煤气化技术应用基本基本原理.ppt

第七章煤的气化技术 煤的直接燃烧带来的环境问题到目前为止仍不能得到有效地解决 而煤的气化技术可以说是未来煤的洁净利用技术的基础 被认为是最清洁的煤转化利用方式 煤的气化产物在电力生产 城市供暖 燃料电池 液体燃料和化工原料合成等方面都有极其广泛的应用 能够达到充分利用煤炭资源的目的 所以煤的气化技术理所当然成为未来洁净煤技术的核心 第七章煤的气化技术 第一节概述一 煤气化的定义和实质煤的气化过程是一个热化学过程 它以煤或煤焦为原料 以氧气 空气 富氧或纯氧 蒸气或氢气为气化剂 又称气化介质 在高温的条件下 通过部分氧化反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料 即气化煤气 或简称煤气 的过程 煤炭气化时必须具备三个条件 气化炉 气化剂 供给热量 三者缺一不可 第七章煤的气化技术 1 气化与燃烧的区别从化学反应的角度 煤的气化和燃烧都属于氧化过程 当煤点燃时 它潜在化学能就会以热的形式释放出来 即空气中的氧气和煤中的碳 氢反应生成CO2和H2O 并释放热量 在氧气充足的情况下 煤将发生完全氧化反应 其所有的化学能都将转化成热能 这个过程就是燃烧 第一节概述 1 气化与燃烧的区别如果此时减少氧气量 那么煤将不能发生完全氧化反应 释放的热量也会减少 煤中剩余的潜在的化学能就会转移到生成的气体产物中 如H2 CO CH4等 如果希望使气体产物中的化学能更大的话 从逻辑上讲就是继续减少供氧量 但实际上得有个限度 因为随着供氧量的减少 更多的煤将不能转化为气体而成为未反应碳 气化效率将大打折扣 所以控制供氧量至关重要 第一节概述 2 气化与液化的区别无论从工艺还是化学反应角度 两者都有很大不同 液化的目的是获取液体燃料或液体化学产品 其实质是通过将煤中大分子裂解成为小分子并同时调整煤中的C H 减小 比以获得液体产物 包括加H2直接液化和间接液化 第一节概述 3 气化与干馏的区别干馏是煤在隔绝空气的条件下 在一定的温度范围内发生热解 生成固定焦炭 液体焦油和少量煤气的过程 而气化不仅是高温热解过程 同时还通过与气化剂的部分氧化过程将煤中碳转化为气体产物 从转化的角度看 干馏是将煤本身不到10 的碳转化为可燃气体混合物 而气化则可将碳完全转化 第一节概述 3 气化与干馏的区别对于气化和干馏还有一种理解 即将煤的气化分为完全气化和部分气化 其中部分气化就是指干馏技术 根据干馏温度的高低 又可以分高温干馏和低温干馏 高温干馏俗称高温炼焦 即冶金工业中炼焦 低温干馏又称温和气化 其工艺简单 条件温和 可同时获得煤气 焦油和半焦 因而是一项重要的洁净煤技术 第一节概述 二 煤气化的基本原理从物理化学过程来看 煤的气化共包括以下几个阶段 煤炭干燥脱水 热解脱挥发分 挥发分和残留碳 或半焦 的气化反应 在气化过程中 当煤粒温度升高到350 450 C时 开始发生煤的热解反应 有挥发物 焦油 煤气 析出 热解反应如下 第一节概述 二 煤气化的基本原理煤的气化反应是指热解生成的挥发分 残留焦炭颗粒与气化剂发生的复杂反应 由于该反应是在缺氧状态下进行 因此煤气化反应的主要产物是 可燃性CO H2和CH4 只有小部分的碳被氧化成CO2 可能还有少量的H2O 该过程的主要化学反应有 第一节概述 二 煤气化的基本原理除了以上反应外 煤中存在的其它元素如 硫 氮等 也会与气化剂发生反应 在还原气氛下生成H2S N2 NH3等物质 虽然这类物质较少 但将直接影响后续的煤气净化工艺 第一节概述 三 煤气化的分类煤炭气化工艺可按压力 气化剂 气化过程 供热方式等进行分类 1 按供热方式分类虽然在煤气化过程中 多数化学反应是释放热量 所以气化过程往往可以实现自供热 但在实际应用中这些热量不足以提高反应效率和煤气质量 所以还需要采用其他供热方式 一般需要消耗气化用煤的15 35 左右 总体来说煤气化供热方式有以下几种 第一节概述 