《煤炭气化净化技术》课件

煤炭气化净化技术煤炭气化净化技术是实现煤炭清洁高效利用的关键工艺，通过气化过程将固体煤炭转化为可燃气体，再经过一系列净化处理，去除有害物质，生产出清洁的燃料气或化工合成气。这一技术在能源转型和环境保护背景下具有重要战略意义，不仅能够有效减少传统煤炭直接燃烧带来的环境污染问题，还能够提高能源利用效率，为化工合成和电力生产提供清洁原料。课程概述课程目标掌握煤炭气化净化的基本原理与核心技术，能够理解各种气化工艺流程的特点及适用条件，具备分析解决煤气净化过程中常见问题的能力，为未来从事相关领域的研究与实践奠定基础。主要内容课程涵盖煤炭气化基础理论、气化技术分类、工艺流程设计、煤气净化方法、系统集成优化以及新技术发展趋势等方面，从理论到实践全面阐述煤炭气化净化的科学与工程问题。学习方法采用理论讲解与案例分析相结合的方式，通过工程实例、参数计算、工艺流程设计等实践环节，加深对理论知识的理解和应用能力的培养，鼓励学生积极思考和探究相关领域的前沿问题。第一章：煤炭气化基础理论基础包括煤炭气化的热力学和动力学原理，介绍气化反应的基本机理和平衡条件，为深入理解气化过程提供理论支撑。工艺原理详细阐述煤炭在气化过程中所经历的各个阶段，包括热解、挥发分析出、碳转化等关键步骤，以及影响这些过程的主要因素。技术发展回顾煤炭气化技术的历史演进过程，介绍从早期简单气化到现代高效清洁气化的技术进步，展示技术创新对行业发展的推动作用。应用价值探讨煤炭气化在能源转化、环境保护和化工生产等领域的重要应用，分析其在国家能源安全和可持续发展中的战略地位。1.1煤炭气化的定义煤炭气化过程煤炭气化是指在特定条件下，将固体煤炭转化为气体燃料的热化学过程。这一过程在高温（通常800-1500℃）和一定压力（常压至高压）条件下进行，通过与气化剂（如氧气、水蒸气、空气或二氧化碳）的反应，使煤炭中的有机成分转化为以一氧化碳、氢气、甲烷等为主的可燃气体混合物。气化产物煤炭气化的主要产物是合成气（一氧化碳和氢气的混合物），此外还包括二氧化碳、甲烷、氮气等组分，以及少量的硫化氢、氨、焦油等杂质。根据气化方式和条件的不同，产生的煤气成分比例有较大差异，可以通过调整工艺参数获得不同用途的气体产品。1.2煤炭气化的历史发展1早期应用（18-19世纪）煤炭气化最早可追溯到18世纪的煤气灯应用。1792年，威廉·默多克(WilliamMurdoch)成功利用煤气照明，开创了工业化煤气生产的先河。19世纪初，煤气被广泛用于城市照明系统，成为当时主要的照明能源，推动了城市基础设施的现代化发展。2工业化发展（20世纪初期）20世纪初，随着化学工业的发展，煤炭气化技术得到进一步提升。1923年，德国科学家弗朗兹·菲舍尔(FranzFischer)和汉斯·特罗普施(HansTropsch)开发出著名的费托合成法，实现了从煤气合成液体燃料，为现代煤化工奠定了基础。3现代技术进展（20世纪后期至今）20世纪70年代石油危机后，煤炭气化迎来新的发展机遇。各国开发了多种先进气化技术，如美国的Texaco气化炉、荷兰的Shell气化炉和德国的Lurgi气化炉等。近年来，超临界煤气化、高温熔渣气化等技术不断创新，气化效率和环保性能得到显著提高。1.3煤炭气化的重要性1能源利用煤炭气化为煤炭资源的高效清洁利用提供了重要途径。通过气化过程，煤炭中的能量可以转化为更加灵活、清洁的气体燃料，既可直接用于燃气轮机发电，也可作为合成气用于化工生产，实现能源的多元化利用和能源形式的互补转化，有效提高能源系统的整体效率。2环境保护相比传统煤炭直接燃烧，气化技术能够更有效地控制污染物排放。在气化过程中，硫、氮等有害元素可以在气相中被捕获和去除，颗粒物排放大幅降低，二氧化碳捕集也变得更加容易实现，为煤炭的清洁利用和减少环境污染提供了技术支持。3经济效益煤炭气化产生的合成气是重要的化工原料，可用于生产氨、甲醇、合成油品等高附加值产品，实现煤炭从简单燃烧到精细化工的价值链延伸。这种"煤化工"路线对于煤炭资源丰富但石油天然气相对匮乏的国家尤为重要，能够降低对进口能源的依赖，促进本土产业发展。1.4煤炭气化原理热解阶段煤炭在400-600℃温度下发生热解，释放挥发分，形成焦炭和气态产物1部分氧化碳质与氧气发生部分氧化，生成CO，提供气化所需热量2气化反应焦炭与水蒸气、CO₂反应，生成CO和H₂为主的合成气3重整反应气相中的烃类物质发生催化重整，调整最终气体产品组成4煤炭气化是一个复杂的热化学过程，涉及多个并行和连续的反应阶段。在整个过程中，最基本的化学反应包括碳的部分氧化反应(C+1/2O₂→CO)、水煤气反应(C+H₂O→CO+H₂)、水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)和甲烷化反应(C+2H₂→CH₄)等。根据反应热效应，煤炭气化反应可分为吸热反应和放热反应。通过合理控制气化条件和气化剂配比，可以实现反应热的平衡利用，维持气化系统的稳定运行，并获得所需的气体产品组成。1.5煤炭气化的基本步骤干燥煤炭在100-150℃温度下失去物理吸附水和部分结合水，是气化过程的前提步骤。干燥阶段通常需要消耗一定热量，来自后续反应阶段的热量可通过热交换提供给干燥过程，提高整体能源利用效率。热解干燥后的煤炭在350-800℃温度下发生热解（热分解），煤炭中的有机质分解为固体炭、液体焦油和气体产物。这一阶段会释放挥发分，产生轻烃、焦油、酚类等多种有机物，固体残留物则形成半焦或焦炭。气化焦炭在800-1500℃高温下与气化剂(O₂、H₂O、CO₂等)发生一系列化学反应，将固体碳转化为气态产物。这一阶段是煤炭气化的核心过程，反应速率和产物组成受温度、压力、气化剂类型等因素影响。燃烧部分碳质材料与氧气完全燃烧，为整个气化系统提供所需热量。燃烧反应主要发生在气化炉的特定区域，通过控制氧气量可以调节系统温度和气化反应的进行程度，实现煤炭的高效转化。1.6气化剂类型氧气作为气化剂时可提供高温环境，促进煤炭快速气化，生产的煤气热值较高，且不含氮气，适合用于化工合成。使用纯氧气化需配套空分设备，投资和运行成本较高，但可获得质量稳定、成分可控的高品质合成气。水蒸气与碳反应生成CO和H₂，可增加合成气中氢气含量，提高H₂/CO比值，适合用于合成氨、甲醇等产品。水蒸气气化为吸热反应，常需与氧气联合使用，通过调节蒸汽/氧比例可控制合成气组成和反应温度。空气使用空气作气化剂投资低、操作简单，但产生的煤气含大量氮气，热值较低，仅适用于直接燃烧发电或供热。空气气化技术已相当成熟，在中小型煤气化装置中应用广泛，特别是在资源有限的地区。二氧化碳作为气化剂可与碳反应生成CO，有助于提高煤炭转化率和煤气热值。