炼油分部煤制氢项目工程实习报告.doc

学号： 08033160245 毕业论文茂石化炼油分部煤制氢项目工程实习报告目录煤制氢工程实习报告前言中国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消耗总量的11%。在中国的能源矿产中，煤炭的资源较为丰富，石油和天然气资源相对较少，以煤为主的能源结构将长期存在。中国这种资源状况，决定了在解决能源方面的问题时，要从煤入手。解决由化石能源的开采利用带来的环境问题的出路之一氢，在很长的一段时间在中国还要从煤制得。这是中国的能源国情决定的。石油化工产业市场浮动收益受到原油价格的影响较大。近几年煤炭价格波动幅度较小，而波动幅度更大的是石油价格。由于石油的成本的费用对项目的经济效益影响比较大，国内的很多石油化工行业都上马了煤化工的项目，从而降低生产成本，提高生产的效益。而氢又是石油化工必不可少的，除用于加氢裂化外,还广泛用于加氢精制,以脱除油品中存在的含氧、硫、氮等杂质，并使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，以提高油品的质量。在煤化工中用于煤加氢液化制取液体燃料。从经济性方面考虑，煤制氢项目的上马是有必要的。我国的许多化工行业当中，像齐鲁二化，南京化工，金陵化工等国内的化工企业都上了煤制氢装置，茂石化也在筹划煤制氢项目。 目前, 煤气化制氢技术在我国的发展存在以下问题:1、采用的煤气化工艺绝大多数已经比较落后,煤气化效率较低。2、煤气化过程的环保设施不健全, 产生的污染物绝大多数是无控或少控排放。3、很少采用大型先进煤气化技术, 规模较小，经济效益较差。4、主要以块煤或焦炭为气化原料, 原料煤种及煤质的适应范围较窄等。煤气化制氢技术在中国虽然已有较好的应用基础, 但目前存在的工艺落后、效率较低、污染严重及经济效益较差等问题亟待解决。在目前的国情条件下, 中国需要在对现有工艺进行必要的技术改造的同时, 积极发展更加先进的煤气化制氢技术。大型先进煤气化技术的发展需要通过广泛的国际合作引进国外的关键技术、设备及材料,借助国外的经验、力量及资金, 以力争取得事半功倍的效果。一、煤制氢概括1.1水煤制浆总体工艺概括一、原料煤储运单元作用：储存煤并为气化磨煤单元输送原料煤主要设备：卸煤机、震动给料机、带式输送机、除尘器、除铁器、破碎机二、气化单元作用：（1）磨煤制浆系统（将煤磨碎制成一定浓度的水煤浆）（2）气化系统（水煤浆在气化炉反应合成以CO和H2 为主要成分的合成气）（3）渣水处理系统（渣和水分离，水的净化处理）主要设备：称量给料机、磨煤机、高压煤浆泵、气化炉（烧嘴、激冷环）、破渣机、激冷水泵、捞渣机、渣池、闪蒸灌、除氧器、沉降槽三、净化单元作用：（1）变换系统（CO+H2O=H2+CO2）（2）低温甲醇洗系统（脱硫、脱碳、脱氨）（3）甲烷化系统（脱除剩余的H2S，并将未除去的CO、CO2 通过加氢反应变成CH4 ）主要设备：变换炉、废热锅炉、丙烯冰机、往复压缩机、绕管式换热器等。 1.2水煤制浆总体工艺原理框图 原料煤储运单元气化单元净化单元磨煤制浆系统气化系统渣水处理系统变化系统低温甲醇洗系统甲烷化系统将煤磨碎制成一定浓度的水煤浆脱硫、脱碳、脱氨水煤浆在气化炉反应合成以CO和H2 为主要成分的合成气）渣和水分离，水的净化处理脱除剩余的H2S，并将未除去的CO、CO2 通过加氢反应变成CH4产品氢CO+H2O=H2+CO22 二、工艺过程2.1 原料煤储运单元 概述：原料储运单元实现原料煤/石油焦的卸车、储存及送至磨煤厂房原料储斗，过程并进行原料煤的除铁、除尘及破碎（颗粒度19mm)任务。2.1.1煤的形成过程、主要组成分类和作用煤是由残骸经过复杂的生物化学和物理化学转变而来，这个过程也称成煤过程。包含两个过程：泥炭化作用和煤化作用。在第一阶段，通过分解倾倒，最后形成泥炭或腐泥，也叫泥炭化过程。在第二阶段，通过成岩作用，形成褐煤；褐煤再经过变质作用，为烟煤和无烟煤。在烟煤向无烟煤过渡的过程中还会形成长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤等。随着变质程度的加深，煤的碳含量越来越高，氧含量减少，腐殖酸在烟煤中已不存在。植物泥炭煤褐煤烟煤、无烟煤变质作用成岩作用泥炭化煤化作用2.1.2煤的主要组成u 煤的元素组成，是指组成煤的有机质的一些主要元素，即碳C、氢H、氧O、氮N、硫S等5个元素。u 碳是煤中重要的组成元素之一，组成煤碳的大分子骨架。碳和氢是煤在燃烧过程中产生热量的重要元素。u 煤中的氮元素在煤热加工过程中转化成N2、NH3、HCN及其他一些含氮化合物逸出。u 煤中的硫以无机硫、有机硫和微量的元素硫形式存在。在煤的热加工过程中，生成含硫化合物，腐蚀设备、污染环境、毒害工艺催化剂。2.1.3气化用煤的主要分类和特性 1）无烟煤。气化时不黏结，不产生焦油。