外循环悬浮床反应器在煤直接液化中的应用

杨葛灵 兰建华 王国栋 章序文

(1.中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 2.上海化工研究院)

外循环悬浮床反应器在煤直接液化中的应用

杨葛灵*1兰建华2王国栋1章序文1

(1.中国神华煤制油化工有限公司上海研究院 2.上海化工研究院)

对外循环悬浮床反应器在煤液化中的应用进行了综述，介绍了循环悬浮床的结构和应用形式，分析了物料在反应器各部分的状态。对循环悬浮床反应器在煤直接液化应用中的问题和前景进行了评述。

煤液化 悬浮床反应器 强制循环 流体力学 多相反应

1 煤液化及其对反应器的要求

我国的化石能源结构富煤少油，开展煤制油技术是实施能源发展和石油替代的重要途径之一，对保证国家能源安全具有重要的战略意义。煤炭直接液化技术的应用始于20世纪初的德国，1936～1943年间，德国先后建成11套直接液化装置，1944年总生产能力达到400万t/a，为德国在第二次世界大战中提供了近三分之二的航空燃料和50%的汽车及装甲车用油。目前，我国神华集团的百万吨煤直接液化示范项目第一条生产线已经建成，且在2008年底打通流程，进一步验证了自主研发的神华煤直接液化工艺的可行性，这必将推动我国能源结构的合理布局。

煤直接液化工艺过程是将煤磨成粉，再和自身产生的液化重油 （循环溶剂）配成煤浆，在高温（450℃）和高压 （20 MPa～30 MPa）下直接加氢，即将煤转化成液体产品。整个过程主要由煤浆制备、煤液化反应、分离单元三部分组成。生产的工艺流程如图1所示。

煤直接液化操作条件一般为：

压力：15～30 MPa

温度：440～465℃

气液比(标态V/V)： 700～1 000

停留时间：1～2 h

气含率： 0.1%～0.5%

图1 煤液化工艺流程

图2 外循环悬浮床反应器结构

进出料方式： 下部进料、上部出料

煤直接液化反应器是煤液化的核心设备，是关系到煤液化工业化平稳运行的最重要设备。反应器的结构、操作条件直接关系到煤液化的转化率、产品油的质量以及能耗。

目前世界上已经经过中试或者工业应用的煤液化反应器主要有鼓泡床反应器、循环悬浮床反应器和环流反应器。鼓泡床反应器，其结构简单，液相速度偏低，长期运转需要定期排渣，长径比较大，单个反应器的容积受到限制。循环悬浮床反应器带有循环泵，内部物料处于全返混状态，液相速度高，气体滞留少，不容易形成大颗粒物沉积，反应器生产能力大。环流反应器内流体定向流动，环流速度较快，气体在其停留时间内所经过的路径较长，反应器气含率较大，特别是新型多级环流反应器的效率较高，能耗较小，环流反应器已有应用于重油加氢裂解和煤直接液化的报道。

2 循环悬浮床反应器在煤液化中的应用

煤直接液化过程是复杂的化学反应过程，主要包括煤的热解和热解产物的加氢反应，煤的热解为吸热反应，热解产物的加氢为放热反应，总的反应表现为放热反应。反应中如何保持反应器各段温度分布均一，是关系到反应能否持续高效运行的关键。强制循环悬浮床反应器内为全返混流，轴向温度分布均匀，反应温度控制容易，且其气体滞留系数低，反应器液相利用率高，反应器内液速高，矿物质沉积少，无需定期排渣。通过对反应器上下物料的密度、反应器内部的温度和轴向的温度分布的检测，可以判断反应器的运行情况。

神华公司的煤直接液化工艺采用的是外循环悬浮床反应器。反应器的结构如图2所示。主要由上下封头、筒体、进料分布器、分布盘、循环杯及循环管、排出管等组成。

煤浆和氢气混合后，从反应器底部进料管口进入反应器，经过锥形帽分布器变为速度较快的液流，分布器分割的气流在流体湍动作用下分裂成较小气泡 （较小气泡对分布盘下方的气液分界面不会产生大的扰动）。物料上升到达分布盘下方形成一个气垫层，物料快速进入分布盘上的帽罩分布器进行进一步的分配。小气泡在流体的湍动作用下进一步分裂，流体的压头转化为速度头，使得物料气泡具有较大的动能，高速流体的动能传递给煤粉颗粒，表现为对煤粉的提升作用。气液固混合物在上升过程中通过相界面进行传质，气泡越小，相界面越大，传质速度就越快，提升反应区物料各相为全混流。在整个提升段，轴向温度分布均一，浓度、气液固分布都是比较均匀的，物料的混合和传质情况俱佳，这是反应器的主反应区。反应的物料和生成气高速通过循环杯和反应器内径间隙。上升到反应器上部的物料和产物，经过脱气后气化产物从反应器排出口排出，未反应的物料等重组分在循环杯内与轻组分分离，从循环管到达底部循环物料出口，再通过管路进入循环泵，经加压后与新反应物料混合进入反应器。

由于对煤液化反应工况的苛刻程度认识不足，在应用外循环悬浮床反应器初期，反应器内部的设计不尽合理，物料不能冲刷到反应器顶部，容易在此形成沉积结焦。此外，反应器预热炉温度过高，造成反应器内温度过高，反应物料易于气化，液体波动导致操作不稳定。循环泵的长时间抽空，造成反应器泄压后，反应器内固体物由于液速降低而发生沉积。不能挥发的煤浆沉积在反应器分布盘上，而循环泵受扬程所限不能推动沉积物，造成反应物料通过反应器内循环管反流，并造成反应器阻塞等。经过改造后，经过长周期运行除局部少量煤浆沉积外，没有其他沉积，没有结焦、阻塞情况发生。这证明外循环悬浮床反应器适用于煤直接液化工况。

3 问题和展望

外循环悬浮床在煤直接液化应用的初期存在一些问题，其中最重要的问题就是反应器配置的循环泵抽空、反应器内结焦阻塞等。

针对外循环悬浮床反应器在应用中出现的问题，初步改进了反应器的进料分布，以及循环杯、出料管的结构和位置，使反应器的运行状态得到一定的改善，减少了结焦和循环泵抽空的发生。循环悬浮床在煤直接液化中应用的可行性得到验证，但仍然存在一些有待于进一步完善的地方。

[1]舒歌平,史士东,李克健.煤炭液化技术[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[2]胡发亭,毛学锋,史士东，等.煤直接液化反应器的设计与开发[J].煤炭科学技术，2009（3）.

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[4]高晋生,张德祥,吴克.煤加氢液化反应器的研究与开发[J].煤化工， 2007（4）.

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

*杨葛灵，男，1965年生，高级工程师。上海市，201108。

2011-03-23)