煤的气化.ppt

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1、1五五.煤的气化煤的气化n煤气化原理煤气化原理n煤气化过程煤气化过程n煤气化的物理化学基础煤气化的物理化学基础n煤性质对气化过程的影响煤性质对气化过程的影响n煤气化过程的指标煤气化过程的指标n煤气化工艺煤气化工艺n煤气化炉原理和分类煤气化炉原理和分类n移动床气化移动床气化n加压移动床气化加压移动床气化n流化床气化流化床气化n气流床气化气流床气化n其他气化方法其他气化方法n煤气化方法的评价和选择煤气化方法的评价和选择n煤气化技术的应用煤气化技术的应用n煤气化煤气煤气化煤气n煤气化联合循环发电（煤气化联合循环发电（IGCCIGCC）2煤气化概述 煤的气化过程是以煤或煤焦（半焦）为原料，以氧气（空气

2、、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。煤气的有效成分包括CO、H2和CH4等。气化煤气可用作城市煤气，工业燃气、化工原料气（又称合成气）和工业还原气等。在各种煤转化技术中，煤的气化是最有应用前景的技术之一，这不仅因为煤气化技术相对较为成熟，而且煤转化为煤气之后，通过成熟的气体净化技术处理，对环境污染可减少到最小程度，例如煤气化联合循环发电，就是一种高效低污染的发电新技术。35.1 煤气化原理5.1.1 5.1.1 煤气化过程煤气化过程（以移动床气化为例）（以移动床气化为例）发生炉由炉体、加煤装置和排灰装置等三大

3、部分构成。气化原料煤由上部加料装置装入炉膛，含有氧气与水蒸气的气化剂由下部送风口进入，经炉栅（又名炉蓖）均匀分配入炉与原料层接触发生气化反应。生成的煤气由原料层上方引出，气化反应后残存的炉渣由下部的灰盘排出。发生炉用水夹套回收炉体散热。原料煤和气化剂逆向流动。根据过程特征，气化炉由下至上依次分为灰渣层A，氧化层B，还原层C，干馏层D和干燥层E。发生炉与气化过程示意图1.炉体；2.加料装置；3.炉栅；4.送风口；5.灰盘45.1.1 煤气化过程l发生炉中中各层作用 -灰渣层灰渣层可预热气化剂和保护炉栅不会受到高温的伤害；-氧化层氧化层进行碳的燃烧反应，反应速率快，氧化层温度最高，高度较小；-还还

4、原原层层进行二氧化碳和水蒸气的还原反应，为吸热反应，所需热量由氧化层带人，反应速率较慢，因而还原层高度超过氧化层。制造煤气的反应主要发生在氧化层和还原层中，所以称氧化层和还原层为气化区；-干燥层干燥层和干馏层干馏层进行原料的预热、干燥和干馏。实际操作中，发生炉内进行的气化反应并不会在截然分开的区域中进行，各区域无明显的分界线。55.1.2 煤气化的物理化学基础1 1）气化反应化学平衡）气化反应化学平衡 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

5、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。6气化反应化学平衡气化反应化学平衡反应反应式反应热Hk,kJkg-1mol-1平衡常数800oC1300oC非均相反非均相反应应燃烧C+O2=CO2-4064301.810171.51013部分燃烧2C+O2=CO-2463721.410174.561015炭与水蒸气反应C+H2O=CO+H2+1185770.8071.01102Boudouard反应C+CO2=2CO+1608960.7753.04102加氢反应C+2H2=CH4-838000.

6、4661.0810-2均相反均相反应应氢燃烧2H2+O2=2H2O-4821852.210174.41011CO燃烧2CO+O2=2CO2-5673262.410154.91010水煤气反应CO+H2O=CO2+H2-423611.040.333甲烷化反应CO+3H2=CH4+H2O-2066640.5771.7710-45.1.2 煤气化的物理化学基础75.1.2 煤气化的物理化学基础l典型气化反应的化学平衡典型气化反应的化学平衡水蒸气和碳反应以及二氧化碳的还原反应为吸热反应，与碳的燃烧反应组合，对自热式气化过程起重要的作用；水蒸气和碳的反应对制造氢气或合成气有重要意义；加氢反应对于制取合成

7、天然气（SNG）很重要。8气化反应平衡组成与温度压力关系 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、压力的关系：温度高，气化反应进行比较完全。压力高，生成甲烷多，因此高压气化可以得到含甲烷多、热值较高的煤气。5.1.2 煤气化的物理化学基础92 2）气化反应动力学）气化反应动力学 动力学涉及达到反应平衡的时间和途径。影响燃料气化速率的因素很多，包括操作条件如反应压力、反应温度、气化剂组成、气体与燃料接触时间，燃料性质如元素组成和孔隙结构，以及气化反应器形式等。煤的气化主要是气-固反应，因此，传质是必须考虑的因素。煤气化时受热首先是热解，生成半焦、液态和气态产品，焦粒