1 按供热方式分类自供热气化方式 即煤气化过程没有外界供热 煤与水蒸气反应所需的热量由煤的氧化反应所提供 又称部分氧化供热 见下面7 1图 间接供热气化方式 在自供热方法中由于过于依赖碳与氧的反应 导致煤气中的CO2含量过高 如果采用纯氧做催化剂 会增加制氧成本 如果采用空气做催化剂 则会带入大量的N2 N2和CO2的存在都将会使煤气的热质降低 第一节概述 1 按供热方式分类间接供热气化方式 因此考虑让煤仅与水蒸气反应 热量可通过气化炉壁从外部传给煤或气化剂 也可以用电热和核反应进行间接供热 所以又称配热式水蒸气气化法 见下右图 第一节概述 800 1800 C0 1 4Mpa O2或空气 水蒸气 煤气 煤 灰 800 900 C0 1 0 4Mpa 水蒸气 煤气 煤 热 图7 1自供热气化方式 图7 2间接供热气化方式 1 按供热方式分类加氢气化方式 即使以第二种方式制得煤气 其热值仍不是很高 为了提高煤气的热值 可采用加压或加氢的方法以提高煤气中CH4的含量 即先使煤加氢气化 然后残余的焦炭再与氧气和水蒸气发生气化反应 产生的合成气也为加氢阶段提供了氢源 该方法中通常由平行进行的化学反应直接供热 或由电热为焦炭气化过程供热 第一节概述 1 按供热方式分类加氢气化方式 加氢气化反应方程为 第一节概述 800 1800 C1 10Mpa 800 1800 C0 1 0 4Mpa 气体分离技术 替代天然气 煤 H2 H2 气体加工处理 CO2等 O2或空气 水蒸气 灰 H2 CO CO2等 1 按供热方式分类热载体供热方式 在一个单独的反应器内 用煤和空气燃烧加热 以热载体供热 通常以熔渣 熔盐或熔铁为热载体 第一节概述 1000 1600 C0 1 4Mpa 熔渣 熔盐 熔铁 O2或水蒸气 灰 煤气 煤粉 图7 3热载体供热方式 2 按气化炉内煤料与气化剂接触方式分类目前最常用的还是按气化炉内煤料与气化剂接触方式进行区分 主要有 固定床气化 该方法原料煤是块煤 在气化过程中 煤由气化炉顶部加入 气化剂由气化炉底部加入 煤料与气化剂逆流接触 相对于气体的上升速度而言 不足以将煤料床层吹起 因此称为固定床气化 也称移动床气化 优点 气固是逆流接触 煤在炉内停留时间较长 约1 1 5h 反应温度较低 碳的转化率和气化效率较高 缺点 煤气的生产能力较小 如使用黏结性煤时 在炉内还需加搅拌装置 第一节概述 2 按气化炉内煤料与气化剂接触方式分类流化床气化 它是以粒度在 10mm的粒煤为气化原料 在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中 煤粒在沸腾状态下进行气化反应 从而使得煤料层内温度均一 易于控制 提高气化效率 优点 煤与气化剂的接触面大 反应速度快 使得单炉生产能力得到提高 煤在炉内停留时间相对短一些 缺点 流化床气化中的灰渣和飞灰含碳量均较高 其飞灰的回收和循环仍在一定的技术问题 第一节概述 2 按气化炉内煤料与气化剂接触方式分类气流床气化 气流床气化法原料煤粒度更细 一般在100 m以下 在气化过程中 用气化剂将煤粉带入气化炉内 也可将煤粉先制成水煤浆 然后用泵打入气化炉内 煤料在较高温度下与气化剂发生气化反应 煤粒与气化剂顺流接触 优点 反应速度快 碳的转化率和单炉的生产能力均较高 第一节概述 2 按气化炉内煤料与气化剂接触方式分类熔浴床气化 也称熔融床气化 它是将煤粉和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内 且池内熔融物保持高速旋转 作为粉煤与气化剂的分散介质的熔融物可以是熔融的灰渣 熔盐或熔融的金属 第一节概述 3 按气化过程排灰方式分固态排渣气化液态排渣气化 4 按气化过程是否连续分连续气化 是指煤的燃烧和气化同时进行 气化剂连续通入 煤气产品也不间断地导出 间歇气化 是指燃烧和气化分开进行 气化剂中的氧气和水蒸气分别在不同时间内通入气化炉 