洁净煤技术的研究-型煤的加工与气化毕业论文

1、洁净煤技术的研究 一型煤的加工与气化Study on the Clean Coal Technology - Processing andGasification of Coal Briquette目录 TOC o 1-5 h z 摘要IAbstractIl弓丨 言1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第1章型煤2.1.1型煤技术的发展历程 2.1.1.1型煤技术的必要性2.1.1.2我国的洁净煤技术2. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2洁净煤技术的意义 3. HYPERLINK l bo

2、okmark12 o Current Document 1.3型煤的特性与种类 4.1.3.1何谓型煤4.1.3.2型煤的分类.5.1.3.3工业型煤的要求和特点 5. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.4型煤的加工5.1.4.1型煤成型机理 5.1.4.2煤棒制作工艺过程 5. HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.5型煤的成型6.1.5.1型煤的有粘结剂成型6.1.5.2型煤的无粘结剂成型 8. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.6粉

3、煤成型工艺中的影响因素 8. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章煤炭气化工艺流程的确定10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1煤炭气化的方法 1.02.1.1 CAGOS 希9气法102.1.2埃克森催化煤气化法 1.02.1.3 GI二段煤气发生炉112.1.4泥煤气化法 1.12.1.5 S-O 气化法122.1.6德士古煤气化法 122.1.7鲁奇熔渣气化法 12 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2煤炭气化的机理 1.32

4、.2.1以空气和水蒸汽为气化剂的燃料层气化过程 1 32.2.2气化反应的化学平衡1.32.2.3气化过程的反应动力学142.2.4半水煤气制造原理 1.52.2.5煤气炉内燃料层分部情况及特性 15 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.3德士古（UGI）间歇式气化反应机理及工艺流程 162.3.1反应机理162.3.2工艺流程162.3.3间歇式气化的工作循环172.3.4间歇式制半水煤气的工艺条件 18 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第3章工艺计算21 HYPERLINK l book

5、mark32 o Current Document 3.1煤气发生炉的物料及热量衡算 21 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.2吹风制气阶段的物料及热量衡算 23 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.3总过程计算29 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.4设备计算与选型343.4.1设计参数 343.4.2设计选材 343.4.3制造技术要求的确定36344施工设计与总体制造方案36345煤气炉指标计算363.4.6煤气炉台数的确定37结

6、论38.致谢错误！未定义书签。 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 参考文献3.9. I洁净煤技术的研究一型煤的加工与气化摘要：本设计简要介绍了型煤的加工及几种常见气化工艺，并对其特点做了对比。固定床 间歇气化工艺较其它气化工艺有其不足之处，但其气化工艺较之其它工艺更成熟。根据我 国基本国情本设计采用常压固定床间歇气化法。本设计介绍了型煤的加工，型煤的有粘结剂成型，粉煤成型工艺中的影响因素，包括 成型压力、粘结剂的用量、含水量、搅拌均匀程度、粘结剂的型号、粉煤的粒径等对粉煤 成型的影响。系统介绍了煤炭气化的机理，以空气和水蒸汽为气化剂的燃料层气化

7、过程， 气化反应的化学平衡，气化过程的反应动力学，半水煤气制造原理，煤气炉内燃料层分部 情况及特性，详细介绍了德士古（UGI）间歇式气化反应机理及工艺流程。本设计对造气工段进行了工艺计算，在煤气炉的物料衡算中，进项为100千克入炉燃料，出项包括灰分、干料、不可燃物共计 99.99千克，；能量衡算中，进项包括燃料热值、 空气中水汽的焓、干空气显热、燃料显热共计2904868千焦，出项包括吹风气热值、带出物热值、吹风气中水汽的焓、干吹风气显热等共计1575130千焦；在制气阶段，分别对碳、 氢、氧、氮、硫元素进行了衡算；热量衡算中，进项包括燃料热值、燃料显热、蒸汽的焓、 氮空气中水汽的焓、干氮空气

8、显热共计 3538661千焦，出项4413465.74千焦，进而得制气 效率为80.18%;设备计算中，选用 3000mmUGI煤气炉，每台每小时产水煤气 7500 m3, 由年产量计算需78台。关键词：型煤粘结剂气化工艺半水煤气iiStudy on the Clean Coal Technology - Processing and Gasification ofCoal BriquetteAbstract: The desig n brief of the briquette process ing and several com mon gasificati on process and

9、 its characteristics compared. Although the fixed bed process its in adequacies and the process is laggi ng behi nd compared with other gasificati on process, but the gasificati on process is more mature tha n any other tech no logy. The in termitte ntly Chi nas basic n ati onal con diti ons of this

10、 desig n uses atmospheric pressure fixed bed gasificatio n Fran ce.This desig n has the process ing of the briquette, briquette bin der mold ing in the mold ing process of the pulverized coal factors, including the molding pressure, the amount of binder, water content, degree of mixing uniformity, b

11、inder type, pulverized coal particle size of pulverized coal forming. System, the mechanism of coal gasification, fuel bed gasification process with air and steam as gasificati on age nt, the chemical bala nee of the gasificati on reacti on, the reacti on kin etics of the gasificatio n process, the

