煤气化课件：煤制气(技能)

1、 本课程主要内容一、基本概念煤炭气化原理二、煤炭气化方法三、煤炭气化原理四、气化用煤五、气化工艺及气化炉六、粗煤气脱硫一、基本概念煤炭气化原理反应性煤的反应性又称煤的化学活性，是指在一定的条件下，煤与不同气化介质(如CO2，O2，H2O和H2)发生化学反应的能力。反应性强的煤在气化和燃烧过程中反应速率快、效率高。 煤气化煤或煤焦与气化剂（空气、氧气、水蒸气、氢等）在一定温度及压力下发生化学反应，将煤或煤焦中有机质转化为煤气的过程 煤气 气化剂通过炽热固体燃料层时，所含游离氧或者结合氧将燃料中的碳转化成的可燃性气体。有效成分：CO、H2、CH4 煤气的发热值是指标准状态下lm3煤气在完全燃烧时所

2、放出的热量，如果燃烧产物中的水分以液态形式存在称高发热值，如果水以气态形式存在称低发热值。空间速度空间时间单位时间内，单位体积的催化剂所通过气体体积数。单位：m3(m3催化剂h)。空间速度越高，单位体积催化剂处理能力越大，生产能力就越大。 在等密度反应过程中，气体与催化剂的接触时间。空间时间越小，反应器的生产能力越大。转 化 率参加反应的原料量与通入反应器原料量比值百分率。它说朋原料的转化程度。转化率越大，参加反应的原料越多。选 择 性实际目标产物量与反应原料计算应得产物理论量之比。 = 实际所得目标产物量计算应得产物理论量100% = 转化为目标产物原料量反应掉原料量100% 收 率转化为目

3、标产物的原料量与通入反应器原料量之比。 有循环物料时产物总收率 =转化为目标产物的原料量新鲜原料量100%煤炭气化原理一、基本概念煤炭气化原理1.煤化工包括 、 、 及其他煤加工制品工业。2.煤的气化是将煤与 在高温下发生化学反应，将煤中有机物转变为煤气的过程，常用的气化剂有空气、 、 等。3.煤气的有效成分为 、 、 等。4.煤气的发热值指标准状态下1m3煤气完全燃烧时放出的热量。如果燃烧产物中的水分以液态形式存在称 ，如果水以气态形式存在称 。5.空气煤气中不含有的成分是（ ） A CO B CO2 C C2H5 D N2练习题煤炭气化原理1.煤化工包括 炼焦工业、煤炭气化工业、煤炭液化工

4、业及其他煤制化学品工业。2.煤的气化是将煤与气化剂在高温下发生化学反应，将煤中有机物转变为煤气的过程，常用的气化剂有空气、氧气 、水蒸气 等。3.煤气的有效成分为CO、H2、CH4等。4.煤气的发热值指标准状态下1m3煤气完全燃烧时放出的热量。如果燃烧产物中的水分以液态形式存在称高发热值，如果水以气态形式存在称低发热值 。5.空气煤气中不含有的成分是（ C ） A CO B CO2 C C2H5 D N2练习题答案煤炭气化原理二、煤炭气化方法 一、 按气化技术分类 地面气化将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得煤气的方法 将未开采的煤炭有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用生产煤气的过程。 地

5、下气化二、 地面气化技术分类煤炭气化原理二、煤炭气化方法 内热式气化利用煤与氧反应放出热量来达到反应所需温度，即燃烧一部分气化所用燃料，将热量累积到燃料层里，再通入水蒸气发生化学反应制取煤气。因此内热式气化也称为自热式气化。 利用外部给气化炉提供热量。热源：外部炉壁加热燃料（炉壁需选用耐火度高且导热性好的材料）；高度过热水蒸气（1100）；加热水蒸气和粉末燃料的混合物到1100，达到水煤气反应温度。外热式气化给热方式二、 地面气化技术分类煤炭气化原理二、煤炭气化方法 富氧气化 气化剂是富氧空气。 纯氧气化 气化剂是氧气。 加氢气化 气化剂是氢气。即煤与氢气反应生成甲烷的过程。 水蒸气气化 气化

