第六章 煤的气化

煤气化基础煤的成因包括下列过程：①泥炭化作用。当高等植物遗体在沼泽中堆积，在有水存在和微生物参与下，经过分解、化合等复杂的生物化学变化，形成泥炭(泥煤)。泥炭化阶段主要是植物残骸的菌解过程。当原始物质为低等植物和浮游生物时则形成腐泥，称为腐泥化作用。②成岩作用。当地壳下沉时，泥炭和腐泥的上部为沉积物所覆盖，在温度、压力的影响下，经过压密、脱水、胶结和其他化学变化，分别变为褐煤和腐泥煤。③变质作用。由于地壳的运动，褐煤层上部顶板逐渐加厚，受地压、地温增高的影响，经过复杂的物理化学作用，促使煤质变化，由褐煤变成烟煤、无烟煤。成岩和变质是煤化作用的两个阶段。按成煤的原始物质不同可将煤分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤和残植煤。腐植煤由高等植物所形成，包括泥炭（泥煤）、褐煤、烟煤、无烟煤，其探明储量和产量均占各类煤的主要地位。腐植煤中以角质层、树脂、孢子、花粉等稳定组分为主的称残植煤。腐泥煤主要由藻类和浮游生物等形成，如藻煤、胶泥煤。油页岩则是一种含矿物质高的腐泥煤。腐植腐泥煤的原始物质，既有高等植物，也有低等植物，如烛煤。煤的组成煤是由多种结构形式的有机物（或称煤素质），与少量种类不同的无机物（或称矿物质）组成的混合物。煤的组成通常指煤的岩相组成和化学组成。岩相组成煤由各种类型的煤岩组成。每种类型的煤岩又由各种煤素质所构成。用肉眼或放大镜观察，可以区分煤中的宏观煤岩成分，一般分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。少量无机显微组分。将煤制成薄片或光片，用显微镜在透射光或反射光下观察显微煤岩组分，有机显微煤岩组分（煤素质）可分为:①镜质组分，或称凝胶化组分，它来源于植物的木质部分，同其他组分相比，它是均质的，是构成煤有机质的主要部分;②丝炭化组分，又称惰性组分，是植物埋没过程中木质纤维组织受到氧化和炭化后保留下的部分，对化学作用和热具有惰性;③稳定组分，包括植物残存的花粉、孢子、角质层、木栓、树皮、树脂质较多的部分，是化学稳定性较强的组分。化学组成煤的化学组成可通过化学分析来了解。煤中有机质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素。它们以结构十分复杂的大分子形式存在，这些煤的有机质大分子是由许多结构相似的单元所组成；单元的核心是缩合程度不同的芳环，还有一些脂肪环和杂环，环间由氧桥或次甲基桥连接而形成大分子；环上侧链有烷基、羟基、羧基或甲氧基等。煤中无机质元素主要是硅、铝、铁、钙、镁等，它们以蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物形式存在，还有黄铁矿、方解石、白云石、石英石等。煤的工业分析主要包括水分、挥发分、灰分和固定碳的测定，它是评价煤的一项重要指标。煤的性质通常指煤的物理性质、化学性质和工艺性质。这些性质都与成煤的原始物质、聚积环境、地质条件和煤化程度有关。煤的物理性质主要包括煤的密度、表面性质（湿润性、表面积、孔隙度）、光学性质(折射率、反射率)、电性质（电导率、介电常数）、磁性质、热性质（比热容、热导率、热稳定性）和机械性质（硬质、脆度、可磨性）。煤的化学性质是指煤与各种化学试剂在一定条件下发生化学反应的性质，以及煤用不同溶剂萃取的性质。煤的工艺性质包括：①粘结性。指烟煤在受热时本体粘结或与外加惰性物质粘结的能力，它是评价工业用煤特别是炼焦煤的主要指标。实验室测定方法有粘结指数、坩埚膨胀序数、罗加指数等。②结焦性。指在模拟工业焦炉条件下，或在半工业性试验焦炉内，煤结成焦炭时的性能，实验室测定方法有奥亚膨胀度、胶质层指数、葛金焦型等。③发热量。指单位质量的煤在完全燃烧时放出的热量。它是评价燃料煤的主要指标。根据计算时燃烧产物中水的状态不同，有高位发热量与低位发热量之分，包含燃烧生成的水蒸气冷凝潜热的，称为高位发热量，不包括水蒸气冷凝潜热的，称为低位发热量。④反应性。又称活性，是指在一定温度下，煤与不同气体介质如二氧化碳、水蒸气、氧气、氢气作用的气化反应能力。⑤热稳定性。指气化、燃烧用煤在加热时块度变化的性质。⑥焦油产率。是评价煤和油页岩炼油适宜性的指标，通常采用铝甑低温干馏法测定。⑦可选性。是反映煤在洗选过程中，除去其中矿物质的难易程度。它是将各级粒度的煤在不同密度的液体中经浮沉试验而确定的。⑧灰熔点和熔融灰的粘度。将煤灰制成三角锥体，放在高温炉中，在一定气氛下加热，观察灰锥形状的变化，从而测定变形温度T1、软化温度T2和流动温度T3，其中T2表示煤灰熔点。熔融灰的粘度用高温粘度计测量。煤的分类方法1983年联合国欧洲经济委员会煤炭委员会制定的国际煤分类，将煤分为低煤化度、中等煤化度和高煤化度三类（大体上分别相当于褐煤、烟煤、无烟煤，不包括泥炭、油页岩等），提出以镜质组平均随机反射率（用偏反光显微镜测定烟煤和无烟煤的镜煤质对光的平均随机反射程度，以区分煤的煤化度）、坩埚膨胀序数（在特制的坩埚中把煤样按规定方法加热，将所得焦块同一组有序号的标准焦块比较得出相应的序数）、干燥无灰基挥发分产率、惰性组分含量、恒湿无灰基高位发热量及反射率分布特征等六项指标进行编码分类，并确定以恒湿无灰基高位发热量小于24MJ/kg和镜质组平均随机反射率小于0.6％的煤为低煤化度煤。