8、的气化是传质过程和化学反应接续进行。其反应在低温时仅受化学反应控制，而高温时传质过程则成为决定速率的因素。整个反应中，气化剂的吸附、活性部位的表面反应以及产物的解吸构成了气化反应的基本步骤。气化反应速率，可用一般式表示为：（5-1）式中下标 c 代表碳，表明单位时间内碳的反应量是燃料的质量mc、反应温度T和反应气体有效浓度 Ci的函数。5.1.2 煤气化的物理化学基础10（1 1）碳的氧化反应）碳的氧化反应 （5-2）（5-3）式中A-指前因子；Ea-活化能；R-气体常数，8.314JmolK。（2 2）COCO2 2还原反应还原反应 （5-4）由此式可以看出，当CO2浓度很高时，反应为零级反

9、应，而CO2浓度很低时则为一级反应，且CO对反应有抑制作用。5.1.2 煤气化的物理化学基础11（3 3）水煤气反应）水煤气反应 （5-5）当 k2CH21时，用 k表示 k1k2，则得 （5-6）通常，可把碳的气化反应简化为一级反应处理，即 （5-7）5.1.2 煤气化的物理化学基础12 对于各种反应，Ci可以是O2、CO、H2O或者H2的浓度。例如，对低活性石墨，k值计算如下：与O2反应：k=21010e-243000/RT （5-8）与CO2反应：k=21010e-360000/RT （5-9）与H2O反应：k=1108e-293000/RT （5-10）与H2反应：k=1108e-36

10、0000/RT （5-11）上述气固相反应速率相差很大。燃烧反应速率比其他反应快得多。在1000oC左右，CH2O反应比CCO2反应快约105倍，而CH2反应比CCO2 反应慢上百倍。在较高压力下CH2反应速率增大，和CH2O反应速率差不多或还快一些。这是因为CCO2和CH2O反应在高压下反应对压力来说趋于零级，而CH2反应与压力呈12级关系。5.1.2 煤气化的物理化学基础13 对于煤气化过程来说，气化用煤的性质有重要的影响，若煤的性质不适合煤的气化工艺，将导致气化炉生产指标的下降，甚至恶化。1 1）水水分分 移动床气化炉因逆流操作，可处理水分较多的煤。煤的水分以废液形式排出；对流化床和气流

11、床气化，为了使煤在破碎、输送和加料时能保持自由流动状态而规定原料煤的水分应5；气流床气化采用干法加料时，一般要求原料煤的水分最好2，以便于粉煤的气动输送。2 2）挥挥发发分分 挥发分在煤干馏或热解时转化为煤气、焦油、油类及热解水。对移动床气化可增加煤气的产率和热值，但增加煤气净化负荷。3 3）粘粘结结性性 对移动床或流化床气化，适用的气化用煤是不粘结或弱粘结性煤。对于移动床煤气化，若煤料在气化炉上部粘结成大块，将破坏料层中气流的分布，严重时会使气化过程不能进行；对流化床气化法，若煤粒粘结成大颗粒或块，则会破坏正常的流化状态。由于在气流床气化炉内，煤粒之间接触甚少，故可使用粘结性煤。弱粘结性煤在

12、加压下，特别是在常压到 1MPa之间，其粘结性可能迅速增加。5.1.3 煤性质对气化的影响14 4 4）反反应应性性 不论何种气化工艺，煤活性高总是有利的。反应性高的煤及其焦能迅速地和H2O或CO2进行反应，可保持H2O的分解或CO2的还原在较低的温度下进行。当制造合成天然气时，较低温度有利于 CH4生成。较低温度也易于避免结渣。5 5）灰灰分分 虽然煤矿物质中某些金属离子对气化反应有催化作用，然而，无论在固态或液态排渣的气化炉中，灰分的存在往往是影响气化过程正常进行的主要原因之一。（a a）灰灰渣渣中中碳碳的的损损失失 气化过程中熔融的灰分将未反应的原料颗粒包起来而使碳损失。故原料中灰分愈多

13、，随灰渣而损失的碳量就愈多。（b b）煤煤中中矿矿物物质质对对环环境境的的影影响响 煤中矿物质的某些组分在气化过程中是形成污染的根源。如高温下碱金属盐可能挥发；重金属（如As、Cd、Cr、Ni、Ph、Se、Sb、Ti及Zn）的化合物可能升华；黄铁矿FeS2等含硫金属化合物，当氧含量充足时可能形成SOx、当氧含量不足时则可能形成H2S、COS、CS2及含硫的碳氢化合物。5.1.3 煤性质对气化的影响15 （c c）灰灰熔熔点点与与结结渣渣性性 煤中矿物质，在气化和燃烧过程中，由于灰分软化熔融而变成炉渣的性能称为结渣性。对移动床气化炉，大块的炉渣将会破坏床内均匀的透气性，严重时炉篦不能顺利排渣，需