12、manu facturi ng prin ciples of semi-water gas, gas furnace fuel layer segment conditions and characteristics, details of the mechanism and process of Texaco (UGI) in termitte nt gasificati on react ion.This desig n process calculati on on the sect ion of gas, the material bala nee of the gas stove,

13、proceeds into the fur nace of 100 kg fuel out, i nclud ing ash, dry materials, non flammable total of 99.99 kg; en ergy bala nee, proceeds in clud ing the fuel calorific value, en thalpy of water vapor in the air, dry air sen sible heat, fuel sen sible heat total of 2,904,868 kJ out items in cludi n

14、g blow n calorific value with a calorific value objects, blowing the enthalpy of water vapor in the atmosphere, dry blown sensible heata total of 1,575,130 kJ; in the gas phase, respectively, acco un ti ng for carb on, hydroge n, oxyge n, n itroge n, sulfur; heat bala nee, the proceeds in cludi ng t

15、he enthalpy of the fuel calorific value, fuel heat, steam and nitrogen in the airthe enthalpy of water vapor, dry nitrogen air sen sible heat total of 3,538,661 kJ 4,413,465.74 kJ in the item, and the n have the gas efficie ncy of 80.18%; the equipme nt calculati ons the selectio n 3000mmUGI3gas sto

16、ve, each hourly capacity of 7500 mof water gas by the annual producti on of calculate the required 78 un its.Key words： Briquette; Binder; Gasification Process; Semi-water Gas 氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。为了生产氨, 一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化 方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成 要求

17、的洁净的1： 3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。我国能源结构中，煤炭资源占很大比重，随着煤炭资源的日益紧张，无烟块煤价格不 断上涨，利用价格较低的无烟粉煤生产造气用型煤已成为一种必然趋势，用型煤造气可使 入气化炉吨原料煤成本降低，以廉价的粉煤为原料制成型煤气化，煤炭利用率大大提高从 而使企业获得效益，在竞争中取胜。当前城镇及大中型企业要求实现煤气化的迫切性越来 越大，至今以合成气为原料的合成含氮、含氧化物、烃类及燃料的化学技术已经获得相当 成功，并且这方面的开发活动至今仍方兴未衰。型煤的气化，是以粉煤加工的块煤原料，用氧气，水蒸汽或氢气等作为气化剂，在

18、高 温条件下通过化学反应将煤或焦碳中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化时所得 的可燃气体称气化煤气。气化煤气可用于城市煤气、工业燃气和化工原料气及联合循环发 电等中国发展洁净煤技术的目标：一是减少环境污染，如SO2、NOx、以及煤矸石、粉尘、 煤泥水的影响等；二是提高煤炭利用效率，减少煤炭消费量；三是通过加大初级能源的转化， 改善终端能源结构，将煤炭能源转换为洁净的气态与液态能源 o总之，洁净煤技术涉及多行业、多领域、多学科，是一项庞大的系统工程。洁净煤技 术的研究可以减少环境污染，提高煤炭利用效率，减少煤炭消费量，是解决我国石油短缺的 一条重要途径。通过气化使之转化成气体，对于缓解石油

19、资源紧张的局面具有战略意义和 现实意义3 o第1章型煤能源是推动经济和社会发展的重要物质基础。随着我国经济的快速发展，能源问题和 环境问题也日益突出，已经成为实现可持续发展的一个制约因素。我国多煤炭、少石油、缺天然气”的能源资源特点决定了我国能源在较长时期内以煤为主的格局不会改变，确立我国的能源安全战略，必须从这一基本条件出发。但是，目前我国84%煤炭用于直接燃烧，这种相对落后的供能方式对环境造成诸多不利影响，如80%的SO2和烟尘为燃煤产生，诱发温室效应、酸雨等。另外，掠夺式开采方式已造成部分地区地面塌陷、地下水污染和流 失等。为了解决目前所面临的矛盾和困境，出路就在发展洁净煤技术。综上所述

20、，发展洁净煤技术不仅可以充分发挥我国丰富的煤炭资源优势，保证煤炭工 业的可持续发展和满足未来不断增长的能源需求；而且能够有效地解决燃煤引起的环境污 染问题，缓解目前石油工业所面临的困境。因此，开发利用洁净煤技术对减少环境污染和 补偿石油资源的短缺都具有非常重要的意义，是我国实施可持续发展战略重要措施之一o 1.1型煤技术的发展历程1.1.1型煤技术的必要性近年来，随着煤炭资源的日益紧张，无烟块煤价格不断上涨，利用价格较低的无烟粉 煤生产造气用型煤已成为一种必然趋势，用型煤造气可使入气化炉吨原料煤成本降低，以 廉价的粉煤为原料制成型煤气化，从而使企业获得效益，在竞争中取胜。影响造气型煤质 量的因

21、素及其改善建议主要原因是型煤质量较差。因此，对影响型煤质量的因素进行深入 分析，提出改善型煤质量的对策，从而使造气型煤技术在生产中得到稳步健康的发展很有 必要。1.1.2我国的洁净煤技术洁净煤技术是煤炭能源利用的主导技术方面之一，是当前世界各国解决环境问题的重 要领域。在科学发展观的指导下，随着国家宏观发展战略观念的转变，中国政府已经把洁 净煤技术作为可持续发展和实现两个根本转变的战略措施。我国政府和企业界、技术界围 绕着提高煤炭开发利用效率、减轻对环境污染开展了大量的研究开发和推广工作。1994年， 我国成立了煤炭工业洁净煤工程技术研究中心，1995年成立了国家洁净煤技术推广应用领 导小组，