且主要靠通入水蒸气生产煤气 因此 产品煤气的导出是间断的 第一节概述 5 按所处位置分地面气化 指将煤从地下开采出来并经过适当加工处理后在气化炉内气化 地下气化 指直接向地下煤层中通入气化剂将煤气化 然后将产品煤气导出地面再加以利用 第一节概述 不同的气化工艺对原料煤煤质的要求是不同的 气化用煤的特性主要包括煤的反应性 粘结性 结渣性 热稳定性 机械强度 粒度组成以及水分 灰分和硫分等 一 煤的反应性是指在一定的外部条件下 与气化剂 氧气 水蒸气 相互作用并发生反应的能力 它直接影响煤在气化过程中的氧耗量 煤气组成 带出物与灰渣的含碳量 产气率及热效率等生产指标 不论何种气化工艺 反应性好有利于煤的气化 第二节气化用煤的特性 煤的反应活性对煤的气化效果有直接的影响 首先反应活性越好 其起始气化的温度就越低 而低温条件对CH4生成有利 也能减少氧耗 其次与同样灰熔点的低反应活性煤相比 使用较少的水蒸气就可以控制反应温度不超过灰熔点 减少了水蒸气的消耗量 一般煤化程度越低 挥发分含量越高 干馏后焦炭的比表面积越大 其反应活性就越好 煤中的丝碳含量越高 反应活性就越强 第二节气化用煤的特性 二 煤的粘结性煤的粘结性是指煤被加热到一定温度时 受热分解而先变为塑性状态 然后煤粒之间受膨胀压力的作用再相互粘结在一起的程度 它会影响气体在料层内流动的通畅性与在料层截面上分布的均匀性 传统煤气化用煤采用弱粘结性的煤 三 煤的结渣性煤的结渣性是指煤中矿物质在燃烧和气化过程中由于灰分的软化熔融而形成渣块的能力 容易结渣的煤不宜作为气化原料 一般来说 煤的灰熔点 ST 越低 越容易结渣 因此 固态排渣气化工艺通常要求ST 1250 C 第二节气化用煤的特性 四 煤的热稳定性煤的热稳定性是指煤在燃烧和气化过程中对热的稳定程度 即煤块在高温状态下保持原来粒度的能力 对于使用块煤作原料的固定床气化工艺来说 煤的热稳定性差将会增加煤料层内气体流动的阻力和带出物量 降低气化效率 五 煤的机械强度煤的机械强度是指煤块的抗碎 耐磨及抗压等综合性物理和机械性能 它涉及煤在输送和气化过程中能否保持所要求的粒度和筛分组成 机械强度较低的煤不能直接作为固定床气化的原料 第二节气化用煤的特性 六 煤的粒度分布不同气化工艺对所用原料煤的粒度要求不同 固定床气化要求使用13 100mm的块煤 且煤的粒度尽可能均匀 流化床气化要求使用0 8mm的粉煤 且按煤料中的最大颗粒确定气体在气化炉内的流速 气流床和熔浴床气化分别要求使用 0 1mm和 6mm的煤粉和细粒煤 且根据煤料中的最大颗粒确定煤料在气化炉内的停留时间 第二节气化用煤的特性 七 煤中水分 灰分和硫分水分 原料煤的水分对气化过程的稳定运行和热效率有直接影响 且水分越低 越有利于气化 固定床气化时 煤料中水分必须保证气化炉顶部出口煤气温度高于其露点温度 流化床和气流床气化时 为了使煤料在破碎 筛分 输送及加料时能保持自由流动 要求煤料的水分应 5 特别是采用干法加料的气流床气化 要求煤料的水分 2 第二节气化用煤的特性 七 煤中水分 灰分和硫分灰分 煤料中的灰分往往是影响气化正常进行的主要原因之一 煤中的灰分既因其影响灰渣含碳而造成碳损失 又因其为惰性成分而造成气化效率降低和气化炉生产能力的浪费 特别是固定床气化时 灰分是造成炉内 结疤 的主要原因 硫分 煤中的硫分包括有机硫和无机硫 气化过程中 煤中的硫主要以H2S形式及少量的COS和CS2等形式转入煤气中 含硫气体是产品煤气中的有害杂质 须在送用户前净化脱除 第二节气化用煤的特性 煤的气化是一个复杂的物理和化学过程 原料煤 气化剂以及不同的气化方法和操作条件都会影响到煤气化效果 通常衡量煤气化效果的指标包括 煤气质量 煤气产率 气化强度 气化效率 碳转化率 冷煤气效率和热煤气效率等 气化强度 指气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤质量 单位是t