14、用人工破渣，甚至被迫停炉。另外炉渣包裹了未气化的原料，使排出炉渣的含碳量增高。对流化床来说，即使少量的结渣，也会破坏正常的流化状况，另外在炉膛上部的二次风区的高温，会使熔渣堵塞气体出口处等。灰熔点对气化炉的排渣形式有指导作用。但灰熔点并不等同于气化炉中灰分的熔融结渣温度。这一方面是因为测定灰熔点的条件不同于气化炉过程，另一方面也与煤的灰分产率有关。例如，在流化床中灰分被大量碳所稀释，当床内温度超过煤灰熔化温度时，尚不致发生熔渣和结块。反之，当灰分的浓度超过某一界限，即使炉温低于熔化温度也可能发生熔渣和结块。对灰熔点较低的煤，在固态排渣时，为了防止结渣，要加大蒸汽的用量。（d d）煤灰的粘温特性

15、）煤灰的粘温特性 液态排渣气化炉的操作实践表明，为了正常排渣，灰渣粘度不宜超过250 Pas。5.1.3 煤性质对气化的影响16 6 6）热稳定性）热稳定性 煤的热稳定性指煤在加热时，是否易于破碎的性质。对于移动床气化炉来讲，热稳定性差的煤，将会增加炉内阻力和带出物量，降低气化效率。7 7）机械强度）机械强度 煤的机械强度是指煤的抗碎强度、耐磨强度和抗压强度等。移动床气化炉中煤的机械强度与飞灰带出物和气化强度有关，需用机械强度高的煤。对于机械强度低的煤，只能采用流化床和气流床气化。5.1.3 煤性质对气化的影响17 8 8）粒度分布）粒度分布 不同的气化工艺对煤的粒度要求不同：移动床气化炉 1

16、0100 mm块煤；流化床 08 mm细粒煤；气流床小于0.lmm的粉煤。不论对何种气化工艺，煤的粒度组成对气化产生很大影响。流化床气化时，粒度分布过宽，随气流带出的小颗粒较多；移动床气化时，粒度不均匀将导致炉内燃料层结构不均匀，大颗粒燃料趋于滚向炉壁，小颗粒落在燃料层中心，炉壁附近气流阻力变小，气化剂集中于炉膛周边，使燃烧层上移，严重时使燃料层烧穿。对移动床来说，粒度的下限取决于煤的机械强度，褐煤取25 mm，烟煤 1012 mm，煤最大粒度和最小粒径比为2，一般不宜大于45。5.1.3 煤性质对气化的影响18 （1）煤气产率煤气产率 每单位质量煤气化所得煤气的体积数Nm3/kg(煤)。（2

17、）气气化化强强度度 气化炉每单位炉截面积在每小时气化的煤质量kg（煤）/m2h，或气化炉每单位容积在每小时气化的煤质量kg（煤）/m3h。气化炉的生产能力通常用容积气化强度表示，与固体的密度和固体的停留时间有关：m/VR=/式中：m-固体的质量流量，kg/h;VR-反应器体积，m3；-固体的密度，kg/m3；-平均停留时间。煤的密度在不同的反应器中差别很大：固定床600700kg/m3；流化床400600kg/m3；气流床0.1kg/m3（0.1MPa）或4.0kg/m3（4MPa）。5.1.4 煤气化过程的指标19气化炉压力/MPa最高温度/oC气化强度/kg/(m3h)固定床0.11100

18、12020038001100200300流化床479589571气流床0.11500360415007200各种气化炉的容积气化强度比较各种气化炉的容积气化强度比较5.1.4 煤气化过程的指标20 （3）气气化化效效率率 又称冷冷煤煤气气效效率率。每千克煤气化所得冷煤气在完全燃烧时放出的热量与气化的每千克煤的发热量之比（）。气 100 100 （5-12）式中：气气化效率，（）；Q气煤气的热量，kJ/kg（煤）；Q燃使用燃料的发热量，kJ/kg（煤）；Q 煤气的热值，（kJ/Nm3）；V 煤气产率，Nm3/kg（煤）。5.1.4 煤气化过程的指标21 （4）热热效效率率 气化热效率表示所有直接

19、加入到气化过程中热量的利用程度。还应考虑气化过程中吹入空气和水蒸气所带入的热量。当气化过程中焦油被利用时，焦油作为可利用的热。计算中均以每千克煤为基准。=（5-13）式中：热 气化过程热效率，（）；Q焦油焦油的发热量，（kJ）；Q鼓风气化剂带入的热量，（kJ）。5.1.4 煤气化过程的指标225.2 煤气化工艺5.2.1 5.2.1 煤气化炉原理和分类煤气化炉原理和分类 煤气化按制取煤气的热值煤气的热值可分3类：制取低热值煤气方法，煤气热值低于8374 kJ/m3(2000kcal/m3)；制取中热值煤气方法，煤气热值 16747-33 494 kJm3(4000-8000kcal/m3)；制