中国1986年国家标准局批准了新的分类方案并以“GB5751-86中国煤炭分类”，该标准以反映煤变质程度的挥发分产率和表征煤粘结性的粘结指数G值为主要分类指标，以胶质层最大厚度y值和奥亚膨胀度b值为区分强粘结煤的辅助指标，以透光率PM和煤的高位发热量为区分长焰煤和褐煤的辅助指标。将煤分为十四大类，褐煤、无烟煤各为一类。烟煤分为十二类，包括:长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤等。此外，褐煤还分为二小类，无烟煤分为三小类。在分类表中还采用数码编号来表示煤的性质，便于利用计算机对煤质实行现代化管理和指导煤的利用。煤的反应煤长期堆放在空气中容易氧化，甚至导致自燃，使发热量、粘结性降低，这种现象称为煤的风化。煤在氧化剂存在下，经轻度氧化生成腐植酸，深度氧化生成低分子有机酸，剧烈氧化（即燃烧）生成二氧化碳、一氧化碳和水；煤在一定氢气压力下加热，会发生氢化反应，使煤增加粘结性和结焦性；在有机溶剂和催化剂存在下加氢，可以得到液化油；和氯、溴等卤素可以起取代反应和加成反应；在碱性介质中水解，可得酚类、碱性含氮化合物；与浓硫酸作用可得磺化煤。煤的转化如干馏、气化、液化，均包含有许多反应，如解聚、缩合、氧化、氢化、氢解、氧解等反应。通过这些过程，可以获得所需要的固态、液态和气态产物或热能。第5章煤的气化煤气化是煤与气化剂作用生成气体混合物的反应过程。目的是将煤转化成可燃气体。煤气化过程包含煤的热解、半焦的气化等过程。煤气的主要组成为CO,CO2,H2,CH4,H2O.从工艺上讲，煤气化往往还包括煤气净化等工艺。一概述煤气化的基本原理1.煤气化的化学平衡主要化学反应有：O2+C→CO2(1)

CO2+C→2CO(2)H2O+C→CO+H2(3)2H2+C→CH4(4)CO+3H2→CH4+H2O(5)CO+H2O→CO2+H2(6)吸热煤气化过程：热解半焦液态、气态产品。虽然以上几反应中主要为放热反应，理论上温度低对平衡有利。但要兼顾反应速度，所以必须有较高温度。由热力学平衡关系可以从理论上计算气化气体组成与平衡温度关系。反应(2)、(3)是吸热反应，温度高有利生成CO和H2。压力高对反应(4)、(5)有利，所以高压气化可得到甲烷含量高的高热值气体。表

燃烧及气化反应热、平衡常数

反应式反应热△Hk

/kJ.kmol-1平衡常数800ºC1000ºC1.C+O2→CO22.2C+O2→2CO3.C+CO2→2CO4.C+H2O→CO+H25.C+2H2O→CO2+2H26.C+2H2→CH47.2CO+O2→2CO28.2H2+O2→2H2O9.CH4+2O2→CO2+2H2O10.CO+H2O→CO2+H2O11.CO+3H2→CH4+H2O12.2CO+2H2→CH4+CO2-406430-246372+160896+118577+16258-83800-567326-482185-801128-42361-206664-2484251.8×10171.4×10170.7750.8070.8420.4662.4×10152.2×10179×10311.040.5770.6011.5×10134.56×10153.04×1021.01×10233.61.80×10-24.9×10104.4×10114×10260.3331.77×10-45.9×10-5放热吸热2.煤气化动力学煤气化过程：热解半焦液态、气态产品。热解是化学反应控制步骤，低温下速度较慢。若在高温下，热解不成问题，但传质速度能否跟上又成了关键。反应速率公式：碳氧化反应还原反应由此可以看出，当CO2浓度很高时，反应近似为零级反应；当CO2浓度很低时，生成的CO浓度也很低，反应近似为一级反应。气化过程的水煤气反应的反应速率方程为

当k2CH21时，令k=k1/k2可得3气化过程热平衡由进出物料的相互转化可建立物料平衡，通过物料平衡以及进出物料温度即可进行热平衡计算。图9.10一、基本概念1、气化炉：进行煤炭气化的设备叫气化炉。2、气化炉分类按照燃料在气化炉内的运动状况移动床(又叫固定床)沸腾床(又叫流化床)气流床熔融床生产操作压力常压气化炉加压气化炉排渣方式固态排渣气化炉液态排渣气化炉一、基本概念空气煤气

混合煤气水煤气

半水煤气

以空气作为气化剂生产的煤气以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替送入气化炉内间歇进行生产的煤气气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的符合合成氨原料气的要求的煤气4、煤气的种类地下气化煤炭地下气化，就是将埋藏在地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学反应而产生可燃气体的过程。其过程集建井、采煤、气化工艺合二为一，将传统的物理采煤方法转变为无人无设备的化学采煤方法，省去了传统的采煤机械设备和地面气化炉笨重复杂设施。其生产煤气具有安全性好、投资少、见效快、污染少、效益高等显著优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。建地下气化炉的两种技术途径巷道式建地下气化炉技术在正开采或废弃的煤矿井中可启建地下气化炉，由人工掘进的方式在煤层中建立起气化巷道，并在进气孔底部巷道壁筑起一道密闭墙（促使定向燃烧煤层），便可将密闭墙前面的煤炭点燃。单套炉由气化通道进气孔、辅助孔和出气孔组成，气化通道于同一煤层内连通各孔。建地下气化炉的两种技术途径钻井式建地下气化炉技术即采用常规的油气井钻井技术，钻一口一般的水平井段，与另外的二口直井于同一煤层内以洞穴式相连通。单套地下气化炉仍由气化通道、进气孔、辅助孔和出气孔等组成。将进气孔底部的气化穴煤炭点燃，鼓入汽化剂促使连续气化煤炭，由辅助孔鼓入氢气，气化通道内仍有氧化带、还原带和干馏干燥带出现。此种建地下气化炉技术于国外多采用，但国内的辽河油田于2005年内成功建起了首座钻井式地下气化炉，开创了国内建地下气化炉新阶段。但因钻井井径受限，制约着单套炉规模化开采煤炭地下气化开采能有效地利用矿物能源资源，毕竟国内井工可采煤炭含量仅占煤炭资源储量的11.43%，地下气化开采就是有效利用资源的途径。目前山东、山西、内蒙古、贵州、河南、四川、辽宁等地区都在引入煤炭地下气化技术，使“报废”的煤炭资源得到充分利用。煤气组成为：φ（C02）：9％～11％；