m2 h 它反映了气化过程的生产能力 碳的转化率 表示原料煤中碳的转化程度 一般碳转化率越高 灰渣中未转化碳的量越少 第三节煤的气化指标 煤气组成与热值 煤气质量的好坏是用煤气的组成和热值来表征的 煤气热值的高低则取决于煤气中的可燃组分 比如 混合发生炉中的可燃成分主要是CO和H2 煤气产率 煤气产率是指气化单位质量的煤料所产生的煤气的体积数 分为湿煤气产率和干煤气产率 前者是指煤气中含有水蒸气 而后者指干煤气体积 煤气的产率与煤料的水分 灰分 挥发分及固定碳含量有关 也受碳转化率和碳损失率的影响 第三节煤的气化指标 碳损失率 气化过程中的碳损失包括随煤气带出气化炉的碳损失和随灰渣排出气化炉的碳损失 碳损失的量取决于煤料的性质 鼓风速度 水蒸气的加入形式以及气化炉的结构 一般带出碳损失以干煤计 排出碳损失以纯碳计 气化效率 气化效率也称为冷煤气效率是指产生煤气的热值与煤气产率的乘积与所用煤料的发热量之比 当使用热煤气时 分子项中还应考虑煤气的显热 此时 称为热煤气效率 第三节煤的气化指标 冷煤气效率 热煤气效率 这两个指标与煤气的余热回收和后续应用相关 热效率 指煤气和副产品的热量以及回收利用的热量之和占供给气化过程总热量的百分数 可见 热效率表达了气化过程中热量有效利用的程度 第三节煤的气化指标 一般将煤气化生成的气体产物称为煤气 其中气化炉出口处的未经净化的煤气又常称为粗煤气 不同的气化方法可以生产出不同性质 组成和热值 的煤气 根据其性质 煤气可以广泛地应用在各个工业和民用领域 如作为气体燃料的城市煤气 工业用发生炉煤气 水煤气和替代合成气 以及可进行液体燃料和化工产品合成的合成气等 第四节煤气的种类 一 煤气的种类按煤气在标准状态下的热值分类 可以分为 低热值煤气 8000kcal m3 三类 如果结合煤气的气体成分及其用途 按其热值高低 由低到高 可细分为 发生炉煤气 水煤气 合成气 城市煤气以及替代天然气等 第四节煤气的种类和基本工艺流程 典型的几类煤气组成和热值 MJ m3 第四节煤气的种类 1 发生炉煤气发生炉煤气是以空气和水蒸气为气化剂是煤发生气化反应制得的 由于混入了大量的N2 所以其热值很低 又称贫煤气 2 水煤气一般是在气化炉中交替吹送空气和水蒸气 由水蒸气作为气化剂与炽热的无烟煤或焦炭作用制得的 空气起热载体作用 因此N2含量较低 煤气的热值高于发生炉煤气 第四节煤气的种类 3 合成气是指具有特定组分要求 在化工领域为了合成某种化工产品而做合成原料的煤气 合成气的组成与其用途有关 如合成氨 合成甲醇 合成醋酸等都有不同的成分要求 合成氨所用的合成气必须是氮和氢的混合物 且H2 N2约等于3 合成甲醇所用合成气要求CO含量较高 4 城市煤气用作民用燃料气 一般要求其热值大于14 64MJ m3 H2S含量小于20mg m3 O2体积含量小于1 5 替代天然气气体成分组成和热值与天然气类似的煤气 要求CH4含量在75 以上 热值在41 8MJ m3左右 第四节煤气的种类 二 煤炭气化的基本工艺流程 第四节煤气的种类 目前国外煤炭气化炉开发正在向加压 大容量方向发展 单台气化炉处理煤量从几吨 天发展至2600吨 天 4000 5000t d的气化炉也已完成概念设计 气化用煤从最初的只能利用不粘煤 到现在几乎可以气化从褐煤 不粘和粘结的烟煤到无烟煤所有煤种 不同的气化炉可以使用从块煤到粉煤等不同粒度的煤 碳转化率可高达99 第五节典型的气化工艺 目前国内气化工艺主要用于生产各种工业用途的燃料气和化工合成原料气 而国际上煤炭气化应用的主要目的是化工合成 联合循环发电 多联产及液体燃料油合成等领域 一 固定床 移动床气化工艺 1 常压固定床 移动床气化工艺常压移动床气化法按工艺可分为常压移动床煤气发生炉 常压移动床水煤气炉和相应的两段炉气化法 第五节典型的气化工艺 为何称为固定床或移动床 移动床气化法又称固定床气化法 从流态化角度来讲 气体相对于固体床层的速度未达到流化速度 