1、第五章 煤的氣化,5-1 煤氣化的基本原理,煤的氣化：熱化學(xué)過(guò)程，指高溫下用氣化劑（氣化介質(zhì)）通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣化煤氣的過(guò)程。 氣化劑（氣化介質(zhì)）：氧氣（空氣、富氧或氧）、水蒸氣或氫氣 氣化煤氣：氣化時(shí)所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，有效成分包括CO、H2及CH4。 氣化條件：氣化爐、氣化劑、供給熱量,根據(jù)供熱方式和煤氣用途選擇，其中 H2 很少用。,發(fā)生爐構(gòu)成 （以固定床為例） 爐 體 加料裝置 排灰裝置,氣化基本原理（以固定床為例）,氣化類型 自熱式煤的水蒸氣氣化（原理如圖） ：氣化劑：空氣或O2；H2O(g) ：主要反應(yīng)： C+O2CO2 +Q 2C+O22CO+Q C+H2O

2、CO+H2 -Q ：煤氣主要可燃成分：CO、H2 ：特點(diǎn)： 無(wú)外界供熱（煤與水蒸氣反應(yīng)進(jìn)行吸熱反應(yīng)所耗熱量是由煤與氧氣進(jìn)行的放熱反應(yīng)所提供的）； 所需工業(yè)氧價(jià)格較貴，煤氣中CO2 含量高。,a, 外熱式煤的水蒸氣氣化（原理如圖） ：氣化劑：H2O(氣) ：主要反應(yīng)： C+H2OCO+H2 -Q ：煤氣主要可燃成分：CO、H2 ：特點(diǎn)： 氣化爐外部供熱（煤僅與水蒸氣反應(yīng)）； 氣化爐傳熱差，不經(jīng)濟(jì)。, 煤的加氫氣化（原理如圖） :氣化劑：H2 ：主要反應(yīng)：C+H2CH4 +Q ：煤氣主要可燃成分：CH4 ：特點(diǎn)： 煤氣主要由CH4組成（代用天然氣）； 產(chǎn)生殘焦（含碳?xì)堅(jiān)?，煤與H2加壓生成CH4的

3、反應(yīng)性比煤與水蒸汽的反應(yīng)性小。,a,：氣化劑： O2；H2O (g) ：主要反應(yīng)：加氫階段： C+H2CH4 +Q 水蒸氣氣化階段： C+O2CO2 +Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2 -Q ：煤氣主要可燃成分： CH4 ：特點(diǎn)： 首先進(jìn)行加氫氣化， 產(chǎn)生殘焦再與水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生加氫階段用氫氣。, 煤的水蒸氣氣化和加氫氣化相結(jié)合制造代用天然氣, 煤的水蒸氣氣化和甲烷化相結(jié)合制造代用天然氣,：氣化劑：O2；H2O(氣) ：主要反應(yīng)： 水蒸氣氣化階段： C+O2CO2 +Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2 -Q 甲烷化反應(yīng)：CO+3H2 CH4+H2O +Q ：煤氣主要可

4、燃成分：CH4 ：特點(diǎn)： 首先由煤的水蒸氣氣化反應(yīng)產(chǎn)生以CO和H2 為主的合成 氣； 然后合成氣在催化劑的作用下“甲烷化”生成甲烷。,基本化學(xué)反應(yīng) （1）基本化學(xué)反應(yīng) 基本化學(xué)反應(yīng)：主反應(yīng) 氧化反應(yīng)： C+O2CO2 +Q 2C+O22CO +Q H2+ O2 H2O +Q CO+H2OCO2+H2 +Q 水煤氣反應(yīng)：C+H2OCO+H2 -Q 副水煤氣反應(yīng)：C+2H2OCO2+2H2 -Q 氣化反應(yīng)：C+CO22CO -Q 甲烷化反應(yīng)：C+2H2CH4 +Q CO+3H2 CH4+H2O +Q,水煤氣主要成分：CO和H2,供熱和吸熱組合，對(duì)自熱式氣化起重要作用,煤中的少量元素氮和硫在氣化過(guò)程

