洁净煤技术第九章煤的气化技术

煤的气化技术第九章问题1.依照入炉煤在气化炉内的动态过程，煤气化的分类为哪几类？2.简述衡量煤气化效果的指标3.简述气流床气化法的特点4.写出煤地下气化法的气化区域发生的主要反应式。煤气化方法2煤炭气化的基本原理1第九章煤的气化技术煤气的净化和加工3第一节煤炭气化的基本原理12煤气化的基本原理煤气化的分类34影响煤气化的主要因素煤气的种类一、煤气化的基本原理煤的气化过程：煤的气化过程是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、蒸汽或氢气为气化剂，在高温条件下，通过一系列反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料的过程。这个过程包括：煤的热解、燃烧和气化反应。一、煤气化的基本原理煤气化的一般历程：原料煤颗粒干燥颗粒残余炭/半焦挥发分气化煤气干燥脱水热解气化反应气化剂干燥过程：200℃以前完成，在此阶段失去大部分水分，并以水蒸气形式逸出。热解反应：一部分干馏气相产物，转化成一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷；一部分半焦气化反应：在缺氧状态下进行，主要产物一氧化碳、氢气、甲烷和少量二氧化碳、水。一、煤气化的基本原理气化反应：碳完全燃烧

C+O2→CO2+393.8kJ/mol（1）碳不完全燃烧2C+O2→2CO+115.7kJ/mol（2）CO2在半焦上的还原C+CO2→2CO-164.2kJ/mol（3）水煤气变换反应C+H2O→CO+H2-131.5kJ/mol（4）CO+H2O→CO2+H2+41.0kJ/mol（5）甲烷化反应CO+3H2→4CH4+H2O+250.3kJ/mol（6）C+2H2→CH4+71.9kJ/mol（7）一、煤气化的基本原理S+O2→SO2SO2+3H2→H2S+2H2O2CO+SO2→S+2CO22H2S+SO2→3S+2H2OC+2S→CS2S+CO→COS

N2+3H2→2NH3

N2+H2O+CO2→2HCN+1.5O2N2+xO2→2NOx气化反应中的副反应（主要产物）（主要产物）一、煤气化的基本原理一次反应：在气化过程的主要反应中，有原料煤和输入气化剂O2，H2O之间直接发生的反应二次反应：气化初级产物与初始物质之间的反应一、煤气化的基本原理气化反应一般经历七个相继发生的步骤：①反应气体从气相扩散到固体碳表面（外扩散）；②反映其体再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面（内扩散）；③反应气体分子吸附在固体表面上，形成中间络合物；④形成的中间络合物之间，或中间络合物和气相分子之间发生反应，属于表面反应步骤；⑤吸附态的产物从固体表面脱附；⑥⑦一、煤气化的基本原理气化反应一般经历七个相继发生的步骤：⑥产物分子通过固体的内部孔道扩散出来（内扩散）；⑦产物分子从颗粒表面扩散到气相中（外扩散）。①、②、⑥、⑦为扩散过程，包括内扩散和外扩散；③、④、⑤为吸附、表面反应和脱附，合称表面反应过程二、煤气化的分类分类方法二、煤气化分类以入煤炉的粒度大小块煤气化（6-50mm）、细粒煤气化（0.1-9mm）、粉煤气化（小于0.1mm）以气化介质为主空气鼓风气化、空气-水蒸气气化、氧-水蒸气气化、加氢气化以气化过程供热方式内热式气化、外热式气化、热载体气化以气化过程的操作压力为主常压或低压气化（0-0.35MPa）、中压气化（0.7-3.5MPa）、高压