50万吨年煤气化工艺设计

学生毕业设计 论文 题 目 50 万吨 年煤气化工艺设计 摘 要 煤气是重要的化工产品与原料 它广泛用于合成氨 民用燃气 工业用气乃至发 电 有着巨大的市场潜力 随着世界石油资源的减少和煤气化生产成本的降低 发展 使用煤气化等新的替代燃料 己成为一种趋势 中国是资源和能源相对匾乏的国家 少气 缺油 但煤炭资源相对丰富 发展煤制气 以煤代替石油 是国家能源安全的 需要 也是化学工业高速发展的需求 本课题通过对国内外几种煤气化工艺流程的对比 最终选择高压法煤气化制备煤 气的 shell 工艺生产流程 最后设计出 shell 气化炉的基本尺寸 并对反应过程进行 了物料衡算 热量衡算 关键词 关键词 煤气化 shell 气化炉 物料衡算 热量衡算 论文类型论文类型 工程设计 ABSTRACT Gas is an important chemical products and raw materials it is widely used in synthetic ammonia civil and industrial gas gas electricity and has a huge market potential With the world of petroleum resources and reduce production cost of coal gasification the development of a new alternative fuel use coal gasification etc has become a trend China is relatively short of energy resources like gas and oil but relatively rich of coal so development of coal to gas but petroleum is national energy safety needs as well as chemical industry Shell gasification is chesde fianly by contrasting severed gasification peocess at home and abroad Mass balance and heat balance of gasification process are caleulated The technoloyical dimensions of shell gasifier are designed Keywords Coal gasification Shell Gasifier Mass balance Heat balance Thesis Engineering Design 目目 录录 1 绪论 1 1 1 煤气化过程原理 1 1 2 国内外煤气化发展的现状和趋势 1 1 3 SHELL 煤气化工艺 2 1 4 本课题研究的主要内容 5 2 SHELL 煤气化 7 2 1 选择 SHELL 煤气化的原因 7 2 2 工艺流程图 7 2 3 SHELL 气化工艺的主要设备 8 2 4 SHELL 气化过程中的化学反应 9 2 5 气化反应的物料 热量衡算 10 2 5 1 气化反应的物料衡算 10 2 5 2 气化反应的热量衡算 18 2 6 50 万吨煤气化产物分析 18 3 SHELL 气化炉的设计 20 3 1 SHELL 气化炉 20 3 2 SHELL 炉体工艺尺寸计算 21 4 总结 22 参考文献 23 致 谢 24 1 1 绪论 中国煤炭的储量和开采都位于世界前列 煤炭的转化和合理利用 包括煤的气化 对中国无论目前和长远都具有重要的意义 煤的气化主要生成一氧化碳 氢气及甲烷 灰分形成废渣排出 煤气化的好处是可在燃烧前脱除气态硫和氮组分 是一种煤的高 效利用方式 同时也是环境友好的能源 提高煤气化效率是本课题的目的 1 1 煤气化过程原理 