所提煤气只含少量的甲烷，不饱和烃含量极低，但热值低。其中无烟煤一号主产地含广东梅县。含碳量最高（高于93%）。2）烟煤。气化时黏结，且产生焦油，煤气中的不饱和烃较多，净化系统复杂，热值高。分为长焰煤、气煤、气肥煤、肥煤、1、3 焦煤、焦煤、1、2 中黏煤、弱黏煤、不黏煤、贫瘦煤、贫煤十二个类别。其中长焰煤、不黏煤和弱黏煤在一定条件下可作为气化用煤。 中国的烟煤主要分布在北方各省，华北地区的储量约占全国总储量的60%以上。碳含量75%90%。3）褐煤。褐煤是变质程度较低的煤，含有较高的内在水分和数量不等的腐殖酸。气化时不黏结但产生焦油。挥发分高，加热时不软化，不熔融。4）泥炭煤。挥发分产率近 70%，气化时不黏结，但产生焦油和脂肪酸。生成的煤气含有大量的甲烷和不饱和烃。气化用煤的要求中石化水煤浆气化工艺用原料煤采购质量控制指标：表1 原料煤质量控制指标 序号项目单位合格范围1全水份Mt%（wt）162内水%（wt）103灰分Aad%（wt）124挥发份Vad%（wt）265低位发热量Qnet,arMJ/Kg216总硫St,ad%（wt）0.55.07灰熔点FT%（wt）1100-13008可磨指数HGI509氯Clppm（wt）1601、水根据水在煤里面的存在形态，将煤中水份分为外在水、内在水、以及同煤中矿物质结合的结晶水、化合水。 外在水是煤粒表面的水分，来源于机械采煤的喷水，露天放置或运输中的雨水，防止自然飞灰的洒水。 煤的外在水对德士古煤气化没有影响，但外在水高会增加运输费用。外在水分不稳定易造成煤浆浓度波动，外在水突然增大，煤浆浓度降低，气化效率降低；外在水突然减少，煤浆浓度升高，粘度增大，滚筒筛通不过，引起煤浆外溢，造成原料浪费及污染环境。外在水的高低与采煤、贮存、运输方式有关，通过人的努力是可以改变的。因此应尽量降低外在水含量，以节省开支且方便操作。 内在水是指吸附和凝聚在煤颗粒内部的毛细管中的水，在常温下这部分水不能失去，只有加热到一定温度时，才能失去。 煤的内在水高，同样会增加运输费用。更重要的是，内在水是影响成浆性能的关键因素，内在水越高，成浆性能越差，流动性愈不好。为了保证工业上泵输送所要求的低粘度，制备的煤浆浓度就低。2、灰分 煤的灰份是指煤中所有可燃物质完全反应后，其中的矿物质在高温下分解、化合所形成的惰性残渣，是金属和非金属的氧化物和盐类（碳酸盐、硅铝酸盐、硫酸盐等）的混合体。煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO，占煤灰份成分的95%以上。煤的灰分越高，有效碳的含量越低。灰分对气化装置的影响：（1）消耗（能耗、物耗）（2）对设备、管道等的磨蚀（3）对渣系统处理影响（捞渣机、真空抽滤机）（4）对气化炉耐火砖的影响（5）灰分对灰熔点的影响（灰熔点决定气化炉炉温）3、挥发分 煤中挥发分高 ,有利于气化 ,碳转化率高。但是挥发分高的煤种 ,当其水含量高时 ,贮存时间长容易自燃 ,给工厂贮煤带来困难。挥发分的主要成分为甲烷、氢及其他碳氢化合物等 。4、低位发热量 煤的发热值是指1kg煤在完全燃烧时所放出的热量。产物中的水分以液态形式存在时称高发热值，以气态形式存在称低发热值。热值是煤的主要指标，煤的热值高，每千克煤产有效气量就大，要产相同数量的有效气，耗煤量低，因此要选择高热值的煤种。5、总硫 煤中的硫会转化到合成气和工艺水中，分别加大低温甲醇洗单元的负荷和工艺水处理（汽提塔）。6、氯Cl 合成气中若有氯 ,对于设备和管道都会造成腐蚀 ,特别是对于不锈钢材质。7、灰熔点 煤灰熔融性是指煤灰在加热状态下达到熔融状态的温度，习惯上叫灰熔点，由于煤灰是一种多组分的混合物，它没有一个固定的熔点，而只有一个熔融的温度范围。对装置的影响：（1）对气化炉炉砖的影响（2）对氧耗的影响（3）对助熔剂用量的影响8、可磨性指数 煤的可磨性又称煤的粉碎性，是指煤磨碎成粉的难易程度和煤的耐磨性。指数越大，表明煤越易磨碎。 HGI值越大，说明在消耗一定能量的条件下，相同量规定粒度的煤样磨制成粉的细度越细，或者说对相同量规定粒度的煤样磨制成相同细度时所消耗的能量越少。 （入煤仓的煤的粒度要求是19mm）2.1.4原料煤储运的流程1、原料煤卸车、存储系统 原料煤（火车）原料煤采样 ; 螺旋卸车 锥槽卸煤沟 叶轮给煤机 ; 1#、2#带式输送机 ; 1#除铁器 ; 3#带式输送机 ; 1#电子皮带秤 ; 1#卸料小车 原料煤场2、煤输送系统（1）上煤斗 原料煤厂1#3#抓斗桥式起重机 (2) 煤储斗手动插板阀 ; 振动给料机 ; 4#11#带式输送机; 2#永磁除铁器; 12#带式输送机; 四齿辊破碎机; 13#14#带式输送机 ; 3#永磁除铁器; 电动三通阀; 2#电子皮带秤 、15#带式输送机 、1#2#电液动犁式卸料器 煤储运的储运流程如下图：2.2气化单元2.2.1煤气化工艺概况1、气化技术按反应器形式煤气化技术有： 移动床（块煤） 流化床（碎煤） 气流床（粉煤、水煤浆）选择气流床的原因：单炉容量、技术的成熟程度、运行可靠性、变负荷能力、煤种适应性。