气化(7MPa）以排渣方式为主干式或湿式排渣气化、固态或液态排渣气化、连续或间歇排渣气化以入炉煤在炉内的过程动态移动床（固定床）气化、流化床气化、气流床气化、熔融床气化以固体煤和气体气体介质的相对运动方向同向气化（或称并流气化）、逆流气化以过程的阶段性为主单段气化、两段（单简双简）气化、多段气化以过程的操作方式为主连续间歇式气化、循环式气化以反应的类型为主热力学过程、催化气化过程以地下煤层气化与采出煤的气化方式地面气化站气化、地下气化工艺二、煤气化的分类三种典型气化方法比较（典型气化炉形式）项目移动床气化法流化床气化法气流床气化法原料煤粒度/mm3-301-5<0.1适用煤种非黏结性煤黏结性较低的煤种基本无限制供料方式块煤干式粉煤干式粉煤干式或水煤浆湿式排渣/灰方式干式排灰或液态排渣干式排灰或团聚排灰液态排渣气化温度450-1000（干式排灰）600-1600（液态排渣）850-11001500-1800碳转化率/%高（99.7）低(>95)高（>99）生产能力低中高代表技术UGI间歇式水煤气炉ATC/Wellman两段炉等Winkler炉HTW炉等Texaco/E-GasSell/Prenflo三、影响煤气化的主要因素衡量煤气化效果的指标：气化强度、碳的转化率、冷煤气效率、热煤气效率。气化强度：气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤质量，单位是t/(m2·h)，它反映气化过程的生产能力。碳的转化率：反映原料煤中碳的转化程度，一般转化率越高，灰渣中未转化碳的量越少。冷煤气效率（%）=粗煤气热值（标准温度下）/原料煤热值热煤气效率（%）=（粗煤气热值+粗煤气显热）/原料煤热值三、影响煤气化的主要因素1.原料煤的气化性质：主要包括反应活性、黏结性、结渣性热稳定性、机械强度及粒度等。（1）反应活性：在一定条件下，煤炭与不同气体介质如二氧化碳、氧气、水蒸气、氢气相互作用的反应能力。反应活性的指标——以被还原为CO的CO2量占通入CO2总量的体积百分数（CO2的还原率）反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、煤气成分、灰渣或飞灰的含碳量及热效率等。三、影响煤气化的主要因素（2）黏结性：指煤被加热到一定温度是，煤受热分解并产生胶质体，最后黏结成块状焦炭的能力。煤的黏结性不利于气化过程的进行。（3）结渣性与灰熔融性：煤中的矿物质，在高温和活性气体介质的作用下，转变为牢固的黏结性物或熔融炉渣的能力称为结渣性。在生产中，往往以灰熔点作为判断结渣性的主要指标。三、影响煤气化的主要因素（4）热稳定性：指煤在高温下燃烧或气化过程中对温度剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时保持原来粒度的性能。热稳定性好的，在燃烧或气化过程中，能以原来的粒度烧掉或气化，而不是碎成小块；而热稳定差的煤，则迅速碎裂成小块或粉煤。（5）机械强度：指块煤的抗碎强度、耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能。一般来说，无烟煤的机械强度较大。三、影响煤气化的主要因素（6）粒度分布：不同的气化方式对原料煤的粒度要求不同。具体要求见表2（7）水分与灰分：水分过高，会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应的温度；灰分过高，会增加热量损失和碳的不完全反应等。