5、中產(chǎn)生了含氮的和含硫的產(chǎn)物，主要的硫化物是H2S、COS、CS2等，主要的含氮化合物是NH3，HCN、NO等。 煤氣化時(shí)發(fā)生的硫（S）和氮（N）的基本反應(yīng)（副反應(yīng)） S ： S+O2SO2 SO2+3H2 H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 2H2S+SO2 3S+2H2O C+2SCS2 CO+SCOS N ： N2+3H22NH3 N2+H2O+2CO2HCN+1.5O2 N2+xO22NOx, 反應(yīng)特點(diǎn) 一次反應(yīng)和二次反應(yīng) 均相反應(yīng)和非均相反應(yīng) 吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng),5-2 氣化爐的基本原理, 1. 氣固反應(yīng)器類型 幾種床層狀態(tài) 床層：若是在一個(gè)圓筒形的容器內(nèi)安裝一個(gè)多孔的水平分

6、布板，并將固體顆粒堆放在分布板上，形成一層固體層，工程上稱為“床層”，簡(jiǎn)稱“床”。 固定床： 氣流速度不致使固體顆粒的相，位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于固定狀態(tài)，床層高度基本上維持不變。 流化床： 氣流速度提高，固體顆粒全部浮動(dòng)起來(lái)，但是仍留在床層中不被流體帶出。 氣流床： 進(jìn)一步提高流速，固體顆粒不能繼續(xù)留在床層中，開始被流體帶出容器外，固體顆粒的分散流動(dòng)與氣體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)類似。, 固定床（移動(dòng)床）氣化爐 原料：650 mm塊煤或煤焦； 加料方式：上部加料； 排灰方式：固態(tài)或液態(tài)； 灰渣和煤氣出口溫度：不高； 爐內(nèi)情況：煤焦與產(chǎn)生的煤氣、氣化劑與灰渣都進(jìn)行逆向熱交換。 碳轉(zhuǎn)化率：高, 幾種床層狀

7、態(tài)的氣化爐, 流化床氣化爐 原料：35 mm的煤粒； 加料方式：上部加料； 排灰方式：固態(tài)； 灰渣和煤氣出口溫度：接近爐溫； 爐內(nèi)情況：懸浮沸騰，煤與氣化劑傳熱快，溫度均勻。 碳轉(zhuǎn)化率：低, 氣流床氣化爐 原料：粉煤（70以上通過(guò)200目）； 加料方式：下部與氣化劑并流加料； 排灰方式：液態(tài)排渣； 灰渣和煤氣出口溫度：接近爐溫； 爐內(nèi)情況：煤與氣化劑在高溫火焰中反應(yīng)。 碳轉(zhuǎn)化率：高, 熔池氣化爐 氣固液三相反應(yīng)氣化爐； 原料：6 mm以下直至煤粉所有范圍的煤粒； 加料方式：燃料與氣化劑并流加入； 排灰方式：液態(tài)； 灰渣和煤氣出口溫度：接近爐溫 爐內(nèi)情況：熔池是液態(tài)的熔灰、熔鹽或熔融金屬作為氣化

8、劑和 煤的分散劑，作為熱源供煤中揮發(fā)物的熱解和干餾。,各種床層氣化爐的比較,各種床層氣化爐的比較（續(xù)）,2. 氣化過(guò)程熱的產(chǎn)生和傳遞 氣化效率： 即：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氣化原料的化學(xué)熱轉(zhuǎn)化為所產(chǎn)生的煤氣化學(xué)熱的比例。,自熱式氣化爐中不同產(chǎn)熱方式的比較,3 氣化反應(yīng)器的生產(chǎn)能力 容積氣化強(qiáng)度（qm/vR）:,不同反應(yīng)器類型煤容積氣化強(qiáng)度（qm/vR）的比較,4. 裝料和排灰 裝料 間歇加料；連續(xù)加料 常壓加料；加壓加料 加壓加料：料槽閥門；泥漿泵 料槽閥門法 原理如圖 泥漿泵法 原理：煤料與油或水?dāng)嚢柚瞥蓾{狀懸浮液，其中含大約60%的固體煤料，經(jīng)過(guò)泵打入氣化爐。, 排灰 固定床反應(yīng)器 固態(tài)排渣時(shí)候：通過(guò)爐

