化工工艺学-第五章-煤的气化

聊城大学(dàxué)2013级化工工艺学讲义煤化工单元(dānyuán)工艺-姜松聊城大学化学化工学院Tel-mail：jiangsong006@163.com煤的气化精品资料概念：煤的气化（Coalgasification)是以煤或煤焦（半焦）为原料(yuánliào)，以氧气（空气、富氧空气或纯氧）、水蒸气或氢气等为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应把煤或煤焦中的有机质转化为煤气的过程。气化(qìhuà)条件：气化(qìhuà)炉、气化(qìhuà)剂、供给能量（三者缺一不可）气化产品：CO、H2、CH4概述O2、H2O、H2，根据产热方式和煤气用途选择性供入（H2

很少用）精品资料煤的气化(qìhuà)是最有应用前景的技术之一精品资料煤气化原理(yuánlǐ)煤气化过程(guòchéng)C(s)+O2(g)→2CO2(g)-406kJ/mol发生炉结构组成：炉体、加煤装置、排灰装置精品资料发生(fāshēng)炉中各层特点精品资料煤气化的物理化学(wùlǐhuàxué)基础气化(qìhuà)反应化学平衡煤气化就过程而言包括煤的干馏和干馏半焦与气化剂的气化反应。煤的干馏反应相对较快，而干馏半焦的气化反应较慢。参与反应的气体可能是最初的气化剂，也可能是气化过程的产物。煤中少量元素氮和硫在气化过程中产生了含氮和含硫的产物，主要是NH3、HCN、NO、H2S、COS、CS2等。煤干馏半焦中主要成分是碳，故讨论平衡反应时通常只考虑元素碳的气化反应。精品资料燃烧(ránshāo)及气化反应热、平衡常数反应反应式反应热ΔHkkJ·mol-1平衡常数800℃1300℃非均相反应燃烧C+O2=CO2-406.41.8×10171.5×1013部分燃烧2C+O2=CO-123.21.4×10174.56×1015炭与水蒸气反应C+H2O=CO+H2118.60.8071.01×102Boudouard反应C+CO2=2CO160.90.7753.04×102加氢反应C+2H2=CH4-83.80.4661.08×10-2均相反应氢燃烧2H2+O2=2H2O-241.12.2×10174.4×1011CO燃烧2CO+O2=2CO2-283.62.4×10154.9×1010水煤气反应CO+H2O=CO2+H2-42.41.040.333甲烷化反应CO+3H2=CH4+H2O-206.70.5771.77×10-4精品资料气化反应平衡组成与温度(wēndù)压力关系温度高，气化(qìhuà)反应进行比较完全。压力高，生成甲烷多，因此高压气化(qìhuà)可以得到含甲烷多、热值较高的煤气。精品资料反应历程气化剂向固体(碳)表面转移或扩散。

第一步气化剂被吸附在固体(碳)表面。

第二步被吸附的气化剂在固体(碳)表面起反应而形成中间配合物。

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。

第四步产物从固体(碳)表面解吸并扩散到气相。

第五步气化(qìhuà)反应动力学精品资料煤的性质对气化(qìhuà)的影响水分：流化床<5%，气流床<2%。挥发分：可增加煤气(méiqì)产率和热值，但增加煤气(méiqì)净化负荷粘结性：移动床流化床用不粘结或弱粘结性煤。反应活性(反应性)：活性高有利灰分：灰渣中碳的损失：灰分越多，随灰渣而损失的碳量越多煤中矿物质对环境的影响灰熔点与结渣性煤灰的粘温特性：灰渣粘度<250Pa.s热稳定性：加热时，是否容易破碎—气化效率机械强度：强度低，只能用气流床与流化床粒度分布：移动床10~100mm块煤；流化床0~8mm细粒煤；气流床<6mm煤。精品资料煤气化过程(guòchéng)的指标煤气(méiqì)产率：Nm3/kg(煤)气化强度：kg(煤)/m3∙h气化效率：冷煤气(méiqì)效率，每Kg煤气(méiqì)化所得冷煤气(méiqì)在完全燃烧时放出的热量与每Kg煤的发热量之比。热效率：所有直接加入到气化过程中热量的利用程度。精品资料煤气化工艺(gōngyì)煤气化炉原理(yuánlǐ)和分类供热方法部分氧化法（自热）间接供热（外热）利用气化反应释放热供热

