煤炭气化-气流床气化法

§3、煤的气化§3.1煤气化的基本原理§3.2气化炉的基本原理§3.3固定(移动)床气化法§3.4流化床气化法§3.5气流床气化法§3.6煤的气化联合循环发电§3.7煤炭地下气化§3.8煤的气化方法的评价与选择§3.9煤气的净化§3.10煤气的甲烷化§3．5气流床气化法1.基本原理和特点⑴基本原理所谓气流床，就是气化剂（蒸气与氧）将粉煤夹带入气化炉进行并流气化。煤粉被气化剂夹带通过特殊的喷嘴进入反应器，瞬时着火，形成火焰，温度高达2000℃。煤粉和气化剂在火焰中作并流流动，煤粉急速燃烧和气化，反应时间只有几秒种，可以认为放热与吸热反应差不多是同时进行的，在火焰端部，即煤气离开气化炉之前，碳已全部耗尽，生成含一氧化碳和氢气的煤气及熔渣。在高温下，所有的干馏产物都被分解，只含有很少量的CH4(0.02％)而且煤颗粒各自被气流隔开，单独地裂解，膨胀、软化、烧尽直到形成熔渣，因此煤粘结性对煤气化过程没有什么影响。⑵主要特征①气化温度高、气化强度大纯氧和水蒸气气化，温度达2000℃左右②煤种适应性强；褐煤不适于制水煤浆加料。③煤气中不含焦油；反应温度高，床层温度均一④需要设置庞大的磨粉、余热回收、除尘等辅助装置。粉煤70~80%过200目筛分，出口煤气温度高，起气速高带走的飞灰多。2.K-T气化法(常压、粉煤气化)⑴气化炉高温气流床熔融排渣煤气化设备；采用气-固相并流接触，压力为常压，温度大于1300℃；K-T煤气化炉结构为卧式橄榄形（图4），其上部有废热锅炉（辐射传热的和对流传热的），利用余热副产蒸汽。壳体由钢板制成，内衬耐火材料。煤粉通过螺旋加料或气动加料与气化剂混合，从炉子两侧或四侧水平方向以射流形式喷入炉内，立即着火进行火焰反应。煤中大部分灰分在火焰区被熔化，以熔渣自气化炉底部排出。其余灰分被气体夹带走。⑵气化工艺①气化工艺流程a:煤粉制备

70~80%通过200目筛，并要求干燥。b:煤粉和气化剂的输入双烧嘴相邻对称设置。c:制气

1400~1500℃的粗煤气，炉出口处饱和蒸汽急冷，降温至900℃。d:废热回收粗煤气显热用废锅（辐射、对流）回收，并副产蒸汽。e:洗涤冷却②操作条件和气化指标a:原料煤:可应用各种类型煤，特别是褐煤和年轻的烟煤更为适用；70~80%过200目筛。b:温度火焰中心：2000℃；粗煤气出口（未淬冷）1400~1500℃。c:压力:微正压（常压）d:氧煤比:0.85~0.9kg/kge:蒸汽煤比:0.3~0.34kg/kgf:气化效率:69%~75%g:碳转化率:80%~98%③主要优缺点：

优点：经验丰富；气化炉结构简单维护方便；单炉生产能力大；煤种适应性广；蒸汽用量低；煤气中不含焦油和烟尘，有效成分（CO和H2）可达85~90%；不产生含酚废水；碳的转化率高于流化床。缺点：庞大的制粉设备，耗电量高；需设空分装置，耗氧量大；需有高效除尘装置，操作能耗大，建厂投资高。3.Shell煤气化工艺⑴工艺技术特点●加压气流床粉煤气化，以干煤粉进料，纯氧做气化剂，液态排渣；●火焰中心温度：1600~2200℃；●出炉煤气温度约为：1400~1700℃；●干煤气中有效成分CO和H2可达90%以上，CH4含量很低。●主要工艺技术特点：①煤种适应广（干法粉煤、气流床）②能源利用率高（高温、加压热效率高；碳转化率高）③设备单位产气能力高（加压、设备单位容积产气能力高）④环境效益好（富产物少，属洁净煤工艺）⑵Shell煤气化工艺流程及气化炉流程简述：①煤粉制备和送料系统经预破碎后进入煤的干燥系统，使煤中的水分小于2%，然后进入磨煤机中被制成煤粉，磨煤机是在常压下运行，制成粉后用N2气送入煤粉仓中。然后进入加压锁斗系统。再用高压N2气，以较高的固气比将煤粉送至4个气化炉喷嘴，煤粉在喷嘴里与氧气(95%纯度)混合并与蒸汽一起进入气化炉反应。②气化

由对称布置的4个燃烧器喷入的煤粉、氧气和蒸汽的混合物，在气化炉内迅速发生气化反应，气化压力2~4MP，气化炉温度维持在1400～1700℃，这个温度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到气化炉底部，经淬冷后，变成一种玻璃态的渣排出。③煤气冷却粗煤气随气流上升到气化炉出口，经过一个过渡段，用除尘后的低温粗煤气(150℃左右)使高温热煤气急冷到900℃(在有一定倾角的过渡段中，由于热煤气被骤冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部)然后进入煤气冷却器（水管式废热锅炉）被进一步冷却到250℃左右。经除尘后部分煤气加压后循环用于出炉煤气的激冷。