20、取高热值煤气方法，煤气热值高于 33494 kJ/m3。按气化过程供热方法供热方法分3类：部分氧化方法，又称自热式气化方法，通过燃烧部分气化用煤来供热，一般需消耗气化用煤潜热的 1535，逆流式气化取低限，并流式气化取高限，这种直接供热方法是目前最普遍采用的；间接供热，即外热式气化方法，通常采用气体热载体或固体热载体传热方式；利用气化反应释放热供热，例如利用放热的加氢反应供热。目前最通用的分类方法是按反应器类型反应器类型分类：移动床（固定床）；流化床；气流床；熔融床。235.2.1 气化炉原理和分类 气化炉类型及炉温分布 反应物和产物在反应器内流动情况以及床内反应温度的分布：移动床属于逆流操作

21、，气流床属于并流操作，流化床介于上述两种情况之间。24 煤的移动床气化是以块煤为原料，煤由气化炉顶加入，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。移动床气化炉当使用含挥发分原料时，煤气中含有焦油和酚，导致煤气净化和废水处理复杂化。对有粘结性的原料煤需通过搅拌装置破粘。常压方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，要用块煤，低灰熔点的煤难以使用。常压方法单炉生产能力低，常用空气-水蒸气为气化剂，制得低热值煤气，煤气中含大量的

22、N2，不定量的H2，CO，CO2，O2和少量的气体烃。加压方法是常压方法的改进和提高。加压方法常用氧气与水蒸气为气化剂，对煤种适用性大大扩大。为了进一步提高过程热效率又开发了液态排渣的移动床加压气化炉。根据气化剂不同，移动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。5.2.2 移动床煤气化25几种煤气组成几种煤气组成 煤气名称气化剂煤气组成，v%H2COCO2N2CH4O2空气煤气混合煤气水 煤 气半水煤气空气空气-蒸汽水蒸气蒸汽、空气2.613.548.440.01027.538.530.714.75.56.08.072.052.86.414.60.50.50.50.50.

23、20.20.20.25.2.2 移动床煤气化261 1）混合发生炉煤气）混合发生炉煤气 采用水蒸气与空气的混合物为气化剂，制成的煤气称为混合发生炉煤气。目前这种煤气在国内应用相当广泛。（a a）理想发生炉煤气）理想发生炉煤气 理论上，制取混合发生炉煤气是按下列两个反应进行的：2CO23.76N2=2CO3.76N2246435 kJkmol-1（碳）CH2O=COH2118821 kJkmol-1（碳）所谓理想条件：气化纯碳，且碳全部转化为CO；反应按化学计量进行；孤立系统且热平衡。5.2.2 移动床煤气化27 为了达到上述条件，每2 kmol碳与空气反应，则与水蒸气反应的碳应为：246435

24、 kJkmol-1(碳)/118821 kJkmol-1(碳)=2.07 kmol(碳)/2 kmol(碳)所以，4.07 kmol（碳）与水蒸气一空气混合物相互作用，在理论上，产生的煤气量为：4.07 kmol2.07 kmol3.76 kmol9.9 kmol 煤气组成为：CO 4.07 kmol9.9 kmol 10041.1 H2 2.07 kmol9.9 kmol 10020.9 N2 3.76 kmol9.9 kmol 100 38.05.2.2 移动床煤气化28 在标准状态下煤气的产率：=4.54Nm3/kg（碳）在标准状态下煤气的热值：Q =7450kJ/Nm3 气化效率为：1

25、00%实际上制取混合发生炉煤气，气化非纯碳，不可避免有许多热损失（如煤气带走的显热，留在灰渣中的残碳等），水蒸气分解和 CO2还原进行不完全，使实际的煤气组成、气化效率与理论计算值有显著差异。实际的气化效率一般7075。5.2.2 移动床煤气化29（b b）沿气化炉料层高度煤气组成的变化）沿气化炉料层高度煤气组成的变化 气化剂中的氧，经过灰渣层的预热，进人燃料层710 cm（氧化层）后，就几乎全部消耗，CO2达最大值，并开始出现CO；在氧消失后水蒸气才开始分解，这大约在氧化层以上3040cm区间内进行，同时发生CO2的还原反应，气体中H2和CO增加很快，这一层是在还原层的下部，可称为第一还原层