近年来，CO₂气化受到关注，因其可实现CO₂资源化利用，有利于减少温室气体排放，但反应速率较慢，常需与其他气化剂复合使用。1.7煤炭气化的影响因素煤种特性不同煤种的元素组成、灰分含量、挥发分含量和反应活性等特性直接影响气化效率和产物分布。高挥发分煤易于气化，而高灰分煤则可能导致结渣和灰熔融问题，增加设备维护难度。煤的结构和孔隙特性也影响气化剂的扩散和反应速率。1温度影响气化温度对反应速率和平衡转化有显著影响。温度升高可加速反应速率，促进煤炭转化，抑制焦油生成。通常固定床气化温度为800-1000℃，流化床为950-1050℃，气流床则高达1200-1600℃。过高温度可能导致灰熔融和设备损耗问题。2压力条件气化压力影响气体产物的组成和收率。高压有利于甲烷化反应，提高甲烷含量；而低压则有利于一氧化碳和氢气的生成。现代大型气化装置多采用加压气化，可减小设备体积，提高单位体积产气量，同时便于与下游高压工艺衔接。3气化剂比例气化剂种类和配比直接决定煤气组成和热值。氧碳比(O/C)影响气化温度和碳转化率；蒸汽碳比(H₂O/C)影响氢碳比和水煤气反应程度。合理匹配各种气化剂的比例是优化气化过程、获得理想产物的关键操作参数。4第二章：煤炭气化技术分类煤炭气化技术根据气化反应器的结构特点和煤炭在反应器中的流动状态，可分为固定床、流化床、气流床、水煤浆气化以及地下煤气化等多种类型。每种气化技术都具有独特的优缺点和适应条件，在不同应用场景中发挥着重要作用。技术选择需综合考虑煤种特性、规模需求、产品用途、环保要求等多种因素。现代煤炭气化工业正朝着大型化、高效化、清洁化和智能化方向发展，不断提高能源转化效率和环境友好性。2.1固定床气化技术工艺特点固定床气化是最早发展的煤炭气化技术，气化炉内煤层保持相对静止状态，呈现明显的反应分区。从上到下依次为干燥区、热解区、还原区和氧化区，各区温度和反应条件存在明显差异。气化剂自下而上穿过煤层，与煤炭逐级接触反应，产生的煤气自上方导出。这种气化技术结构简单，操作稳定，对煤种适应性强，但单位体积产气量低，处理能力有限。典型的固定床气化炉包括Lurgi气化炉和BGL气化炉等。应用范围固定床气化技术适用于气化非粘结性或弱粘结性煤，对煤粒度要求严格，通常为5-50mm，细粉会影响气体流通而导致压降增大。该技术产生的煤气中含有大量焦油和酚类物质，需要复杂的净化处理。固定床气化装置规模相对较小，单炉处理量一般为10-30吨/小时，适合中小型煤气化项目，特别是在要求投资少、操作简便的地区得到广泛应用，主要用于城市煤气、工业燃料气和化工合成气的生产。2.2流化床气化技术工艺特点流化床气化技术中，煤粒在气流作用下处于悬浮流化状态，呈现出类似液体的流动性。反应器内温度分布均匀，气化剂与煤粒接触充分，传热传质效果好。流化床气化通常在800-1050℃温度下操作，低于灰熔点，属于干灰气化方式。此类气化技术的特点是强化了气固接触，提高了反应速率和碳转化率，具有较好的操作弹性，可实现自动化控制。典型的流化床气化技术包括高温韦尔曼(HTW)气化炉、循环流化床(CFB)气化炉等。应用范围流化床气化技术对煤种的适应性广，特别适用于高反应活性的褐煤和次烟煤等低级煤，对煤粒度要求严格，通常为0.5-6mm。该技术具有中等规模的处理能力，单台设备产能一般为20-100吨/小时。流化床气化产生的煤气中焦油含量低于固定床，但高于气流床，碳转化率在90-95%之间。目前主要应用于发电、供热以及中小型化工合成项目，在煤炭资源丰富但技术条件有限的地区具有较大市场潜力。2.3气流床气化技术1高效碳转化碳转化率可达98-99%2高温气化操作温度1200-1600℃3短停留时间气化反应仅需1-5秒4高处理量单炉可达2000-3000吨/日气流床气化是目前最先进的煤炭气化技术，在该工艺中，煤粉与气化剂高速同向或对向流动，在极短的停留时间内完成气化反应。由于操作温度高于灰熔点，灰分形成熔渣排出，又称为熔渣气化。这种气化方式强化了传热传质过程，反应速率快，气化强度高。气流床气化对煤粒度要求严格，通常需要将煤磨至小于100微米。它特别适合于气化中高灰分煤和强粘结性煤种，可生产高纯度的合成气，几乎不含焦油，适用于大型煤化工项目和IGCC发电系统。代表性技术包括Shell气化、GE气化（原Texaco）和西门子气化等。2.4水煤浆气化技术1工艺特点水煤浆气化技术是气流床气化的重要分支，它将煤粉与水混合制成浓度为60-70%的流动性浆料，通过泵输送至气化炉。水煤浆喷入高温气化炉后，水迅速汽化成为气化剂参与反应，同时还起到降温和调节氢碳比的作用。2技术优势水煤浆气化系统无需复杂的干煤粉输送装置，避免了煤尘爆炸风险，操作安全性高。采用压力泵输送，便于实现高压气化，且流量控制精确，易于自动化操作。水煤浆制备过程中可添加助剂改善流变性能，还可去除部分煤中的硫、灰分等杂质。3应用范围该技术适用范围广，可气化粉煤、低阶煤甚至石油焦等多种碳质原料。由于水的存在增加了能耗，因此煤的热值利用率略低于干煤粉气化。目前主要应用于大型煤气化装置，特别是在合成氨、甲醇和费托合成等领域有广泛应用。代表性技术包括GE水煤浆气化和航天炉等。2.5地下煤气化技术1资源利用可开采难以传统方式开采的深层煤炭资源2环境效益避免煤矿开采的环境破坏和安全风险3经济性降低矿工劳动成本和煤炭运输成本4工艺简化无需煤炭预处理和灰渣处理系统地下煤气化技术是一种原位气化方法，它不需要将煤炭开采到地面，而是通过在煤层钻井建立气化通道，将气化剂注入地下，在地下实现煤炭气化，然后将产生的煤气引至地面利用。这一技术将煤矿开采和气化过程合二为一，煤层既是资源储存库，也是气化反应器。目前地下煤气化仍处于发展阶段，面临地下反应控制、地下水污染防治、气体产品质量控制等技术挑战。但随着定向钻井、地质探测等技术的进步，地下煤气化在开发深部煤层、边缘煤层等常规方法难以开采的煤炭资源方面显示出巨大潜力，被视为未来煤炭清洁利用的重要发展方向。第三章：煤炭气化工艺流程1煤炭预处理包括煤炭的破碎、筛分、干燥和制备，为气化反应创造适宜的物料条件2气化反应煤炭与气化剂在气化炉内发生一系列热化学反应，生成以CO和H₂为主的粗煤气3热量回收高温粗煤气中的热量通过废热锅炉或急冷系统回收，提高能源利用效率4气体净化去除粗煤气中的粉尘、焦油、硫化物等杂质，获得符合使用要求的清洁煤气5气体利用净化后的煤气可用于发电、供热或作为化工合成原料，实现煤炭的高效转化利用3.1原料预处理煤炭破碎根据气化炉类型要求，将原煤破碎至合适粒度。固定床气化通常需要5-50mm的块煤，流化床需要0.5-6mm的粒煤，而气流床气化则需要小于100微米的粉煤。