煤气化过程是个热化学过程 它是以煤或煤焦为原料 以氧气 空气 富氧或纯 氧 水蒸气等做气化剂 气化介质 在高温条件下通过化学反应或煤焦中的可燃 部分转化为气体燃料的过程 气化技术的目的是为了提高各类气化炉的生产能力 同 时连续和高效地生产不同组成的煤气 包括城市民用和工业用燃料气 发电燃料气 化工燃料气 并要避免污染环境 1 1 2 国内外煤气化发展的现状和趋势 目前国外煤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 2600t d 4000 5000t d 的气化炉也完成概念设计 气化用煤从最初的只能 利用不黏煤 到现在几乎可以气化从褐煤 不黏和黏结的煤到无烟煤所有的煤种 不 同的气化炉可以使用从块煤到粉煤等不同粒度的煤 碳转化率最高已大于 99 气化 效率超过 80 国外现在近常用的气化放法主要有 IGCC 电厂中采用 Texaco Shell Prenflo Destec KRW 等气化技术 荷兰 Buggenum 电厂的 253MW 发电来自于一台日处理煤 2500t 左右的 Shell 气化炉 电厂发电效率 43 2 Shell 公司 已具备设计单台煤处理能力 5000t d 以适应 600MW 废热 IGCC 机组的气化炉系统 3 目前国内的煤气化技术有些已达到世界领先水来 比如 水煤浆气化技术 采用 壳牌干粉煤气化技术生产合成氨 鲁奇炉等 些外煤气化装置不仅仅用于合成氨生产 而且还可以用于甲醇生产 合成醋酸 制备廉价氢气 煤气发电 民用等 IGCC 加氢 工艺 煤液化 地下煤气技术的开发和研发使的高效 低耗 无污染的煤气化工艺技 术是发展煤化工的前提 4 煤气化技术的发展对中国的煤矿工业发展前景可观 因此在 煤资源相对丰富的我国 开发更先进的煤气化技术意义更加重大 我国于 20 世纪 30 年代 40 年代引进 UGI 炉 50 年代改烧无烟煤 主要用于制氨和甲醇 针对 UGI 炉 工艺的缺点 如煤种限制 环保 气化强度和效率 我国从 60 年代初至今曾研发过 多种气化工艺 而实现工业化的只有碎煤加压气化 Lurgi 水煤浆气化 Texaco 和 灰熔聚流化床气化 即将工业化的有干粉加压气化 Shell 5 总体来说 目前国内外对煤气化研究概况主要有以下三种 6 1 固定床比较 国外比较著名的常压固定床 移动床气化工艺有 A 型及威尔曼 格鲁夏 W G 发生炉 两段煤气化发生炉 意大利的 UGL 型水煤气炉 波兰和法国 2 的两段式水煤气炉等 国内比较著名的固定床 移动床气化工艺有 常压固定床煤气发 生炉气化 常压固定水煤气气化 加压固定床鲁奇气化 固定床的优点 工艺简单 操作方便 投资少 建设快 热效率高 碳转化率高 耗氧量低 6 固定床的缺点 对煤种有一定要求 煤的黏结性不能太强 要求使用块煤 副产焦 油 酚难于水 造成污染 单炉产气量低于其它炉型 12 2 流化床比较 国外主要的气流床有 常压 Winkler 气化工艺 高温克勒气化 工艺 U Gas 气化工艺 KRW 气化工艺 国内流化床技术有 常压流化床气化技术 加压流化床气化技术 6 流化床的优点 床层内温度均匀 便于调控 原料煤粒度适应范围广 加料除灰方 便 能正确地调整流化速度和准确加料 煤和气化剂接触较好 气化效率高 7 流化床的缺点 碳转化率和热效率均较低 带出物多 造成环境污染较大 由于煤 气出炉时温度较高 热效率低于固定床气化 灰渣含碳量较高 对原料有一定的要求 6 3 气流床气化工艺比较 国外气流床气化工艺有 德士古气化工艺 Texaco Destect 气化工艺 K T 气化工艺 Prenflo 气化工艺 Shell 加压气流床气化工艺 GSP 气化工艺 国内气流床气化工艺有 K T 气化炉 德士古气化炉 Texaco Shell 加压 气化炉 6 气流床气化的优点 适用于任何性质的煤种 单位炉容积产气量大 炉型简单 无 焦油和酚产生 对环境污染小 灰渣含碳低 6 气流床气化的缺点 需要先进的控制技术和设备 原料需干燥 