26、；第一还原层上方约40cm为第二还原层，这里除了进行CO2的还原反应外，还进行均相水煤气反应；在燃料层上部空间，气相中CO和H2O含量在减少，而CO2和H2在增加，说明均相水煤气反应仍在进行。发生炉煤气组成随燃料层高度的变化曲线 5.2.2 移动床煤气化30（c c）水蒸气对气化过程的影响）水蒸气对气化过程的影响 气化剂中水蒸气的作用：水蒸气分解生成CO和H2，可改善煤气质量，使煤气热值提高；同时水蒸气分解吸收热量，可降低炉温，防止结渣；水蒸气气量过大，炉温太低，CO2还原反应速率降低，CO/CO2比降低；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

27、。在生产中通过控制空气被水蒸气所饱和的温度来调节水蒸气用量。水蒸气用量随饱和温度增加而增加。同时炉内反应温度随饱和温度增加而下降，因此水蒸气分解率随之下降。例如饱和温度 52.2时，水蒸气分解率为 82，饱和温度提高到 63时，水蒸气分解率降为 62。水蒸气耗量不仅与原料灰分有关，也与原料的水分和挥发分有关？对每1kg真正在气化层消耗的碳而言，水蒸气耗量大致相同，最低0.40-0.43，最高0.63-0.66。水分、挥发分高，则经干燥和干馏后进入气化区的碳减少，水蒸气耗量减少。5.2.2 移动床煤气化31 蒸汽消耗量与蒸汽分解率、煤气热值和组成的关系l-蒸汽分解量曲线；2-气体热值曲线；3-蒸

28、汽分解率曲线4-CO含量曲线；5-H2含量曲线 5.2.2 移动床煤气化32（d d）气化过程的控制）气化过程的控制 对气化过程的控制，目的在于根据原料和对煤气的要求，选择合适的炉型。在可能达到的合理气化强度条件下，获得高的气化效率。在发生炉内生成煤气的主要反应中CO2还原速率远低于其他反应速率，因此，该反应是决定发生炉气化强度的主要动力学因素。CO2还原反应是气固非均相反应，视外界条件不同或处于动力学控制区，或处于扩散控制区。若反应处于动力学控制区，反应总速率受化学反应速率控制，所有可以提高化学反应速率的措施都可使反应总速率提高，如提高反应温度和反应物浓度，不仅可以改善煤气质量，而且能提高气

29、化强度。在扩散控制区，一切可提高扩散速率的措施都可使反应总速率增大，如提高鼓风速率，使气化反应处于扩散控制区，是强化气化过程的必要条件。气化过程处于动力学控制区时，气化强度的提高受原料灰熔点的限制；处于扩散控制区时，气化强度的提高受原料热稳定性和带出物损失的限制。5.2.2 移动床煤气化33 一般煤气发生炉的气化强度为 200250 kgm2h，经强化之后气化强度可达到 450500 kgm2h，而不致降低煤气质量。强化的办法包括：采用富氧空气和水蒸气的混合物或氧与水蒸气的混合物为气化剂，例如氧气浓度提高50，生产能力增加一倍，而且煤气热值由 4857 kJm3 提高到7955 kJm3；提高

30、鼓风速率，提高炉内温度。为了取得良好的气化效率，必须使气化炉中保持均匀和不致发生结渣的最高炉温。普通发生炉中燃料层的温度大约为10001200。气化强度与炉内气流速率相关。如气化强度超过合理范围，不但会增加燃料层阻力，还会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，因而降低煤气产率，并且影响到煤气质量，其综合结果是气化效率降低。生产过程中，按发生炉中空横截面积计算，气流速率一般在0.10.2 ms。5.2.2 移动床煤气化34 气化强度与原料种类有关，原料中水分与挥发分在干馏层和干躁层从原料中逸出，实际进入气化层的只是焦炭。但气化强度一般均按工作原料计算。如某无烟煤按工作原

31、料计算的气化强度为200 kgm2h，如按半焦计算只有185kgm2h。某褐煤按工作原料计算的气化强度为260 kgm2h，按半焦计算只有150 kgm2h。5.2.2 移动床煤气化35（e e）混合煤气发生炉）混合煤气发生炉 煤气发生炉国内使用数量最多的是 3M13型和 3W-G型炉。图示3M13型煤气发生炉。其特点是采用双滚筒连续进料方式，采用回转炉蓖连续排灰，炉内带有搅拌棒破粘，适用于长焰煤、气煤等弱粘结性煤种。炉内径3 m，进风口直径 500 mm，煤气出口直径 900 mm，最大风压 4000-6000 Pa。耗煤 1700-2500 kg/h，煤气产量 55008000 m3/h台

32、，水蒸气和空气用量分别为 0.30.5 kg（水蒸气）/kg（煤）和 1.52.5 m3（空气）/kg（煤）。3W-G炉（威尔曼一格鲁夏炉）有不带搅拌装置与带搅拌装置的两种。国内常用不带搅拌装置的。采用焦炭或无烟煤为原料。其特点是：液压加料，煤连续进人炉内，液压干法除灰，全水夹套。炉直径 3 m，处理煤量 18002500kg/h，产气量 50007500 m3/h，煤气热值 46055443 kJm3。5.2.2 移动床煤气化363M13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空心柱；9蜗杆减速机；10圆柱减速机；11四头蜗杆；12灰盘