（8）挥发分：指煤在与空气隔绝的容器中加热一定时间后，从煤中分解出来的液体（蒸汽状态）和气体产物——焦油、酚及甲烷等。三、影响煤气化的主要因素（9）固定碳：煤中固定碳含量的高低，对煤完全气化后得到气化指标的好坏有直接关系。气化用煤的固定碳含量高，则煤气的产率高，气化效率和热效率都高。三、影响煤气化的主要因素2.操作条件：主要指气化温度和压力，二者有时相互作用，共同对煤的一些行之产生影响（1）气化温度：通常气化温度的选择需考虑以下几个方面——对于固态排渣的气化方法，为了防止结渣，应将温度控制在煤灰软化温度以下，但同时温度增高有利于提高煤的反应活性和碳的转化率，而不同的操作温度还会影响到产物的生成，如低温条件有利于甲烷的生成。三、影响煤气化的主要因素（2）压力：加压气化是强化煤气化的一种方法，但它对煤气组成、煤的部分气化性也会带来影响。不仅能直接影响化学反应的进行，还会对煤的性质产生影响从而间接影响气化效果。四、煤气的种类煤气：煤气化生成的气体产物粗煤气：气化炉出口处的未经净化的煤气低热值煤气<8.3MJ/m3中热值煤气6.7-33.5MJ/m3高热值煤气>33.5MJ/m3按照煤气在标准状态下的热值分类四、煤气的种类第二节煤气化方法12移动床气化法流化床气化法34气流床气化法其它气化方法一、移动床气化法煤炭气化法：煤炭在移动床气化炉中的气化，也称为块煤气化，是最早出现的煤炭气化法。从炉型上可分为常压气化炉加压气化炉从运行方式上可分为连续式间歇式移动床气化法分类一、移动床气化法1.常压移动床气化法在常压条件下运行，采用自供热和干法排灰的方式进行移动床气化。(1)移动床气化法的原理：在气化炉内，固体原料煤从炉顶加入，在向下移动的过程中与从炉底通入的气化剂逆流接触，进行充分的热交换并发生气化反应，使得沿床层高度方向上有一明显变化的温度分布，一般自上至下可分为预热干燥层、干馏层、气化层（还原层）、燃烧层（氧化层）以及灰渣层。一、移动床气化法(2)移动床气化法的过程（气化剂自下而上）灰渣层：气化剂与灰渣层进行热交换，被预热，灰渣层基本不发生化学反应。氧化层：气化剂与焦炭发生剧烈的氧化反应，放出大量的热，氧化层是炉内温度最高的区域C+O2→CO2+394.55kJ/molC+0.5O2→CO+115.7kJ/mol一、移动床气化法还原层（气化层）：二氧化碳和水蒸气分别与焦炭发生还原反应，还原层是煤气中可燃气体（CO和H2)的主要生成区域。主要反应为吸热反应。CO2+C→2CO-173.1kJ/molC+H2O→CO+H2-131.0kJ/mol一、移动床气化法干馏层：还原层的可燃气体产物与未反应尽的气体在上不区域与刚进入炉内原料煤相遇，进行热交换，原料煤在温度超过350℃时，发生热解并析出挥发分（可燃气体或焦油），并生成焦炭。煤→CH4+H2+CO2+H2O+CmHn+焦油+半焦干燥层：干馏层生成的煤气中含有许多气体杂质，这些气体杂质随还原层生成的煤气混合即为发生炉煤气。经干燥层后离开发生炉。一、移动床气化法(3)移动床气化法的典型例子①煤气发生炉气化法以空气和水蒸气为气化剂与原料煤或焦炭反应制得的煤气称为混合煤气（发生炉煤气），煤气组成中无效气体占60%，热值约为5.02-5.86MJ/m3，由于热值低，主要用于工业燃料气。这类气化炉称之为混合煤气发生炉，简称发生炉。一、移动床气化法②水煤气气化法由蒸汽和赤热的无烟煤或焦炭接触作用而得到煤气，从而减少煤气中N2和CO2的含量的方法来提高煤气热值，即水煤气炉化法，所得煤气称为水煤气，其主要可燃成分是H2和CO。热值10000-11000kJ/m3。