⑶气化炉高压容器外壳膜式水冷壁环形空间：向火侧附着一层耐火材料（以渣抗渣）内壁衬里设有水冷管副产部分蒸汽容纳水、蒸汽输入和出的管路、利于检修内筒和外筒筒上部为燃烧室（气化区）下部为熔渣激冷室水冷壁结构水冷壁是由:

液体熔渣、固体熔渣、膜式壁、碳化硅耐火填充料、加压冷却水管、抓钉组成的。水冷壁结构示意图：连续运行10年水冷壁内侧图片连续运行10年水冷壁外观图片Shell气化炉以渣抗渣原理：

生产中，高温熔融下的流态熔渣，顺水冷壁重力方向下流，当渣层较薄时，由于耐火衬里和金属销钉具有很好的热传导作用，渣外表层冷却至灰熔点固化附着，当渣层增厚到一定程度时，热阻增大，传热减慢，外表渣层温度升高到灰熔点以上时，熔渣流淌减薄；当渣层减薄到一定厚度时，热阻减小，传热量增大，渣层温度降低到灰熔点以下时熔渣聚积增厚，这样不断的进行动态平衡。下面是两张结渣图片供参考：shell气化炉内渣层对保护耐火层理和水冷壁管至关重要，以下一张照片是停车中温降过快造成的垮渣，一张是炉内温度波动（高温）造成的渣层损坏。将容易烧蚀损坏原来被渣层保护的耐火衬里和金属销钉，当保护层减薄到一定程度时，将失去对水冷壁的保护，伤害到本体，气化炉反应热平衡也将失衡。⑷优缺点：优点：①气化炉内部采用膜式水冷壁，可承受较高的气化温度。对原料煤的灰熔点限制较少。②碳转化率高，碳转化率≥99%。③由于是干粉进料，粗合成气中有效气（CO+H2）浓度高于90%，CO2含量低。④气化效率高，原料煤及氧气消耗低，原料利用率高。⑤单炉能力大、运转周期长、无需备用炉。⑥多组对列式烧嘴配置，可以通过关闭一组或多组烧嘴来调整合成气的产出量，操作弹性大。⑦合成气比较清洁，高温气化的气体中不含焦油、酚等有害物质，便于合成气的净化处理。⑧环保上的优点：正常生产时，基本无废气排放；由于绝大部分工艺水可以循环使用，排放废水较少。在高温下产生的熔渣性质稳定，对环境影响较小，还可以作建筑材料。⑨工艺技术先进可靠，已在荷兰Demkolec成功建设了一套单炉日处理煤量2000吨的气化装置，用于联合循环发电。Shell工艺缺点是：①还没有用于合成气生产的工业应用业绩，即没有与生产甲醇或合成氨装置串联的运行经验可以借鉴；②入炉煤采用气流输送，限制了气化压力的进一步提高，压力限制在2～4MPa。③投资远远高于水煤浆气化，大约是德士古水煤浆气化的2倍左右。4.GSP粉煤气化法

GSP粉煤加压气化技术，是德国未来能源开发的工艺技术，既有Texaco气化工艺的特点，又有Shell气化工艺的特点。气化炉的操作压力为2.5—4.0MP气化温度操1350℃—1600℃之间⑴GSP气化炉结构包括：水冷壁的气化室和激冷室。

粗合成气激冷工艺流程包括备煤、气化及气体除尘冷却、黑水处理等。加压干煤粉，氧气及少量蒸汽通过联合喷嘴进入到气化炉中。高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室，热的合成气被喷射的激冷水所冷却。而液态渣在激冷室底部的水浴中成为颗粒状，定期从渣锁斗中排入渣池。

⑵

组合式喷嘴

组合式喷嘴由配有火焰检测器的点火喷嘴和生产喷嘴所组成，故称为组合式气化喷嘴。受到高热负荷的喷嘴部件由喷嘴循环冷却系统来强制冷却。喷嘴的材质为奥氏体不锈钢，高热应力的喷嘴顶端材质为镍合金。