33、 5.2.2 移动床煤气化372 2）水煤气）水煤气 水煤气是炽热的碳与水蒸气反应生成的煤气，它主要由CO和H2组成，与发生炉煤气相比，含氮气很少，发热量高。燃烧时呈蓝色火焰，所以又称蓝水煤气。碳与水蒸气反应是强吸热反应，需提供水蒸气分解所需的热量，一般采用两种方法：交替用空气和水蒸气为气化剂的间歇气化法；同时用氧和水蒸气为气化剂的连续气化法。间歇法使用至今，已有悠久的历史，其缺点是生产必须间歇。用氧和水蒸气为气化剂来生产水煤气已是当前的发展趋势，已工业化的或正在开发的第二代气化方法，大多是以氧-水蒸气为气化剂的连续气化法。5.2.2 移动床煤气化38（a a）理想水煤气）理想水煤气 在理想条

34、件下，首先向发生炉送入空气，发生燃烧反应：CO2CO2十406418 kJkmol-1（碳）再送入水蒸气，发生反应：CH2OCOH2十118821 kJkmol-1（碳）在 热 平 衡 条 件 下，燃 烧 1 kmol（碳）所 放 出 的 热 量 可 以 分 解406418/118821=3.42 kmol水蒸气，因此理想生产过程，可以表示成：CO23.76N23.42C3.42H2OCO23.76 N23.42 CO3.42 H2 水煤气生产过程间歇地进行时，分成吹风阶段和制气阶段，两个阶段产生的煤气组成等指标如下：5.2.2 移动床煤气化39吹风气总量（CO23.76N2），组成为CO2-

35、21，N2-79；水煤气总量（3.42CO 3.42H2）组成为CO-50；H2-50；碳的总耗量 4.42 kmol，即 124.42=53.04 kg（碳）；计算得吹风气耗量为 2.01 Nm3（吹风气）kg（碳）；计算得水煤气产率为 2.89 Nm3（水煤气）kg（碳）；计算得水蒸气的消耗量为 1.16 kg（水蒸气）/g（碳）；理想水煤气热值：Q高=0.512633 kJNm30.512776 kJNm3=12705 kJNm3；Q低=0.512633 kJ/Nm30.510804 kJ/Nm3=11719 kJ/Nm3；气化效率：100%5.2.2 移动床煤气化40（b b）实际水煤

36、气生产指标）实际水煤气生产指标 在实际生产中，在吹风阶段碳不可能完全燃烧成CO2，在制气阶段水蒸气也不可能完全分解，系统的热损失不可能避免。因此实际生产指标与理想状况有较大的差距。生产水煤气的原料主要是焦炭和无烟煤。若和混合发生炉煤气的气化效率和热效率对比，水煤气的指标较低，分别只有60和 54左右。（c c）工作循环的构成）工作循环的构成 间歇法制水煤气，主要由吹空气（蓄热）、吹水蒸气（制气）两个阶段组成，但为了节约原料，保证水煤气质量，正常安全生产，还需要一些辅助阶段，实际共有6个阶段（图）：5.2.2 移动床煤气化41 吹吹风风阶阶段段 吹入空气，使部分燃料燃烧，将热能积蓄在料层中，废气

37、经回收热量后排入大气；水水蒸蒸气气吹吹净净阶阶段段 由炉底吹入水蒸气，把炉上部及管道中残存的吹风废气排出，避免影响水煤气的质量；上上吹吹制制气气阶阶段段 由炉底吹入水蒸气，利用床内蓄积的能量制取水煤气，水煤气通过净化系统入贮气柜；5.2.2 移动床煤气化42 下下吹吹制制气气阶阶段段 上吹制气后，床层下部温度降低，气化层上移，为了充分利用料层上部的蓄热，用水蒸气由炉上方往下吹，制取水煤气，煤气送气柜；二二次次上上吹吹制制气气阶阶段段 下吹制气后炉底部残留下吹煤气，为安全起见，先吹入水蒸气，所得煤气仍送贮气柜；空空气气吹吹净净阶阶段段 由炉底吹入空气，把残留在炉上部及管道中的水煤气送往贮气柜而得

38、以回收。5.2.2 移动床煤气化43六阶段循环时间分配表 序号阶段名称3分钟循环，s4分钟循环，s123456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阶段空气吹净阶段4050245605055182026080260707090182025.2.2 移动床煤气化44（d d）常压水煤气发生炉）常压水煤气发生炉 中国水煤气发生炉常用于生产合成氨或合成甲醇的原料气。所用原料为焦炭、无烟块煤以及无烟煤屑制成的型煤。使用的气化炉为 UGI型炉，274 m和3 m炉用得最多。3 m UGI发生炉由上锥体、水夹套、炉篦传动装置，出灰机械及炉底壳等5个主要部分组成。UGI水煤气发生炉1外壳；2