破碎设备主要包括颚式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机和球磨机等，不同设备适用于不同的粒度要求。煤炭干燥高水分煤种需进行干燥处理，降低水分含量至合适水平。常用的干燥设备有回转干燥器、流化床干燥器和闪蒸干燥器等。干燥过程通常利用系统余热，如烟气或蒸汽作为热源，以提高系统的能源利用效率。干燥后的煤炭水分含量通常控制在1-15%，具体取决于气化工艺要求。煤炭分级通过筛分设备对破碎后的煤炭进行粒度分级，确保进入气化系统的煤炭粒度满足工艺要求。分级设备主要包括振动筛、转筒筛和气流分级器等。不合格粒度的煤炭被送回破碎系统进行再处理，以提高原料利用率。精确的粒度控制对于气化效率和设备稳定运行至关重要。煤浆制备水煤浆气化工艺需要将煤粉与水混合制成浓度为60-70%的水煤浆。制浆过程中需添加适量分散剂和稳定剂，确保水煤浆具有良好的流动性、稳定性和喷射性能。水煤浆制备设备包括球磨机、搅拌器和高剪切混合器等，制备的水煤浆需通过沉降实验、粘度测定等方法进行质量控制。3.2气化反应800-1600℃气化温度范围不同气化技术的典型操作温度，高温有利于提高反应速率和碳转化率0.1-8MPa气化压力范围现代气化工艺的典型操作压力，高压有利于提高设备生产能力和甲烷生成85-99%碳转化率不同气化技术可达到的碳转化效率，气流床气化可实现最高转化率3-10秒气体停留时间反应物在气化区的停留时间，直接影响反应完成度和碳转化率气化反应是煤炭气化过程的核心环节，在气化反应器中，煤炭与气化剂（氧气、水蒸气、空气或二氧化碳）在高温高压条件下反应，通过一系列的热化学过程转化为以CO和H₂为主的合成气。反应条件控制是气化工艺设计和运行的关键，需根据原料特性、产品要求和设备特点进行优化。3.3粗煤气冷却冷却方式粗煤气冷却是气化系统中的重要热量回收环节，主要有废热锅炉冷却、水冷壁冷却和水淬冷却三种方式。废热锅炉冷却将高温煤气的热量转化为中高压蒸汽，实现能量的梯级利用；水冷壁冷却通过炉壁冷却管回收热量，降低炉壁温度；水淬冷却则通过将高温煤气直接与水接触，实现快速降温，适合含尘量高的煤气。余热利用粗煤气冷却过程回收的热量通常转化为蒸汽或热水，用于系统内部的加热需求或外供利用。现代大型气化装置往往配套建设汽轮发电机组，将回收的热能转化为电能，提高系统的综合能效。高温煤气的冷却过程还需考虑灰渣和可凝物质的沉积问题，设计合理的清灰系统确保热交换设备的长期稳定运行。3.4灰渣处理干灰处理干灰处理适用于低于灰熔点温度运行的气化工艺，如流化床气化。未熔融的灰颗粒以固体形式从系统中分离出来，通过灰斗、气力输送系统或机械输送设备收集和处理。干灰通常含有未转化的碳，含碳量高时可考虑回收利用或进一步燃烧处理。干灰处理系统设计需重点考虑防尘措施，确保环境和设备安全。湿灰处理湿灰处理适用于高温熔渣气化工艺，如气流床气化。熔融状态的灰渣从气化炉底部排出，进入水槽淬冷形成玻璃态渣粒。淬冷水系统需要考虑水质处理和水循环利用，防止水质恶化和环境污染。处理后的渣粒含碳量低，一般小于1%，渣粒质量稳定，可用于建材生产，实现废弃物资源化利用，减少环境负担。3.5气化炉结构固定床气化炉固定床气化炉通常为立式圆筒结构，顶部设有给煤装置，通过机械或液压顶推系统将煤料均匀分布在炉内。炉体底部设有旋转炉排或固定炉排和除灰装置，用于支撑煤层并排出灰渣。气化剂从底部进入，穿过灰层和炉排进入反应区，生成的煤气从炉顶导出。炉体通常采用水冷夹套设计，防止高温损伤。流化床气化炉流化床气化炉为圆筒形结构，底部设有分布板或喷嘴，确保气化剂均匀进入并形成良好的流化状态。炉体中部为主反应区，煤粒在此与气化剂充分接触反应。顶部设有旋风分离器或内部反射板，分离夹带的固体颗粒。灰分通过底部排灰系统或旋风分离器收集系统排出。炉体通常设有冷却系统和温度监测装置，保证安全运行。气流床气化炉气流床气化炉为垂直圆筒形结构，顶部或底部设有多头喷嘴，将煤粉和气化剂高速喷入反应区。炉体上部为反应区，中部为温度缓冲区，下部为熔渣收集区。炉壁通常采用冷却壁设计，内衬耐火材料。炉底设有熔渣排出孔和水淬槽，用于熔渣的排放和冷却。现代气流床气化炉还配备有复杂的控制系统，实现过程参数的精确调节。第四章：煤气净化基础1高品质煤气符合环保和利用要求的清洁燃料或合成气2专项净化处理针对特定污染物的深度处理技术3通用净化工艺除尘、脱硫、脱氮、焦油去除等基础处理技术4污染物特性分析各类污染物的来源、性质和危害研究5煤气成分与性质粗煤气的组成、物理化学特性和净化需求分析煤气净化是煤炭气化过程中不可或缺的重要环节，它决定了最终煤气产品的质量和应用范围。粗煤气中含有多种对环境和设备有害的物质，包括粉尘、硫化氢、氨、氰化物、焦油等，这些物质不仅会污染环境，还会腐蚀设备、毒化催化剂，严重影响下游利用过程。煤气净化技术体系十分丰富，包括物理法、化学法和生物法等多种方法，形成了一套完整的技术体系。选择合适的净化工艺需要综合考虑煤气特性、污染物组成、下游用途要求和经济技术条件等多方面因素。4.1煤气净化的必要性环境保护要求煤气中的硫化物、氮氧化物、重金属等污染物排放会造成空气污染、酸雨和土壤污染等环境问题。随着环保法规日益严格，煤气利用必须满足排放标准要求，净化处理成为实现达标排放的必然选择。现代煤气利用系统通常需要满足SO₂排放小于35mg/m³、NOx小于50mg/m³、粉尘小于5mg/m³等严格标准。设备保护需求煤气中的多种成分对设备有腐蚀和损害作用。硫化氢会腐蚀金属设备，缩短使用寿命；粉尘会加速设备磨损，堵塞管道和阀门；焦油沉积会影响传热效率，增加维护成本。通过净化处理，可以有效延长设备使用寿命，减少故障率，降低维护成本，提高系统可靠性。下游利用需求不同的煤气利用方向对气体纯度有不同要求。用于合成氨的煤气中硫含量需低于0.1ppm，以避免催化剂中毒；用于燃气轮机发电的煤气中粉尘含量需低于5mg/m³，以防止叶片磨损；用于合成天然气的煤气需严格控制CO₂含量，以提高甲烷化反应效率。精确的净化处理是保证下游生产稳定运行的关键环节。4.2煤气主要污染物1粉尘煤气中的粉尘主要来源于未完全气化的碳颗粒、灰分和床料等固体物质。粉尘含量与气化工艺密切相关，固定床气化煤气中粉尘含量为0.1-1g/m³，流化床为5-20g/m³，气流床可高达20-100g/m³。粉尘不仅增加设备磨损，还会携带重金属等有害成分，是煤气净化的首要对象。2硫化物煤气中的硫主要以H₂S和COS形式存在，来源于煤中的有机硫和无机硫。硫化物含量与原煤含硫量直接相关，通常为0.1-1%。H₂S具有强腐蚀性和毒性，会腐蚀设备、毒化下游催化剂，燃烧后产生SO₂污染环境。