22、1997年国务院批准了中国洁净煤技术九五计划和 2010年发展纲要。在中国国 民经济第十个五年计划和煤炭工业十五”规划中，都非常强调加大洁净煤技术研究开发力 度，扩大洁净煤领域的国际交流和合作，力求推进国内洁净煤集成技术的产业化。1.2洁净煤技术的意义目前，中国已成了世界上最大的洁净煤开发市场和商品经营市场。中国已将发展洁净 煤技术列入中国21世纪议程。型煤技术是中国当前发展洁净煤技术产业化的7项技术之一，它投资少、建厂周期短、见效快、节能和环保效益显著，近30年来在中国合成氨行业得到了大力推广。由于原料成本占合成氨生产成本的60%左右，这一举措使中国煤炭合成氨企业的生产成本下降了约 20%3

23、0%,尤其在 富煤、少油、缺气”的中国能源结构背景下，使中国煤炭合成氨技术 又焕发出青春，这确实是一项了不起的成就。由于目前型煤制气显现出的良好的经济效益 和社会效益，并且随着今后造气上新技术、新设备的不断应用，造气炉设备的不断更新， 工艺条件的不断优化和完善，型煤制气的技术也将不断地提高，如型煤富氧连续制气工艺 等新技术的应用，终将克服目前存在的种种问题，在国内一定时期内仍将呈现出蓬勃发展 的态势3。煤气化是将煤转化为工业用气体的过程，其中最主要的是将煤转化为 CO和H2的混合 物，它们又叫合成气，可以合成很多化学品，例如甲醇，醋酸，二甲醚，天然气等很多非 常有用的化学品。作为工业燃气一般热

24、值为11001350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制 得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直 接加热产品或半成品。作为民用煤气一般热值在30003500大卡，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得 到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻 环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、 环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的 H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量 高，以提高煤气的热值；而 CO有毒其含量应尽量低21。作为化工合成和燃料油合成原料

25、气早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch合成航空燃料油。 随着合成气化工和碳-化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品 的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲 醚以及合成液体燃料等。化工合成气对热值要求不咼，主要对煤气中的 CO、H2等成分有要求，一般德士古气 化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工 乙。作为冶金还原气煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石 还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也

26、可用还原气来冶炼。 因此，冶金还原气对煤气中的 CO含量有要求。作为联合循环发电燃气整体煤气化联合循环发电（简称 IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后 燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。 用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度-如粉尘及硫化物含量的要求很高。 与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床气化（德士古）、加压 气流（Shell气化炉）广东省加压流化床气化工艺，煤气热值 22002500大卡左右。作煤炭气化燃料电池燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化 学发

27、电技术。目前主要由磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）、固体氧化物型（SOFC） 等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是 IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。煤炭气化制氢氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能 电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的 作用，一般是将煤炭转化成 CO和出，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O,将富 氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。煤炭液化的气源不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而 可选的煤炭气化

28、工艺同样包括固定床加压气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。1.3型煤的特性与种类1.3.1何谓型煤型煤，是一种或数种煤与一定比例的粘结固硫剂等辅助物料经加工成一定形状尺寸和 有一定替代性能的块状燃料 。当今型煤开发的另一个领域，是将粉煤及一定比例的煤泥 等其它低热值燃料或废弃物加上粘结剂、添加剂加工成型煤。1.3.2型煤的分类目前国内外工业型煤种类繁多、工艺类型复杂粘合剂原料范围不断扩大，为了有层次 的了解工业型煤状况，按成型分类：工业型煤：冲压成型、挤压成型、滚压成型、圆盘 造粒；民用型煤：冲压成型、滚压成型。按形状分类 ：工业型煤：球形、卵形、柱形、 枕形、管形（见图1.1）；民用型

29、煤：蜂窝形、球形、卵形。枕型卵形圆球形图1.1型煤的形状与大小1.3.3工业型煤的要求和特点对于不同炉排的锅炉、型煤的大小、冷强度的要求是不同的。往复炉排型煤的尺寸、 粒度可大些，链条炉型煤的尺寸、粒度可小些，冷强度的要求可低些。对于煤气发生炉型煤、型焦来说工业锅炉型煤技术指标要求可低些。冷压强度：工业锅炉型煤与煤气发生炉型煤、型焦的冷压强度可以基本相同，但也 可低些。一般2030公斤/个。热强度：工业锅炉型煤可以不要热强度，或很小的强度，但煤气发生炉型煤、型焦 就必须有足够的热强度。一般不小于 20公斤/个。粒度的大小：工业锅炉型煤的粒度，固定炉排一般在50克/个、移动炉排一般在10 20克