一、移动床气化法③常压移动床两段炉气化法解决了普通煤气发生炉和水煤气炉生成的煤气干馏产物过多的问题。气化炉被分成了干馏段和气化段。干馏煤气：煤在低温干馏过程中，以挥发分析出为主生成的煤气。热值较高6700kJ/m3，温度较低120℃左右，并含大量焦油。一、移动床气化法上段煤气（炉顶煤气）：干馏煤气（40%）+气化段生成的煤气的一部分下段煤气（气化煤气）：气化段生成的煤气的一部分沿环状通道与干馏段换热后，从两段炉下段煤气出口经旋风除尘器出炉。一、移动床气化法2.加压移动床气化法以及典型的气化炉（1）什么是加压移动床气化法？加压移动床气化法是一种在高于大气压力（1.0-2.0Mpa或更高压力）的条件下进行煤的气化操作，通常以氧气和水蒸气作为气化介质，以褐煤、长焰煤或不黏煤为原料的气化技术。一、移动床气化法（2）加压移动床气化法优点：煤气热值高，煤种适应性强，耗氧量较低，气化强度高，生产能力增大，粉尘带出量少等。（3）加压移动床气化法缺点：粗煤气中含较多酚类、焦油和轻油蒸气，煤气化处理工艺较复杂，易造成二次污染，投资高，设备的维护和运行费用较高等。一、移动床气化法（4）加压移动床气化法基本原理：除了一般常压气化法发生的煤燃烧、二氧化碳还原、水煤气反应和水煤气平衡反应外，主要发生了一系列甲烷生成的反应，而这些反应在常压下是需要催化剂参与才能发生的。C+H2→CH4+QCO+3H2→CH4+H2O+Q2C+H2O→CH4+CO2+QCO2+4H2→CH4+2H2O+Q一、移动床气化法（5）加压气化炉内的反应区域：从上往下可分为干燥层、干馏层、甲烷层、气化层、燃烧层和灰渣层。甲烷层较厚，占整个料层的1/3。主要的氧化反应C+O2→CO2

水煤气平衡反应CO+H2O→CO2+H2水煤气生成反应C+H2O→CO+H2

二氧化碳还原反应C+CO2→2CO压力加快了反应速度压力使化学平衡向左移动典型的加压移动床气化炉加压鲁奇炉（干法排灰）气化剂（氧化和水蒸汽）自下而上通过床层，在灰床进行预热；在燃烧层进行燃烧反应，提供气化反应所需的热量；在气化层进行水蒸汽与C的气化反应等；在甲烷层有较多的甲烷生成；在干馏层，主要是煤中的挥发份释放出来；在干燥层，煤中的水份被蒸发出来，煤被进一步加热。煤气离开气化炉后首先在洗涤冷却器中进行激冷，达到饱和状态。煤从炉顶部加入炉内，靠转动的煤分布器进行布煤，自上而下经过床层而排出。夹套锅炉产生的蒸汽经汽液分离器分离，分离出的液体返回覆夹套，蒸汽送到汽化剂管线用作气化剂。一、移动床气化法（6）加压移动床气化法与常压移动床气化法的比较：相同之处：煤从炉的顶部加入，气化剂从炉子的下部供入，气化剂与煤逆流接触，气化过程进行的比较安全，灰渣中残炭量少，气化效率高。不同之处：常压-以空气或水蒸气为气化剂，制得的煤气热值较低。加压-以氧气及水蒸气为气化剂，扩大了对煤种的适应性。二、流化床气化法1.流化床气化法：（1）流化床煤气化技术是气化碎煤的主要方法。（2）流化床气化法的原理：与流化床燃烧具有相同之处，都是利用煤的流态化这一特殊的流动状态来实现煤的化学反应。只是，气化所用的气化剂代替了燃烧用的空气，使煤和气化剂在流态化状态下发生气化。二、流化床气化法（2）流化床气化法的优点：床层温度均匀，热传质效率较高，气化强度大，使用粉煤，原料价格便宜，且煤种适应范围宽，产品煤气中基本不含焦油和酚类物质，（3）流化床气化法的缺点：气体中带出细粉过多而影响了碳转化率。解决方法——采用细粉煤循环技术此缺点可得到一定程度的克服。二、流化床反应器二、流化床气化法（4）温克勒气化炉：