φ

（CO）：15%～19％；

φ

（H2）：14%～17％；

φ

（CH4）；14％～15%；

φ

（O2）：0.2％～0．3％；

φ

（N2）：53％～55％。地下气化的概况煤炭地下气化原理煤气化炉原理和分类煤气化方法有多种，气化炉也有多种。可分为固定床、沸腾床、气流床三种形式。几种气化法和气化炉简图如图9.3.9.31.固定床气化炉块状原料煤一般用固定床气化炉。在上部加料，随气化过程进行料层慢慢下降，同时气化剂由下向上逆流通过。优点：操作费用低、炉总效率高。缺点：热煤气流经煤层时容易将煤加热使其干燥，产生焦油和酚混在煤气中，使净化困难；对于有粘性的煤，还需设置破粘装置；需设置转动炉箅；操作周期短、维修费用大。2.沸腾床气化炉细煤粉宜用沸腾床气化。优点：连续生产、温度分布均匀、温度调节快、炉子构造简单、投资少。缺点：有返混现象、反应温度受原料灰熔点限制、不适宜于粘结性煤和好煤。(3)气流床气化炉很细的粉尘煤用气流床气化。通常煤与气化剂并流进入气化炉。优点：用粉煤比用块煤价格低、不受煤种限制、无焦油酚等副产物、废水少、可以用加压气化法提高生产能力。高压气化缺点：对灰熔点高的原料煤排渣困难、气化效率较低。因为必须采用很高温度才能气化。原料煤的组成和性质对气化的影响水分：水分较高时只适宜用固定床气化法，因为这种方法床内温度高。对于常压气化，水分含量过高会影响煤气的产率和气化效率。气化效率：制得的煤气热值与所使用的燃料热值之比，气化效率能够反映总能量的有效利用程度。对于加压气化，适量的水分是有好处的，气化速度较快，煤气质量也较好。灰分：将一定量的煤样在800℃的条件下完全燃烧，残余物即。灰分灰分越低越好，灰分高增加交通费用，对气化过程有许多不利的影响。如：降低气化效率，碳损耗量增大，各项消耗指标均增大，净煤气产率下降等。对于加压气化，可允许较高的灰分含量，灰分含量达55%不至于影响生产的正常运行。挥发组分：容易挥发组分首先反应或者混入产生的煤气中，影响煤气化过程和气化结果。总的来说，挥发组分多，固定C就低，煤的热值低。硫分：煤在气化时80%—85%的硫以H2S和CS2的形式进入煤气，煤气中硫含量越高，后面工段脱硫的负担就越重。粒度:煤的粒度可分为小于6mm的粉煤、小块和中块，机械化采煤粉煤含量高。褐煤易风化裂碎,粉煤量较大。流化床气化可用粒度小于6mm的煤；气流床用细粉煤；固定床用块煤。