39、.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 5.2.2 移动床煤气化455.2.3 加压移动床气化 常压移动床气化的主要局限：煤气热值低，12MJ(2860kcal)/Nm3，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。加压移动床气化特点：加压移动床气化特点：煤气热值高：2-3MPa下气化过程甲烷生成量提高，使煤气热值达到 20 MJm3（5000 kcal/m3）或更高，可用于民用煤气和化工原料气；系统能耗下降：加压下氧和蒸汽的量相对于煤气仅是煤气有效成分量的一半，也

40、就是加压于 1份的气化剂，即得到双倍的高压煤气；装置内气流线速度大幅度降低，使炉内带出物明显减少，气固反应时间延长并强化，使碳转化率和利用率明显提高；有益于煤气的净化处理和远程运输。加压移动床气化炉工况：原料煤由上而下，气化剂由下向上，逆流接触。炉内的料层可根据各区域的特征及主要作用，依次分为干燥层、干馏层、甲烷层、气化层、氧化层和灰渣层。加压操作为甲烷生成创造了条件。加压气化的代表性技术：鲁奇（Lurgi）工艺。461 1）过程原理及影响因素）过程原理及影响因素（a a）压压力力对对煤煤气气组组成成的的影影响响 随着气化压力的增加，粗煤气中甲烷和二氧化碳含量增加，氢气和一氧化碳含量减少。煤气

41、中二氧化碳洗去后，其热值也随气化压力提高而增加。在气化炉内，主要由下列反应生成甲烷：C2H2CH484.3 kJmol CO3H2CH4H2219.3 kJmol CO24H2CH42H2O162.8 kJmol 2CO2H2CO2CH4247.3 kJmol 上述是体积减小的放热反应，提高压力和降低温度有利于反应向着生成甲烷的方向移动。与此相反，在炉内进行的二氧化碳还原和水蒸汽分解反应，均是反应后气体体积增加的吸热反应。降低压力和升高温度都有利于二氧化碳的还原和水蒸汽的分解。因此，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。5.2.3 加压移动床气化4

42、7煤气组成与气化压力的关系5.2.3 加压移动床气化48（b b）压压力力对对氧氧气气耗耗量量的的影影响响 在气化过程中，甲烷生成反应为放热反应，这些反应热可为水蒸汽分解、二氧化碳还原等吸热反应提供热源。因此，甲烷生成放热的反应即成为气化炉内除碳燃烧反应以外的第二热源，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。（c c）压压力力对对蒸蒸汽汽消消耗耗量量的的影影响响 加压促使甲烷生成量增加，所消耗的氢气量亦增加。水蒸汽分解生成的氢气是甲烷生成反应中氢的重要来源。但加压不利于水蒸汽分解反应进行，在加压下，水蒸汽分解率下降。为解决这一矛盾，只有增加水蒸汽用量，通过提高水

43、蒸汽浓度，使生成物氢气的绝对量增加，以满足甲烷生成反应的需要。这样，就导致加压气化的水蒸汽耗量比常压下气化大幅度上升，而且在实际操作中，还需用蒸汽量来控制炉温，以有利于甲烷生成反应进行。固总的蒸汽耗量在加压时约比常压下高2.53倍。水蒸汽分解率由常压下约为65，降为在压力为1.96MPa 时的36。提高气化压力，水水蒸蒸气气消消耗耗量量增增加加，水水蒸蒸汽汽分分解解率率降降低低，这是固态排渣加压气化的一大缺陷。5.2.3 加压移动床气化49（d d）压压力力对对气气化化炉炉生生产产能能力力的的影影响响 提高鼓风速度可强化生产。但鼓风速度的提高往往受到料层阻力和带出物数量的限制。在加压下操作时，

44、该情况可明显改善，从而使气化强度得以提高。在常压气化炉和加压气化炉中，假定带出物的数量相等，则出炉煤气动压头相等，可近似得出，加压气化炉与常压气化炉生产能力（以煤气在标准状态下的体积流量表示）之比为：对于常压气化炉，Pl通常略高于大气压，P11.1（大气压）。常压气化炉和加压气化炉的气化温度之比T1T21.11.25。故：即加压气化生产能力比常压气化高P1/2倍。如气化压力为2.5MPa的鲁奇加压气化炉，其生产能力将比常压下高45倍。5.2.3 加压移动床气化50（5 5）压压力力对对煤煤气气产产率率的的影影响响 气化压力的提高，使得甲烷的生成量增加，气体的总体积减小，与常压气化相比，加压气化