原理过程：煤料经过破碎处理后，通过螺旋给料机或气流输送系统进入气化炉，具有一定压力的气化剂从床层下部经过布风板吹入，将床上的碎煤托起，当气流速度上升到某一定值时，煤粒互相分开上下翻滚，同时床层膨胀且具有了流体的许多特征，即形成了流化床。煤料粒径——0-0.6mm气化温度——900-1000℃温克勒炉是立式圆筒形结构。炉体用钢板制成。煤用螺旋加料器从气化炉沸腾层中部送入，气化剂从下部通过固定炉栅吹入，在沸腾床上部二次吹入气化剂，干灰从炉底排出。整个床层温度均匀，但灰中未转化的碳含量较高。改进的温克勒炉将炉底改为无炉栅锥形结构，气化剂由多个喷嘴射流喷入沸腾床内，改善了流态化的排灰工作状况。二、流化床气化法2.灰团聚流化床煤气化技术（1）什么是灰团聚流化床煤气化技术？在流化床层形成局部高温区，使煤中灰分在软化而未熔融的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的灰渣，结球长大到一定程度时靠其重量与煤粒分离下落到炉底灰渣斗。二、流化床气化法（2）灰团聚流化床煤气化技术的优点：有选择性的将灰球排出炉外，降低了灰渣的含碳量（5%-10%）。在一定程度上既克服了固态排渣碳损失高，又避免了液态排渣高显热损失对床层的影响，提高了气化过程中碳转化率，是煤气化排渣技术的重要突破。二、流化床气化法（3）灰团聚流化床煤气化典型工艺：U-gas流灰团聚化床煤气化技术ICC灰团聚流化床煤气化技术美国煤气工艺研究院IGT中科院山西煤炭化学研究所单段流化床粉煤气化工艺双段（浓相段和稀相段）蒸汽/（氧气或空气）空气或氧气和蒸汽气化剂分两处进入反应器气化剂从底部进入U-gas气化炉炉子为直立圆筒形结构。炉体用钢板制成，下部设有水夹套以回收热量、副产蒸汽，上部内衬耐火材料，炉底设转动炉篦排灰。气化剂可以从底部或顶部进入炉内，生成气相应地从顶部或底部引出。因采用固定床反应，要求气化原料具有一定块度，以免堵塞煤层或气流分布不匀而影响操作。UGI炉用空气生产空气煤气或以富氧空气生产半水煤气时，可采用连续式操作方法，即气化剂从底部连续进入气化炉，生成气从顶部引出。以空气、蒸汽为气化剂制取半水煤气或水煤气时，都采用间歇式操作方法。在中国，除少数用连续式操作生产发生炉煤气（即空气煤气）外，绝大部分用间歇式操作生产半水煤气或水煤气。UGI炉的优点是设备结构简单，易于操作，一般不需用氧气作气化剂，热效率较高。缺点是生产强度低，每平方米炉膛面积的半水煤气发生量约1000m3/h，对煤种要求比较严格，采用间歇操作时工艺管道比较复杂。U-gas气化炉吊装ICC灰团聚流化床粉煤气化炉气化炉该工艺根据射流原理，在流化床底部设计了灰团聚分离装置，形成炉床内局部高温区，使灰渣团聚成小球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，提高了碳的利用率，降低了灰渣的含量，这是灰团聚流化床气化不同于一般流化床气化的技术关键。二、流化床气化法3.循环流化床(CFB)煤气化技术（1）优点：循环流化床燃煤过程可克服鼓泡流化床中存在大量气泡造成气固接触不良的缺点，同时避免气流床所需过高的气化温度，克服大量煤转化为热能而不是化学能的缺点，综合了鼓泡床和气流床的优点。二、流化床气化法（2）鲁奇(CFB)）气化炉：CFB可在高温下操作，使整个床层都具有很高的反应能力。除外循环还存在内部循环，床中心区颗粒向上运动，而靠近炉壁的无聊向下运动，形成内循环。新加入的物料和气化剂能与高温循环颗粒迅速而完全混合，加上良好的传热传质，可使新加入的低温物料迅速升温，并在反应器底部就开始气化反应，使整个反应器生产强度增加。