粘结性：粘结性煤在加热到350~450ºC时就形成胶质体，发生软化、熔融，有液相产物与煤粘在一起，析出挥发物固化后形成块状焦炭。这种煤气化时需要破粘措施。由于有粘结性，所以用它作焦化原料特别好，一般不用于气化。5.2移动床气化法及其典型的气化炉1.常压气化用空气和水蒸气作气化剂，生产低热值的发生炉煤气作工业用煤气。用块状煤，固态排渣。气化炉常为圆形，下有转动炉箅，燃料从上部加入，气化剂由下向上逆流导出。炉内从上到下分为煤干燥、干馏、气化、燃烧层。2.鲁奇加压气化加压气化与常压气化的不同只是操作压力不同，煤的适应范围不同，操作过程和炉结构都大同小异。5.2.1移动床气化法概述加压气化优点：能耗低、煤气热值高。过程：粒度5~30mm的煤间歇加入炉内，但炉内布料器上存煤多，煤进入炉膛燃烧区是连续的。炉内设有破粘装置。煤气化压力约3MPa,水蒸气和氧气由转动炉箅进入气化炉，生成的煤气由上部引出，灰渣经下部灰箱排出。煤粒在炉内从上到下移动经过干燥层、热解层、气化层、燃烧层。鲁奇加压气化炉及鲁奇加压气化流程如下图：图9.4图9.5加压气化主要操作过程气化除尘除焦油变换洗涤变换目的：发生变换反应调节CO/H2、提高H2的比例、提高煤气热值。洗涤目的：除去H2S等有害气体或惰性组分。脱酚：回收酚。不同煤种的煤气化产率烟煤：加压对煤气产率不利。原因：高压时产生CH4多，CO、H2少。泥炭和褐煤：低温时加压产率低，高温时加压产率高。原因：低级煤含C量少，加压可使气化更完全。图9.6图9.7煤反应能力一个典型煤反应速率常数与温度关系如9.8.通常情况下随温度升高反应速率是上升的。但是在600~700ºC之间有异常。其加热反应速率大约为恒温600ºC的3倍，为700ºC的2倍。原因是反应温度较高时热解反应剧烈有中间产物和其它副反应发生，关系复杂。图8鲁奇加压气化法特点优点：物料逆流操作、氢耗低、C含量恒定，动力学条件好，气体作合成气时压缩费用低。缺点：煤的粒度要求严格，粒度小的煤可使生产能力下降；需要处理产生的低温干馏气体；水蒸气转化率低，只有30~40%.水蒸气转化率可采取液态排渣措施来提高。用出炉粗煤气(含有水蒸气)与热粗煤气发生变换反应，可以减少水蒸气的消耗。鲁奇加压气化法的消耗指标见表9.4.液态排渣加压气化法炉的上部与鲁奇法一样，下部不同。结构图如图9.9.特点：蒸汽用量少、气化温度高灰渣为液态。熔渣连续从下部排出后进入急冷室，冷成固体从灰箱排出。因此产生的废水少、CO／H2可在较宽范围内调节，煤气适宜作合成气。物料平衡、热量平衡数据如图10.9每平方英寸面积上有256个眼,每一个眼就叫一目。所以目数越大,眼就越小。鲁尔100加压气化炉特点：操作压力更高－10MPa.甲烷含量显著增加，氢含量减少。耗氧量、气化效率与压力的关系如图9.11.9.11煤气发生炉目前，国内普遍使用的有3M-13型(即3A-13型)、3M-21型(即3A-21型)、w-G、u·G·I及两段式气化炉。这些气化炉的共同特点是都有加煤装置、炉体、除灰装置和水夹套等。为扩大气化用煤种类，有的炉内设置搅拌破黏装置；为使气化剂在炉内分布均匀，采用不同的炉算。总体来看，各种类型的移动床炉型结构区别不大，为满足不同用户的需要。一般有炉径1000mm、1500mm、2000mm，3000mm等规格，承煤气炉一般有炉径1600mm、1980mm、2260mm、2740mm、3000mm等。3M-21型移动床混合煤气发生炉3M-2l型气化炉的主体结构由四部分组成炉上部有加煤机构下部有除灰机构中部为炉身气化剂的入炉装置加煤机构的作用是将料仓中一定粒度的煤经相应部件传进，能基本保持煤的粒度不变，安全定量地送入气化炉内。加煤机构必须具有好的密封性，适当的传送距离，不挤压煤料而引起颗粒的破碎。3M一21型的加煤机构主要是由一个滚筒、两个钟罩和传动装置组成。滚筒用来实现煤的定量加入，上钟罩接受滚筒落入的煤。上下钟罩是交替开闭，当上钟罩打开时，下钟罩与炉体断开从而使煤料入炉。分布锥保证煤料在整个炉膛截面上均匀分布，不能出现离析现象，即大颗粒煤在四周，而小颗粒煤在中间，可能出现中间高而四周低的不良状况。上设探火孔、水夹套、耐火衬里等主要部分。。探火孔的主要作用是在煤料的扒平、捅渣时通过它来进行，也通过探火孔用钎子测炉内气化层的温度、厚度等。探火孔由孔塞、孔座及喷气环等主要部分构成。对探火孔的要求是密封性要好，不能使煤气外泄。喷气环的作用是在打开探火孔时，为避免煤气外泄着火，从喷气环喷出的低压水蒸气斜向进入炉内空间上部，在探火孔处形成一层隔离水蒸气气幕，防止煤气外泄和空气进入炉内。通入的蒸汽表压大于等于0.4MPa，蒸汽量不能太大以防将空气带人气化炉内引起爆炸。水夹套是炉体的重要组成部分，由于强放热反应使得氧化段温度很高，一般在1000℃以上。加设水夹套的作用一是回收热量，产生一定压力的水蒸气供气化或探火孔汽封使用；另一方面．可以防止气化炉局部过热而损坏。夹套水必须用软化水，特殊情况可暂时用自来水代替．但时间不宜太长以防在夹套壁上形成水垢．影响传热。碎渣圈位于炉体底部，上面与水套固定，下部有6把灰刀，内壁呈渡纹型。当炉箅和灰盘转动时，碎渣圈不动，可使大块灰渣受到挤压和剪切而碎裂，并下移。当灰渣移到小灰刀处，即被灰刀刮到灰盘。碎渣圈的另一作用是和灰盘外套构成水封装置，做炉底密封用。炉顶耐火衬里和水夹套上部耐火衬里的主要作用是保护炉身钢制外壳，防止因高温变形烧坏。耐火衬里也可以防止热量散失太大，炉体外部温度太高，操作条件恶化。耐火衬里的缺点是容易挂渣，为防止挂渣，可以采用全水套炉身结构除灰结构的主要部件有炉算、灰盘、排灰刀和风箱等。炉箅的主要作用作用是支撑炉内总料层的重量，使气化剂在炉内均匀分布，与碎渣圈一起对灰渣进行破碎、移动和下落。它由四或五层炉箅和炉箅座重叠后用一长杆螺栓固定成一整体，然后固定在灰盘上。每两层炉算之间及最后一层炉箅和炉箅座之间开有布气孔，每层的布气量通过实验来确定。安装时炉箅整体的中心线和炉体的中心线偏移150mm左右的距离，可以避免灰渣卡死。具体结构如图4—12所示。灰盘是一敞口的盘状物，起储灰、出灰和水封的作用。灰盘内壁一般焊有斜钢筋，便于灰渣上移至灰槽。灰盘固定在大齿轮上，大齿轮装在钢球上，由电动机通过蜗轮、蜗杆带动大齿轮转动。以灰盘转速来调节出灰量和料层高度，灰盘转速在0.177；1.77r/h。具体转速应根据煤的灰分产率、气化强度、操作条件等实际情况来确定。3M-21型气化炉不带搅拌破黏装置，可以用来气化无烟煤、焦炭等无黏结性煤种。3M-13型移动床混合煤气发生炉3M-13(3A-13)型煤气发生炉装有破黏装置，既能气化弱黏结性的煤如长焰煤、气煤等，又能气化无烟煤、焦炭等不黏结性燃料，生产的煤气可以用来作为燃料气。3M-13型煤气发生炉的结构如图4-13所示．炉顶盖上设有8个探火孔，用于探测炉内温度和检查气化层的分布情况，也可以实施捣炉操作。水夹套可以产生约0.07MPa的压力。3M-13型和3M-21型的结构及操作指标基本相同，不同的是加煤机构和破黏装置。.U·G·I型水煤气发生炉