气流床气化的主要特点 煤种适应性强。 由于反应物在炉内停留时间短暂，随煤气夹带出炉的飞灰中含有未反应完的炭，采取循环回炉的方法可以提高碳转化率。 由于粉煤在气化炉内停留时间极短，为了完成反应必须维持很高的反应温度。 出炉煤气的组分以CO、H2、CO2、H2O为主，CH4含量很低，热值并不高。 出炉煤气温度很高，热损失大，可用废热锅炉回收热量，提高热效率。2、煤气化工艺： 干粉煤气化工艺（受进料方式影响气化压力较低，设备投资高、能耗高，安全操作性能低，气化炉结构复杂加工制造难度大，代表有Shell干粉）Shell：安庆石化 水煤浆气化工艺（技术成熟，国内运用多，代表有GE-Texaco）GE-Texaco：国内运用大约有31家，2010年新上15套。根据实际情况的需要和经济方面的分析，采用了水煤浆气化工艺。3、水煤浆气化工艺： 直接激冷方式的气化炉（激冷流程）特点：流程简单，易于控制，但物理显热回收利用率低。 全热能回收式气化炉（废锅流程）特点：能充分回收利用高温合成气的显热；但一次性投资大，废锅易结垢，流程复杂操作难控制。直接激冷方式的气化炉（激冷流程） 如上图，采用的是直接激冷方式气化工艺。2.2.2水煤浆液态排渣激冷技术（一）气化用煤的性质煤和氧气在一起会有哪些反应？（条件：1400左右，6.5MPa）1、发生这些反应能推出煤的主要组成：C、H、O一次反应： 二次反应：C+ O2CO2+ Q C+ CO22CO-QC+H2O CO+H2-Q 2CO + O22CO2+QC+1/2O2CO+ Q CO+ H2OH2 + CO2+QC+2H2OCO2+2H2 Q CO+3H2CH4+H2O+QC+2H2CH4+Q 3C+2H2OCH4+2CO-QH2 + 1/2O2H2O+Q 2C+2H2OCH4+CO2-Q2、煤的主要分类（1）泥炭煤（2）褐煤（3）烟煤（4）无烟煤煤质以泥炭煤最差，无烟煤为最好3、煤质对气化的影响（1）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，表明了煤中矿物质含量的大小。灰分主要成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO。煤中灰分高，不仅增加了运输的费用，而且对气化过程有许多不利的影响。（2）灰熔点，煤灰熔融性是指煤灰在加热状态下达到熔融状态的温度，习惯上叫灰熔点，由于煤灰是一种多组分的混合物，它没有一个固定的熔点，而只有一个熔融的温度范围。（3）热值，发热量即热值，是煤的主要性能指标之一，其值与煤的可燃组分有关，热值越高每千克煤产有效气量就越大，要产相同数量的有效气煤耗量就越低。（煤热值高，有利于获得较低的氧耗和煤耗）。4、气化炉操作参数及主要评价指标操作参数（1）煤浆浓度（2）氧煤比（3）气化反应温度（4）气化压力主要评价指标煤气化过程经济性的主要评价指标有气化强度、单炉生产能力、气化效率、热效率、比煤耗、比氧耗等。 所谓气化强度，即单位时间、单位气化炉截面积上处理的原料煤质量或产生的煤气量。 气化炉单台生产能力是指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量。 所谓的气化效率是指所制得的煤气热值和所使用的燃料热值之比；气化效率侧重于评价能量的转移程度，即煤中的能量有多少转移到煤气中 。 热效率则侧重于反映能量的利用程度 比煤耗=单位时间内消耗的干煤量/单位时间生产（CO+H2）量，单位kg/km3(标态) 比氧耗=单位时间内消耗的氧气量/单位时间生产（CO+H2）量，单位m3(标态)/km3(标态)2.3气化单元的组成气化单元包括三个部分：磨煤制浆系统、气化系统、渣水处理系统。2.3.1磨煤制浆系统（1）磨煤制浆系统主要物料：1、原料煤（焦）2、水（新鲜水、抽滤机滤液等）3、 PH值调节剂4、助熔剂（主要是石灰石CaCO3）5、水煤浆添加剂（2）磨煤制浆系统主要物料的性质及作用1、原料煤（焦）2、水（新鲜水、抽滤机滤液等）3、PH值调节剂PH值一般在014之间，当它为7时溶液呈中性，小于7时呈酸性，值越小，酸性越强；大于7时呈碱性，值越大，碱性越强。 一般要求水煤浆的PH值在79之间，制备的时候通过计量泵加入浓度为40%的氢氧化钠（NaOH）溶液，来调节水煤浆的PH值大小。4、助熔剂（主要是石灰石CaCO3）助熔剂：一般指能降低其物质的软化、熔化或液化温度的物质。 添加助熔剂的主要目的：是为了降低灰熔点、增加灰渣流动性，进而降低气化温度，利于气化炉操作。操作时添加量注意事项：（1）少了，起不到降低灰熔点的目的、浪费资源、也不利于操作；（2）多了，灰熔点会升高同时会增强灰渣黏度，不利于气化炉挂渣，甚至引起气化炉结垢。总之助熔剂添加过多比添加少会带来更加糟糕的结果。 