COS在常规脱硫过程中较难去除，需要通过水解转化为H₂S后再脱除。3氮化物煤气中的氮化物主要包括NH₃和HCN，来源于煤中的有机氮。NH₃含量通常为0.3-1.5g/m³，HCN为50-200mg/m³。这些物质燃烧后产生NOx，导致光化学烟雾和酸雨，同时也会毒化催化剂，影响下游合成过程。在一些高温气化工艺中，还可能有少量的NOx直接生成。4焦油和酚类焦油是煤热解过程中产生的高分子量有机物混合物，主要存在于低温气化煤气中。固定床煤气焦油含量为10-100g/m³，流化床为0.5-5g/m³，气流床几乎不含焦油。焦油会凝结堵塞管道和设备，增加维护难度，其中也含有多种有害物质，如多环芳烃等致癌物质，需要严格处理。4.3煤气净化目标污染物类型原始含量范围一般净化要求深度净化要求粉尘0.1-100g/m³<50mg/m³<5mg/m³H₂S0.1-1%<100ppm<0.1ppmNH₃0.3-1.5g/m³<50mg/m³<10mg/m³焦油0-100g/m³<100mg/m³<20mg/m³HCN50-200mg/m³<20mg/m³<1mg/m³煤气净化的目标是根据下游利用要求，去除煤气中的有害成分，提高煤气品质，同时满足环保和设备安全要求。如用于合成氨生产的煤气需要严格控制硫含量，以避免催化剂中毒；用于燃气轮机发电的煤气则对粉尘和碱金属含量有严格要求。随着环保标准日益严格和煤气利用要求不断提高，煤气净化技术也在向高效化、低能耗和低成本方向发展。现代煤气净化工艺通常采用多级净化流程，针对不同污染物采用不同的处理方法，实现煤气的梯级净化和污染物的高效去除。第五章：煤气除尘技术旋风分离利用离心力将粉尘与气流分离的物理方法，结构简单，维护方便，主要用于粗除尘湿法除尘利用液体捕集粉尘的方法，除尘效率高，可同时去除部分可溶性气体污染物静电除尘利用高压电场使粉尘带电沉积的技术，能耗低，适用于大风量细粉尘的去除过滤除尘利用过滤材料拦截粉尘的方法，除尘效率高，适合作为终端精细除尘工序煤气除尘是煤气净化的首要步骤，目的是去除煤气中的固体颗粒物，为后续净化工序创造良好条件。根据煤气特性和除尘要求，通常采用多级除尘工艺，将不同除尘技术有机组合，实现高效除尘。除尘系统设计需考虑煤气温度、压力、粉尘浓度、粒径分布等因素，选择合适的除尘方式和设备参数，在保证除尘效果的同时，优化系统能耗和经济性，实现煤气的清洁高效利用。5.1机械除尘旋风分离器旋风分离器是利用离心力将粉尘从气流中分离出来的设备。煤气切向进入圆筒形分离器，在旋转气流中产生离心力，密度较大的粉尘颗粒被甩向器壁，沿壁面下滑至收尘斗，净化后的煤气从顶部中心管排出。旋风分离器结构简单，运行可靠，适用于高温高压条件，是煤气粗除尘的常用设备。传统旋风分离器对大于10微米颗粒的捕集效率可达80-95%，但对细颗粒的去除效率较低。通过优化结构设计，如多管旋风、二级旋风等形式，可提高对细颗粒的捕集效率。惯性分离器惯性分离器利用气流突然改变方向时，粉尘颗粒因惯性作用偏离气流轨迹而被分离的原理。常见的惯性分离器包括折流板式分离器、百叶窗式分离器和碰撞式分离器等。惯性分离器能耗低，维护简单，但分离效率有限，通常作为初级除尘设备使用。在大型煤气化装置中，惯性分离器常与旋风分离器组合使用，形成高效的粗除尘系统。惯性分离器适合去除20微米以上的颗粒，捕集效率在60-85%之间，具体效率取决于气流速度和颗粒特性。5.2湿法除尘水洗塔水洗塔是通过液气接触实现除尘的设备，主要包括喷淋塔、填料塔和板式塔等。在水洗塔中，水以喷雾或液膜形式与煤气接触，粉尘颗粒通过惯性碰撞、拦截和扩散等机制被水捕获，随水流排出系统。水洗塔不仅能除去粉尘，还能同时去除部分可溶性气体污染物和水溶性焦油，一机多用。水洗塔的除尘效率与液气比、接触方式和设备结构有关，通常可达90-99%。其优点是适应性强，能处理高温高湿煤气，缺点是产生大量废水需要处理，增加了运行成本。在水资源紧张地区，需考虑水循环使用和废水处理问题。文丘里洗涤器文丘里洗涤器是一种高效湿式除尘设备，由收缩段、喉管和扩散段组成。煤气在通过收缩段时加速，在喉管处达到最高速度(50-150m/s)，此时喷入水雾与高速气流充分混合。强烈的湍流和剪切作用使粉尘被水滴捕获，形成含尘水滴，然后在扩散段减速并通过旋风分离器或除雾器去除。文丘里洗涤器对细小颗粒(1-5微米)有很高的捕集效率，可达99%以上，是处理高浓度粉尘煤气的理想设备。其缺点是能耗较高，压降大(通常为1-7kPa)，且存在磨损和结垢问题。在实际应用中，需要选择耐磨材料并设计合理的防结垢和清洗措施。5.3静电除尘工作原理静电除尘是利用高压电场使粉尘带电并在电场力作用下沉积到收尘极的技术。在静电除尘器中，粉尘颗粒在电晕放电区被电离气体带电，然后在电场力作用下向收尘极移动并沉积。沉积的粉尘通过机械振打或水冲洗方式从收尘极上清除。静电除尘具有压降小、能耗低、除尘效率高等优点，特别适合处理亚微米级细颗粒。设备结构根据工作状态，静电除尘器分为干式和湿式两种。干式静电除尘器使用机械振打清除粉尘，适用于低湿度煤气；湿式静电除尘器使用水冲洗收尘极，适合处理高湿度和含焦油煤气。电极结构多采用管式或板式，操作电压通常为20-70kV。现代静电除尘器还采用微处理器控制电源，实现智能化运行，提高除尘效率和设备可靠性。应用特点在煤气净化中，静电除尘主要用于中温煤气(120-250℃)的除尘和脱焦油。其除尘效率可达99.5%以上，对1微米以下颗粒的去除率也可达90%。静电除尘对煤气成分敏感，含硫和含碱金属物质会影响电晕放电特性。在设计时需考虑煤气特性，选择合适的电极材料和电源参数，确保除尘效果和设备寿命。5.4袋式除尘滤料选择袋式除尘是利用纤维滤料截留粉尘的高效除尘技术。滤料是袋式除尘器的核心，其选择直接影响除尘效果和设备寿命。针对煤气除尘，常用的滤料包括聚酯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维和金属纤维等。滤料选择需考虑煤气温度、化学特性、粉尘性质等因素。高温煤气(>150℃)通常选用耐热性好的玻璃纤维或金属纤维滤料；含酸性气体的煤气则需选择耐酸性材料如PTFE涂层滤料；对于含焦油煤气，需选择疏水性好、不易结焦的滤料，并采取加热措施防止焦油凝结。现代高性能滤料还采用复合结构和表面处理技术，提高过滤效率和使用寿命。运行维护袋式除尘器的运行维护是保证除尘效果的关键。滤袋清灰是最重要的运行操作，主要包括脉冲喷吹、反向气流和机械振打三种方式。在煤气除尘中，脉冲喷吹清灰最为常用，通过高压压缩气体瞬间冲击滤袋，使附着的粉尘脱落。清灰周期和强度需根据粉尘负荷和滤袋阻力变化情况进行调整。