水煤气发生炉和混合煤气发生炉的构造基本相同，一般用于制造水煤气或作为合成氨原料气的加氮半水煤气，代表性的炉型当推U·G·I型水煤气发生炉。水煤气生产原料用焦炭或无烟煤，燃料从炉顶加入，气化剂从炉底加入，灰渣主要从炉子的两侧进入灰瓶，少量细灰由炉箅缝隙漏下进入炉底中心的灰瓶内。.U·G·I型水煤气发生炉1-支柱；2-炉底三通圆门；3-炉底三通；4-长灰瓶；5-短灰瓶；6-灰斗圆门；7-灰槽；8-灰犁；9-圆门；10-夹层锅炉放水管；11-破碎板；12-小推灰器；13-大推灰器；14-宝塔型炉条；15-夹层锅炉入口；16-保温层；17-夹层锅炉；18-R型连接板；19-夹层锅炉安全阀；20-耐火砖；21-炉口保护圈；22-探火装置；23-炉口座；24-炉盖；25-炉盖安全连锁装置；26-炉盖轨道；27-气出口；28-夹层锅炉出气管；29一夹层锅炉野液位警报器；30-夹层锅炉进水管；31-试火管及试火考克；32一内灰盘．33-外灰盘；34-角钢挡灰圈；35-我蜗杆箱大方门；36-蜗杆箱小方门；37一蜗杆；38-蜗轮；39-蜗杆箱灰瓶；40-炉底壳；41-热电偶接管；42-内刮灰板；43-外刮灰板.U·G·I型水煤气发生炉制造水煤气的关键是水蒸气的分解，由于水蒸气的分解是吸热反应，一般采用的方法是燃烧部分燃料来提供。间歇法制造水煤气，主要是由吹空气(蓄热)、吹水蒸气(制气)两个过程组成的。在实际生产过程中，还包含一些辅助过程，共同构成一个工作循环，如图4-17所示。

第一阶段为吹风阶段：吹入空气，提高燃料层的温度，空气由阀门1进人发生炉，燃烧后的吹风气由阀门4、5后经过烟囱排出，或去余热回收系统。第二阶段为水蒸气吹净阶段：阀门1关闭，阀门2打开，水蒸气由发生炉下部进入，将残余吹风气经阀门4、5排至烟囱，以免吹风气混入水煤气系统，此阶段时间很短。如不需要得到纯水煤气时，例如制取合成氨原料气．该阶段也可取消。第三阶段为一次上吹制气阶段：水蒸气仍由阀门2进入发生炉底部，在炉内进行气化反应，此时，炉内下部温度降低而上部温度较高，制得的水煤气经阀门4、6(阀门5关闭)后，进入水煤气的净化和冷却系统，然后进入气体储罐。第四阶段为下吹制气阶段：关闭阀门2、4，打开阀门3、7，水蒸气由阀门3进入气化炉后，由上而下经过煤层进行制气，制得的水煤气经过阀门7后由阀门6去净化冷却系统。该阶段使燃料层温度趋于平衡。第五阶段为二次上吹制气阶段：阀门位置与气流路线同第三阶段。主要作用是将炉底部的煤气吹净，为吹入空气做准备。

第六阶段为空气吹净阶段：切断阀门7，停止向炉内通入水蒸气。打开阀门1，通入空气将残存在炉内和管道中的水煤气吹入煤气净制系统。.U·G·I型水煤气发生炉注意事项：1、水煤气中的(CO+H2)和N2之比不符合合成氨原料气的要求2、为避免发生爆炸，开启时应先开蒸汽阀，然后开空气阀；关闭时，应先关闭加氮空气阀，然后再关闭蒸汽。3、对每一个工作循环，都希望料层温度稳定。一般而言，循环时间长，气化层的温度、煤气的产量和成分波动大；相反，则波动小．但阀门的开启次数频繁。4、在实际生产过程中，应根据具体使用的气化原料和阀门的控制条件来确定。一般来说，气化活性差的原料需较长的循环时间；相反，气化活性高的原料，时间可适当缩短，因为活性高的原料气化时，反应速度大，料层温度降低快，适当缩短时间对气化是有利的。工作循环的时间一般在6-10min之间。采用自动控制时，每一个工作循环可以缩短3-4min。通常是在上述生产水煤气的基础上，在一次上吹制气阶段鼓入水蒸气的同时，并适量鼓入空气(称加N2空气)，这样制得的煤气中氮气含量增加，符合合成氨原料气中