9、箅 (灰渣層要保持一定厚度：保護(hù)爐柵；合適的蒸汽和氧氣比例：防止結(jié)渣；加壓時(shí)候采用和料槽閥門相同的方法排灰) 流化床反應(yīng)器 矸石灰：爐子底部開口排灰 飛灰：從粗煤氣中分離 氣流床 灰渣以液態(tài)方式排渣，從氣化爐底部開口流出 (前提：氣化溫度應(yīng)高于灰渣的熔化溫度),5 煤質(zhì)對(duì)氣化的影響 氣化用煤的性質(zhì)包括反應(yīng)活性、粘結(jié)性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、粒度、結(jié)渣性以及煤的水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分等。,（1）煤的化學(xué)性質(zhì),煤的反應(yīng)活性 是指在一定的條件下，煤炭與不同氣化介質(zhì)（如二氧化碳、氧、水蒸氣和氫）相互作用的反應(yīng)能力。 反應(yīng)活性又稱為反應(yīng)性。反應(yīng)性的強(qiáng)弱直接影響煤在氣化時(shí)的有關(guān)指標(biāo)：產(chǎn)氣率、灰渣或飛灰含

10、碳量、耗氧量、煤氣成分及熱效率等。 不論何種氣化工藝，煤活性高總是有利的。,（2）煤的物理性質(zhì),黏結(jié)性 一般結(jié)焦或較強(qiáng)黏結(jié)性的煤不用于氣化。弱黏結(jié)性的煤在高壓下，特別在常壓至1 MPa的范圍內(nèi)，黏結(jié)性可能迅速增加。 不帶攪拌的固定床氣化爐應(yīng)使用不黏結(jié)煤或焦炭；帶攪拌的可使用弱黏結(jié)煤。固定床兩段爐自能用自由膨脹指數(shù)為1.5左右的煤為原料。 流化床氣化爐可使用自由膨脹指數(shù)約2.54.0的煤。采用噴射進(jìn)料時(shí)，可使用黏結(jié)性稍強(qiáng)的煤，否則需要對(duì)黏結(jié)性煤預(yù)氧化破黏、焦與原煤的預(yù)混合等處理。 氣流床氣化時(shí)，可使用黏結(jié)性煤料，但黏結(jié)性不應(yīng)太強(qiáng)。 熱穩(wěn)定性：主要對(duì)固定床氣化有影響。無(wú)煙煤的熱穩(wěn)定性較差，一般不應(yīng)

11、在固定床氣化爐中使用。,機(jī)械強(qiáng)度：影響固定床氣化爐的飛灰?guī)С隽亢蛦挝粻t截面積的氣化強(qiáng)度；流化床氣化爐中的煤粒大小是否均一；不影響氣流床氣化爐。 無(wú)煙煤的機(jī)械強(qiáng)度較大。 粒度： 固定床氣化爐：均勻、合理，細(xì)粉煤的比例不應(yīng)太大。也可將細(xì)粉煤制成煤球。 流化床氣化爐：粒度太小，加上顆粒間的摩擦形成細(xì)粉，則會(huì)使煤氣中帶出物增多；粒度太大，則揮發(fā)分逸出會(huì)受到阻礙，粒子發(fā)生膨脹，而密度下降，在較低的氣速下即可流化，從而減少生產(chǎn)能力。一般要求35 mm。 氣流床氣化爐：干法進(jìn)料時(shí)要求煤粒0.1 mm，即至少有70%90%200 目的粉煤；水煤漿進(jìn)料時(shí)，要求一定的粒度匹配，提高水煤漿中煤的濃度。,（3）煤的組