袋式除尘器的常见故障包括滤袋破损、粉尘偏析、灰斗架桥等。定期检查滤袋完整性、均匀配风和灰斗排灰情况是必要的维护工作。对于煤气除尘，还需特别注意防止焦油凝结和水分冷凝，必要时需设置加热或保温系统，确保滤袋区温度高于煤气露点温度10-15℃。第六章：煤气脱硫技术湿法脱硫利用液体吸收剂去除H₂S和COS，效率高但能耗大1干法脱硫使用固体吸附剂或反应剂，操作简便，二次污染少2半干法脱硫液固结合的脱硫方法，兼具湿法和干法优点3生物脱硫利用微生物氧化硫化物，环保经济，适合低浓度应用4煤气脱硫是煤气净化的核心环节，目的是去除煤气中的硫化氢(H₂S)、硫化羰(COS)等硫化物，以满足下游利用和环保要求。煤气中的硫化物主要来源于煤中的有机硫和无机硫，气化过程中转化为气态硫化物进入煤气。脱硫技术选择需综合考虑煤气特性、硫含量、处理规模、脱硫深度和经济因素等。随着煤气清洁利用要求提高，脱硫技术不断发展，从传统的湿法脱硫发展到多种脱硫技术并存的格局，能够满足不同应用场景的需求。6.1湿法脱硫氨法脱硫氨法脱硫利用氨水溶液吸收煤气中的H₂S和CO₂，形成硫化铵和碳酸铵。氨法脱硫系统主要包括吸收塔、解吸塔和溶液再生系统。煤气在吸收塔中与氨水逆流接触，H₂S被吸收；富液进入解吸塔，通过加热和汽提释放出H₂S和部分氨，再生后的溶液循环使用。碳酸钠法脱硫碳酸钠法脱硫利用碳酸钠溶液吸收H₂S，形成硫化钠和重碳酸钠。该方法设备简单，投资低，操作方便，但再生过程复杂，能耗较高。煤气通过吸收塔与碳酸钠溶液接触，H₂S被吸收形成硫化钠；富液经过氧化再生，产生单质硫；再生后的溶液循环使用。MEA/MDEA法脱硫乙醇胺类溶剂(MEA、DEA、MDEA等)脱硫是最常用的湿法脱硫技术。这些溶剂具有选择性吸收H₂S和CO₂的能力，特别是MDEA对H₂S有较高的选择性。工艺流程包括吸收、解吸和溶液再生三个环节。脱硫效率高，可达99.9%以上，能满足严格的深度脱硫要求。物理吸收法脱硫物理吸收法利用有机溶剂(如甲醇、N-甲基吡咯烷酮等)在低温高压条件下对H₂S的物理溶解能力。与化学吸收相比，物理吸收能耗低，但受压力影响大，适合高压煤气脱硫。代表性工艺有Rectisol(低温甲醇)法和Selexol法等，应用于大型煤化工和IGCC电站。6.2干法脱硫氧化铁脱硫氧化铁脱硫是利用氧化铁与H₂S反应生成硫化铁的方法。传统脱硫剂采用氧化铁浸渍木屑、锯末等多孔载体制成，现代脱硫剂则使用活性氧化铁和专用载体，提高脱硫容量和再生性能。脱硫反应为：Fe₂O₃+3H₂S→Fe₂S₃+3H₂O，再生反应为：2Fe₂S₃+3O₂→2Fe₂O₃+6S。这种方法设备简单，投资低，操作方便，适合中小型煤气处理装置。活性炭吸附脱硫活性炭脱硫利用活性炭对H₂S的物理吸附和催化氧化作用。普通活性炭对H₂S的吸附量有限，通常采用碱金属或过渡金属改性，提高脱硫性能。活性炭脱硫系统包括脱硫床和再生床，通过切换实现连续运行。脱硫后的活性炭可通过空气氧化再生，硫主要以单质硫形式存在于活性炭表面。该方法适合低浓度H₂S的深度脱除。金属氧化物脱硫金属氧化物脱硫是近年发展起来的高温干法脱硫技术，主要使用锌、铜、锰等金属的氧化物作为脱硫剂。这些脱硫剂在350-650℃高温下与H₂S反应，生成相应的金属硫化物；失活后的脱硫剂可通过空气氧化再生。该方法可实现煤气的热态脱硫，避免了低温冷却和再加热的能量损失，热效率高，特别适合IGCC等对能效要求高的系统。6.3半干法脱硫喷雾干燥脱硫喷雾干燥脱硫法是将碱性浆液(通常为石灰或石灰石浆液)通过喷嘴雾化成细小液滴，与含硫煤气接触反应。在反应过程中，液滴中的水分蒸发，同时吸收煤气中的H₂S，形成固体硫化物和硫酸盐，与飞灰一起被除尘设备捕集。这种方法设备简单，不产生废水，但试剂利用率较低，适用于中小型煤气脱硫系统。循环流化床脱硫循环流化床脱硫技术结合了流化床反应器的高效气固接触特性和固体吸收剂的循环使用优势。常用的脱硫剂为石灰或消石灰，通过多级旋风分离器和返料系统实现脱硫剂的循环使用。煤气从流化床底部进入，与悬浮状态的脱硫剂充分接触反应，H₂S被脱除；反应后的脱硫剂部分被排出系统，部分返回反应区继续使用。移动床半干法脱硫移动床半干法脱硫采用颗粒状脱硫剂，在脱硫塔内形成缓慢移动的脱硫剂床层。煤气从底部或侧部进入，穿过移动床层，H₂S与脱硫剂反应被去除。该技术结合了干法操作简便和湿法高效率的优点，通过控制脱硫剂含水率，可显著提高反应速率和脱硫效率。脱硫剂利用率高，废弃物产生量少，适合中等规模的煤气脱硫系统。6.4生物脱硫1微生物脱硫原理生物脱硫利用特定微生物氧化H₂S的能力去除煤气中的硫化物。主要涉及的微生物包括硫杆菌、硫氧化细菌和光合细菌等。这些微生物能将H₂S作为能源或电子供体，氧化成单质硫或硫酸盐。根据微生物种类和反应条件，生物脱硫分为好氧、厌氧和光合三种基本类型。好氧生物脱硫是最常用的方式，反应快速，效率高。2工艺系统生物脱硫系统主要包括生物反应器、营养液循环系统和气液接触装置。常见的反应器类型有生物滴滤池、生物滤床和生物洗涤塔等。在生物洗涤塔中，煤气与含微生物的液体充分接触，H₂S溶解到液相并被微生物氧化；在生物滤床中，微生物固定在填料表面，煤气通过填料层时H₂S被吸附并生物降解。系统需控制pH、温度、营养成分等参数，为微生物提供最佳生长环境。3应用案例生物脱硫技术已在煤气、沼气和石化工业废气处理中获得应用。在荷兰，THIOPAQ工艺成功应用于煤气脱硫，处理效率可达99%以上。中国某煤化工厂采用生物滴滤法处理低浓度H₂S废气，投资省、运行费低，效果良好。生物脱硫特别适合处理低浓度、大风量的含硫气体，在小型煤气站和生物质气化领域具有较大应用潜力。第七章：煤气脱氮技术预防控制通过优化气化条件，控制氮化物的生成量，从源头减少氮污染物排放湿法洗涤利用水或酸性溶液吸收氨和氢氰酸，去除煤气中的还原态氮化物催化分解在催化剂作用下，将氨和氢氰酸分解为氮气和其他无害物质选择性还原对于含NOx的煤气，采用选择性催化还原或非催化还原技术处理煤气脱氮技术是针对煤气中氮化物的特定净化方法，主要处理对象包括氨(NH₃)、氢氰酸(HCN)和氮氧化物(NOx)等。这些氮化物来源于煤中的有机氮，在气化过程中转化为气态物质进入煤气。煤气脱氮的必要性体现在三个方面：环境保护、设备保护和下游利用需求。燃烧含氮煤气会产生NOx污染物；氨和HCN会腐蚀设备、毒化催化剂；合成气用于化工合成时，氮化物会影响产品质量和催化剂寿命。因此，根据煤气用途选择合适的脱氮技术十分重要。7.1选择性催化还原法（SCR）反应原理选择性催化还原法(SCR)是处理煤气中NOx的有效技术，其核心原理是在催化剂作用下，利用NH₃作为还原剂将NOx还原为N₂和H₂O。