φ(CO+H2)和φ(N2)之比约3.2的要求，但需注意的是，在配入加氮空气时，其送入时间应滞后于水蒸气，并在水蒸气停送之前切断。U·G·I型水煤气发生炉间歇法制造半水煤气时，在维持煤气炉温度、料层高度和气体成分的前提下，采用高炉温、高风量、高炭层、短循环(称三高一短)的操作方法，有利于气化效率和气化强度的提高。高炉温：在燃料灰熔点允许的情况下，提高炉温，炭层中积蓄的热量多．炭层温度高，对蒸汽的分解反应有利，可以提高蒸汽的分解率，相应半水煤气的产量和质量提高。高风速：在保证炭层不被吹翻的条件下，提高煤气炉的鼓风速度，碳与氧气的反应速度加快，吹风时间缩短；同时高风速还使二氧化碳在炉内的停留时间缩短，二氧化碳还原为一氧化碳的量相应减少，提高了吹风效率。但风速也不能太高，否则，燃料随煤气的带出损失增加，严重时有可能在料层中出现风洞。高炭层：炭层高度的稳定是稳定煤炭气化操作过程的一个十分重要的因素，加煤、出灰速度的变化会引起炭层高度的渡动，进而影响炉内工况，煤气组成发生变化。在稳定炭层高度的前提下，适当增加炭层高度，有利于煤气炉内燃料各层高度的相对稳定，燃料层储存的热量多，炉面和炉底的温度不会太高，相应出炉煤气的显热损失减小；高炭层也有利于维持较高的气化层，增加水蒸气和炭层的接触时间提高气体的分解率和出炉煤气的产量与质量；采用高炭层也是采用高风速的有利条件。但炭层太高，会增加气化炉的阻力，气化剂通过炭层的能量损耗增大，相应的动力消耗增加，因而要综合考虑高炭层带来的利弊。短循环：循环时间的长短，主要取决于燃料的化学活性，总的来讲，燃料活性好，循环时间短；燃料活性差，则循环时间长。煤气加工由煤气化炉产生的热煤气经过冷却除尘得到粗煤气。根据不同的使用目的，可以作相应的加工。作为城市生活用煤气，为了减少毒性，CO的体积含量应控制在10%以下；作为合成气，要调整CO/H2比例并脱去H2S；当需要产生氢气时，则要求进行CO变换反应；若要求高热值煤气，需要脱掉CO2，CO需要甲烷化等等。因此，通常对煤气化气要进行一氧化碳变换、脱碳（脱除CO2）、脱硫与脱氧等处理。气化炉冷却洗涤除尘脱酸性气低中热值煤气CO变换，脱CO2精脱硫煤气甲烷化合成原料气高热值煤气城市生活煤气低中热值煤气粗气化气煤气化气主要加工工序5.2流化床气化法及典型的气化炉流化床：当气流速度加快到一定程度时，床层膨胀，颗粒被气流悬浮起来，当床层内颗粒全部悬浮起来而又不带出气化炉的气化方法。特点：气化原料粒度小，相应的传质面积大，传热效率高，气化效率和气化强度明显提高。一、常压流化床气化工艺1.温克勒气化炉原料：褐煤，粒度0—10mm。一、常压流化床气化工艺2.温克勒气化工艺流程一、常压流化床气化工艺3.温克勒气化工艺条件工艺条件：原料：操作温度：900℃。二次气化剂用量气化指标：一、常压流化床气化工艺1.温克勒气化炉原料：褐煤，粒度0—10mm。二、加压流化床气化工艺1.高温温克勒气化法二、加压流化床气化工艺2.U-GAS气化法二、加压流化床气化工艺3.流化床加氢气化德士古公司

TexacoIncorporated

美国大型石油公司之一。又称得克萨斯石油公司。总部设在纽约州的哈奇森。1901年成立，名为得克萨斯燃料公司。1902年建立新石油公司，取名得克萨斯公司。1959年改今名。最初经营石油开采，其后石油销售网遍布美国，并在中东占有大量石油资源，已成为拥有120多家子公司和分支机构的国际石油跨国公司，在32个国家勘探石油，在18个国家开采石油，在130多个国家销售石油产品。此外还积极从事代用能源的研究工作，开发煤炭资源，发展页岩油，并开采焦油砂、铀和其他矿物，并拥有输油管道和远洋油船队。1984年2月，公司花费101亿美元购买了美国格蒂石油公司。90年代以来，公司参与中国南海海域的石油勘探活动。公司背景主要是洛克菲勒财团和芝加哥财团，公司商标是公司名称德士古（Texaco）。该公司1991年资产额为262亿美元，销售收入为368亿美元，利润为129亿美元，股东权益为98亿美元，公司雇佣职工4万人。5.3气流床气化工艺及典型气化炉德士古公司是美国第三大石油公司，主要生产原油和天然气产品，在全球拥有24家炼油厂。公司拥有2300个加油站，销售它的燃料和润滑剂，并经营着多家与之相关的运输、贸易、分销企业。德士古公司通过股权合作的开工分别与沙特阿拉伯石油公司和壳牌石油公司合资，在美国市场销售该公司的产品。还与雪佛龙公司合资开展非洲、亚洲、澳大利亚和中东地区的业务。

1977年前一直是仅次于埃克森公司的美国第二大石油公司。1977年因其销售额落在莫比尔石油公司之后而退居第三位。1993年以344亿美元的销售额在美国最大的工业公司中名列第九。该公司也是资本主义世界石油“七姐妹”的成员。

德士古公司原名得克萨斯公司，其前身为得克萨斯燃料公司，1901年创办于得克萨斯州。1902年在燃料公司的基础上建立新石油公司，取名得克萨斯公司，总部也随之迁往纽约。德士古原是该公司的商标，颇有名气，因而于1959年5月改名德士古公司。德士古煤炭气化工艺流程德士古煤炭气化工艺流程包括：煤浆的制备和输送、气化、废热回收、煤气的冷却和净化。德士古煤炭气化工艺流程（1）煤浆的制备和输送煤浆的制备是德士古法应用的前提。煤浆的性质（浓度、黏度、稳定性等）对气化过程和物料输送均有重要影响，而这些指标与煤的研磨有密切关系。研磨分为干法和湿法两种，其中湿法为普遍采用的方法，这种方法又分为封闭式和非封闭式两种德士古煤炭气化工艺流程（1）煤浆的制备和输送