5、水煤浆添加剂高质量水煤浆的要求是：浓度高、稳定性好、流变性好、粘度低。影响水煤浆质量的因素主要有煤质、煤的粒度分布及水煤浆添加剂。然而，原料煤属疏水性物质，又是颗粒悬浮体，即使易制浆煤种并具有高堆积的颗粒分布，无化学添加剂也不可能制成希望的高质量水煤浆。水煤浆添加剂的主要作用：（1）改变煤颗粒的表面性质，促使颗粒在水中分散，使水煤浆有良好的流变特性和稳定性。（2）借助水煤浆添加剂调节水煤浆的PH值，消除有害因素(如气泡、有害成分等) 。水煤浆添加剂的分类：目前，国内外使用的水煤浆添加剂主要分为分散剂和稳定剂两类。分散剂主要是阴离子型和非离子型表面活性剂，很少用阳离子表面活性剂；稳定剂主要是天然和人工合成的高分子聚合物。（1）阴离子型水煤浆分散剂分类：聚烯烃系列、丙烯酸系列、萘磺酸系列、木质素磺酸盐（造纸废液改性物）分散剂主要作用是改变煤表面的亲水性，降低煤水界面张力，使煤粒充分润湿和均匀分散在少量水中。（2）稳定剂：大多数是有机糖类高分子聚合物。稳定剂的作用：使水煤浆具有剪切变稀特性，同时使煤颗粒稳定悬浮在水中，不发生硬沉淀。（3）、原料煤对水煤浆质量的影响（1）煤的变质程度 从元素分析C（碳）、O（氧）、H（氢）、N（氮），O/C比（煤中氧原子和碳原子比）对成浆性影响最大，O/C比增大，成浆性变差。煤中O/C比反映含氧官能团的多少，含氧官能团羰基C=0、羟基OH，羧基COOH等，随着煤的变质程度加强，煤中O/C比，极性官能团减少，成浆性变好。 因为极性官能团越高，煤表面的亲水性和电性也越高，在煤表面吸附大量的水分子，形成坚固的水化膜，减小了自由流动水量，另外，煤表面带负电，极性官能团含量越高，基表面电性就越强，从而削弱了煤表面对阴离子型添加剂的吸附，因而成浆性差。低变质程度的烟煤比高变质程度的烟煤成浆性差。2、煤的内水 煤表面的孔隙特性表明，煤表面有一定的孔分布，而这些小孔正是吸附一些水，称其为内在水。 内在水，它是煤表面的极性和孔隙度的综合体现，这些水分分布在煤的内表面，当水煤浆的浓度相同时，就要减少起流动介质的水，使粒度升高，因此，煤的内在水越高，其成浆性越差。 煤的孔隙是由不同孔径的孔分布而成，对成浆性影响的是水能进入其中的孔。煤的比表面积反映煤孔隙度的大小，高比表面积的煤，增加添加剂的消耗量。3、可磨指数（HGI） 可磨指数直接反映磨矿的难易程度，可磨性好的煤实际上可以得到更多的微细颗粒，因而提高了堆积效率，易制得高浓度的水煤浆。 低变质程度强极性的褐煤，难以制得出高浓度低粘度的水煤浆，但由于它的强极性，在水中能稳定存在。 高变质程度的无烟煤，疏水性强，虽然能制备出高浓度低粘度水煤浆，但稳定性较差。2.3.2气化系统（1）、气化反应系统的主要物流1、氧气2、水煤浆（原料煤）3、合成气4、激冷水、灰水、高压工艺冷凝液、黑水5、渣物流的性质及其作用：1、氧气的性质及作用物理性质：在标准状况下，氧气的密度是1.429gl，比空气的密度（1.293gl）略大。它不易溶于水，无色无味，在室温下，1L水中只能溶解于约30mL氧气。在压强为101kPa时，氧气在-183时变为蓝色液体，在-218时会变成淡蓝色雪花状的固体。化学性质：氧气的化学性质比较活泼。除了惰性气体、活性小的金属元素如金、铂、银、钯之外，大部分的元素都能与氧起反应，这些反应称为氧化反应，而反应产生的化合物称为氧化物。一般而言，非金属氧化物的水溶液呈酸性，而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。此外，几乎所有的有机化合物，可在氧中剧烈燃烧生成二氧化碳与水。 氧是生物赖以生存的物质。它在工业生产中应用很广。乙炔氧焰用于金属的焊接和切割; 在冶金工业中, 氧被用于钢铁熔炼、轧钢和有色金属冶炼。在医疗和深水作业中都大量用到氧。工业纯氧的来源现代化工业都采用深冷分离法制取氧气。按其生产工艺中压缩空气的压力分为：高压流程、中压流程、双压流程及全低压流程4种。虽然各种流程采用的空气分离设备(制氧机)有所不同，但制氧过程大致包括6 个阶段：空气净化；空气压缩；压缩空气中二氧化碳和水蒸气的清除；空气液化；精馏分离成氧和氮；产品的储存和运输。6.5MPa(G)气化炉所用的原料氧气来自空分装置，纯度99.6%，压力8.08.5MPa(G)，温度10。2、水煤浆水煤浆控制指标：浓度、粘度、粒度分布水煤浆质量主要控制指标 项 目单 位指 标煤浆浓度%5864煤浆粘度CP（mPa.S）8001200煤浆粒度（2360微米）8目通过率100% （1180微米）14目通过率98% （380微米）40目通过率8595%（75微米）200目通过率3545%（45微米）325目通过率2535%3、合成气是以CO和H2为有效气体（主要气体成分），还包含有CO2，CH4，H2S等。气化室的粗合成气，沿下降管进入激冷室水浴水洗后通过上升管出气化炉；在气化炉出口通过注入一股高压工艺冷凝液以防粗合成气带的灰渣堵塞合成气管道同时起到润湿作用；在文丘里洗涤器里注入一定量的激冷水对粗合成气充分润湿，然后进入洗涤塔水浴中，粗合成气再次洗涤后通过洗涤塔的除沫器除沫后去到下一单元（净化单元）。