粉碎 动力消耗较 大 在气流输送煤时对管道磨损较大 操作温度高 煤气带出热量多 如不回收 热 效率要受到影响 主要产品中一氧化碳含量高 不经甲烷化 不能当城市煤气使用 7 由此可以看出煤气化趋向更高效 更清洁 热损较小的方向发展 1 3 Shell 煤气化工艺 目前国内外比较公认的 先进的气化工艺即 shell 气化工艺 以下为 shell 气化工艺 流程的进展 工艺流程框图 煤质对气化的影响和 shell 煤气化的评价指标 shell 气化工艺流程的进展 shell 煤气化是 shell 公司开发的具有独特技术的第二代煤气化工艺 shell 公司在 渣油气化技术取得工业化成功经验的基础上 于 1972 年开始从事煤气化研究 1978 年 第一套中试装置在德国汉堡建成并投入运行 1987 年在美国休斯敦建成的投煤量 250t d 400t d 的示范装置投产 1993 年在荷兰的丹姆克勒电厂建成投煤量 2000t d 的 大型煤气化装置 该装置用于联合循环发电 为单系列操作 装置开工率达 95 以上 经过 3 年示范运行已于 1998 年正式交付用户 生产操作数据表明煤气化工艺指标达到 预期目标 shell 煤气化技术是先进成熟的 工艺流程框图 3 图 1 1 shell 煤气工艺流程框图 煤质对 Shell 气化的影响因素主要有 水分 灰分 挥发分 硫分 煤粒度 灰熔 点和结渣 8 1 水分含量对气化的影响 煤的水分包括游离水和结晶水 游离水又可分为外在水分和内在水分 外在水分 是指附着于煤的颗粒表面的水膜或大的毛细孔 直径 10 5cm 中的水分 其蒸汽压与 纯水的蒸汽压相同 在常温下就很容易失去 内在水分是指吸附或凝聚在煤颗粒内部 毛细孔 直径 10 5cm 中的水分 由于毛细孔的吸附作用 其蒸汽压低于纯水的蒸汽 压 要在高于纯水的正常沸点的温度下才能除尽 所以较难蒸发除去 结晶水是指煤 中矿物质所含的结晶水或化合水 通常要在 200 以上才能析出 在工业分析中不予 考虑 8 煤的水分对 Shell 煤气化工艺的影响 Shell 煤气化工艺采用干煤粉进料 要求进气 化炉的煤粉水含量低于 2 就气化炉而言 在特殊情况下 煤粉水含量允许稍高于 该值 但不能偏离太多 否则会影响粉煤流化 极可能出现煤粉粘连而造成输送困难 原料煤的水分含量通常高于 2 过剩水分在制备 Shell 气化炉所要求的合格粉煤过程 中除去 因此 原料煤的水分含量 尤其是外在水分含量 直接影响煤的运输成本和 制粉能耗 2 灰分含量对气化的影响 煤的灰分是指煤的内在矿物质和外来矿物质 内在矿物质又分原生和次生矿物质 原生矿物质是指原始成煤植物含有的矿物质 一般不超过 1 2 次生矿物质是指 在成煤过程中进入煤层的矿物质 约在 10 以下 外来矿物质是指采掘过程中混入煤 中的矸石 约 5 10 高的在 20 以上 煤灰的化学组成主要由 SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO TiO2 Na2O K2 O 等酸性和碱性的化学组分组成 一般酸性组分高于碱性组分 Fe2 O3 CaO MgO 4 K2 O Na2 O SiO2 Al2 O3 TiO2 的比值称为碱酸比 煤灰是煤中的惰性物质 其含 量和组成对气化反应本身影响不大 但灰分高的煤在气化过程中产生的灰渣量增加 势必带走部分潜热 碳 和显热 使煤的热效率降低 且煤中灰分含量越高 原煤运输 成本越大 气化煤耗氧耗越高 气化炉和灰渣处理系统负荷越重 严重时会影响气化 炉的正常运行 煤灰中某些组分含量过高会影响煤灰的熔融特性 造成气化炉渣阀排 渣不畅或堵塞 Shell 煤气化炉采用水冷壁结构 利用煤气化反应初期熔融飞壁上形成 固体渣层使膜式壁与炉膛隔离 以减少热量损失 同时在故障期间热负荷变化大时首 先造成固体渣层被熔化或者加厚 从而保护炉壁免受损坏 如果煤中灰分含量太低 固体保护渣层形成不好 使气化炉的热损变大 冷煤气效率降低 而且不利于炉壁的抗 渣保护 影响气化炉使用寿命 尽管 Shell 