30、/个。其他如防水性、烘干、落下强度、转鼓强度，都相差不大。在商品化工业锅炉型煤 情况下，同时要满足防水、无需烘干、粘合剂价廉、冷强度大比较容易达到，对于商品化 煤气发生炉、型焦除上述条件外，还要满足热强度的要求。1.4型煤的加工1.4.1型煤成型机理型煤挤出机（见图1.2）利用螺旋挤压的原理，将调制好的粉煤压缩成具有一定强度 的预定形状的煤棒成型设备。它是将燃料粉煤挤压成为有一定强度的圆形（或六棱形或方 形）煤棒，进入造气炉中燃烧的新工艺来取代燃烧块煤和煤球造气的传统工艺5 o1.4.2煤棒制作工艺过程将原煤经筛分、破碎，加入粘结剂，经搅拌、 堆沤、挤压成型、烘干后形成干煤棒入炉，具体 工艺流

31、程如下：原料煤从煤斗中落入运输皮带， 经振动筛筛出其中的杂物和大块物料后进入两次 破碎系统。破碎后的原料粉煤经埋刮板输送机进 入串联双轴搅拌机，同时在腐植酸钠制备桶内制 备好的热粘结剂也加入第一级双轴搅拌机。经两 级充分搅拌后用运输皮带运至堆沤仓进行沤制。 沤制一定时间（一般超过24小时）后用装载运输 车将其沤制煤进入煤斗再经运输皮带运至单轴搅 拌机，经单轴搅拌微调水份后进煤棒机挤压成型。图1.2煤棒挤压机成型模具煤棒机出来的煤棒直接上皮带输送到立式烘干炉内烘干。从烘干炉出来的干煤棒用皮带输 送到成品仓斗内待用于燃烧1.5型煤的成型型煤的生产方法可分为粘结剂成型和无粘结剂成型两大类。粘结剂成型

32、是研究时间最长、应用最广的成型方法。1.5.1型煤的有粘结剂成型粘结剂成型基本流程粘结剂成型实际上是将粘结剂与煤炭颗粒均匀搅拌，然后利用型煤机加压成型，再经过适当的后处理，最后获得符合要求的型煤。粘结剂成型的基本流程图如图1.3所示图1.3粘结剂成型的基本流程筛分筛分的目的在于选取块煤另作他用。筛分的尺寸随各厂工艺的不同而不同。有些厂将 块煤选出后，将小于20毫米的煤用破碎机破碎至 03毫米或06毫米直接用于生产型 煤。有些厂将大于3毫米或6毫米的块煤选出后，省略破碎工序，直接将小于3毫米或6毫米的粉煤用于型煤生产。干燥工序干燥的目的是将混合后的原煤水分保持在一定的水平。根据使用的粘结剂的不同

33、，对混合后的原煤水分的要求也不同。例如，用沥青作粘结剂，原煤水分应保持在2%4%;用纸浆废液或腐殖酸盐溶液作粘结剂， 原煤水分应控制在10%12%。破碎的目的是将原 煤破碎到所需的粒度。为了避免铁器损坏破碎机，一般在破碎机前安装电磁除铁器。搅拌 工序的目的在于将原煤和粘结剂均匀混合，使粘结剂均匀地分布在煤炭颗粒的表面。采用 沥青作粘合剂时，还需通入蒸汽进行加热。成型工序成型工序是型煤成型的关键，型煤成型机主要有对辊式成型机、冲压式成型机和环式成型机等。目前，在工业型煤中应用最广的是对辊式成型机。后处理工序刚刚成型的型煤强度很低，需要经过后处理才能达到一定的强度。后处理工序的目的 在于使粘结剂在

34、适当的温度下产生物理化学反应，从而使型煤具有一定的强度。欧洲一些国家的型煤厂还在后处理工序中给型煤涂敷一层保护膜，从而使型煤具有防潮和耐磨的特 性。粘结剂粘结剂一型煤技术的关键，型煤粘结剂大致可分为：有机粘结剂、无机粘结剂、工业 废料和复合粘结剂。有机粘结剂可分为亲水型和疏水型两种。有机粘结剂的粘结性能好，固化后可使型煤 具有较高的机械强度。在高温时，有机质易于分解，因此用有机粘结剂生产的型煤，其热 机械强度和热稳定性都不太理想。无机粘结剂主要有石灰、粘土、石膏和硅酸钠等。无机粘结剂的共同特点是具有较强 的粘结能力，固化后能起 骨架”的作用，使型煤具有较高的机械强度，用无机粘结剂生产的 型煤的

35、热机械强度和热稳定性都比较理想。无机粘结剂的主要缺点是防水性差并增加了型 煤的灰分。工业废料主要指纸浆废液、酿酒废液、制革废液和制糖废液等。这些废液主要属于有 机粘结剂。利用工业废料作为粘结剂既可使废物得到充分的利用，又可大大减少废料对环 境的污染。复合粘结剂是指同时使用两种或两种以上不同物质作粘结剂。复合粘结剂可以利用不 同物质的优点，互相补充，从而使型煤具有较高的机械强度。复合粘结剂主要包括有机-有机、有机一无机、无机一无机三种形式。1.5.2型煤的无粘结剂成型型煤的无粘结剂成型是指在不加粘结剂的前提下用高压直接成型。即原料煤经过筛分 后，送入干燥机进行干燥，干燥后的粉煤冷却到 4045C