移动床沸腾床气流床熔融床反应器煤气热值低热值:<8374kJ/m3中热值:16747-33494kJ/m3高热值:>33494kJ/m3

精品资料移动(yídòng)床气化炉①移动床气化炉原料：6-50mm块煤或煤焦加料方式：上部加料排灰方式：固态或液态灰渣和煤气出口温度(wēndù)：不高炉内情况：煤焦与产生的煤气、气化剂与灰渣都进行逆向热交换（逆流操作）精品资料流化床气化炉②流化床气化炉原料：3-5mm的煤粒加料方式：上部加料排灰方式：固态灰渣和煤气出口温度：接近炉温(lúwēn)炉内情况：悬浮沸腾，煤与气化剂传热快，温度均匀精品资料气流(qìliú)床气化炉③气流床气化炉原料：粉煤（70%以上通过200目）加料方式：下部与气化剂并流加料（并流操作）排灰方式：液态排渣灰渣和煤气出口温度：接近炉温炉内情况：煤与气化剂在高温(gāowēn)火焰中反应精品资料移动(yídòng)床气化煤的移动床气化是以块煤为原料，煤由气化炉顶加入(jiārù)，气化剂由炉底送入。气化剂与煤逆流接触，气化反应进行得比较完全，灰渣中残碳少。产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化效率高。这是一种理想的完全气化方式。精品资料几种煤气(méiqì)组成煤气名称气化剂煤气组成/V％热值（kJ/M3）H2COCO2N2CH4O2空气煤气空气2.61014.772.00.50.23800-4600混合发生炉煤气空气-蒸气13.527.55.55000-5200水煤气水蒸气48.438.56.010000-11300半水煤气蒸气、空气40.030.78.08800-9600根据气化剂不同，移动(yídòng)床气化煤气可分为空气煤气、混合发生炉煤气、水煤气和半水煤气等。精品资料混合(hùnhé)发生炉煤气以空气和水蒸气为气化(qìhuà)剂，制得的煤气为发生炉煤气。1）理想发生炉煤气气化纯碳，且碳全部转化为CO；按化学计量方程供入空气和水蒸气且无过剩；气化系统为孤立系统，系统内实现热平衡。CO:H2:N2=4.07:2.07:3.76煤气组成精品资料燃料(ránliào)层厚度/cm混合发生炉煤气组成随燃料层高度的变化(biànhuà)曲线气相炉渣层：气化剂（O2，H2Ｏ）被预热，气体组成不变；氧化层：C+O2→CO2+Q(O2↘，CO2↗)，C+0.5O2→CO+Q(O2耗尽，出现CO，CO2↘)第一还原层：C+CO2→2CO-QC+H2O→CO+H2-Q（CO↗，CO2↘