气固系统处于固定床状态 但与层燃炉有所区别的是 在气化炉内 固体原料并不是像层燃炉那样静止在炉蓖上 而是从炉顶加入 在向下移动过程中与从炉底通入的气化剂逆流接触 进行充分的热交换并发生气化反应 故称移动床 第五节典型的气化工艺 移动床 固定床的特点 在移动床气化过程中 由于原料煤和气化剂的逆流接触 使得沿床层高度方向上有一个明显变化的温度分布 如下图所示 在不同的区域内所进行的物理化学过程也不一样 对于常压移动床来讲 一般自上而下可分为预热干燥层 干馏层 气化层 还原层 燃烧层 氧化层和灰渣层 第五节典型的气化工艺 第五节典型的气化工艺 1 常压固定床 移动床气化工艺常压移动床煤气发生炉气化过程 第一步 自下而上 气化剂通过气化炉的布风装置均匀送入炉内 首先进入灰渣层 与灰渣进行热交换被预热 灰渣则被冷却后经由旋转炉蓖离开气化炉 由于灰渣层温度较低 且残留的碳较少 因此灰渣层基本不发生化学反应 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉气化过程 第二步 预热后的气化剂在氧化层与炽热的焦炭发生剧烈的氧化反应 主要生成CO2和CO 并放出大量的热 因此氧化层是炉内温度最高的区域 并为其他气化反应提供热源 是维持气化炉正常运行的动力带 其发生的主要化学反应有 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉气化过程 第三步 在第二步的氧化层中 残留的极少量未燃尽碳和不可燃的灰分进入灰渣层冷却 高温的未反应的气化剂以及生成的气体产物则继续上升 遇到上方区域的焦炭 在这里CO2和水蒸气 H2O 分别与焦炭发生还原反应 因此称为还原层 还原层是煤气中可燃气体 CO和H2 主要生成区域 所以也称气化层 其主要反应均为吸热反应 因此其温度与氧化层相比有所降低 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉气化过程 第三步 还原层 气化层的主要还原反应包括 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉气化过程 第四步 还原层上升的气流中主要成分是可燃性气体产物 CO和H2等 和未反应尽的气体 CO2 H2O N2 等 在上部干馏区域与刚进入炉内原料煤相遇 进行热交换 原料煤在温度超过350 C时 发生热解并析出挥发分 并生成焦炭 由于此时上升气流中已几乎不含氧气 所以煤实际处于无氧热解的干馏状态 故称为干馏层 其反应过程可表示为 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉气化过程 第五步 由上面的表达式可见 干馏层生成的煤气中含有许多气体杂质 这些气体杂质随还原层生成的煤气混合即为发生炉煤气 经过炉顶附近的干燥层将原料煤预热干燥后离开发生炉 一般来说 在常压移动床煤气发生炉内 其氧化层温度最高 通常在1100 1200 C 但为了干法排灰 一般低于煤的灰熔点 而气化炉出口处 粗煤气的温度一般已降到300 400 C左右 煤气的显热较低 一般不作余热回收要求 第五节典型的气化工艺 常压移动床煤气发生炉实际应用中主要问题 由于以空气为气化剂 所以其煤气中N2的比例较高 一般在50 60 因此煤气的热值较低 常压移动床以弱粘结性的块煤为燃料 在炉内停留时间较长 虽然其碳转化率较高 但反应速度较慢 炉内温度和气化强度都较低 因此单炉生产能力较差 生成的粗煤气在离开气化炉之前经过干馏层 使得其含有一定量的干馏产物和煤粉杂质 给后续的煤气净化和加工造成不便 第五节典型的气化工艺 1 常压固定床 移动床气化工艺常压移动床水煤气气化 为了提高煤气的热值 减少煤气中的N2和CO2的含量 可采用水煤气气化法 所谓水煤气是指水蒸气与炽热的碳反应而生成的煤气 由于这种煤气燃烧时火焰呈蓝色 故又称蓝 水 煤气 