36、后，再由成型机压制成型。这种 成型方法广泛用于褐煤的加工，尽管没有外来的粘结剂，但它仍利用了煤炭本身含有的粘 结性成分。1.6粉煤成型工艺中的影响因素压力对粉煤成型的影响增加成型压力是提高型煤强度的关键。成型机的压力越高越有利于提高球的强度。目前国内生产的成型机，最高辊面线压力可达 需要那么高，过去低压成球的辊面线压力在机，效果很好。中压成球机的辊面线压力为50kN/cm 以上。11t/c m,主要用于金属粉沫成球。制造煤球不10kN/cm以下，现在许多企业采用高中压成球1050kN/cm，高压成球机的辊面线压力为粉煤的粒径对粉煤成型的影响粉煤的粒径及其分布对型煤的强度也有一定的影响。适宜的粒

37、径可与粘结剂充分接触 和粘结。过细的粉煤有利于成型强度，但是增加粘结剂用量，粉煤的粒度控制小于3mm,23mm占50%为宜。搅拌均匀对粉煤成型的影响粉煤与粘结剂需混合均匀，经过 23次的搅拌，基本上可以达到料性均匀滑腻，这 样才有利于提高型煤的强度。型煤含水量对粉煤成型的影响型煤的水分大小直接关系到型煤的成型率、固化时间、初期强度、后期强度等。根据 型煤机的压力和实际生产表明，成型水分应控制在12%14%为宜。粘结剂的型号对型煤质量的影响粘结剂的种类分为有机型、无机型和复合型三大类。采用有机型粘结剂，可提高型煤 的冷强度，不降低固定碳、不增加灰分，但是不能保证型煤的热强度。采用无机型粘结剂，

38、虽然粘结性差，型煤灰分增高，但可提高型煤的热强度和灰熔点。因此，目前开发的许多 新型粘结剂均为复合型，其中有机和无机两种材料均有，利用它们之间各自的长处，弥补 各自的不足，所制成的型煤，具有冷热强度高、灰熔点高、防水、防潮、固硫的优质型煤。由此可知，型煤的质量除了与粘结剂密切相关外，还与煤的粒径组成、搅拌条件、成 型压力、成型总水分等因素有关。粘结剂与煤之间的结合力是机械结合和物理结合的综合 结果。型煤的强度与粘结剂表面状态有关，对煤粒这种非极性材料，机械结合力起决定性 作用，因此对型煤的固化工艺要有适宜的条件。第2章 煤炭气化工艺流程的确定2.1煤炭气化的方法2.1.1 CAGOS 希9气法

39、用途：将任何级别或含硫的煤转换成合成天然气。产品：合成天然气、汽油重整原料级石脑油等。简述：煤经过破碎、筛分并加压到 345千帕送到多段沸腾床，并分段干燥和加热除去挥发物。剩余物或炭流到沸腾床气化炉与蒸汽反应生成合成气，合成气提供热解所需的 热并与挥发物混合，该混合气和油 一一气物料送到油回收，经淬冷后把冷凝的油从富合成 气中分离出来，冷凝油经加氢处理后生成石脑油、燃料油或合成原油5。原料合成气经压缩和净化，然后经过变换甲烷化，除去大部分二氧化碳，脱水和压缩 成适于管道运输的气体（见图2.1）。图 2.1 COGSA 法2.1.2埃克森催化煤气化法用途：将煤转换成代用天然气。原料：各种煤，包括

40、褐煤、次烟煤、烟煤。简述：原料煤破碎到8目，加入溶液状催化剂，经催化的煤缓慢氧化、干燥并通过 煤斗送入流化床气化器。在压力 3.45兆帕、温度722 C条件下，蒸汽和循环CO及H?混 合成流化的气流，未反应的蒸汽从反应器的出口气中冷凝出来，然后采用普通酸性气处理（物理溶剂）法除去CO2和H?S。产品甲烷经深冷从循环CO和H2中分离出来。含有催化 剂的炭、未反应的炭和煤被连续除去，约70%的催化剂被水洗回收然后再循环（见图2.2）图22埃克森催化煤气法2.1.3 GI二段煤气发生炉用途：连续法或间歇法用煤生产低热值或中热值燃料气。原料：筛选的低粘结煤、褐煤、烟煤、无烟煤、焦炭。简述：两段气化发生

41、器的工艺原理都是煤缓慢蒸馏，只有焦炭才被气化。因此没有 破裂和形成沥青及胶质组分的麻烦。气化炉可以连续或间断操作，连续操作时可以用或不 用富氧，连续法的气体热值5443千焦至12560千焦，带化油器的间断法气体热值为12560 20934千焦。气化炉内径尺寸1.44米，产率根据使用的煤而不同。进煤量可达5吨/时。2.1.4泥煤气化法用途：合成天然气。原料：泥煤、水和空气。简述：此过程系采用两段气化炉使泥煤转化成高热值煤气或其他合成燃料。在反应 器内生成的甲烷高达82%。将含水份2550%的泥煤粉碎到10网目，经过锁式贮斗进入反应器的顶部。除了两 层气化层外，在反应器顶部还附有一个流化床，用于干