，H2↗）第二还原层：C+CO2→2CO-QCO+H2O→CO2+H2-Q（CO↗，H2↗）气相：CO+H2O→CO2+H2-Q（CO2↗，H2↗）2）沿气化炉料层高度煤气组成的变化精品资料3）水蒸气对气化过程(guòchéng)的影响水蒸气的作用—改善(gǎishàn)煤气质量，提高煤气热值，同时分解时吸收热量，可降低炉温，防止结渣。水蒸气气量过大，导致炉温太低，CO2还原反应速率降低，且未分解的水蒸气量增加，热效率下降。因此水蒸气用量有一个最佳点，即避免灰熔融结渣的最低限度。精品资料4）气化(qìhuà)过程的控制<目的>：达到高气化效率气化炉的选择粘结性弱（需破粘）选择带搅拌装置(zhuāngzhì)的气化炉；机械强度和热稳定性差不宜搅拌；原料筛分粒度小的，要求煤气热输送的选择干法出灰。合理气化强度（与温度、原料、气化炉有关）气化强度超过合理范围，可能使灰渣中含碳量增加和出口煤气中带出物增多，从而增加了原料的损失，降低煤气产率，并且影响到煤气的质量，其综合效果是气化效率降低。精品资料5）混合(hùnhé)煤气发生炉3M13型煤气发生炉1．料斗；2．煤斗闸门；3．伸缩节；4．计量锁煤器；5．计量锁气器；6．托板和三角架；7．搅棒；8．空心(kōngxīn)柱；9．蜗杆减速机；10．圆柱减速机；11．四头蜗杆；12．灰盘3M13型和W-G型炉3M13型煤气发生炉<特点>

炉内带有搅拌棒破粘双滚筒连续进料回转炉箅连续排灰主要适用于长焰煤、气

煤等弱粘结性煤种精品资料威尔曼-格鲁夏(W-G)煤气发生炉<两种形式>其一：无搅拌装置的用于气化无烟煤(yānméi)、焦炭等不粘结性燃料；其二：有搅拌装置的用于气化弱粘结性烟煤(yānméi)。国内常用不带搅拌装置的。<特点>：液压加料，煤连续进入炉内，液压干法除灰，全水夹套。威尔曼-格鲁夏(W-G)煤气(méiqì)发生炉1、山渣机2、灰斗3、炉栅4、炉体5、汽包6、炉顶7、双钟罩加烧煤箱8、斜桥上煤装置精品资料水煤气水煤气是由炽热(chìrè)的碳和水蒸气反应所生成的煤气，主要由CO和H2组成。燃烧时呈蓝色，所以又称为蓝水煤气。碳与水蒸气反应作为强吸热反应，需提供水蒸气分解所需的热量，一般采用两种方法(fāngfǎ)：a.交替用空气和水蒸气为气化剂的间歇气化法；b.同时用氧和水蒸气为气化剂的连续气化法。精品资料1）理想(lǐxiǎng)水煤气吹风(chuīfēng)阶段：制气阶段：先通空气再通水蒸气理想水煤气生产过程：吹风气总量水煤气总量理想水煤气中H2：CO=1:1实际水煤气H2含量高于CO（CO＋H2O＝CO2

＋H2）精品资料2）间歇(jiànxiē)法制水煤气的工作循环吹空气(kōngqì)(吹风蓄热)和吹水蒸气(制气)两个阶段吹风阶段水蒸气吹净阶段上吹制气阶段下吹制气阶段二次上吹制气阶段空气吹净阶段精品资料精品资料序号阶段名称3min循环/s

4min循环/s

(a)(b)(c)(d)(e)(f)吹风阶段蒸气吹净阶段上吹制气阶段下吹制气阶段二次上吹阶段空气吹净阶段40～50245～6050～5518～20260～80260～7070～9018～202六阶段循环时间(shíjiān)分配表在上吹制气阶段，让空气与水蒸气一起进入气化炉，这样不仅能制得含氮的水煤气(半水煤气)，而且可适当提高炉温(lúwēn)，提高生产能力。精品资料3）常压水煤气发生(fāshēng)炉U.G.I水煤气发生(fāshēng)炉1.外壳；2.安全阀；3.保温材料；4.夹套锅炉；5.炉篦；6.灰盘接触面；7.炉底；8.保温砖；9.耐火砖；10.液位计；11.涡轮；12.涡杆；13.油箱结构特点：炉体用钢板卷焊而成；炉顶及炉上部耐火材料；下部装有水夹套。炉顶有手动和半自动的加料器炉下部偶偏心叠合炉箅—排渣；可调节的灰梨—排灰。主要组成：上锥体、水夹套、炉箅传动装置、出灰机械、炉底壳精品资料加压移动(yídòng)床气化常压移动床气化的主要局限(júxiàn)：煤气热值低，煤气中CO含量高，不能满足城市煤气要求，气化强度低，生产能力有限，煤气不宜远距离输送。加压气化炉与常压气化炉类似，原料自上而下，气化剂自下而上，逆流接触，煤碳由固态向气态转化。炉内料层：干燥层、干馏层、甲烷层、气化层、氧化层和灰渣层。有利于CH4的生成，提高煤气的热值。精品资料加压移动床气化过程原理及影响(yǐngxiǎng)因素1）压力(yālì)对煤气组成的影响在相同温度下，随着气化压力提高，煤气中甲烷和二氧化碳含量增加，一氧化碳和氢含量减少。煤气组成与气化压力的关系精品资料2）压力(yālì)对氧气耗量的影响甲烷生成反应放热成为气化炉内除碳燃烧反应以外(yǐwài)的第二热源，可为水蒸气分解、二氧化碳还原等吸热反应提供热源从而减少了碳燃烧反应中氧的消耗。故随气化反应压力提高，氧气的消耗量减少。3）