12、成,水分 固定床氣化爐：8%10%（保證氣化爐出口煤氣溫度高于氣體的露點(diǎn)溫度，否則需要將入爐煤進(jìn)行預(yù)備干燥。因?yàn)槊褐兴诌^(guò)多而加熱速度太快時(shí)，易導(dǎo)致煤料破裂，使出爐煤氣帶出大量煤塵。另外，所得煤氣冷卻后會(huì)產(chǎn)生大量廢液，增加廢水處理量。） 流化床和氣流床：43%（低位發(fā)熱量）。 1998年，該裝置正式投入商業(yè)化運(yùn)行。,三、Shell 煤氣化工藝（簡(jiǎn)稱SCGP）,氣流床Shell（殼牌）,外壁,特點(diǎn)： 干煤粉進(jìn)料、對(duì)噴燒嘴；14001700oC，煤 轉(zhuǎn)化率高 耗氧較少、煤氣有效成分較多 水冷壁、液態(tài)排渣 磨煤能耗、粉塵,2. 工藝技術(shù)特點(diǎn) Shell煤氣化工藝屬加壓氣流床粉煤氣化，是以干煤粉進(jìn)料，

13、純氧做氣化劑，液態(tài)排渣。 干煤氣中有效成分CO+H2可高達(dá)90%以上，甲烷含量很低。 干煤粉的粒度要求也比較靈活，一般不需要過(guò)分細(xì)磨，但需要經(jīng)熱風(fēng)干燥，以免粉煤結(jié)團(tuán)，尤其對(duì)含水量高的煤種更需要干燥。 氣化火焰中心溫度隨煤種不同約在16002200之間，出爐煤氣溫度約為14001700 。 產(chǎn)生的高溫煤氣夾帶的細(xì)灰尚有一定的黏結(jié)性，出爐需與一部分冷卻后的循環(huán)煤氣混合，將其激冷到900左右后再導(dǎo)入廢熱鍋爐，產(chǎn)生高壓過(guò)熱蒸汽。 煤中約有83%以上的熱能轉(zhuǎn)化為有效氣，大約有15%左右的熱能以高壓蒸汽的形式回收。,三、Shell 煤氣化工藝（簡(jiǎn)稱SCGP）,主要工藝技術(shù)特點(diǎn) 煤種適應(yīng)廣（干法粉煤、氣流床

14、） 能源利用率高（高溫、加壓，熱效率高；碳轉(zhuǎn)化率高；干 法加料） 設(shè)備單位產(chǎn)氣能力高（加壓、設(shè)備單位容積產(chǎn)氣能力高） 環(huán)境效益好（副產(chǎn)物少，屬“潔凈煤”工藝） 加壓氣流床粉煤氣化（Shell爐）是20世紀(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的新型煤氣化技術(shù)，是21世紀(jì)煤炭氣化的主要發(fā)展途徑之一！,采用干法粉煤進(jìn)料及氣流床氣化， 可使任何煤種完全轉(zhuǎn)化，對(duì)煤種適應(yīng)廣。 它能氣化無(wú)煙煤、煙煤及褐煤等各種煤，能成功地處理高灰分和高硫煤種。對(duì)煤的性質(zhì)諸如活性、結(jié)焦性、水、硫、氧及灰分不敏感。, 煤種適應(yīng)廣, 能源利用率高,由于采用高溫加壓氣化，因此，其熱效率很高。 在典型的操作條件下，Shell氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。 采

15、用了加壓制氣，大大降低了后續(xù)工序的壓縮能耗。 還由于采用干法供料，也避免了濕法進(jìn)料消耗在水汽化加熱方面的能量損失。,在加壓下（3 MPa以上），氣化裝置單位容積處理煤量大，產(chǎn)氣能力高。 在同樣的生產(chǎn)能力下，設(shè)備尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，相對(duì)的建設(shè)投資也比較低。, 設(shè)備單位產(chǎn)氣能力高, 環(huán)境效益好,高溫下氣化，原料粒度很小，反應(yīng)極為充分，影響環(huán)境的副產(chǎn)物很少，故干粉煤加壓氣流床工藝屬于“潔凈煤”工藝。,Shell煤氣化工藝脫硫率可達(dá)95%以上，并產(chǎn)生出純 凈的硫磺副產(chǎn)品，產(chǎn)品氣的含塵量低于2 mg/m3。 氣化產(chǎn)生的熔渣和飛灰是非活性的，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。 工藝廢水易于凈化處理和循環(huán)使用