6、剂是水蒸气。 气化介质 二、 地面气化技术分类煤炭气化原理二、煤炭气化方法 入炉的煤块粒度粉煤炭气化块煤炭气化 移动床气化沸腾床气化气流床气化熔融床气化 燃料在炉内状况其他分类三、 工业煤气分类煤炭气化原理二、煤炭气化方法 定义：以空气为气化剂生成的煤气。主要成分： N2，CO，CO2，H2。特点：热值低，主要作为化学工业原料，煤气发动机燃料等。空气煤气 混合煤气 半水煤气 水煤气 工业煤气 定义：以空气和适量水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分： N2，CO，H2，CO2。特点：工业上一般用作燃料。定义：以水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分： H2，CO，CO2，N2。特点：H2和CO含量达8

7、5以上，一般用作化工原料定义：以水蒸气加适量的空气或富氧空气为气化剂生成的煤气主要成分： H2，CO，N2，CO2。特点：（H2+CO）=3N2（质量），一般用来合成氨煤炭气化原理1.地面气化技术以燃料在炉内的状况可分为四类，分别为 气化、 气化、 气化和熔融床气化。2. 发生炉煤气根据使用气化剂和煤气的热值不同，一般可分为空气煤气、混合煤气、 、 等。3.什么是水煤气、半水煤气？两者有何区别.练习题煤炭气化原理1.地面气化技术以燃料在炉内的状况可分为四类，分别为沸腾床气化、移动床气化、气流床气化和熔融床气化。2. 发生炉煤气根据使用气化剂和煤气的热值不同，一般可分为空气煤气、混合煤气、 水煤

8、气 、 半水煤气 等。3.什么是水煤气、半水煤气？两者有何区别。 水煤气是以水蒸气为气化剂生成的煤气。 主要成分： H2，CO，CO2，N2。 特点：H2和CO含量达85以上，一般用作化工原料 半水煤气是以水蒸气加适量的空气或富氧空气为气化剂生成的煤气 主要成分： H2，CO，N2，CO2。 特点：（H2+CO）=3N2（质量），一般用来合成氨练习题答案三、煤炭气化原理一、 气化过程的主要化学反应 一次反应C+O2CO2 -394.1kJ/molC+H2OCOH2 +135.0kJ/molC+1/2O2CO -110.4kJ/molC+2H2OCO2+2H2 +96.6kJ/molC+2H2C

9、H4 -84.3kJ/molH2+1/2O2H2O -245.31kJ/mol 二次反应C+CO22CO +173.3kJ/mol2CO+O22CO2 -566.6kJ/molCO+H2OH2+CO2 -38.4kJ/molCO+3H2CH4+H2O -219.3kJ/mol3C+2H2OCH4+2CO +185.6kJ/mol2C+2H2OCH4+CO2 +12.2kJ/mol气化主反应煤炭气化原理三、 煤炭气化原理二、 气化过程的物理化学基础煤炭气化原理反应历程气体反应物向固体(碳)表面转移或扩散。 第一步气体反应物被吸附在固体(碳)表面。 第二步被吸附的气体反应物在固体(碳)表面起反应而

10、形成中间配合物。 第三步中间配合物的分解或与气相中到达固体(碳)表面的气体分子发生反应。 第四步反应物从固体(碳)表面解吸并扩散到气相 第五步煤炭气化原理一、 气化用煤种的主要特征气化时不黏结，不产生焦油，所生产的煤气中只含有少量的甲烷，不饱和碳氢化合物极少，但煤气热值较低。 无烟煤贫煤焦炭半焦 烟煤 泥炭 褐煤 气化煤种 气化时黏结，并且产生焦油，煤气中的不饱和烃、碳氢化合物较多，煤气的净化系统较复杂，煤气的热值较高。 气化时不黏结但产生焦油，加热时不产生胶质体，含有较高的内在水分和数量不等的腐殖酸，挥发分高，加热时不软化，不熔融。泥炭煤中含有大量的腐殖酸，挥发分产率近70%左右。气化时不黏