主要反应包括：4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O和8NO₂+6NH₃→7N₂+12H₂O。SCR技术具有较高的脱氮效率，通常可达80-95%，且反应选择性好，副反应少。在煤气应用中，SCR主要用于处理燃烧后烟气中的NOx，而不是直接处理煤气。这是因为煤气中普遍存在还原性气体(CO、H₂等)，不适合SCR反应所需的氧化性环境。SCR技术在热电联产、IGCC电站的尾气处理中有广泛应用。催化剂选择SCR催化剂的选择对反应效率和系统运行至关重要。传统SCR催化剂主要为V₂O₅-WO₃/TiO₂和V₂O₅-MoO₃/TiO₂等，这些催化剂在300-400℃温度范围内具有较高活性。近年来，分子筛、贵金属和过渡金属氧化物等新型催化剂也得到研发和应用，拓展了SCR的温度窗口和应用范围。对于煤气系统，催化剂选择需特别考虑抗硫性和抗粉尘堵塞能力。催化剂中毒是影响SCR系统长期稳定运行的主要挑战，硫化物、碱金属、重金属等都可能导致催化剂活性下降。因此，在高硫煤气应用中，需选择抗硫性强的催化剂并采取防护措施，如预脱硫和防尘设计。7.2选择性非催化还原法（SNCR）工艺特点选择性非催化还原法(SNCR)是一种不使用催化剂的NOx脱除技术，它利用氨或尿素等还原剂在高温下直接与NOx反应生成N₂和H₂O。SNCR的主要反应与SCR相似，但由于没有催化剂，反应需要在较高温度(850-1100℃)下进行。温度窗口较窄是SNCR技术的重要特点，温度过低反应不完全，温度过高则NH₃被氧化。与SCR相比，SNCR最大优势是投资成本低，无需昂贵的催化剂和复杂的反应器，系统简单，维护方便。其主要缺点是脱氮效率有限(通常为30-60%)，还原剂利用率低，对温度控制要求严格。在实际应用中，常采用多点喷射和温度分区控制等方法优化系统性能。应用条件SNCR技术在煤气利用过程中主要用于燃烧后烟气处理，而非直接处理煤气。应用SNCR技术需满足几个关键条件：首先，烟气温度必须在适宜范围内，这要求燃烧系统有稳定的温度分布；其次，还原剂喷射点位置至关重要，需确保还原剂在最佳温度窗口与NOx充分混合；最后，需有足够的反应时间，通常为0.5-1秒。SNCR技术适用于中小型锅炉和工业炉窑的烟气脱氮，特别是对于脱氮效率要求不太高(如脱除率<60%)、运行负荷稳定的场合。对于排放标准严格、负荷变化大的大型装置，SNCR技术常与SCR技术组合使用，形成SNCR+SCR联合脱氮工艺，既降低了SCR系统负担，又提高了整体脱氮效率。7.3低温氧化法1臭氧氧化利用臭氧强氧化性将低价态NOx氧化为高价态，便于吸收去除2吸收过程氧化后的高价态氮氧化物被碱性溶液高效吸收3还原分解吸收液中的硝酸盐和亚硝酸盐通过化学或生物方法还原分解4资源化利用脱除的氮化物转化为肥料或化工原料，实现资源化利用低温氧化法是一种针对低浓度NOx的创新脱氮技术，特别适合湿式脱硫后的低温烟气处理。该技术的核心是在低温条件下(通常<100℃)，利用强氧化剂将难溶于水的NO氧化为易溶于水的NO₂、N₂O₅等高价态氮氧化物，然后通过湿法洗涤去除。低温氧化法与传统脱氮技术相比，具有能耗低、不受温度波动影响、适应负荷变化能力强等优点。臭氧是最常用的氧化剂，可现场制备，安全性好。该技术在工业应用中持续发展，已成功用于部分煤气利用和燃煤电厂的深度脱氮，特别适合作为SCR系统的补充，用于突破SCR技术的效率瓶颈，实现超低排放。第八章：焦油去除技术焦油是煤炭热解过程中产生的复杂有机混合物，主要由多环芳烃、酚类、杂环化合物等组成。在低温气化工艺中，特别是固定床气化，焦油含量较高，需要专门的去除处理。焦油的存在会导致管道和设备结垢堵塞、热交换效率降低，还会污染下游净化工序和最终产品。焦油去除技术根据原理可分为机械分离法、静电除焦油、洗涤法和催化裂解法等。技术选择需考虑煤气特性、焦油含量、处理规模、设备投资和运行成本等因素。现代煤气化工厂通常采用多级焦油去除工艺，结合不同技术的优势，实现高效低成本的焦油控制。8.1机械分离法重力沉降重力沉降是利用焦油雾滴与气体的密度差进行分离的方法。在沉降室中，煤气流速降低，流动方向发生变化，焦油雾滴因惯性和重力作用从气流中分离出来，沉降到容器底部。这种方法结构简单，无运动部件，适合作为初级焦油分离设备使用。典型设备包括重力沉降室、惯性分离器和折流板分离器等。重力沉降法的分离效率主要受焦油雾滴粒径、气流速度和停留时间影响。对于大于10微米的焦油颗粒，分离效率可达60-80%，但对细小焦油雾滴效果有限。为提高分离效率，常采用多级分离或增加折流板等内部构件，增强雾滴聚并和沉降效果。该方法适合高浓度焦油的初步分离，降低后续处理负担。离心分离离心分离是利用离心力增强焦油雾滴分离的方法，主要设备为旋风分离器和机械旋转分离器。在旋风分离器中，煤气切向进入，形成旋转气流，焦油雾滴在离心力作用下被甩到器壁，沿壁面流向底部收集装置；机械旋转分离器则通过高速旋转叶轮或筛板产生离心力，强化焦油分离过程。离心分离比重力沉降效率更高，对5-10微米焦油颗粒的去除率可达80-95%。多管旋风、旋风筛板等改进设计进一步提高了分离效率，特别是对中等粒径焦油的去除。离心分离设备紧凑，占地面积小，适合中等规模煤气处理。但对于亚微米级焦油雾滴，离心分离效果仍然有限，需配合其他技术使用。8.2静电除焦油设备结构静电除焦油器主要由放电电极、收集电极、绝缘支撑和清洗系统组成。放电电极通常为金属丝或尖状电极，施加高压(20-70kV)形成电晕区；收集电极为接地金属板或管，用于收集带电焦油颗粒。根据结构形式，静电除焦油器分为管式和板式两种，其中管式适合高压操作，板式适合大风量处理。工作原理静电除焦油的原理是利用高压电场使焦油雾滴带电并在电场力作用下移动到收集电极。焦油颗粒首先在电晕区被电离气体带电，然后在电场力作用下向收集电极移动，最终沉积在收集电极表面并被清除。这种方法能有效捕集亚微米级焦油颗粒，是目前最高效的焦油去除技术之一。运行参数静电除焦油器的运行参数对性能影响显著。电压和电流是最关键的参数，决定了电场强度和电晕电流，直接影响捕集效率。煤气温度也很重要，通常控制在40-60℃，过高会导致绝缘材料损坏，过低则可能导致水分冷凝。此外，煤气湿度、流速、焦油特性等也会影响除焦油效果。维护要点静电除焦油器的维护重点包括电极清洗、绝缘系统检查和电源系统维护。电极表面沉积物会降低除焦油效率，需定期清洗；绝缘子表面污染会导致电气击穿，需保持清洁；电源系统的稳定性直接关系到设备性能，需定期检测和维护。8.3洗涤法1水洗水洗是利用水作为洗涤剂去除煤气中焦油的方法。