang Guodong Zhang Xuwen

The application of circulating suspension bed reactor in direct coal liquefaction are reviewed.The structure and application form of the circulating suspension bed reactor are introduced and the material flow states in all parts of the reactor are analyzed.The problems in application and prospects of circulating suspension bed reactor in direct coal liquefaction are reviewed.

Coal liquefaction;Suspension bed reactor;Mandatory circulating；Hydrodynamic behavior;Multiphase reaction

TQ 051.1+2

*楊葛靈，男，1965年生，高級工程師。上海市，201108。

2011-03-23)