煤气化工艺对煤灰含量要求不是很严格 煤 灰含量可高达 30 以上 中原大化集团有限责任公司根据预选煤的情况 其设备设 计按无水基煤灰含量 25 5 收到基 23 5 的煤进行设计 根据荷兰 DEMKOLEC 电厂实际运行经验 该工艺最优化的煤灰含量为 9 19 当煤中灰分含量低于 8 时 中压蒸汽量将会增加 也就表明膜式壁固体保护渣层极可能形成不理想 将出现不是 期望的运行情况 所以 当飞灰含量低于 8 时 建议执行飞灰强制循环作业 如果投 产后实际煤灰含量偏高设计值较多 限制气化炉负荷的瓶颈将是除灰和除渣系统的处 理能力 8 3 挥发分对气化的影响 煤样在隔绝空气的条件下加热至一定温度并恒温一定时间 煤中受热分解析出的 有机质即为挥发分 挥发分与水不同 它不是煤中的固有物质 而是在特定条件下煤受 热后挥发出的有机质及其分解的产物 其数量和成分随加热条件而变化 煤的挥发分对 Shell 煤气化工艺的影响挥发分是煤加热后挥发出的有机质及其分 解产物 能大致代表煤的变质程度 一般而言 挥发分越高 煤化程度越浅 煤质越 轻 反应活性越好 对气化反应越有利 但由于 Shell 煤气化采用高温气化 气体在 炉内的停留时间比较短 所以气固之间的扩散反应是控制碳转化的重要因素 因而对 煤粉粒度要求较高 而对挥发分及反应活性要求不是很严格 4 硫分对气化的影响 煤中硫分以天然硫化物 有机硫和硫酸盐形式出现 有机硫可能占总量的 20 80 煤中硫在气化环境中形成 H2 S 和 COS 随合成气进入后系统 如果硫含 量过高 会给后工序的煤气净化及脱硫带来负担 并直接影响煤气净化系统设备的材 料选择 投资成本及运行成本 所以 对煤中硫含量的选择 应结合净化装置的设计 及投资综合考虑 8 5 粒度对气化的影响 煤的粒度在气化过程中占有非常重要的地位 由于粒度的不同 将直接影响到气 化炉的运行负荷 煤气和焦油的主率以及气化时的各项消耗指标 通常 不同的煤种 在不同气化炉里进行时 对其粒度的要求不一样 煤和灰分都是热的不良导体 导热 系数小 传热速度慢 因此粒度的大小对传热过程的影响较大 进而影响焦油的产率 5 粒度越大 传热越慢 煤粒内外温差越大 煤内焦油蒸气的扩散和停留时间增加 焦 油的热分解加剧 煤粒太小时会使气化效率下降 因此要根据煤种和炉型选择不同的 粒加以气化 8 11 6 燃料的灰熔点和结渣对气化的影响 煤中灰分含量和成分虽然对煤气化反应本身影响不大 但还必须保证适宜的煤渣 流动 粘度 所以灰分 尤其是灰分成分 对所要求的 Shell 气化温度有主导影响 Shell 煤气化属熔渣 气流床气化 为确保灰分熔化 气化炉排渣顺畅 气化操作温 度要高于 T 100 150 选用 T 温度低的煤对 Shell 煤气化排渣有利 最好选用 中低灰熔点的煤 如果煤灰熔点温度过高 势必要求提高气化温度 影响气化炉的运 行经济性 也不利于排渣 故对高灰熔点的煤 可以通过添加助熔剂调节煤灰的碱酸 比例以改变煤的熔融特性 从而保证气化炉的正常运行 对助熔剂及加入量的选择 要结合煤灰组成进行 8 11 Shell 煤气化技术评价主要有 1 Shell 气化炉的煤气中 CO 和 H2含量远大于 Texaco 煤气 而 CO2和 H2O 却远 小于 Texaco 煤气 由于可燃气成分较高 其冷煤气效率较高 约 80 83 组成的 IGCC 电站发电效率也较高 43 LHV 而水煤浆进料的冷煤气效率一般仅为 74 77 组成的 IGCC 效率也较低 41 LHV 12 2 由于煤气中水分含量较少 2 0 Shell 气化炉组成的 IGCC 因常温净化而损失 的热煤气能量较小 而水煤浆进料的煤气中一般都含有 16 8 左右的水分 那么当热 煤气冷却到常温时 必然损失大量的显热和潜热 水煤浆进料气化工艺对高温净化的 需求更迫切 3 Shell 气化炉的喷嘴和水冷壁寿命较长 在 Demkolec 电站累计运行 10 000 h 以 上未见损坏 气化炉的可用率已达到 95 4 由于采用干法进料 气化过程的氧耗比水煤浆进料少 