11、结，但产生焦油和脂肪酸，所生产的煤气中含有大量的甲烷和不饱和碳氢化合物。煤炭性质的影响四、气化用煤一、 水分含量对气化的影响煤炭气化原理煤炭性质的影响煤中的水分存在形式：外在水分：煤的开采、运输、储存和洗选过程中润湿在煤的外表面以及大毛细孔而形成的。含有外在水分的煤为应用煤，失去外在水分的煤为风干煤。内在水分：吸附或凝聚在煤内部较小的毛细孔中的水分，失去内在水分的煤为绝对干燥煤。结晶水：在煤中以硫酸钙(CaSO42 H2O)、高岭土(Al2O32SiO22H2O)等形式存在的，通常大于200以上才能析出。 四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理二、 灰分含量对气化的影响煤炭性质的影响 灰分

12、：煤在800的条件下完全燃烧后的残余物。即煤中矿物质含量。 组成：硅、铝、铁、镁、钾、钙、硫、磷等元素和以碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐和硫化物等形式的盐类。 影响：增加运输的费用，降低气化效率，增加炉渣的排出量，增加随炉渣排出的碳损耗量，增加气化的各项消耗指标（如氧气、水蒸气和煤的消耗指标），而净煤气的产率下降。 对于加压气化，用煤灰分可高达55%左右而不至于影响生产的正常进行。这是由于加压操作时，气化剂的浓度高，扩散能力强，能够透过煤灰表面与碳进行较为完全的反应。同时，进入炉中的气化剂的速度也比常压气化小，在炉内停留时间长，有较长的时间和煤反应。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理三、 挥发

13、分含量对气化的影响煤炭性质的影响 煤在加热时有机质部分裂解、聚合、缩聚，低分子部分呈气态逸出，水分也随着蒸发，矿物质中的碳酸盐分解，逸出二氧化碳等。除去水分的部分即为挥发分产率。随着变质程度的增高，煤的挥发分逐渐降低。此外，年轻煤的挥发分产率高，年老煤的低。 当煤气用做燃料时，要求甲烷含量高、热值大，选用挥发分较高的煤做原料；当煤气用做工业生产的合成气时，一般要求使用低挥发分、低硫的无烟煤、半焦或焦炭，因为变质程度浅(年轻)的煤种，生产的煤气中焦油产率高，容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定的困难，同时也增加含氰废水的处理量。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理四、 硫分含量对气化的影

14、响煤炭性质的影响 煤中的硫以有机硫和无机硫的形式存在。煤在气化时，其中8085%的硫以H2S和CS2的形式进入煤气当中，不仅污染环境，而且会影响后段工序的运行，如造成催化剂中毒，加重脱硫的负担等。所以，气化用燃料中硫含量应是越低越好。五、 粒度对气化的影响 煤的粒度不同，将直接影响到气化炉的运行负荷、煤气和焦油的产率以及气化时的各项消耗指标。 1.粒度大小与比表面间的关系：煤的粒径越小，比表面积越大。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理五、 粒度对气化的影响煤炭性质的影响 2.粒度大小与传热的关系：粒度越大，传热越慢，煤粒内外温差越大，粒内焦油蒸气的扩散和停留时间增加，焦油的热分解加剧。

15、 3.粒度与生产能力的关系：煤的粒度太小，当气化速度较大时，小颗粒的煤有可能被带出气化炉外，从而使炉子的气化效率下降。气化炉内某一粒径的颗粒被带出气化炉的条件是:气化炉内上部空间气体的实际气流速度大于颗粒的沉降速度。 4.粒度的大小对各项气化指标的影响：煤的粒度减小，相应的氧气和水蒸气消耗将增大。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理六、 燃料的灰熔点和结渣性对气化的影响煤炭性质的影响 煤炭气化时的灰熔点有两方面的含义，一是气化炉正常操作时，不致使灰熔融而影响正常生产的最高温度，另一个是采用液态排渣的气化炉所必须超过的最低温度。灰熔点越高，灰分越难结渣，相反，则灰熔点越低，灰分越易结渣。