压力对水蒸气耗量的影响CH4↑P↑H2↑水蒸气分解生成的氢气是甲烷生成反应中氢的重要来源。提高气化压力，H2O分解率↓，只有增加水蒸气耗量，使得生成氢气的绝对量增加。（为防止结渣和利于甲烷化的反应，加压时水蒸气总耗量为常压时的2.5~3倍）精品资料4）压力对气化炉生产能力(shēnɡchǎnnénɡlì)的影响提高生产能力(shēnɡchǎnnénɡlì)（气化强度提高，反应速率加快，碳的转化率较高）5）

压力对煤气产率的影响降低（气体体积减小，煤气中二氧化碳含量高）6）

压力对煤气输送动力消耗的影响节省煤气输送的动力消耗，减少煤的运输费用精品资料固态(gùtài)排渣移动床加压气化炉鲁奇炉(Lurgi)采用氧气-水蒸气或空气-水蒸气为气化(qìhuà)剂，在2.0～3.0MPa和900～1100℃下进行连续气化(qìhuà)。双层壳体（内外两层厚刚筒间形成水夹套，可引出供气化炉使用）；设有煤分布器和搅拌器（破粘）；塔节型炉箅且设有破渣装置（气化剂均匀分布）；结构特点精品资料液态(yètài)排渣移动床加压气化炉BG/L熔渣(rónɡzhā)气化炉液态排渣气化炉操作温度一般在1100～1500℃，操作压力为2.35～3.04MPa。液态排渣气化炉的基本原理是，仅向气化炉内通入适量的水蒸汽，控制炉温在灰熔点以上，使灰渣呈熔融状态自炉内排出。精品资料流化床气化(qìhuà)温克勒(F.Winkler)流化床气化炉流化床气化，把气化剂（蒸气和富氧空气或氧气）送入气化炉内，使煤颗粒(kēlì)呈沸腾状态进行气化反应。对大部分煤来说，灰分开始软化的温度为1050～1150℃。为了避免结渣，流化床的操作温度经常维持在850～900℃。在这个温度下，只能用反应性好的褐煤为气化原料，才能获得质量较好的煤气。60~70%30~40%使气流中夹带碳粒得到充分的气化精品资料温克勒煤气化工艺(gōngyì)粗煤气(méiqì)的显热回收温克勒炉的优点是生产能力大、结构简单、可用小颗粒煤、煤气中无焦油等，其缺点是碳转化率低，只能使用高活性的煤，煤气质量差，带出物多，而且设备庞大。本工艺的主要缺点是操作温度和压力偏低造成的，为此发展了高温温克勒（HTW）及灰团聚气化工艺，如KRW气化法和U-Gas气化法。精品资料针对温克勒炉的缺点，HTW炉主要进行(jìnxíng)的改进：提高气化压力到1MPa，这不但降低了合成气再压缩的能量，而且提高了生产能力。提高气化温度，有利于二氧化碳还原和水蒸气分解，提高氢和一氧化碳浓度，提高碳转化率和煤气产率。(要防止结渣，可在煤中添加石灰石等来提高煤料的软化点和熔点)。流化床粗粒带出物循环回到流化床气化，从而提高了碳的转化率。高温(gāowēn)温克勒法精品资料U-GAS气化(qìhuà)法流化床灰团聚(tuánjù)煤气化工艺特点：灰团聚排渣原理：在流化床中导入氧化性高速射流，使煤中灰分在软化而未熔融状态下，在一个锥形床中相互熔聚而粘结成含碳量较低的球状灰渣，有选择地排出炉外。