煤气中的 CO2含量也远 小于水煤浆进料的煤气 对于相同容量的气化炉 Shell 气化所需的空分站可小于 15 25 5 采用干灰再循环 提高了碳的转化率 可达到 99 6 干法进料系统与水煤浆相比要复杂得多 操作和保护也要严格得多 进料系统 的防爆和防泄漏问题十分关键 进料系统的占地和造价比水煤浆大 此外 干法进料 系统的粉尘排放远大于水煤浆进料系统 7 由于 Shell 气化炉采用 4 个 或更多 喷嘴运行 易于在低负荷和高负荷下运行 操作的灵活性大 实现大型化的可能性大 据介绍 Shell 气化炉的最低负荷可达到 25 即一个喷嘴运行 8 Shell 气化炉运行过程中最重要的控制参数如下 气化炉出口温度 合成气冷却 器进口温度 煤气成分 蒸汽的参数 流量 温度 压力 炉渣的排出量及外观状况 9 气化炉的变负荷率每分钟大于 5 IGCC 的变负荷率每分钟接近 3 12 6 1 4 本课题研究的主要内容 干煤粉加压气化 Shell 炉 从本质上来说 Shell 炉就是加压操作的 KT 炉 国 外研究开发已有 50 多年的历史 从 KT 炉算起 shell 气化技术采用干燥方式 用氮 气将煤粉送到气化炉 最后生成合成气 即一氧化碳和氢的混合物 Shell 煤气化的目 的是为了更加高效 清洁地利用煤资源 如合成气中含有原煤中约 80 的能量 另外 15 的有效能量以蒸汽的形式获得 整个气化过程只有 5 的能量流失 合成气可以用 来制造纯氢 生产合成氨 甲醇 含氧化合物 以及尿素及合成氢燃料等衍生物 该 合成气还可用于电厂供热 蒸汽和发电的燃料 并可作为城市用气 本论文研究的主要内容是 50 万吨 年煤气化工艺设计 通过对 shell 煤气化工艺的 选择 重要设备的介绍 依据气化过程中物料 热量的衡算并设计出气化炉的尺寸 7 2 shell 煤气化 2 1 选择 shell 煤气化的原因 选择 shell 煤气化的原因如下 1 原料煤种适应性广 烟煤 褐煤和石油焦均可气化 对煤的灰熔融性适应范 围宽 即使高灰分 高水分 高含硫量的煤种也能适应 2 单系列能力强 shell 煤气化已投入运行的单台炉气化压力 3 0Mpa 下 日 处理煤量达 2000t d 目前更大规模的装置正在工业化 3 热效率高 shell 煤气化冷煤气效率约 83 其余 15 热能被回收为中压或高 压蒸汽 总的热效率约为 98 左右 4 气化效率高 shell 煤气化温度约 1600 碳转化率可达 99 左右 产品气 体洁净 不含重烃 甲烷含量低 煤气中有效气体成分可达 90 5 氧耗量低 shell 煤气化氧耗量比水煤浆气化工艺低 15 25 因而配套的空 分装置投资相对降低 6 炉壁冷却 煤气化炉炉壁冷却采用水冷膜式壁结构 并采用挂渣措施保护气化 炉壁 无耐火砖衬里 维护量较少 气化炉内无传动部件 运转周期长 无需备炉 7 烧嘴 煤气化炉烧嘴及控制系统安全可靠 烧嘴设计寿命为 8000h 已有 1500h 运行记录 荷兰 Demkolec 电厂使用烧嘴已经 4 年 气化操作采用先进的控制系 统 设有必要的安全联锁 使气化操作始终处于最佳状态运行 8 排渣 煤气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒 性质稳定 对环 境几乎没有影响 气化污水中含氰化物少 易处理 2 2 工艺流程图 Shell 煤气化工简述 原料煤输送至磨煤机 磨煤机把原料煤粉碎至合适有效的气 化尺寸 质量分数为 90 的颗粒小于 100 m 煤粉碎的同时用惰性气体干燥 把蒸发 后的水蒸气带走 经内部分离器分级后 合格的煤粉被收集在沉降池里 气化所需要的 氧气由空气装置提供 空分装置来的氮气经压缩后为输煤系统提供低压氮气和高压氮 气 干燥后的合格的煤粉被氮气输送至煤加压及供料系统 如需要 加压后的煤粉 氧气和蒸汽可以通过成对喷嘴进入气化炉 气化炉的操作压力为 3 0 MPa 4 0 MPa 反 应温度高达 1 400 1 700 熔渣自气化炉的下部流出 与水接触 