4、激冷水、高压工艺冷凝液、灰水、黑水激冷水洗涤塔上层水经过激冷水泵加压后送到气化炉激冷环，然后在下降管形成一层水膜，以保护下降管不被高温合成气烧坏，在气化炉形成一定的液位洗涤合成气。高压工艺冷凝液变换单元第一分水罐冷凝液，所含杂质少，用于冲洗洗涤塔塔板和气化炉合成气出口。5、渣 气化炉产生的渣通常是原料煤/焦中不可燃烧的灰分和未完全转化的炭。依据其产生的形态及工艺流程可分为：粗渣和细渣。（1）粗渣（2）细渣气化系统相关原理及作用1、气化炉合成气出口喷淋洗涤的作用： 防止合成气夹带的细灰在出口管线沉积，堵塞管线；初次润湿、洗涤合成气。2、文丘里洗涤器作用： 文丘里洗涤器主要由喷管、喷头、喉管、扩散器等组成，其作用是充分润湿合成气中夹带的尘粒，以便在洗涤塔中被除去。3、洗涤塔的作用： 提供水浴和足够的气液分离空间，利用四块塔板的气液相传质作用，使合成气中的固体颗粒分离出来，起到洗气的作用，同时可以进一步降低合成气温度，保证合成气中的水气比能满足后工序的生产要求。（水气比的控制）4、除氧槽除氧槽的主要作用： 除去水中的氧气和其他不凝结气体，防止热力设备腐蚀和传热恶化。水溶解杂质气体的危害： （1）腐蚀热力设备及管道。水中溶解的氧气会对金属材料产生腐蚀；二氧化碳会加快氧腐蚀。（2）阻碍传热。不凝结气体附在传热面上，以及氧化物沉积形成的盐垢会增大传热热阻。5、气化反应原理气化反应采用GE水煤浆气化技术，该过程属于气流床并流反应，水煤浆和纯氧一起通过喷嘴高速喷出，并流混合雾化，在压力6.5 MPa(G)、温度1400左右的条件下，在气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应。 水煤浆气化反应是一个复杂的物理和化学反应过程，水煤浆和氧气喷入气化炉后瞬间（57秒）经历水煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残碳燃烧气化和气体间的化学反应等过程，最终生成以CO、H2为主要组分的粗合成气，灰渣采用液态排渣。在气化炉内进行的反应相当复杂，一般认为分三步进行：（1）煤的裂解和挥发份的燃烧水煤浆和纯氧进入高温气化炉后，水分迅速蒸发为水蒸汽。煤粉发生热裂解并释放出挥发份。裂解产物及易挥发分在高温、高氧浓度的条件下迅速燃烧，同时煤粉变成煤焦，放出大量的反应热，因此在合成气中不含焦油、酚类和高分子烃类。该过程进行得相当短促。（2）燃烧和气化反应 煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧气发生燃烧反应，生成CO、CO2等气体，放出反应热；另一方面，煤焦又和水蒸汽、CO2等发生气化反应，生成CO、H2。 （3）其他反应 经过前两步反应后，气化炉中的氧气已基本消耗殆尽，这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸汽、CO2发生的气化反应，生成CO和H2。气化炉：气化炉燃烧室分为三个区域，即射流区、管流区、回流区。水煤浆在不同区域分别完成复杂的物理过程和化学过程。（1）射流区主要是蒸发干燥等物理过程和燃烧反应，主要反应产物CO2和H2O。（2）管流区和回流区主要是转化反应，即二次反应，主要反应产物CO和H2。煤和氧气在气化炉主要反应有：C+ O2CO2+ Q C+ CO22CO+Q C+H2O CO+H2-Q CO+ H2OH2 + CO2+QC+1/2O2CO+ Q CO+3H2CH4+H2O+QC+2H2OCO2+2H2 Q 3C+2H2OCH4+2CO-QC+2H2CH4+Q 2C+2H2OCH4+CO2-QH2 + 1/2O2H2O+Q 同时还可能发生以下副反应：COS+H2OH2S+CO2 N2+3H22NH3C+ O2+H2HCOOH N2+H2+2C2HCN通常炉膛平均停留时间57秒，由于各区域发生的反应各不相同，炉膛存在着温度分布，火焰区温度最高，管流区次之，回流区最低。炉膛尺寸一定时，三个区的相对大小与喷嘴结构、尺寸、射流速度密切相关。射流速度大，管流区小；射流速度小，管流区大。回流区与射流速度、炉膛直径、喷嘴尺寸、雾化角大小有关。管流区太小，二次反应不完全，碳转化率降低，粗煤气中甲烷含量上升。气化工艺原理在煤气化过程中，有相当多的反应是可逆过程。特别是在煤的二次气化中，几乎均为可逆反应。在一定条件下，当正反应速度与逆反应速度相等时，化学反应达到化学平衡。 温度的影响温度是影响气化反应过程合成气气产率和化学组成的决定性因素。对于放热反应，一般来说降低反应温度有利于（正）反应的进行。反之，对于吸热反应，升高反应温度有利于（正）反应的进行。 压力的影响在煤气化的一次反应中，所有反应均为增大体积的反应，故增加压力，不利于反应进行。