喷嘴由中心向外的环隙依次为氧气、氧气/蒸汽、煤粉通道。

组合式喷嘴结构示意图组合式喷嘴外观示意图⑶

GSP粉煤加压气化的技术特点a、气化炉内部采用膜式水冷壁，可承受高达2000℃的气化温度。对原料煤的灰熔点限制较少，可以气化高灰熔点的煤。b、由于是干粉进料，粗合成气中有效气（CO+H2）浓度高，接近90%，CO2含量低。c、气化效率高，原料煤及氧气消耗低。碳转化率≥99%，原料利用率高。d、采用激冷工艺流程，设备结构简单，装置投资少。e、采用水冷壁副产低压蒸汽，通过监控水冷壁的出水温度，判断炉壁的挂渣情况，有利用于气化炉的稳定操作及延长设备的寿命。f、组合式工艺烧嘴（点火及工艺烧嘴合一）及特殊的烧嘴结构，保证了气化较长的周期和较大的操作弹性。g、经过冷激和洗涤，粗合成气含尘量低，同时有较高的水汽比，变换无需外补蒸汽。这是GSP气化炉照片，用于神华宁煤集团煤基烯烃项目☆5.德士古（Texaco）气化法水煤浆进料，加压气化气化原料：水煤浆气化剂：氧气1.基本原理和气化炉型⑴基本原理以及气化炉型水煤浆通过喷嘴在高速氧气流作用下破碎、雾化喷入炉内。①：基本原理ａ：裂解、挥发分燃烧水迅速变为水蒸气；煤粉发生干镏及热解；挥发份燃烧。

b:燃烧气化:燃烧：C+O2→CO2+Q

气化:C+H2O→CO+H2-Q；CO2+C→CO-Q;燃烧:O2+H2→H2O+Q;CO+O2→CO2+Q

;c:气化（氧气耗尽时）：C+H2O→CO+H2-Q；CO2+C→CO-Q;CO+H2→CH4+H2O+Q；最后生成以CO、H2、CO2、H2O为主要成分的湿煤气及熔渣。②

:气化炉直立圆筒形耐压容器;内衬耐火材料，近似绝热；内部无结构件，维修简单；运行可靠。2.德士古气化工艺⑴水煤浆制备和输送湿法：干法制造水煤浆⑵气化和废热回收①烧嘴双套管式；三套管式：中心管：15%氧气；外环系：85%氧气；内环系：水煤浆。德士古烧嘴其中喷嘴为三通道，工艺氧走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧射流之间。水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题，主要是由于水煤浆在较高线速下(约30m/s)对金属材质的冲刷腐蚀。中心管：１５％氧气；外环系：８５％氧气；内环系：水煤浆。烧嘴要求：雾化性好，气化反应性好，寿命长等。②粗煤气三种不同的冷却方法（流程）a:直接淬冷（激冷流程）适用于制NH3和H2(因为这种流程易于和变换反应器配套，激冷产生蒸气可满足变换的需要)激冷流程简介：

气化炉产生的高温煤气和液态熔渣一起，通过炉子底部的急冷室，与水直接接触而冷却；同时产生大量高压蒸汽与煤气一起离开气化炉。b:间接冷却（废锅流程）适用于生产工业燃料煤气、联合循环发电用燃气或合成用原料气。

废锅流程简介：气化炉产生的高温粗煤气和液态熔渣进入到气化炉下部的辐射式废锅，由水冷壁管冷却至700℃（水冷管内副产高压蒸汽），而熔渣粒固化分离落入到下面的淬冷水池，经灰锁斗排出。粗煤气由辐射废锅导入对流废锅进一步冷却至300℃（废锅回收显热并副产蒸汽）。德士古工艺流程ｃ：间接冷却－直接淬冷相结合（半废锅流程）半废锅流程简介：气化炉产生的高温粗煤气和液态熔渣先进入辐射式废锅，冷却至700℃（水冷管内副产高压蒸汽），熔渣粒固化与煤气分离落入到下面的淬冷水池，经灰锁斗排出。然后粗煤气用水喷淋淬冷至200℃左右。③煤气冷却以及三废处理3.工艺条件⑴水煤浆浓度：要求：较高的浓度；较好的流动性和稳定性；（水煤浆浓度高煤气中有效成分增加，气化效率高，氧气耗量下降。）较高浓度：气化效率高较好流动性：易于泵送（可加助溶剂）较好的稳定性：防止分层沉降适宜粒度分布：（粗粒多：粘度下降，流动性好，但易分层；细粒多：稳定性好，但粘度大，流动性。）●褐煤不宜做制水煤浆的原料。⑵粉煤粒度：小颗粒的碳的转化率高于大颗粒的。⑶氧煤比：合适的氧煤比。⑷气化压力：加压下可以提高气化效率；提高生产能力；节省煤气的输送动力消耗。⑸气化温度：气化温度选择的原则是：保证液态排渣的前提下，尽可能维持较低的操作温度。⑹助溶剂：可降低灰熔点，可使气化炉在较低温度条件下运行，降低氧气耗量，提高耐火材料的使用寿命。4.德士古气化工艺评价⑴优点：①:气化炉结构简单。

该技术关键设备气化炉属于加压气流床湿法加料液态排渣设备，结构简单，无机械传动装置。②:开停车方便。③:煤种适应较广。可以利用粉煤、烟煤、次烟煤、石油焦、煤加氢液化残渣等。不受灰熔点等限制。④:合成气质量好。

CO+H2≥80%且H2与CO量之比约为0.77，可以对CO进行变换以调整其比例用来作合成氨、甲醇等，且后系统气体的净化处理方便。⑤:碳转化率高。

该工艺的碳转化率在97%