水煤气发生炉与混合煤气发生炉的结构相近 其主要差别在于水煤气发生炉必须采用干法排灰 且为间歇式操作 另外 水煤气生产主要以无粘结性的焦炭和无烟煤为原料 第五节典型的气化工艺 常压移动床水煤气气化反应原理 由于上述反应均为吸热反应 为了在气化过程中维持适当的反应温度 需要采用间接供热的方式给气化过程提供反应热 具体有 外部加热法 热载体循环法 氧和水蒸气连续气化法和间歇送风蓄热法 第五节典型的气化工艺 常压移动床水煤气间歇气化过程 第一阶段 先向气化炉鼓入空气并燃烧部分原料 加热炉膛和剩余燃料 积蓄下一步气化反应所需的热量 并放出含有CO2的 吹风气 当热量继续到一定程度时 停止鼓风 并将 吹风气 放空 以免影响水煤气的组成 该阶段称为吹风阶段 第二阶段 将水蒸气送入气化炉内 与炽热的碳发生反应 生成以H2和CO为主的水煤气 称为制气阶段 当炉膛温度低到不利用于水煤气反应的时候 停止送入水蒸气 重新进入鼓风阶段 如此两个阶段周期循环就构成了水煤气的制造工艺 第五节典型的气化工艺 1 常压固定床 移动床气化工艺常压移动床水煤气气化 在我国水煤气气化技术主要用于化肥行业 部分用于民用煤气 也分为一段炉和两段炉两类 使用无烟块煤 或型煤 焦炭为气化原料 目前我国中小化肥厂大多采用这种水煤气制气工艺 产量约占中国合成氨产量的60 第五节典型的气化工艺 空气无烟煤蒸气 造气 除尘 脱硫 变换 加压 脱CO 脱CO2 合成 合成氨 1 常压固定床 移动床气化工艺两段式移动床气化工艺 所谓两段式气化炉 就是在一般单段气化炉上增设一个干馏段 从而将煤的低温干馏和完全气化集中在一起连续进行 它既吸收了煤干馏时产生热值较高的干馏煤气的特点 又吸收了煤完全气化时产生数量较多的气化煤气的特点 因而可以生产出热值较高 数量较多的产品煤气 与单段气化炉类似 两段式气化炉也分为发生炉型两段炉和水煤气型两段炉 第五节典型的气化工艺 第五节典型的气化工艺 图7 1 1 常压固定床 移动床气化工艺两段式发生炉气化工艺 发生炉型两段炉该炉实际上就是在混合煤气发生炉上增设一个干馏段 下部气化段产生的煤气 一部分从气化炉中部煤气出口引出 另一部分则通过干馏段煤料从气化炉顶部导出 煤料先在干馏段内经过低温干馏变为半焦 然后进入气化段被完全气化 下面图为发生炉型两段炉的结构图 第五节典型的气化工艺 图7 2发生炉型两段炉的结构图 1 常压固定床 移动床气化工艺两段式发生炉气化工艺 水煤气型两段炉该炉实际上就是在水煤气炉上增设一个干馏段 亦采用间歇式循环操作 下面图为水煤气型两段炉的结构图 第五节典型的气化工艺 图7 3水煤气型两段炉的结构图 1 常压固定床 移动床气化工艺两段式发生炉气化工艺 两段式发生炉气化工艺的优缺点原料煤种适应性广 可气化长焰煤 不粘煤及弱粘煤等年轻的高挥发分烟煤 即不与焦炭生产争原料 也不与小化肥行业争优质无烟煤 炉顶煤气出口温度低 不仅降低了煤气冷却系统的负荷 而且使煤气化过程的热效率有所提高 第五节典型的气化工艺 1 常压固定床 移动床气化工艺两段式发生炉气化工艺 两段式发生炉气化工艺的优缺点低温干馏产生的焦油由于未发生裂解 因而质量较好 产品煤气的热值较高 且可根据实际需要同时生产两种组成和热值的产品煤气 其主要缺点是 气化炉结构复杂 施工难度较大 投资较高 再就是炉身较高 不仅增加了制气厂房的高度 同时也增加了料层的阻力 第五节典型的气化工艺 2 加压移动床气化工艺概念 加压移动床气化法就是指以移动床的形式 在高于大气压力的条件下进行气化 通常压力在1 0 2 0MPa 或更高压力下进行 加压的目的 升高压力有利于可燃气体CH4的生成 从而提高煤气的热值 加压气化的原理 加压气化的基本原理除了一般常压气化时发生的碳燃烧 CO2还原 水煤气反应和水煤气平衡反应外 主要还发生一系列甲烷生成反应 而这些反应在常压下是需要催化剂参与才能发生的 第五节典型的气化工艺 2 加压移动床气化工艺加压气化的原理 