但压力高，反应物浓度增加（单位体积物质量增加），反应速率快，气化炉生产强度大，生产能力提高；另一方面，由于气化炉反应为气体体积增大的反应，加压气化可以节约下游工艺单元合成气或H2压缩机功耗。合成气在线分析：序号气体成分正常工况含量（体积 %）1二氧化碳（CO2）18212氢气（H2）353硫化氢（H2S）4一氧化碳（CO）455甲烷（CH4）10001500（PPm）影响气化反应的因素：1、水煤浆2、灰分3、灰熔点4、煤中的杂质（砷As、氯Cl等 ）5、煤的热值6、煤的挥发分7、煤的灰渣特性8、煤的化学活性1、水煤浆（1）浓度的影响 浓度低的水煤浆水含量高，水煤浆的有效成分减少（煤粉少），蒸发水分所需要的热量增多，这样会降低气化效率，增加煤耗。同时不利于气化炉的满负荷、高负荷运行，即：要达到同样的产气量，煤浆浓度低者要求设备尺寸大，增大了投资。（2）粘度的影响 粘度大的水煤浆，雾化效果差，不利于煤浆的反应，从而影响碳转化率。2、灰分 （1）消耗 灰分是不直接参加气化反应的物质，但却要消耗煤在氧化反应中所产生的反应热，用于灰的熔化。煤中灰分含量高，则有效成分就少，送入气化炉同体积的煤浆，灰分高的煤产气量少，灰渣量大，灰渣中碳含量大，碳转化率低。 在同样反应条件下，灰分增加1 %，氧耗增大 0.7 %0.8 %，煤耗增大 1.3 %1.5 %（2）对气化炉耐火砖的影响 煤浆在气化炉内燃烧，灰分以熔融状态沿砖流下，灰渣中某些组分浸入砖中，砖中有效成分 Cr2O3 熔入渣中随渣一起排出。灰渣量越大，砖侵蚀、磨损越快。同时灰渣成分不同，对砖的浸蚀速率不同，含铁量高的灰渣与含钙量高的灰渣相比，前者对炉砖的侵蚀较轻。灰渣粘度不同对炉砖的侵蚀速率不同，灰渣粘度低时，砖表面的灰渣保护层剥落，灰渣直接冲刷耐火砖表面，磨蚀加快。最佳灰渣粘度应在 2540 Pa s。（3）磨蚀 灰分高的煤，黑水中固含量增大，对管道、阀门设备磨损严重。灰水处理系统，由于灰水含固量高致使管道结垢，有效管径变细，流动阻力增大引起泵汽蚀，易造成灰水系统工况紊乱。（4）灰渣处理 煤中灰分高，渣量大，增加了捞渣机故障率、功耗及汽车运输费用、渣场贮放费用。灰分高，黑水中固含量高，细渣量大，抽滤机使用频繁，故障率高。3、灰熔点 煤灰熔融性是指煤灰在加热状态下达到熔融状态的温度，习惯上叫灰熔点，由于煤灰是一种多组分的混合物，它没有一个固定的熔点，而只有一个熔融的温度范围。变形温度DT(T1)，锥尖端或棱开始变形和弯曲时的温度；软化温度ST(T2)，灰锥弯曲至触及锥尖托板和灰锥变成球形时的温度；半球温度HT(T3)，灰锥变成近似半球形，即高约等于底长的一般时温度；流动温度 FT(T4)，灰锥融化展开成高度在1.5mm以下薄层的温度。影响：（1）对炉砖的影响 由于德士古煤气化装置采用液态排渣，提高操作温度有利于碳转化及排渣顺利。但操作温度过高会影响价格昂贵的耐火砖寿命。气化温度视灰渣的粘温特性及煤的化学活性而定，一般高于煤灰熔点 5070 。液态渣对炉砖的侵蚀使炉砖变薄，炉砖的侵蚀与温度有很大关系，温度在最佳操作温度以上每增加50 ，侵蚀速率增加一倍。因此选择灰熔点低的煤种，可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命。（2）对氧耗的影响 如果煤的灰熔点低，操作温度相应就低一些，与高灰熔点煤相比较，无需耗过多的氧与碳反应生成CO2 来维持较高的操作温度，灰熔点低的煤种耗氧量少，相应的煤耗也低，且有效气产率高。（3）对助熔剂用量的影响 如果煤的灰熔点高，要降低灰熔点，需加入助熔剂，以提高灰渣中CaO + Fe2O3 +MgO的量，使(SiO2 + Al2O3) / (CaO +Fe2O3 +MgO)减小，以降低灰熔点。 如果煤的灰熔点低，所用的助熔剂可大大减少。这样不但降低了助熔剂的消耗，节省了助熔剂费用，同时由于惰性物质助熔剂的减少，灰渣量减少。更重要的是相同浓度的水煤浆所含有效成分增加，气化效率提高，产气量增大，有利于提高产量。4、煤中的杂质（1）砷（As）煤中的部分砷可转移到合成气中，引起变换系统的催化剂中毒，加速催化剂活性下降。（2）氯（Cl） 对于设备和管道都会造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，转移到合成气中的Cl会使变换系统催化剂中毒。（3）氮（N） 煤的氮含量决定着合成气中氨含量和合成气冷凝水的 pH 值。黑（灰）水中氨含量高，pH 值高可减轻腐蚀作用，但氮含量过高，pH值高，系统结垢严重。（4）硫（S） 煤中硫含量高，一部分转移到黑水中使设备产生酸性腐蚀；一部分转移到合成气中，增加净化单元的负荷。5、煤的热值 热值是煤的主要指标，煤的热值高，每千克煤产有效气量就大，要产相同数量的有效气，耗煤量低，因此要选择高热值的煤种。6、煤的挥发分煤中挥发分高，有利于气化，碳转化率高。