德士古煤炭气化工艺流程（2）气化气化炉是气化过程核心，而喷嘴是气化炉的关键设备。气化过程：首先要被喷嘴雾化，使煤粒均匀地分散在气化剂中，保证气化效率。良好的喷嘴设计可保证煤浆和氧气的均匀混合。国外使用的喷嘴结构多用三套管式，中心管导入15%的氧气，内环隙导入煤浆，外环隙导入85%的氧气，并根据煤浆的性质可调节两股氧气的比例，促使氧气和碳的反应。雾化后，部分煤燃烧使气化炉温度很快达到1300℃以上，使反应速率很快，平均停留时间仅几秒钟，高级烃完全分解，甲烷含量低，不含焦油。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标主要工艺指标：水煤浆浓度、煤粉粒度、氧煤比、气化操作压力。水煤浆浓度：随水煤浆浓度提高，煤气中有效成分增加，气化效率提高，氧消耗量下降。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标煤粉粒度：大颗粒煤的转化率降低，导致灰渣中含碳量增大。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标实际生产中，要考虑煤浆的泵送、煤浆的雾化极大地受水煤浆黏度的影响。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标氧煤比决定了气化操作温度和碳的转化率。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标气化压力：最高可达8MPa。提高气化压力，可增加反应物浓度，加快反应速率；同时由于煤粒在炉内的停留时间延长，碳转化率提高。其结果为气化炉气化强度提高，后续工段压缩煤气的动力消耗相应减少。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标煤种的影响：煤种范围较宽，不适宜气化褐煤。水分影响：褐煤吸水能力强，相对自由流动的水较少，粘度大，成浆困难。灰分影响：煤灰熔点以上操作，熔灰所需热量来自部分煤燃烧，因而灰分大，氧和煤的消耗量增大。选择煤种时，应选活性好，灰熔点低的煤，灰分大可加入助溶剂，但会增加成本。德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标德士古煤炭气化工艺流程（3）工艺条件和气化指标气化指标：德士古煤炭气化工艺流程二、K-T气化法一般用于合成氨工业中。1.K-T气化炉结构：向下倾斜喷嘴相对设置；炉身为一圆筒体，双壁外壳，趁有耐火材料。德士古煤炭气化工艺流程二、K-T气化法1.K-T气化工艺流程：包括煤粉制备、制气、废热回收、洗涤冷却等部分。德士古煤炭气化工艺流程K-T气化工艺指标：（1）原料：原则上不受限制，但最适合褐煤和年轻烟煤；粒度：0.1mm；干粉进料；（2）温度：火焰中心：2000℃；粗煤气出口温度：1500—1600℃；急冷后：900℃。（3）压力：微正压，196—294Pa（表）（4）氧水比：1：0.5（V）（5）气化效率：69—75%（6）碳转化率：80—90%德士古煤炭气化工艺流程K-T气化工艺指标：德士古煤炭气化工艺流程K-T气化特点：技术成熟，运行稳定，气化炉结构简单，维修方便；煤种范围宽；煤气不含焦油和粉尘，有效成分高，不含含酚废水，使其净化工艺简单；碳转化率高。制煤粉设备庞大，耗电量高；制气需要氧气，需加空分设备，将煤气中粉尘降低到规定要求，需要高效率的设备。净化系统气化炉的净化是将煤中的灰分转变成易清洁处理的玻璃态渣,气化炉内温度维持在1400～1600℃,使煤中所含的大量矿物性的灰份被熔化成为灰渣,煤中约90%的灰份变成渣,10%的灰份成为飞灰。气化炉采用液态排渣,渣在水槽中淬冷成半径为5mm左右的不可浸出的玻璃状颗粒渣,其主要成分是Si、Al、Fe和Ca等无害的惰性物质,无二次污染,是良好的建筑材料,亦可以作为磨料、绝缘材料或筑路材料出售除尘常温煤气净化系统一般都采用文丘里湿法洗涤器除尘。粗煤气离开气化炉后,经过初步冷却,进入陶瓷管过滤器或旋风分离器进行初级除尘,粗颗粒循环回气化炉,粗煤气接着进入文氏洗涤器精除尘,把细颗粒的飞灰除净,使煤气的含尘浓度降至1～2mg/Nm3,收集的飞灰可作水泥原料,对环境无害。脱硫常温脱硫一般采用MDEA脱硫工艺。煤中的硫份在气化炉中部分转化成硫化物(主要是H2S和少量的COS)留在粗煤气里。粗煤气逐步冷却至40℃左右进入常温脱硫装置,脱硫吸收剂尽可能地吸收煤气中的H2S成为富液,富液经解吸释放H2S,再生出的吸收剂循环使用,分离出的H2S输送到其后的Claus硫回收装置中生成元素硫,硫磺纯度在99%以上。回收副产品硫磺可以提高综合利用效益。如果采用COS水解装置把COS转化成H2S,脱硫率可进一步提高到98%以上。粗煤气净化系统粗煤气净化系统主要进行粗煤气的除尘和脱硫,可以分为常温净化和高温净化两种。目前,由于高温净化还不成熟,投入商业运行的IGCC电站的净化措施都采用常温净化系统,同时采用显热回收系统,尽量减少粗煤气显热和潜热的损失。燃气轮机进入燃气轮机燃烧室内燃烧,推动燃气轮机膨胀做功。燃气轮机出口的烟气温度约为560℃～600℃,为充分利用烟气余热和使汽轮机与燃气侧匹配,余热锅炉内布置有蒸发器、过热器、再热器。由于余热锅炉内的烟气流量非常大,在较低的烟气能级处只加热给水不能完全利用烟气的余热,不仅原来的300MW机组热力系统中的1号、2号、3号高压加热器和5号、6号低压加热器应该切除,而且在余热锅炉内产生部分低压蒸汽与再热蒸汽一道进入汽轮机中压缸内做功。制氧空分设备空分设备主要包含O2制备和N2制备装置。在IGCC系统中,通常需要制备高纯度的O2(一般在95%以上)作为气化剂;对于干煤粉供料的气化装置,还需要制备高纯度的N2(纯度大于99.9%)用于煤粉的输送和飞灰再循环。制氧技术可以分成两大类:低温制氧,常温制氧。前者主要是基于深冷法制氧,技术成熟可靠,生产能力大,所得氧气纯度高。目前占整个制氧市场的85%。常温制氧方法目前还不具备大规模提供高纯度氧气的能力耗能太大。例如CoolWater,WabashRiver,Tampa电站中,空分系统消耗的能量占总的厂用电的70.1%,75.5%,82.19%。Proxair公司正联合开发一种膜分离技术。该技术采用陶瓷膜,能够在800℃～900℃高温下将O2分离出来。至今的研究表明,商业规模的陶瓷膜晶片模块能够在2.93MPa下可靠运行,示范工程已经在1.379MPa和800℃～900℃下运行了5000h。采用这种膜分离技术,IGCC电站的净功率可以增加7%,制氧能耗降低37%,空分系统设备总投资降低35%,整个IGCC电站的比投资费用能够降低7%左右。系统集成优化理论