42、燥进来时的泥煤。干燥后的泥煤进 入一个立式管内，并进到短暂停留的氢化系统，在这里泥煤与从下面气化装置来的合成气 发生反应在，在此处产生的甲烷为全过程的 65%，气体从这里进入干燥层；而炭溢流落入 炭气化装置，在压力6.9兆帕、温度889944 C条件下与蒸汽、氧气在流化床上起反应， 生成合成气。进来的炭约有95%气化。热灰排出后用循环水进行冷却，灰 一水浆液经过滤 后将水回收循环系统（见图2.3）图2.3泥炭煤气化法2.1.5 S O气化法用途：生产富含CO和H2的气体，宜作低热值或中热值的燃料用原料：所有灰分含量不超过40%的煤以及煤加氢装置的残渣。简述：采用高温下流化床熔渣型气化炉，在压力

43、下操作，气体产品不含油类和焦油。煤必须粉碎至3毫米以下，干燥到水分含量约为 212%。用循环载气把干燥粉碎了 的煤送至气化炉，原料和气化介质（氧/蒸汽、氧/空气）是通过喷嘴注入的，反应物离开 喷嘴后已得到混合。气化炉内有一转动着的熔渣流化床，它的作用，保证安全点火，起着 防护层的作用，由此可获得高的火焰温度和高的流量，兼有传热器的作用，使粗大颗粒具 有较长的气化时间。气化反应在1650 C2400 C，压力在常压至2.45兆帕之间进行，氧或氧/空气由废热 锅炉来的饱和蒸汽预热，工艺蒸汽是过热的。2.1.6德士古煤气化法目前国内合成氨工业以块煤为原料的 UGI间歇气化工艺占70%以上。详细介绍见

44、2.3。 2.1.7鲁奇熔渣气化法用途：合成天然气，氨的合成气，羰基合成气，费一托法合成气，中热值气体，发电。原料：多种类的煤，包括焦煤和软质煤。产品：中热值的煤料气。简述：通过煤斗系统将原煤送进气化炉并维持气化炉装满燃料，煤的粒度最好为875毫米，但是也可以经过煤斗系统把相当数量粒度小于6毫米的煤粒与主料一起加入气化炉，通过喷嘴还可以把更细的煤吹入气化炉内，由喷嘴吹入蒸汽和氧气在压力2.43兆帕、温度427527 C条件下使煤气化。气体中所含的焦油、油类及其他有机副产物可以分离 并循环到处理系统。煤灰呈熔渣状，用水淬冷，使成玻璃球状颗粒。除此之外还有如下几种： CO2接受体气化法、维尔曼 格

45、留沙法煤气化法、HYGAS 制气法、柯柏斯一托切克制气法、维斯汀豪斯煤气化法、温克勒气化制气法等等。2.2煤炭气化的机理2.2.1以空气和水蒸汽为气化剂的燃料层气化过程气化剂在燃料层气化过程是一个极其复杂的过程，其气化过程不可能完全按照特征反 应进行，而且工业生产的气化反应设备热损失较大，与理论计算差距较大，如蒸汽通过燃 料层后，不可能得到完全分解，总有一部分未分解的蒸汽，一般在常压气化时，蒸汽通过 燃料层的最高分解率为5060%。气化过程见图2.4。CH0NSAW热分解产物水蒸气（气化剂）COC + 3.76Nfi=aCOn-3.7&H - 1 +1. , =( 1 一 一C+02-376N

46、2=C0?+3.76Ne2C + Oe+3J,76N?=2CQ + 3.7&N带出物焦油水蒸气h2SCHC7 hH vueco氐0#Nle灰渣图2.4致密层气化过程示意图2.2.2气化反应的化学平衡在气化过程中，各个反应的平衡常数如表2.1所示表2.1不同温度各反应的平衡常数的对数值反应500 K1000*1500K2000KC O2CO241.04020.41813.54510.1062C。2 二 2CO32.06320.67316.81514.8302CO O2 = 2CO250.01720.16310.2755.382C CO2 二 2CO-8.9770.2553.2704.724C H

47、 2O = CO H2-6.7900.3352.7553.954CO HqO u CO2 2H2-4.6030.4152.2403.183-2.3100.2000.4000.620CO2 H2 = CO H 2O46.64320.00311.3056.9233.312-0.982-2.351-2.9182H2 O2 二 2H2OC +2H2 二 CH4从表上知：碳及CO的燃烧反应的平衡常数值很大，在煤气炉中可能存在的温度下，平衡组成中几乎全是生成物，这说明这些反应以极快的速度进行。即碳及CO的燃烧反应基本上可看成是不可逆的。二氧化碳的还原反应，其平衡常数的对数值在正负值之间变动，即温度升高，气

48、体混合物中一氧化碳含量增加，在 1000 C时C2CO的反应中，一氧化碳的平衡组成可达99%，二氧化碳几乎全部转变为一氧化碳。在气化层中，水蒸汽与碳的主要反应：C H20= CO H2 -Q（2-1）C 2H2O= CO? 2出-Q（2-2）上述反应与CO2的还原反应一样，均为吸热反应，按平衡移动原理可知，温度升高，平衡向生成物方向转移。同时，温度升高，更有利于生成CO的反应，所以气化层温度较高，则煤气中CO含量也较高14。2.2.3气化过程的反应动力学气化反应属于气固相系统的多相反应。整个过程包括物理和化学两个过程。可分为下列步骤:气流中的活性组分向炭的表面扩散（物理过程）；活性组分被碳表面