16、，通過(guò)簡(jiǎn)單處理可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。 生產(chǎn)的潔凈煤氣能更好地滿足合成氣，工業(yè)鍋爐和燃?xì)馔钙降囊蠹碍h(huán)保要求。,Shell-Koppers中試裝置的設(shè)計(jì)條件和試驗(yàn)結(jié)果,CO+H2 96.2% CO/H2 2.2/1,CO+H2 90.7% CO/H2 2.5/1,3. Shell煤氣化工藝流程與氣化爐,三、Shell 煤氣化工藝（簡(jiǎn)稱SCGP）,Shell煤氣化工藝流程圖,(1) Shell煤氣化工藝流程包括： 煤粉和氣化劑的輸送；氣化及排渣；粗煤氣激冷、廢熱回收、除塵；脫硫脫氯等。,從示范裝置到大型工業(yè)化裝置均采用廢熱鍋爐流程。,來(lái)自制粉系統(tǒng)地干燥粉煤由氮?dú)饣蚨趸細(xì)饨?jīng)輸送至爐前煤粉倉(cāng)及煤鎖斗；

17、再經(jīng)由加壓氮?dú)饣蚨趸技訅簩⒓?xì)煤粒由鎖斗送入相對(duì)布置的氣化燒嘴； 氣化所需氧氣和水蒸氣也送入燒嘴。,N2、CO2氣動(dòng)輸送,N2、CO2加壓, 煤粉及氣化劑的輸送,通過(guò)控制加煤量，調(diào)節(jié)氧量和蒸汽量，使氣化爐在14001700范圍內(nèi)； 氣化爐操作壓力為24 MPa。 在氣化爐內(nèi)煤中的灰分以熔渣的形式排出。絕大多數(shù)熔渣從爐底離開氣化爐，用水激冷，再經(jīng)破渣機(jī)進(jìn)入渣鎖系統(tǒng)，最終泄壓排出系統(tǒng)。 熔渣為一種惰性玻璃狀物質(zhì)。,水激冷熔渣, 氣化及排渣,粗氣夾帶飛散的熔渣粒子激被冷氣冷卻，使熔渣固化而不致粘在冷卻器壁上，然后再?gòu)拿簹庵忻摮?煤氣冷卻器采用廢熱鍋爐，用來(lái)生產(chǎn)中壓飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽。 粗煤氣經(jīng)陶

18、瓷過(guò)濾器除去細(xì)粉塵（60） 先進(jìn)行預(yù)熱、水蒸發(fā) 干餾、熱解、氣化 液態(tài)排渣 進(jìn)料比干煤粉簡(jiǎn)單穩(wěn)定 濕法研磨節(jié)省動(dòng)力 煤漿需加穩(wěn)定劑 對(duì)向火面耐火材料要求高 副產(chǎn)蒸氣利用很重要 O2耗較高、CO2較多,4. 德士古（Texaco）氣化工藝,1-輸煤裝置；2-煤倉(cāng)；3-球磨機(jī)；4-煤漿槽；5-煤漿泵；6-氣化爐；7-輻射式廢熱鍋爐；8-渣鎖；9-對(duì)流式廢熱鍋爐；10-氣體洗滌器；11-沉淀器；12-灰渣泵,德士古氣化工藝可分為：煤漿制備和輸送、氣化和廢熱回收、煤氣冷卻凈化等部分：,德士古氣化工藝采用煤漿進(jìn)料，比干式進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單。,(1) 煤漿制備和輸送,煤漿制備：,較多采用一段濕法制水煤漿工