16、在气化炉的氧化层，由于温度较高，灰分可能熔融成黏稠性物质并结成大块，这就是结渣性。其危害性有下面几点： 影响气化剂的均匀分布，增加排灰的困难。 为防止结渣采用较低的操作温度而影响了煤气的质量和产量。 气化炉的内壁由于结渣而缩短了寿命。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理七、 其他性质对气化的影响煤炭性质的影响 1、煤的黏结性对气化的影响 黏结性煤在气化时，使料层的透气性变差，阻碍气体流动，出现炉内崩料或架桥现象，使煤料不易往下移动，导致操作恶化。 2.煤的反应性对气化的影响 燃料的反应性主要影响气化过程的起始反应温度，反应性越高，则发生反应的起始温度越低，则气化温度就低，这有利于甲烷的生

17、成反应，从而降低了氧气的耗量。当使用具有相同的灰熔点而活性较高的原料时，由于气化反应可在较低的温度下进行，容易避免结渣现象。 3.煤的机械强度和热稳定性对气化的影响 燃料的机械强度是指抗碎、抗磨和抗压等性能的综合体现。机械强度差的煤在进入气化炉后，粉状燃料的颗粒容易堵塞气道，造成炉内气流分布不均，严重影响气化效率。 煤的热稳定性是指煤在加热时，是否容易碎裂的性质。热稳定性差的煤在气化时，伴随气化温度的升高，煤易碎裂成煤末和细粒，对移动床内的气流均匀分布和正常流动造成严重的影响。四、气化用煤-煤质对气化的影响煤炭气化原理1.煤中的水分存在形式有 、 和 ，从泥炭、褐煤、烟煤到年轻无烟煤，水分逐渐

18、 。2.根据气化用煤的主要特征，气化用煤大致可分为哪几类？3.煤炭气化过程结渣的危害有哪些？4.煤炭气化时的灰熔点的两方面的含义？练习题煤炭气化原理1.煤中的水分存在形式有内在水分、外在水分和结晶水，从泥炭、褐煤、烟煤到年轻无烟煤，水分逐渐 减少 。2.根据气化用煤的主要特征，气化用煤大致可分为哪几类？ 根据气化用煤的主要特征，将气化用煤大致分为以下四类： 第一类，气化时不黏结也不产生焦油，代表性原料有无烟煤、焦炭、半 焦和贫煤。 第二类，气化时黏结并产生焦油，代表性原料有弱黏结或不黏结烟煤。 第三类，气化时不黏结但产生焦油，代表性原料有褐煤。 第四类，以泥炭为代表性原料，气化时不黏结，能产生

19、大量的甲烷。练习题答案煤炭气化原理3.煤炭气化过程结渣的危害有哪些？ 在气化炉的氧化层，由于温度较高，灰分可能熔融成黏稠性物质并结成大块，这就是结渣性。其危害性有下面几点： 影响气化剂的均匀分布，增加排灰的困难。 为防止结渣采用较低的操作温度而影响了煤气的质量和产量。 气化炉的内壁由于结渣而缩短了寿命。4.煤炭气化时的灰熔点的两方面的含义？ 煤炭气化时的灰熔点有两方面的含义，一是气化炉正常操作时，不致使灰熔融而影响正常生产的最高温度，另一个是采用液态排渣的气化炉所必须超过的最低温度。灰熔点越高，灰分越难结渣，相反，则灰熔点越低，灰分越易结渣。练习题答案五、气化工艺及气化炉 原 料：固体燃料（无