49、所吸附（物理过程）；生成中间产物（化学过程）；中间产物分解成反应产物（化学过程）；反应产物脱附（物理过程）；反应产物扩散入气流中（物理过程）。物理过程主要和气体的扩散有关，化学过程和化学反应速度有关，影响扩散速度的主 要因素是气流速度，影响化学反应速度的主要因素是温度19。224半水煤气制造原理在气化炉燃料层内，炭与空气及蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气。其化 学反应按下列方程进行：2C 。2 3.76N2 =2C0 3.76血 Q（ 2-3）C H20 二 CO H2 -Q（2-4）这种煤气的组成由上列两反应的热效应平衡条件所决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此要求入炉蒸汽与

50、空气（习惯上成为氮煤气） 比例恰当以满足半水煤气中 CO H2： N3要求，但是在实际生产中要求半水煤气中CO H2 : N2 -3.2。2.2.5煤气炉内燃料层分部情况及特性以直径3米炉为例，自上而下为：干燥区高度为150200毫米；干馏区高度为300 400毫米；还原区高度为350450毫米；氧化区高度为200300毫米；灰渣区高度为100 200毫米。各区层的高度，随炉型和燃料的种类、性质的差异以及采用气化剂品位不同而有所区 别。需要说明的是，各区之间往往是相互交错，并没有明显的分界线。干燥区内一般不产生气化反应，此区内的燃料因刚加入炉内，故温度低。只是吹风时 的吹风气、上吹时的煤气以及

51、下垂式的过热蒸汽（经燃烧室预热）上下通过此区域时将此 区燃料中的水分蒸发，起到预热干燥作用。干馏区内燃料受到热气体继续加热并分解放出低分子烃，在热分解时析出水分、醋酸、甲醇、甲醛、苯酚、树酯、一氧化碳、二氧化碳（依靠燃料中的氧及一氧化碳）、硫化氢、 甲烷、乙烯、氨、氮和氢。气化剂通过此区域时，几乎不发生气化反应。还原区是气化层产生气化反应的主要区域之一，由氧化区来得二氧化碳还原成一氧化碳及水蒸汽分解为氢，燃料依靠与热的气体换热被再次预热。此区的化学反应是：C02 C = 2C0(2-5)C H20 二CO h2(2-6)C 2H20 =C02 2H2(2-7)C0 H20 = C02 H 2(

52、2-8)在煤气炉整个燃烧层中，氧化区的温度最高，煤气炉定时测量它的火层情况，就是间 接的测量它的温度。在气化层里燃料中的碳与气化剂中的氧（空气的氧或富氧）发生化学 反应，其气化反应是：C 。2 3.76N2 =C02 3.76N2（2-9）2C O2 3.76N2 =2C0 3.76N2（ 2-10）氧化层加上述还原层总称为气化层。燃料层中的燃料经过气化后剩余物质被称为灰渣，灰渣在炉体最下部形成灰渣区。在 生产中灰渣去起到了预热气化剂，分布气化剂，保护炉算和承受燃料层骨架的作用。2.3德士古（UGI）间歇式气化反应机理及工艺流程综合考虑先前成功工程事例，年生产能力、煤转化率、生产成本、原料煤煤

53、质等因素， 选用粉煤加工的型煤，利用德士古（UGI）间歇式气化工艺实现煤炭气化。2.3.1反应机理固体原料磨碎后在水或油中配制成浆，用泵打入气化炉，气化采用部分氧化法，无催化剂，气化炉在8.13兆帕、操作温度为1300 C1600 C。煤浆和氧迅速反应，全部重烃 类基本上转化为气体产品，其主要成分为 CO和H2，停留时间仅几秒钟，灰浆水可使温度 稳定。反应炉是一个具有耐火砖衬里的压力容器，高的操作温度产生熔渣，从水封型 锁灰斗” 中去。熔渣颗粒是不透水的，为了便于处理它，要控制最小的熔渣力度。2.3.2工艺流程固体燃料由加料机从炉顶间歇加入炉内，吹风时，空气鼓风机自下而上通过燃料层，吹风气经燃

54、烧室及废热量后由烟囱放空。燃烧室中加入二次空气，将吹风气中的可燃气体 燃烧，使室内的格子蓄热砖温度升高。燃烧室盖子具有安全阀作用，当系统发生爆炸时可 泄压，以减轻设备的破坏。蒸汽上吹制气时，煤气经燃烧室及废热锅炉回收余热后，再经 洗涤塔进入气柜。下吹制气时，蒸汽从燃烧室顶部进入，经预热后自上而下流经燃料层。 由于煤气温度较低，可直接由洗涤塔进入气柜。二次上吹时，气体流向与上吹相同。空气 吹净时，气体经燃烧室、旋风除尘器、废热锅炉和洗涤塔进入气柜，此时燃烧室不必加入 二次空气，在上、下吹制气时，如配入加氮空气，则其送入时间应稍迟于水蒸汽的送入， 并在蒸汽停送之前切断，以避免空气与煤气相遇而发生爆