19、藝。 分為開路（不返料）和閉路（返料）研磨流程。,非封閉式濕磨系統(tǒng),煤和水按一定比例次通過(guò)磨機(jī)制得水煤漿，同時(shí)滿足粒度和濃度的要求。,A 一段濕法（開路）：,封閉式濕磨系統(tǒng),煤經(jīng)研磨得到水煤漿，再經(jīng)濕篩分級(jí)。分離出的大顆粒再返回磨機(jī)。,B 一段濕法（閉路）：,一段濕法制漿工藝具有流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，能耗低，無(wú)需二次脫水等優(yōu)點(diǎn)(尤其是開路流程)。當(dāng)使用同樣物料研磨到相同細(xì)度時(shí)，濕法比干法可節(jié)省動(dòng)力約30左右。 所謂干法，即不用濕磨，而是將原煤用于磨研磨成所要求的篩分組成的煤粉，再按比例加入水和添加劑混合制成水煤漿。,(2) 氣化和廢熱回收,氣化爐是氣化過(guò)程的核心。在氣化爐結(jié)構(gòu)中，噴嘴是關(guān)鍵設(shè)備。,

20、噴嘴（燒嘴）：霧化性好，氣化反應(yīng)性好，壽命長(zhǎng)等。 雙套管式； 三套管式： 中心管：氧氣 外環(huán)隙：氧氣 內(nèi)環(huán)隙：水煤漿,中心氧的作用： 煤漿霧化、燃燒充分、提高氣化效率,工藝燒嘴為外混式三流道結(jié)構(gòu)，氧氣走中心管和外環(huán)隙，在燒嘴頭部設(shè)有冷卻盤管，前端有水夾套，以保護(hù)燒嘴在高溫環(huán)境不被燒壞。,耐火材料：,影響耐火材料性質(zhì)的主要因素有溫度、煤灰性質(zhì)、熔渣流速及熱態(tài)機(jī)械應(yīng)力等，而其中以爐溫為最重要的因素。 水煤漿氣化爐對(duì)向火面耐火材料的要求很高。該處除承受熱力腐蝕、機(jī)械磨蝕外，還將遭受灰渣的物理、化學(xué)等腐蝕使用。,由于高溫下反應(yīng)，有相當(dāng)多的熱量隨煤氣以顯熱的形式存在。因此，煤氣化的經(jīng)濟(jì)性必然與副產(chǎn)蒸汽相

21、聯(lián)系。,粗煤氣的冷卻：,根據(jù)煤氣最終用途不同，粗煤氣可有三種不同的冷卻方法。 直接淬冷法 間接冷卻法 間接冷卻和直接淬冷相結(jié)合,多見于生產(chǎn)合成氨原料氣或氫氣等生產(chǎn)流程。 高溫煤氣和液態(tài)熔渣一起，通過(guò)爐子底部的急冷室，與水直接接觸而冷卻；或在氣化室下部用水噴淋冷卻。 在粗煤氣冷卻的同時(shí)，產(chǎn)生大量高壓蒸汽，混合在粗煤氣中一起離開氣化爐。, 直接淬冷法（激冷流程）,采用廢熱鍋爐的間接冷卻法，多見于生產(chǎn)工業(yè)燃料氣、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)狻⒑铣捎迷蠚獾取?在氣化爐下部直接安裝輻射式冷卻器（廢熱鍋爐）。粗煤氣將熱傳給水冷壁管而被冷卻至700左右。 熔渣粒固化、分離，落入下面的淬冷水池，后經(jīng)閉鎖渣斗排出。 輻射式冷卻器的水冷壁內(nèi)產(chǎn)生高壓蒸汽，作動(dòng)力和加熱用。, 間接冷卻法（廢鍋流程）,采用廢熱鍋爐的間接冷卻法,熔渣粒固化、分離，落入下面的淬冷水池，后經(jīng)閉鎖渣斗排出。,進(jìn)一步冷卻至300，回收顯熱和生產(chǎn)蒸汽。,輻射式冷卻器(廢熱鍋爐）,700,水管鍋爐,對(duì)流式冷卻器 （水管鍋爐）,即：熱粗煤氣先在輻射式冷卻器中冷卻至700