但是挥发分高的煤种，储存时间长容易自燃，给原料煤储运单元带来困难。7、灰渣特性（1）渣粘温特性 灰渣的粘度与操作温度有一定的关系，操作温度升高，灰渣粘度降低。灰渣粘度高，流动不畅，易堵渣口；灰渣粘度低，炉砖剥落较快，只有在最佳粘度范围内才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，以保护炉砖、延长炉砖的寿命，一般最佳粘度为 2540 Pa s。（2）灰渣的粘结特性 灰渣在气化装置中是液态排渣，进入激冷室遇水凝固后排放。有的灰渣凝结性好，灰渣易形成粗渣；有的灰渣粘结性不好，与水易形成细灰颗粒随水带走，造成渣水处理系统的磨蚀结垢。8、煤的化学活性 煤的反应活性是在一定条件下，煤与不同的气化介质（如CO2、水蒸汽）相互作用的反应能力，通常在一定温度下，以一定流速通入CO2，用CO2的还原率来表示煤的反应活性。CO2的还原率越高，煤的活性越好。化学活性高，在气化炉内反应容易，碳转化率高，因此要选择活性高的煤。在气化系统中，烧嘴冷却水独立出来，以方便学习。烧嘴冷却水1）烧嘴冷却水系统流程2）烧嘴冷却水系统作用及联锁1、工艺烧嘴冷却水的作用： 由于Texaco水煤浆工艺烧嘴工作时要承受1000以上高温，因此设计了冷却水盘管，缠绕在工艺烧嘴上降温，以防止高温辐射而损坏烧嘴。2、工艺烧嘴冷却水安全联锁 当工艺烧嘴冷却水系统故障时，要联锁气化炉紧急停车，并且要切断冷却水，不使水流入气化炉，避免气化炉及其炉砖的损坏，而且，阻断较高压力的粗合成气进入工艺烧嘴冷却水系统。 工艺烧嘴冷却水安全联锁系统是触发气化炉安全联锁系统的因素之一。联锁动作： 工艺烧嘴冷却水安全联锁系统触发后，立即关闭烧嘴冷却水管线工艺烧嘴进出口切断阀，使冷却水管线与气化系统隔离，并触发气化炉紧急停车系统，使气化炉联锁自动停车。事故烧嘴冷却水： 工艺烧嘴冷却水系统停车受事故冷却水联锁系统影响，当工艺烧嘴冷却水压力低（工艺烧嘴冷却水泵故障）时，触发事故冷却水自动切断阀开启，作为工艺烧嘴冷却水安全联锁系统触发因素。 在工艺烧嘴冷却水系统还设计了冷却水工艺烧嘴出口管线的流量测量，作为工艺烧嘴入口冷却水流量的对比，它的值偏离正常值时，发出高低报警。在工艺烧嘴冷却水出口气体分离器上安装有CO气体检测器，当工艺烧嘴上的冷却水盘管局部烧穿时，粗合成气会进入冷却水，在气体分离器处会检测到CO含量增加，发出高报警。3）投用烧嘴冷却水系统的步骤：投用烧嘴冷却水系统，并对烧嘴冷却水系统进行相应试验，步骤如下： 用脱盐水给烧嘴冷却水槽及相应管道充水，打开排气口。 用临时高压软管连通烧嘴冷却水管与烧嘴冷却水进出口接管。 打开烧嘴冷却水换热器所用的循环冷却水进出口阀。 启动烧嘴冷却水泵，建立烧嘴冷却水循环系统。 进行烧嘴冷却水备用泵的自启动试验。确认运行烧嘴冷却水泵故障情况下，备用泵可自启动，提供烧嘴冷却水。 进行事故烧嘴冷却水补水试验。设定两台烧嘴冷却水泵均出现故障情况下，事故烧嘴冷却水槽可自行向系统补入事故烧嘴冷却水。 确认烧嘴冷却水系统所有有关仪表均工作正常。2.3.3渣水处理系统Texaco气化装置渣水处理系统的工艺特点为：冷却黑水，回收热量，脱除溶解气体，分离渣水及灰水循环利用。（一）、渣水处理系统主要物流1、黑水2、灰水3、细渣4、絮凝剂5、分散剂1、黑水，表面理解就是黑色的水，实际上是从气化炉、洗涤塔底部直接排出的温度、压力较高的工艺水。黑水一般是一定操作压力和水汽比条件下的饱和水，其含固量10%15%，且溶有H2S、CO2、NH3等气体。2、灰水，表面理解就是灰色的水，实际上也就是气化炉、洗涤塔黑水经过闪蒸、沉降等工序处理后得到的温度、压力较低的工艺水。灰水含固量较低，H2S、CO2、NH3等气体含量降低，由于NH3溶解度较H2S、CO2大，所以灰水一般成弱碱性，PH值约为7.5。3、细渣：主要是来自黑水中颗粒较细的煤渣，经过闪蒸、沉降浓缩、抽滤机抽滤得到的滤饼，含水一般在2035%，细渣含碳量约25%。4、絮凝剂性能与用途： 絮凝剂分为阴、阳离子型聚丙烯酰胺高分子聚合物，在高温、高硬度黑水系统中，均具有良好的絮凝效果，通过电絮凝、架桥及吸附作用，它能快速使黑水系统悬浮物沉降，确保渣水迅速澄清，减少后续灰水处理压力，保证设备安全运行。一般，阴离子型絮凝剂更为经济，阳离子型絮凝剂效果较好。使用方法：一般先用水配制成一定浓度溶液，用计量泵定量输送至沉降槽入口。5、分散剂性能与用途： 灰水分散阻垢剂是由多种性能优良的高分子聚合物组成，在高温、高硬度的灰水系统中，具有良好的分散阻垢作用，同时还有良好的缓蚀性能。它不仅能有效地防止水煤浆灰水系统设备、管道的结垢，还能够有效地控制无机盐垢、金属氧化物和胶体沉积，确保设备正常运行。灰水分散阻垢剂为水溶性复配药剂，无毒、无污染，化学性能稳定，耐高温、高压性能良好。