系统集成优化的范围包括不同尺度过程-企业-园区-区域，集成内容包括物质集成、能量集成、水集成、信息集成。集成的方法有直观判断法、热力学方法、人工智能法及数学规划法。系统集成优化不仅考虑过程系统本身内部不同物理尺度的集成优化，还要充分考虑过程系统与生态系统之间的集成优化，这时就要将生态因子纳入过程系统的综合、设计、运行和控制中。这些生态因子包括可获取资源的特性、环境的迁移特征、生态承载力甚至生态美学观念等。系统集成优化要求在低水平层次上，要计算生态系统的环境容量和生态承载力；在高水平层次上，还要考虑美学、生态和谐等综合性抽象性的目标。燃气和蒸汽动力联合循环把燃气轮机和蒸汽动力装置联合成为一个整体的装置。根据热力学第二定律,对任何一种热力发动机,循环工作介质的加热温度越高放热温度越低,热效率就越高。20世纪70年代末,燃气轮机中的燃气初温已过1200℃,加热温度是很高的,但它的放热温度也高,约为450～550℃，不少热量随排气进入大气，故热效率最高只达38％。现代的大型蒸汽动力装置因受结构和材料的限制，新蒸汽温度一般不超过600℃，但它的放热温度也较低，热效率最高只达38～39％。燃气-蒸汽联合循环装置(简称联合循环装置)能把两者的优点结合起来它的循环既具有燃气轮机的加热高温，又具有蒸汽动力装置的放热低温，从而有较高的热效率。

联合循环装置的设想在燃气轮机发展早期就已经提出，大约在60年代初便有了较成熟的、利用排气余热的联合循环装置。此后以石油和天然气为燃料的联合循环装置得到了广泛的应用。以煤为燃料的“整体”联合循环发电装置正在兴起，许多国家都很重视燃煤联合循环装置的研究工作。联合循环装置的排气余热利用、煤气化和沸腾燃烧等几种主要形式。

物质集成

(1)过程层次的物质集成碳集成是煤利用过程中典型的物质集成，其目的是如何通过碳集成减少煤炭能源利用过程CO2排放。下图是一个考虑碳集成的能源系统示意图。这个能源系统能够控制燃煤发电厂的碳排放，采用这种能源系统利用煤不会对全球气候变化或其他环境问题产生大的影响。空分气化变换贮存利用GTCC净化电CO2硫煤空分气化变换贮存利用GTCC净化电CO2硫煤IGCC的特点我国以“煤为基础”的能源格局在未来几十年里不会改变,我国电力的主要来源依然是煤电。为了保证电力的高效、清洁生产和可持续供应,需要发展高效的洁净煤发电技术。目前能够满足这一要求的技术只有超超临界循环和IGCC。IGCC的特点IGCC具有燃料适应性广的特点,特别适合利用我国的高硫煤。此外,随着国内对石油燃料的需求越来越大,国际油价持续走高,液体燃料的安全供应已经成为影响国家安全的一个重要可持续发展的原则必然会使电力行业及电力设备制造行业面临除尘、脱硫、脱硝的问题,此后还会面临脱汞,减排二氧化碳的问题。作为全球第二大CO2排放国,我国已经面临减排的压力,2012年以后,很可能要承担减排义务。这对于我国的火力发电行业来说是个巨大的负担。IGCC系统能够以较低的成本富集和减排CO2,实现CO2的利用。据文献[15],减排CO2时,IGCC需要减少5%的出力,增加30%的投资,发电成本提高25%;超超临界则会减少28%的出力,投资增加73%,发电成本上升66%。由此可见,相对超超临界循环,IGCC应对CO2减排具有很大的优势煤气化联合循环发电煤直接燃烧发电污染大，如将煤气化与发电结合，用净化煤气发电，可以减少向大气排放硫和氮的氧化物和粉尘等污染物，还可提高发电效率。联合循环发电原理：用一燃气轮机带动一发电机，利用烟气显热产生蒸汽，驱动蒸汽机带动另一个与之相连的发电机。优点：排放烟气中不含粉尘，固体残渣易处理，利用现代技术可回收硫，烟气中硫氧化物和氮氧化物含量低，可以达到排放标准。特点：在煤气化过程中加入石灰脱硫，脱硫率高，且煤气在高温下送去燃气轮机，提高了能量利用率。用余焦燃烧的烟气产生蒸汽驱动蒸汽机发电。图9.16图9.17IGCC整体煤气化联合循环(Integratedgasifica2tioncombinedcycle,IGCC)是指将煤炭、生物质、石油焦、重渣油等多种含碳燃料进行气化,将得到的合成气净化后用于燃气—蒸汽联合循环的发电技术特点：不仅可以很大程度上解决