在水洗塔中，水以喷雾、液膜或气泡的形式与煤气接触，焦油颗粒通过惯性碰撞、拦截和扩散等机制被捕获。这种方法设备简单，操作方便，对溶于水的酚类和氨等物质也有去除效果。但由于大多数焦油组分疏水性强，水洗对焦油的去除效率有限，通常需要添加表面活性剂改善捕集效果。2油洗油洗是使用高沸点油类作为洗涤剂去除焦油的技术。常用的洗涤油包括柴油、重油和洗油等。油洗利用焦油在油中的高溶解度，可有效捕集各种粒径的焦油，特别是对微小焦油雾滴有良好效果。油洗设备包括填料塔、泡罩塔和文丘里洗涤器等，洗涤油循环使用，富油定期送至蒸馏装置回收焦油和再生洗涤油。3乳化洗涤乳化洗涤是结合水洗和油洗优点的新型方法。它使用油水乳液作为洗涤剂，通过添加乳化剂，形成稳定的油包水(W/O)或水包油(O/W)乳液。乳化洗涤既具有水洗操作简便的优点，又有油洗高效捕集焦油的特性，且洗涤液容易再生。该技术适用于中低温煤气的焦油去除，在实际应用中需注意控制乳液稳定性和防止微生物滋生问题。8.4催化裂解法催化剂选择催化裂解法使用催化剂将焦油分子裂解为小分子气体，避免了焦油分离和处理问题。常用的催化剂包括过渡金属(如Ni、Fe、Co)负载在各种载体(如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂)上的复合材料，以及天然矿物(如白云石、橄榄石)改性催化剂。理想的焦油裂解催化剂应具有高活性、高选择性、长寿命和低成本特点。反应条件催化裂解反应通常在700-900℃温度下进行，反应条件对裂解效果有显著影响。温度是关键因素，温度升高有利于焦油转化和气体产物生成；空速决定了反应时间，过高的空速会降低转化率；反应气氛也很重要，氧化性气氛下焦油易燃烧，而在还原性气氛下则倾向于裂解和重整反应。工艺系统催化裂解系统主要包括预处理单元、催化反应器和催化剂再生装置。预处理用于去除粉尘和碱金属等催化剂毒物；催化反应器常采用固定床、流化床或移动床结构；催化剂再生系统用于清除积碳，恢复催化活性。该技术的优点是可将有害的焦油转化为有价值的气体产物，实现能源的高效利用和污染物的减排。第九章：煤气精制技术组分调整通过变换反应调整H₂/CO比例，满足下游合成需求1杂质深度脱除去除微量硫、氮、氯等有害物质，保护催化剂和设备2气体分离分离CO₂、H₂S，提高煤气纯度和热值3气体干燥去除水分，避免管道结冰和水合物形成4煤气精制是在基础净化之后，根据特定用途对煤气进行的深度处理，目的是调整煤气组成、去除特定杂质、提高煤气品质，使其满足化工合成、燃气轮机和合成天然气等高端应用的严格要求。煤气精制在现代煤化工和清洁煤气利用领域扮演着关键角色。煤气精制技术涵盖变换、分离、纯化等多个方面，工艺路线选择取决于原料煤气特性和产品要求。随着煤化工向大型化、高端化发展，以及环保要求日益严格，煤气精制技术也在不断创新和完善，为煤炭的清洁高效利用提供技术保障。9.1变换技术CO变换CO变换是调整煤气中H₂/CO比例的重要技术，主要通过水煤气变换反应(CO+H₂O⇌CO₂+H₂)实现。该反应是可逆放热反应，低温有利于反应平衡向右移动，提高转化率。变换过程通常采用催化剂，按照操作温度分为高温变换(300-500℃)和低温变换(180-250℃)两个阶段。高温变换主要使用Fe-Cr系催化剂，反应速率快，对硫毒性小，但平衡转化率有限；低温变换使用Cu-Zn系催化剂，平衡转化率高，但对硫敏感，需预先深度脱硫。两级变换可将CO含量从30-40%降至0.1-0.5%，大幅提高H₂含量。变换技术广泛应用于合成氨、合成甲醇和制氢等领域。甲烷化甲烷化是将煤气中的CO和CO₂与H₂反应生成CH₄的过程，主要通过CO+3H₂⇌CH₄+H₂O和CO₂+4H₂⇌CH₄+2H₂O两个反应实现。这是合成天然气(SNG)生产的核心步骤，也用于深度去除合成气中残留的CO和CO₂，保护下游催化剂。甲烷化反应为强放热反应，通常在200-450℃和高压(2-8MPa)条件下进行，使用Ni基催化剂。反应器设计需重点考虑热量控制，常采用多级甲烷化或冷态进料等技术措施防止温度过高。现代甲烷化技术如德国Lurgi公司的改进型Lurgi甲烷化工艺、丹麦托普索公司的TREMP工艺等，通过创新反应器设计和热量回收利用，显著提高了能源效率。9.2CO₂去除1化学吸收法化学吸收法是基于CO₂与化学吸收剂可逆反应的气体分离技术。常用的化学吸收剂包括胺类(MEA、DEA、MDEA等)、热碳酸钾和氨水等。这些溶剂与CO₂形成化学键，吸收容量大，选择性好，适合处理低压和低CO₂浓度的气体。但再生能耗高，溶剂易降解，需要较高的热能投入。2物理吸收法物理吸收法利用CO₂在特定溶剂中的溶解度随温度和压力变化的特性。主要溶剂包括甲醇(Rectisol工艺)、N-甲基吡咯烷酮(Purisol工艺)和聚乙二醇二甲醚(Selexol工艺)等。物理吸收适合高压和高CO₂浓度气体，能耗低，但吸收容量受压力影响大。在大型煤气化项目中，物理吸收因其能耗优势被广泛采用。3吸附分离法吸附分离法使用多孔固体材料选择性吸附CO₂。常用吸附剂有活性炭、分子筛和金属有机骨架材料(MOFs)等。工艺上多采用变压吸附(PSA)或变温吸附(TSA)实现吸附剂的循环使用。吸附法操作简单，启停灵活，适合中小规模应用，但单位处理能力有限，难以满足大型工厂需求。4膜分离法膜分离利用不同气体透过膜的速率差异实现分离。用于CO₂分离的膜材料包括聚合物膜、无机膜和混合基质膜等。膜分离能耗低，设备紧凑，操作简单，但受膜材料性能限制，通常需要多级分离才能达到高纯度要求。随着膜材料科学的发展，膜分离技术在煤气处理中的应用前景日益广阔。9.3H₂S选择性脱除1深度脱硫将H₂S含量降至ppb级2高硫气回收浓缩的H₂S转化为硫磺或硫酸3选择性吸收优先去除H₂S，保留CO₂4气体预处理调整温度和组成，为选择性脱硫创造条件H₂S选择性脱除是指在保留CO₂等组分的前提下，优先去除煤气中的H₂S。这种技术在某些应用场景下具有重要价值，例如当煤气中CO₂作为有用组分需要保留时，或者需要将硫化物富集以便后续回收利用时。选择性脱硫可显著降低气体处理成本，提高系统灵活性。实现H₂S选择性脱除的关键是选择具有高H₂S/CO₂选择性的吸收剂或吸附剂。常用的选择性吸收剂包括MDEA、Sulfinol和ARI溶剂等；选择性吸附剂则包括特殊改性分子筛、金属氧化物等。这些材料通过化学结构设计或表面改性，实现对H₂S的优先结合，从而达到选择性脱除的目的。9.4微量杂质去除微量杂质去除是煤气精制的重要环节，目的是去除残留的微量有害物质，如汞、砷、硒、卤素等。这些物质虽然含量极低(通常为ppb-ppm级)，但对下游催化剂和设备具有严重毒害和腐蚀作用，必须严格控制。