45、时煤气产率较低。随着气化压力的提高，煤气产率呈现下降趋势，且净煤气产率的下降幅度比粗煤气更大。因为加压气化所生产的粗煤气中，含有大量二氧化碳，一旦净化脱除，使净煤气的体积大为减少。（6 6）加加压压气气化化对对煤煤气气输输送送动动力力消消耗耗的的影影响响 加压气化可以大大节省煤气输送的动力消耗。因为煤的气化所产生的煤气的体积一般都比气化介质的体积更大，据计算，在2.94MPa压力下用氧水蒸汽混合物作为气化剂时，所需压缩的氧气约占所制得煤气体积的1415，这比常压造气产生的煤气再压缩到2.94MPa，可节省动力约2/3。加压下气化生产的煤气所具有的压力可被利用于远距离输送（或用于化工合成），在1

46、.96MPa压力下气化时，中间不用再设加压站便可将煤气输送到150公里左右以外的地区。因此，一些煤气生产厂可设在矿区附近，从而减少了煤的运输费用。5.2.3 加压移动床气化512 2）固态排渣移动床加压气化炉）固态排渣移动床加压气化炉 鲁奇炉自1936年建立第一个加压气化装置至今，已经历四代改进。改型的主导思想是扩大气化煤种和提高气化强度。第四代鲁奇炉已可气化除强粘结性以外的所有煤种。直径为5m的MARK-V型气化炉单台产气量可达 100140 km3h。鲁奇炉采用氧气-水蒸气为气化剂，在2.03.0 MPa的压力和9001100温度条件下进行连续气化。鲁奇加压气化法的优优点点：可以用劣质煤气

47、化，灰熔点较低，粒度较小（525 mm）、水分较高（2030）和灰分较高（3040）的煤都可使用，因而扩大了气化用煤的范围；生产能力高，用褐煤气化强度可达20002500 kg/m2h，比常压气化炉高 5倍左右；氧耗量低；反应床的操作温度和炉出口煤气温度低，碳效率高，气化效率可达8090；煤气热值高；能耗低；煤气用途广，通过调整气化压力、气化剂组成以及净化加工处理，得到诸如工业燃气、城市煤气以及各种H2-CO比例的化工合成原料气等；技术先进，操作稳定。存存在在的的主主要要问问题题是：高压操作设备复杂；水蒸气分解率低，消耗量大；后处理系统庞大；需要制氧装置；不能气化粉煤。5.2.3 加压移动床气

48、化522 2）固态排渣移动床加压气化炉）固态排渣移动床加压气化炉 第三代鲁奇加压气化炉由煤锁（即煤箱）、气化炉和灰锁（即灰箱）三部分构成，煤通过煤锁由常压系统加到气化炉内，采用上下间加煤形式。排灰的灰锁与煤锁形式相似。气化炉内设有煤分布器及破粘的搅拌器。炉篦为四层宝塔型形式。图 第三代鲁奇加压气化炉示意图1煤箱：2上部传动装置；3喷冷器；4裙板；5布煤器；6搅拌器；7炉体；8炉篦；9炉篦传动装置；10灰箱；11刮刀；12.保护板 5.2.3 加压移动床气化533 3）液态排渣移动床加压气化炉）液态排渣移动床加压气化炉 固态排渣鲁奇炉的主要缺点是水蒸气用量大，分解率低。由于炉温较低，反应不够完全

49、，灰渣中残碳含量较高，气化能力受到限制。为了克服这些缺点，开发了液态排渣的技术。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。由于消除了为防止气化炉内结渣对炉温的限制，可使气化层的温度有较大提高，从而大大加快了气化反应速度，提高了设备的生产能力，产物粗煤气中冷凝下来需要处理的液体量较少，灰渣中基本上无残碳，几乎所有的碳都得到了利用。英国煤气公司改进的液态排渣加压气化炉示于图5-10。其主要特点是灰渣呈熔融状态排出，故炉子下部和排灰机构的结构较特殊,取消了固态排渣的转动炉算。根据不同的原料特性，液态排渣气化炉操作温度一般在110015

50、00oC，操作压力为2.353.04MPa。5.2.3 加压移动床气化54 BGL溶渣气化炉示意图 5.2.3 加压移动床气化55l液态排渣移动床加压气化炉特点液态排渣移动床加压气化炉特点 煤气有效组分提高，（CO+H2）提高约25%，煤气热值也相应提高，CO2降低；气化炉生产能力提高34倍；蒸汽耗量降低，水蒸气分解率由固态排渣的35%以下提高到液态排渣的95%左右。煤耗低；气化效率和热效率高。由于煤气中的带出物大为减少，灰渣中的碳含量在2以下，煤气出口温度也低，加之生成的重焦油可经风口循环回炉气化利用，所以液态排渣气化过程的热效率和气化效率高于固态排渣气化。改善了环境。水蒸气分解率大为提高，