20、烟煤、焦炭等） 气化剂：空气、水蒸气 设 备：气化炉 压 力：常压 温 度：高温 任 务：制合格的水煤气 生产特点：气化剂和水蒸气交替与碳反应，燃料层的温度随着空气的加入而逐渐升高，随着水蒸气的加入而逐渐减低，呈周期性变化。生成煤气的组成和数量也呈周期性变化。一、 固定床间歇制气工艺（一）化学反应 以空气为气化剂，碳与氧之间发生的独立化学反应： 以水蒸气为气化剂，碳与水蒸气之间发生的化学反应：五、气化工艺及气化炉三、固定床间歇法制水煤气方法 固定床间歇气化法是国内合成甲醇装置广泛采用的方法，大多数合成氨联产甲醇的原料气也用固定床间歇气化法生产。 1、煤气炉内燃料层的分区 干燥区、干馏区、气化层

21、（还原层，氧化层）灰渣层。见图 2、水煤气生产的工作循环 一个工作循环：从上一次送入空气开始，到下一次再送入空气止。 循环周期：一个工作循环所用的时间。五、气化工艺及气化炉图2-2 固定床煤气发生炉简图图2-3 煤气炉内燃料层分区 每个工作循环分为六个阶段：吹风、蒸汽吹净、一次蒸汽上吹、蒸汽下吹、二次蒸汽上吹与蒸汽吹净。吹风阶段：提高炉温，蓄积热量，为气化反应提供条件。（ 25% 30%）蒸汽吹净阶段：将上阶段末期炉上残余的含氮高的吹风气赶出系统，降低水煤 气中氮气含量，提高有效气体质量。 （ 1%）蒸汽一次上吹制气阶段：制取高质量的水煤气。 （ 25% ）蒸汽下吹制气阶段：制取水煤气，稳定气

22、化层，减少热损失。（ 40% ）蒸汽二次上吹制气阶段：置换炉底水煤气，避免空气与煤气在炉内接触而爆 炸，为下一步吹风做准备，同时生产一定的水煤气。（ 7 10%）空气吹净阶段：回收炉顶残余的水煤气，提高炉温。（ 1% 2%）图24 固定床煤气发生炉的工艺流程 氧气水蒸气连续气化法 氧气-水蒸气连续气化法可很有效的降低氮气含量，大大提高有效气体成分，从而提高经济效益。另外，若气化剂用氧气生产水煤气，则可减少吹风气放空造成的环境污染，符合环保的政策要求。1、固定床加压气化法（鲁奇加压煤气化） 气化的原理及生产工艺 鲁奇加压煤气化工艺采用德国鲁奇公司的MARK-IV型移动床加压气化炉。有供开、停车用

23、的公用的冷、热火炬系统和煤锁、气柜系统。 鲁奇气化炉为立式圆筒形构造，是加压气化炉，主要壳体部分为双层水夹套。将锅炉给水注入水夹套来回收，从气化炉散发的热量产生中压蒸汽，作为气化剂的一部分返回气化炉系统。 炉顶装有供加煤用的煤锁，以便向炉中加入筛分后的煤，由动力装置驱动布煤器把加入的煤均匀分布在煤床上。 气化炉的底部装有由动力装置驱动的炉箅及灰刮刀，用来排出产生的灰渣。灰渣落入灰锁内，灰锁是气化炉的组成部分。 从气化炉底部引入蒸汽和氧气，与煤进行气化反应，通过旋转的炉箅把蒸汽和氧气分布到煤床内。炉箅支撑着煤床，并连续旋转以保证均匀不断地排出产生的灰渣。 Lurgi式加压气化炉 随着蒸汽和氧气的