例如，甲醇合成催化剂对硫的容忍度仅为0.1ppm，燃气轮机对碱金属的要求更为严格。微量杂质去除技术主要包括吸附法、化学反应法和低温冷凝法等。针对不同杂质，采用特定的去除工艺和材料。例如，汞去除常用硫化物改性活性炭；氯化物通常采用碱洗或氧化铝吸附；砷化物则可用铁氧化物吸附剂去除。随着下游应用对气体纯度要求不断提高，微量杂质控制技术也在持续发展和完善。第十章：煤气净化系统集成1需求分析明确煤气特性、净化目标和系统约束，确定设计基础2技术路线选择评估各种净化技术的适用性，确定最优组合方案3工艺集成优化优化物质流、能量流，提高系统整体效率4自动化控制设计设计智能控制系统，保障净化过程稳定高效5环保安全保障确保系统运行符合环保要求，保障操作安全煤气净化系统集成是将各单元净化技术有机组合，形成完整的净化工艺流程，实现煤气的高效净化和资源的优化利用。系统集成不是简单的技术叠加，而是基于整体思想，考虑各工艺单元间的相互影响和协同效应，优化系统配置和运行参数。成功的系统集成需要多学科知识和经验的融合，涉及化工、机械、自动化、环保等多个领域。随着煤气利用对净化程度要求不断提高，系统集成设计日益复杂和精细，成为煤气净化工程的核心竞争力之一。10.1净化工艺流程设计工艺路线选择煤气净化工艺路线选择是系统设计的首要任务，需综合考虑煤气特性、净化要求、经济效益和环境影响等因素。典型的工艺路线包括"冷却-除尘-脱硫-脱氮-精制"等环节，但具体配置根据应用场景有所不同。例如，用于化工合成的煤气需要严格控制硫、氮等杂质，而用于燃气轮机的煤气则更关注颗粒物和碱金属的去除。温度路线规划温度路线规划是净化系统设计的关键环节，直接影响能量利用效率和设备材质选择。根据操作温度，煤气净化可分为热煤气净化(>300℃)、温煤气净化(120-300℃)和冷煤气净化(<120℃)三种路线。热净化能效高但技术难度大；冷净化技术成熟但能耗高；温净化则是近年发展的折中方案，兼顾能效和技术可行性。设备配置设备配置包括主体设备选型、辅助系统设计和备用设施规划。主体设备选型需考虑处理能力、操作弹性、投资成本和维护便利性等因素；辅助系统包括热力系统、水处理系统和废物处理系统等；备用设施则用于保障系统可靠性，如关键设备的备用、旁路系统和应急处理措施等。设备配置应遵循技术先进、经济合理、运行可靠的原则。10.2系统优化能量集成能量集成是提高煤气净化系统能效的关键策略，核心是减少外部能源输入，最大化内部热量回收。常用方法包括余热回收、热联合与热泵等。在煤气净化中，高温煤气冷却产生的余热可用于加热再生工序的溶液；低温物流的冷量可用于其他工序的冷却需求；多效蒸馏和机械蒸汽再压缩等技术可减少蒸汽消耗。能量集成设计通常采用夹点分析法，确定系统中的热量回收潜力和最佳换热网络配置。现代设计还应用过程模拟和优化软件，结合经济性分析，确定最优方案。实践表明，合理的能量集成可降低20-30%的能源消耗，显著提高系统经济性。物料平衡物料平衡优化旨在减少资源消耗和废物排放，提高系统物质利用效率。主要方法包括物料循环利用、副产品回收和废物资源化等。在煤气净化中，洗涤液循环使用可减少水资源消耗；脱硫产生的硫可回收制取硫酸或硫磺；废催化剂中的贵金属可回收再利用。物料平衡优化需综合考虑质量守恒、组分平衡和产物质量要求。特别是对于循环物流，需考虑杂质积累对工艺的影响，设计合理的排放和补充策略。近年来，循环经济理念在煤气净化领域得到广泛应用，推动了净化系统向资源高效利用和近零排放方向发展。10.3自动化控制关键参数监测煤气净化系统的关键参数监测是实现自动化控制的基础。主要监测参数包括温度、压力、流量、组分和液位等。温度监测对于控制反应条件和防止设备过热至关重要；压力监测可及时发现堵塞和泄漏问题；流量监测确保各工序物料平衡；组分监测评估处理效果；液位监测保障设备安全运行。控制系统架构现代煤气净化控制系统通常采用分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)为核心的层级架构。底层为现场仪表和执行机构，中层为控制单元和通信网络，顶层为监控和管理系统。这种架构具有可靠性高、扩展性好、操作友好等优点，能满足复杂工艺的控制需求。智能调节系统智能调节系统是提高净化效率和应对工况波动的关键技术。现代控制策略从简单的PID控制发展到模型预测控制、自适应控制和人工智能控制等高级方法。这些方法能够处理多变量、强耦合、大滞后等复杂控制问题，实现净化系统的优化运行和自动适应外部变化。故障诊断与安全保护故障诊断与安全保护系统是保障净化装置安全运行的重要环节。现代系统采用在线监测、趋势分析和专家系统等技术实现故障早期检测和诊断。安全连锁保护功能确保在异常情况下系统能够自动采取措施，防止事故扩大，保护人员和设备安全。10.4安全与环保安全防护措施煤气净化系统的安全防护涉及多方面内容。首先，煤气本身含有CO、H₂S等有毒有害成分，系统必须严密防止泄漏，配备气体检测和报警装置。其次，高温高压设备需设置安全阀、爆破片等泄压装置，并进行定期检测。第三，涉及易燃易爆物质的区域需采用防爆电气设备，严格控制火源。此外，还需建立完善的安全管理制度和应急预案，定期开展安全培训和演练。环境监测系统环境监测系统是确保净化装置达标排放的关键。系统包括废气、废水和固废监测三个方面。废气监测重点关注烟尘、SO₂、NOx等常规污染物以及特征污染物排放情况；废水监测关注COD、氨氮、酚、硫化物等指标；固废监测则关注重金属含量和浸出毒性。现代监测系统多采用在线监测与实验室分析相结合的方式，数据实时上传至环保部门，确保排放合规。废物处理与资源化煤气净化过程产生的废物主要包括废水、废气和固体废物。废水处理采用物化+生化组合工艺，确保达标排放；废气通过燃烧、吸收等方法处理后排放；固体废物如脱硫渣、废催化剂等则进行无害化处理或资源化利用。现代净化系统设计强调废物资源化，如将脱硫产物用于生产建材，废催化剂回收贵金属，实现废物减量化和资源循环利用。节能减排技术节能减排是煤气净化系统的重要目标。节能技术包括余热回收、先进设备应用和工艺优化等；减排技术则包括先进净化工艺、排放控制技术和清洁生产管理等。近年来，随着环保要求提高，超低排放技术如湿式电除尘、SCR脱硝、深度脱硫等在煤气净化领域得到广泛应用，显著降低了污染物排放，提高了环境友好性。第十一章：煤气净化新技术发展膜分离技术膜分离技术利用膜对不同组分的选择性透过性能实现气体分离。这一技术具有能耗低、环境友好、操作简单等优点，在煤气的CO₂分离、H₂分离和氧气富集等领域显示出广阔前景。随着新型膜材料的开发和膜组件设计的创新，膜分离技术的选择性和稳定性不断提高，应用范围不断扩大。低温等离子体技术低温等离