55、炸。燃料气化后，灰渣经旋转炉图2.5煤气炉工艺流程图2.3.3间歇式气化的工作循环常压固定床法制半水煤气其工艺流程气化过程按5个阶段分别叙述如下：吹风阶段来自鼓风机的加压空气送入煤气发生炉底部，经与燃料层燃烧放出大量的热量储存于炭层内，生成吹风气由炉顶出，经旋风除尘器除去灰尘后，进入废热锅炉的管间的水换热，水受热蒸汽产生的低压蒸汽经气包蒸汽管道可供本炉制气用。吹风气 被冷却降温后出废热锅炉，由烟囱放空。上吹制气阶段蒸汽与加氮空气一起自炉底送入，经与灼热的燃烧层反应后，气 体层上移，炉温下降，生成半水煤气由炉顶引出除去带出灰尘。进入废热锅炉回收气体中 的显热后进入洗涤塔洗净和冷却至常温由洗涤塔上

56、部引出送出气柜。下吹制气阶段 蒸汽自炉顶送入，经灼热的气化层反应，气化层下移，炉温继续 下降，生成的水煤气由炉底引出，因下行煤气通过灰渣层降低温度，不再进入废热锅炉直 接进入洗涤塔洗净降温，由塔顶引出至气柜。二次吹气阶段基本同一次上吹制气阶段，但不加入氮空气，其目的在于置换下部及管道中残存的煤气，防止爆炸现象。吹净阶段其工艺流程同上吹制气阶段，但不用蒸汽而改用空气，以回收系统中的煤气至气柜。以上5个阶段的工作循环，由液压或气压两种形式自动机控制，目前正在发展成微型 程序制代替自动机控制17 o间歇式制气工作循环各阶段气体的流向（见图2.6） o阀门开闭情况（见表2.2）nk图2.6间歇制半水煤

57、气各阶段气体流向图表2.2各阶段阀门开启情况阀门开闭情况阶段1234567吹风OXXOOXX一次上吹XOXOXOX下吹XXOXXOO二次上吹XOXOXOX空气吹净OXXOXOX注：O阀门开启 X阀门关闭2.3.4间歇式制半水煤气的工艺条件选择生产工艺条件时，要求气化效率高，炉子生产强度大，煤气质量好，气化效率是 指制得半水煤气所具有的热值与制气投入的热量之比。投入的热量包括气化所消耗的燃料 热值和气化剂带入的热量（后者主要指蒸汽的潜热）。它是用来表示气化过程中的热能利 用率。气化效率高，燃料利用率高，生产成本低。气化效率用X表示：X= Q 半/（ Q 燃+ Q 蒸）100%（2-11）式中：Q

58、半半水煤气的热值Q燃 消耗燃料的热值Q蒸消耗蒸汽的热值生产强度是指每平方米炉膛截面在每小时生产的煤气量，以煤标准状态下的立方米表 示。煤气质量则根据生产要求以热值或以指定成分要求来衡量。为了保存以上的要求，气 化过程的工艺条件有：温度 反应温度沿着燃料层高度而变化，其中氧化层温度最高。操作温度一般主要 是指氧化层的温度，简称炉温。炉温高，反应速度快，蒸汽分解率高，煤气产量高，质量 好。但炉温高，吹风气中一氧化碳含量高，燃烧发热少，热损失大。此外，炉温还受燃料 及灰渣熔点的限制，高温熔融将造成炉内结疤。故炉温通常应比灰熔点低50C左右，工业上采用炉温范围10001200C。吹风速度提高炉温的主要

59、手段是增加吹风速度和延长吹风时间。后者使制气时间缩短，不利于提高产量，而前者对制气时间无影响，通过提高吹风速度，迅速提高炉温， 缩短二氧化碳在还原层的停留时间。以降低吹风气中的一氧化碳含量，减少热损失21。蒸汽用量蒸汽用量是改善煤气产量与质量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制气时间愈长，则煤气产量愈大。但要受到燃料活性、炉温和热平衡的限制。当燃料活性好。 炉温高时，加大蒸汽流量可加快气化反应，煤气产率和质量也得到提高。但同时因燃料层 温下降快而应缩短吹入蒸汽的时间。但燃料活性较低时，宜采用较小的蒸汽流量和较长的 送入时间。燃料层高度 在制气阶段，较高的燃料层将使水蒸汽停留时间加长，而且燃料层温

60、度较为稳定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹风阶段，由于空气与燃料接触时间家长，吹 风气中CO含量增加，更重要的是，过高的燃料层由于阻力增加，使输送空气的动力消耗 增加。根据实践经验，对粒度较大、热稳定性较好的燃料，可采用较高的燃料层，但对颗 粒小或热稳定性差的燃料，则燃料层不宜过高。循环时间制气过程一个循环时间包括五个阶段时间，各阶段的时间分配要根据燃 料性质，气化剂配分比和煤气组成的要求而定，一个循环时间短时，炉温的波动小，煤气 产量和质量也较稳定，故循环时间不宜长，但气化活化较低的燃料时，因反应速度慢，应 采用较长的循环时间。气体成分主要调节半水煤气中（H2+C0）与N2比值。方法是改变加氮