甲烷生成反应如下加压移动床气化主要特点 由于有H2O CO2和C进行了大量的反应 不断生成H2和CO 同时该反应吸热使环境温度降低 为甲烷生成也创造了条件 随着C加H2反应及CO和H2的合成反应的进行 甲烷的量不断增加 形成了厚厚的甲烷层 占整个料层近1 3 第五节典型的气化工艺 第五节典型的气化工艺 干燥层 干馏层 甲烷层 还原层 氧化层 灰渣层 加压移动床气化炉区域分布情况 2 加压移动床气化工艺加压移动床气化主要特点 与此同时 在加压的条件其它反应也受到了不同的影响 a 由于主要的氧化反应C O2CO2和水煤气平衡反应 CO H2OCO2 H2的反应前后体积不变 因此增压对其化学平衡无影响 但加快了反应速度 b 而水煤气生成反应C H2OCO H2和CO2还原反应C CO22CO则是体积增大反应 因此压力提高该化学平衡将向左移 因此加压气化生成的煤气中 CO2含量高 CO和H2少 水蒸气耗量大 第五节典型的气化工艺 3 加压固定床鲁奇 Lurqi 气化炉鲁奇 Lurqi 加压气化炉是最典型和最成熟的移动床气化炉 气化过程与常压固定床相似 所不同的是加压气化为甲烷化反应在气化炉内进行创造了条件 即气化炉内自下而上分为6层 灰渣层 氧化层 还原层 甲烷层 干馏层和干燥层 该工艺通常在1 0 2 0MPa或更高的压力下进行 以无粘结性或低粘结性的块煤或焦炭为原料 以氧气 水蒸气为气化剂 连续操作 第五节典型的气化工艺 图7 4 二 流化床气化工艺流化床气化工艺以 10mm的细粒煤为原料 同时作为流化介质的气化剂经底部布风板进入流化床气化炉并向上通过煤料层 通过调节气化剂的流速 可使煤料全部处于流化状态 并同时进行气化反应和热交换 产生的煤气夹带着大量的固体细颗粒从炉顶离开气化炉 部分密度增大后的渣粒由炉底排灰机构排出气化炉 煤种适应性强 包括褐煤 低变质程度的烟煤 如长焰煤 弱粘煤和不粘煤等 生产能力是固定床的4倍 煤气的主要成分是CO和H2 第五节典型的气化工艺 二 流化床气化工艺 1 常压流化床气化技术最早在德国投产使用的常压温克勒 Winkler 煤气化工艺 主要用于甲醇和合成氨生产 但该工艺存在碳转化率低 气化强度不高够等问题 在上世纪60年代后国外就很少再新建厂了 如图7 3所示 2 加压流化床气化技术为了改善气化性能 世界各国开发了许多新型气化炉 如HTW 高温温克乐气化炉 U Gas气化炉和KRW气化炉 循环流化床气化炉 间歇式流化床水煤气炉等 其中前三种最为典型 它们都是加压流化床气化炉 第五节典型的气化工艺 图7 5温克勒气化炉 图7 6高温温克乐气化炉结构图 图7 7灰熔聚流化床U Gas气化炉结构图 三 气流床气化工艺气流床气化强度大 对煤种的适应性广 生产效率高 碳转化率达99 以上 采用氧 富氧 空气或水蒸气作为气化剂 煤气的主要成分是CO H2 CO2和水蒸气 目前国际上开发出的气流床气化工艺主要包括 干法加料的K T Shell Koppers Shell和水煤浆加料的Texaco Destec等 第五节典型的气化工艺 三 气流床气化工艺概念 气流床气化法是用极细粒的粉煤为原料 被氧气和水蒸气组成的气化剂高速气流携带进入气化炉气化的方法 在气化炉内 细颗粒粉煤分散悬浮于高速气流中 并随之并行流动 这种状态称为气流床 气流床气化的特点 1 煤种适应性强 2 由于煤粉在气化炉内停留时间短 为了提高反应速度 常采用纯氧或水蒸气作为气化剂 3 由于高温下不利于CH4的生成 所以气流床气化煤气中 主要成分为CO 58 62 其次为H2和CO2 4 在气流床的高温下 粉煤的干馏产物全部分解 粗煤气中不含焦油 酚和烃类液体等 其主要杂质是H2S和少量的COS 有利于简化后续的净化操作 第五节典型的气化工艺 三 气流床气化工艺德士古 Texaco 气化炉德士古 Texaco 气化炉是最典型的水煤浆进料的加压气流床气化炉 是由美国德士古 Texaco 