与固态排渣比：降低了灰渣中的碳损失；与液态排渣比：减少了灰渣带走的显热损失。由中心进入气体的氧/汽比较大，故床底中心区(熔聚区)温度较高，当达到灰的初始软化温度时，灰粒选择性地和别的颗粒团聚起来。团聚体不断增大，直到它不能被上升气流托起为止。借助两级旋风分离器实现细粉循环并进一步气化，生成细灰与床层中的熔聚灰一起形成灰球排出。精品资料山西(shānxī)煤化所灰熔聚流化床气化炉精品资料气流(qìliú)床气化气流床：气化剂（水蒸汽与纯氧）将煤粉或煤浆夹带(jiādài)入气化炉进行并流气化。原料：煤分（＞70%小于200目）气化剂：纯氧-水蒸气反应温度高达2000℃煤适用范围广液态排渣并流气化特点精品资料K-T炉气化(qìhuà)方法K-T型气化炉及废热回收(huíshōu)示意图特点：温度高、气化强度大尤其适合合成气的生产要求煤种适用性强需庞大的磨粉、余热回收、除尘装置常压操作，氧耗高，难达到高转化率干煤粉进料（难度）加压干粉进料工艺如Shell法精品资料谢尔(shell)煤气化法外壁熔灰炉内水冷特点(tèdiǎn)： 加压操作、干煤粉进料、对喷烧嘴；1400~1700℃，煤转化率高耗氧较少、煤气有效成分较多水冷壁、液态排渣磨煤能耗、粉尘精品资料谢尔气化法典型(diǎnxíng)工艺流程图优点：可使用各种煤，碳转化率高；产品(chǎnpǐn)中CO+H2产率高，适合做合成气；气化产物无焦油；采用干粉进料，降低氧耗；加压操作，提高生产能力。缺点：设备成本高，系统复杂。精品资料GSP气化(qìhuà)法GSP气化炉精品资料GSP气化(qìhuà)技术工艺流程图精品资料用于神华宁煤集团(jítuán)煤基烯烃项目的GSP气化炉精品资料德士古(Texaco)气化(qìhuà)法特点：加压操作、水煤浆进料（安全、易高压操作）碳转化率高，煤源广负荷适应性强液态排渣、无废水进料比干煤粉简单稳定湿法研磨节省动力煤浆需加稳定剂副产蒸气(zhēnɡqì)利用很重要O2耗较高、CO2较多精品资料气化炉旋风分离水洗磨煤煤水水煤浆水煤浆氧氧水煤浆泵锁斗渣合成气热水蒸发塔酸性气体德士古气化(qìhuà)法流程图精品资料国家九五攻关(ɡōnɡɡuān)，水煤浆气化及煤化工国家工程中心＋华东理工由中心一个烧嘴变为四周四个对喷烧嘴通过撞击流强化传质过程，有效气提高2-3%，氧耗有所下降多喷嘴(pēnzuǐ)对置式水煤浆气化精品资料1.1基本原理气体气流床煤粒与气体同时穿过煤粒：＞70%小于200目气体流化床煤粒运动气体穿过煤粒：3-5mm气体移动床煤粒不动气体穿过煤粒：6-50mm三种煤气化工艺(gōngyì)的比较精品资料炉内状态(zhuàngtài)分类移动(yídòng)