由于外循环比率高达几十倍，使颗粒在床内停留时间增加，碳转化率也得到提高。三、气流化床气化法1.什么是气流床气化法？20世纪50年代初发展起来的新一代煤气技术。用极细的粉煤为原料，被氧气和水蒸气组成的气化剂高速气流携带进入并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。2.气流床气化法的特点：（1）气固并流，气体与固体在炉内的停留时间几乎相同，都比较短，一般在1-10s。（2）煤粉气化的目的是通过增大煤的比表面积来提高气三、气流化床气化法化反应速度，从而提高气化炉的生产能力和碳的转化率。（3）一般很少用空气做气化剂，基本都用氧气和过热水蒸气作为气化剂，炉内气化反应区温度高达2000℃。（4）由于煤被磨的很细，具有很大比表面积，又处于加压条件下，气化反应速度很快。（5）对煤种适应性强。（6）煤气中夹带大量未反应的碳，不利于甲烷生成，CO含量高，热值低。（7）粗煤气中不含焦油，酚及烃类液体等污染物。三、气流化床气化法几种典型气流床气化炉的性能及煤气组成比较项目Shell气化炉Texaco气化炉E-gas气化炉供料方式干煤粉水煤浆水煤浆气化压力/MPa4.52.14气化温度℃1600-220014001320-1420气化剂纯氧氧气水蒸汽/氧气或空气煤气主要成分CO、H2CO、H2、CO2CO、H2、CO2热值/kJ·m-31111.2410.21煤气产率/m3·kg-1煤-1.52.35碳转化率/%-95-单炉最大规模2000t/d1100t/d2200t/d四、其他气化方法1.熔融床气化法（1）熔融床气化法：在温度较高（1600-1700℃）且高度稳定的熔融金属或金属盐熔池内，完成气化反应的全部过程，生成CO和H2为主的煤气，煤的转化率高达99%。气、液、固三相反应，熔融介质也直接参与反应过程。（2）熔融床气化法优缺点：能够改善气固接触状况，并具有一定的催化作用，使煤种适应性较广。但是，熔融物对于炉膛的腐蚀以及熔融物再生等问题阻碍了这一类气化炉的进一步发展。四、其他气化方法（3）熔融物的作用：作为煤和气化剂的分散剂、蓄热和提供气化反应热。（4）分类：依据熔融介质的种类不同可分为熔渣气化法、熔盐气化法和熔铁气化法。四、其他气化方法熔渣床、熔铁床及熔盐床气化法的特点比较熔融物质熔渣床/灰渣熔铁床/铁熔盐床/碳酸钠等操作温度1600-1700℃1350-1430℃930-980℃操作压力-0.14-0.3MPa1-1.97MPa主要特点生成的灰渣直接与熔渣混合，省去了排渣要求对硫有很强的亲和力，有脱硫介质的作用腐蚀性比较小，熔点也较低主要问题渣池析铁，即灰渣中的氧化铁被还原成金属铁，沉在池底-碳酸钠的生成、回收和循环系统复杂四、其他气化方法2.煤的地下气化法（UndergroundcoalGasification,UGG):将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃气体的过程。变物理采煤为化学采煤(1)煤地下气化法的优点——被誉为第二代采煤方法安全性好；投资少；效率高；污染少。(2)煤地下气化法的缺点：很难控制气化过程中在地下产生的种种反应，合成气成分波动过大；受煤层和地质影响大，容易造成井井之间相互漏水、通气等情况；气化出来的气体成分不稳定，有待改善气化剂种类与含量；地下燃烧、气化情况不好控制，应加大地下气化过程的监控力度；在该技术方面，大部分研究只注重化学工艺，很少关注行业发展动态。(3)煤地下气化法的基本原理两个竖直通道与底部一条水平巷道，三条巷道所包围的整体