石油公司在以重油和天然气为原料制造合成气的德士古工艺基础上开发的 随着耐高温抗熔渣耐火材料和高浓度水煤浆植被技术的成熟 已经可采用水煤浆湿式直接供料 广泛应用于化工和电力生产中 是比K T气化炉更为先进和成熟的第二气流床气化炉 第五节典型的气化工艺 图7 8 三 气流床气化工艺德士古 Texaco 气化炉工艺过程 原料煤经湿磨破碎后 与水或油混合制成高浓度水煤浆 60 65 以液力输送的方式进入煤浆槽 然后经高压煤浆泵送入气化炉燃烧器 德士古气化炉分为上下两个部分 气化部分和冷却部分 水煤浆和气化剂 氧气 从炉顶的燃烧器高速连续地喷入部分氧化室 炉内温度达1300 1500 C 气化压力为4 3 4 8MPa 水煤浆和气化剂在其中迅速发生反应 第五节典型的气化工艺 四 煤炭的地下气化法 1 概念煤的地下气化是指直接向地下煤层中注入气化剂而使煤在地下转变成煤气后再将其排上地面加以利用的煤气化过程 它将煤的开采与气化集中为一个过程 将地下煤层中所含的有效能量以最清洁的方式输出地面 而将残渣等废物留在地下 从而大大减轻了煤炭开采与地上气化过程造成的环境污染 第五节典型的气化工艺 2 底下气化原理如下图所示 在钻孔1底部点火后 由钻孔1通入气化剂 则在钻孔1底部形成一个燃烧区 其燃烧层面称为火焰工作面 产生的高温气体沿通道3向前渗透 同时把携带的热量传给周围的煤层 从而在气化通道中相继形成燃烧区 还原区 干馏区 和干燥区 气化产生的煤气从钻孔2导出地面 第五节典型的气化工艺 第五节典型的气化工艺 图7 9 2 底下气化原理随着煤层的燃烧与气化 火焰工作面不断向前 向上推进 下方的析空区逐渐被烧剩的灰渣和顶板跨落的岩石所充填 同时 块煤也可能下落到析空区 而形成一个反应性较高的块煤区 这样 气化区逐渐扩及到整个气化盘区4 并以很宽的气化前沿向钻孔2推进 第五节典型的气化工艺 3 底下气化方法地下气化一般分为有井式和无井式两类 有井式目前基本上不再采用 无井式地下气化工程量小 只需通过钻孔和贯通两个主要环节便可完成地下气化的准备工作 钻孔的目的是为了将气化过程引入地下煤层 而贯通则是为了在两钻孔底部沿煤层开辟一个气化通道 从而使气化过程在地下煤层中得以顺利进行 第五节典型的气化工艺 4 底下气化的影响因素煤的地下气化既与煤种和煤质有关 也受煤层情况和地质条件的影响 无烟煤一般不适宜地下气化 而褐煤则适合地下气化 煤层中存在适量的地下水有利于气化过程中发生水煤气反应 从而提高煤气的热值 煤层顶板和底板岩石的性质和结构对地下气化有重要影响 要求周围的岩石能完全覆盖气化煤层 经济合理的地下煤层厚度为1 5 3 5m 煤层倾角在35 C左右时 最有利于地下气化 第五节典型的气化工艺 气化炉出来的粗煤气 其组成成分与煤种 气化剂 气化方法和气化炉的操作条件等都有关系 粗煤气成分包括 1 可燃组分 H2 CO CH4等 2 不可燃组分 H2O N2 CO2 粉尘 酚类 氨类以及硫 氮和稀有金属化合物等杂质 为此 对粗煤气要先进行冷却降温 再进行除尘和脱除酸性气体等净化处理 第六节煤气的净化和加工 由于不同的用途对气化煤气组分的要求是不同的 因此在实际煤气生产中 还要通过一系列的后期加工来调整煤气组分 以满足不同的使用需要 常见的工艺有CO变换和甲烷化工艺 煤气的除尘包括脱除粗煤气中固体颗粒和液滴的过程 一般多是物理方法 包括旋风分离法 湿式洗涤法和静电除尘法 由于粗煤气含有焦油 因此不适宜采用过滤法 第六节煤气的净化和加工 由于除尘技术在烟气净化中已经介绍过 所以本章在粗煤气净化和提质系统中将主要介绍脱出酸性气体 CO变换和煤气甲烷化工艺的基本原理和技术 一 脱出酸性气体粗煤气中的酸性气体主要是指硫化物和CO2 其中硫化物又以H2S和羰基硫COS为主 第六节煤气的净化和加工 一 脱出酸性气体粗煤气中脱除酸性气体方法分为干法和湿法两类 干法工艺采用固体吸收剂或吸附剂 主要有氧化铁法 氧化锌法和活性炭法 其特点 脱除效率高 工艺简单