（二）、渣水处理系统相关原理1、闪蒸原理及作用2、沉降分离原理及作用3、真空抽滤机工作原理及作用1、闪蒸原理及作用（1）闪蒸原理：气化炉和洗涤塔的高压黑水中溶解有大量的酸性气体，当黑水经过高压闪蒸角阀后，由于其阀后压力突然降低，各组分在气相中的分压迅速降低，在一定温度下，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性气体逸出水面，即闪蒸。气液两相在分离器中分开，气相为顶部产物，其中易挥发组分较为富集；液相为底部产物，其中的难挥发组分获得增浓。物质的沸点是随压力增大而升高，那么是不是压力越低，沸点就越低。 也就是说可以让高压高温黑水经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。这时，黑水温度高于该压力下的沸点。 黑水在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。 注意：使黑水达到气化的设备不是闪蒸罐，而是减压阀。 闪蒸罐的作用是提供黑水迅速气化和汽液分离的空间。 一句话，闪蒸就是通过减压，是黑水沸腾，而产生汽液两项。 （2）作用：A：高低压闪蒸的作用是降低黑水温度、浓缩黑水中含固量、解析少量酸性气体及回收热量。B：真空闪蒸的主要作用是进一步降低黑水温度、进一步浓缩黑水中含固量及解析酸性气体。 2、沉降分离原理及作用（1）原理：颗粒在沉降槽中的沉降大致可分为两阶段。在加料口以下一段距离内，颗粒浓度很低，颗粒大致作自由沉降。在沉降槽下部，颗粒浓度逐渐增大，颗粒在沉降槽搅拌器的作用下作干扰沉降，沉降速度很慢，在沉降槽中加入絮凝剂以加速沉降。沉降槽清液产率取决于沉降槽的直径。（2）作用：主要是用于从黑水中分离出较干净的灰水和含固量高的灰浆。3、真空抽滤机工作原理 胶带式过滤机由橡胶滤带、真空箱、驱动辊、胶带支承台、进料斗、滤布调偏装置、驱动装置、滤布洗涤装置、机架等部件组成。它是充分利用物料重力和真空吸力实现固液分离的高效设备。渣水处理系统水质特点：1、高悬浮物2、高盐度3、系统水温高、温度变化大4、系统压力高5、水系统中的氨6、水系统的碳酸7、水系统的氢硫酸1、高悬浮物 由于气化炉为气流床受限反应器，水煤浆反应后的颗粒极细小，因而水系统中的悬浮物含量比较高。不同的工况，系统内部各处悬浮物含量不同，大约为50 2600mg/L，最高点在沉降槽入口处，在2000 mg/L 以上，沉降处理后灰水中悬浮物含量为40 60 mg/L。2、高盐度 气化工艺水系统是密闭循环的，随着运行时间的增加，系统内离子浓度会不断地浓缩，煤灰中各种离子不断进入水系统，而灰水槽底部排放的灰水量又很小，使得各种离子浓度增大，导致水系统呈高盐度的特性。3、系统水温高、温度变化大 德士古水煤浆气化装置水系统工艺的复杂性，决定了系统内各部分水的温度不一样，其中，激冷室上部与合成气接触，水温最高可达250左右，闪蒸之后的灰水又降至50左右，重新进入循环的水又被换热至180左右。水温在250 50 180之间变化。4、系统压力高 系统操作压力较高 (6.5MPa左右)，而且水循环时压力变化较大，这就导致水系统中酸碱物质的含量不断变化，使得水系统各处的pH值不尽相同，pH值的变化较为复杂。（气化炉激冷室和洗涤塔）5、水系统中的氨 水系统的氨主要由水煤浆气化反应生成。由于氨极易溶于水，又能和水强烈缔合，另外, 氨溶液的挥发度也较大，因此，即便其碱性较弱，但由于总量较酸性物质多得多，使得德士古气化装置水系统的pH值较高。 而由于氨具有的特殊性质以及气化装置各部分的温度、压力极不均衡且变化非常大，导致氨在系统内各部分的分布也不一样。气化炉激冷室水的温度较高，大约在 240左右，氨在激冷室中溶解较少，在水中以氯化铵、甲酸铵及碳酸氢铵等形态存在，随黑水排入闪蒸系统，大部分自由氨随合成气离开激冷室，进入洗涤塔。因而，激冷室中水的pH值是系统中最低，而在洗涤塔中，水温在230左右，工艺气中溶解的氨也较少，pH值和激冷室应该差别不大，但由于补入洗涤塔冷凝液的pH 值较高(pH值约为9.0) 。洗涤塔和激冷室排出的黑水进入闪蒸系统，经减压膨胀，绝大部分酸性气体被闪蒸出来。由于闪蒸系统温度较低，压力较低，氨在闪蒸黑水中溶解较多，因而闪蒸系统水质的pH 值较高，呈碱性。6、水系统中的碳酸 碳酸一般认为是极弱的酸，由于CO2溶于水而存在。它在水中仅能少量电离为H+与HCO3-，而HCO3- 更少量地电离成CO32-。尽管碳酸为弱酸，但由于合成气中CO2含量大约在18% (体积分率)，且溶解度较大，使其对系统pH值的影响也较为突出。为了方便学习，特将锁斗系统独立出来。锁斗系统锁斗系统流程流程图如下所示：锁斗循环五个步骤锁斗逻辑顺控 锁斗是一个定期收集和排放固体渣的水封体系，集渣和排渣均遵照锁斗循环逻辑，并按一定时序完成。锁斗循环大致分为减压、清洗、排渣、充压、收渣五个阶段，由锁斗程序自动控制。 锁斗工作的五个过程 ：（1）泄压过程 泄压过程开始时，首先关闭锁斗入口阀和锁斗循环泵入口阀，确认关闭后，打开泄压阀，泄压至1级真空