24、向上流动，煤床内可以表征为五个不同的区段，从底部向上到顶部，分别是灰渣层、第一反应层(碳的燃烧层，供应气化所需的热量)、第二反应层、干馏层(脱除挥发分)和干燥层。当煤通过床层下降时，煤中的一些挥发分首先被脱除，然后剩余的碳被气化并烧掉。从气化炉底部把灰渣排至灰锁内，接着外送处置。 气化炉生成的粗煤气从炉顶离去。（1）灰层：最底部。（2）第一反应层(燃烧层)第一反应层由底层正在燃烧着的炭组成。这一层为紧接着上面的第二反应层提供热量和二氧化碳。其中的主要反应是碳和氧气的放热反应： C+O2=CO2 2C+O2=2CO（3）第二反应层（气化层）炭(刚脱除挥发分的煤)同蒸汽和热的燃烧产物相接触。主反应

25、物是炭同水蒸气、CO2相结合而生成的CO和H2的吸热反应。高温有利于生成CO和H2，而较低温度则有利于生成CO2和CH4。（4）干馏层（脱挥发分区） 当煤进一步被加热时，在低于200的温度下，煤中吸附的CO2和CH4被驱出。在200以上时才开始煤本身的热分解，同时煤中的有机硫分解，并转化成硫化氢和其他化合物。在500以上时，从煤中分解出大量的焦油和气态烃类，同时氨和氧化物的分解也开始。随着温度的进一步提高，煤的热解作用将放出大量的氢，生成介于半焦和冶金焦之间的中温焦。煤的热解的结果，使煤分解为三类分子：小分子气体，中等分子焦油，大分子焦炭。（5）干燥层 加到反应器的原料煤，同热的产品煤气相接触

26、，煤中的水分被驱出。离开气化炉的煤气温度视煤种及炉型而不同，一般为300700。从炉顶进来的煤以极快的速率被加热，使从煤衍生的油和焦油发生裂解和聚合反应而生成粘稠的重质焦油和沥青，这样激烈的干馏，也会使煤发生爆裂并产生大量煤尘，由产品煤气带出气化炉。大型的加压气化炉内各床层的高度和温度的分布床层名称高度(自炉箅算起)/mm温度/灰渣层0300450燃烧层30060010001100气化层60011008501000甲烷层11002200550800干馏层22002700350550干燥层27003500350煤炭气化原理1.总的来说，气化炉基本上由三大部分组成，分别是 系统、 部分和 系统。2

27、.对固定床来说，气化炉 温度必须高于煤气的 温度3.德士古煤炭气化工艺主要包括 、 、 、 等。4.湿法制取水煤浆方法有 和 。5.简述移动床气化炉内的燃料分层情况，并说明各层主要作用？6.煤气发生炉设水夹套的目的是什么？练习题煤炭气化原理1.总的来说，气化炉基本上由三大部分组成，分别是 加煤 系统、炉身 部分和 排渣 系统。2.对固定床来说，气化炉 顶部 温度必须高于煤气的 露点 温度3.德士古煤炭气化工艺主要包括 水煤浆制备、气化过程、 等。4.湿法制取水煤浆方法有 湿式球磨法 和 。练习题答案5.煤气发生炉设水夹套的目的是什么？ 保护炉体，回收余热，副产蒸汽煤炭气化原理5.简述移动床气化

28、炉内的燃料分层情况，并说明各层主要作用？（1）灰层：最底部。保护炉痹，预热气化剂，均匀布气（2）第一反应层(燃烧层)：由底层正在燃烧着的炭组成。这一层为紧接着上面的第二反应层提供热量和二氧化碳。（3）第二反应层（气化层）：炭(刚脱除挥发分的煤)同蒸汽和热的燃烧产物相接触。反应生成的CO和H2。（4）干馏层（脱挥发分区）： 在该层，煤中吸附的CO2和CH4被驱出。煤本身发生热分解，煤中的有机硫分解，并转化成硫化氢和其他化合物。从煤中分解出大量的焦油和气态烃类，同时氨和氧化物的分解也开始。随着温度的进一步提高，煤的热解作用将放出大量的氢，生成介于半焦和冶金焦之间的中温焦。煤的热解的结果，使煤分解为三类分子：小分子气体，中等分子焦油，大分子焦炭。（5）干燥