形成固体颗粒通 过灰锁排出 温度为 1 400 的出口气体与冷激气混合后 降至 900 进入废锅 经废热锅炉回收热量 合成气温度降至 250 再经陶瓷过滤器将合成 气中的粉尘降至 3 mg m3 5 mg m3 进入水洗塔 使合成气中的粉尘含量进一步降至 1 mg m3送后工序 8 图 2 1 shell 煤气工艺流程图 2 3 shell 气化工艺的主要设备 1 煤粉制备和送料系统 煤粉制备和送料系统 Shell 煤气化工艺采用干煤粉进料系统 原煤的干燥和磨煤 系统与常规电站基本相同 但送料系统是高压的 N2气浓相输送 与水煤浆不同 整个 系统必须采取防爆措施 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 对烟煤 煤粉细度 R90 一般为 20 30 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 2 级加压锁斗系统 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 13 2 气化炉 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 气化炉温度维持在 1 400 1 600 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 变成一种玻璃态不可浸出的渣排出 13 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 然后进入对流式煤气冷却器 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 Shell 气化炉的压力壳内布置垂直管膜式水冷壁 产生 4 0 MPa 的中压蒸汽 13 向火侧有一 层很薄的耐火涂层 当熔融态渣在上面流动时 起到保护水冷壁的作用 13 3 煤气冷却器 粗热煤气在煤气冷却器中被进一步冷却到 250 左右 低温冷却段产生 4 0 MPa 的 中压蒸汽 这部分蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后 再与汽轮机高压缸排汽一起 再热成中压再热蒸汽 高温冷却段产生 13 MPa 的高压蒸汽 它与余热锅炉里的高压蒸 汽一起过热成主蒸汽 13 9 4 磨煤机 原煤由落煤管进入两个碾磨部件的表面之间 在压紧力的作用下 受到挤压和碾 磨而被粉碎成煤粉 由于碾磨部件的旋转 磨成的煤粉被抛至风环处 装有均流导向叶 片的环形热风通道称为风环 热风以一定速度通过风环进入干燥空间 对煤粉进行干 燥 并将其带入碾磨区上部的粗粉分离器中 经分离 不符合燃烧要求的粗粉返回碾 磨区重磨 合格的煤粉经粗粉分离器由于燥剂带出磨外 引至一次风管 13 5 粉煤袋式收集器 采用低压长袋喷吹脉冲方式 通过粉煤袋式收集器使循环气中固体颗粒含量低于 10mg m3 6 热风炉装置 给整个循环气系统提供热量 通过控制循环气的温度在 105 110 之间 保证碾磨 干燥后的粉煤水分含量小于 2 出气温度 258 燃料气来源 开工时点火用 LPG 开工用柴油 正常运行为合成驰放气 同时有一个 合成精制气作为备用热源 7 环循风机 要保证循环气从磨机中以一定的速度将煤粉送到的袋式收集器内 提供热风的内 循环动力 13 8 煤仓 煤通过磨煤机粉碎以后 再通过输送系统 进入到煤仓 方便煤粉下一步到气化 炉 2 4 shell 气化过程中的化学反应 使用不同的气化剂可以制取不同种类的煤气 主要反应都相同 煤炭气化过程可分 为均相和非均相反应两种类型 即非均相的气 固相反应和均相气 气反应 生成煤气的 组成取决于这些反应的综合过程 由于煤结构很复杂 其中含有碳 氢 氧和硫等多 种元素 在讨论基本化学反应时 一般仅考虑煤中主要元素碳和在气化反应前发生的 煤的干馏或热解 即煤的气化过程仅有碳 水蒸气和氧参加 碳与气化剂之间发生一 次反应 反应产物再与燃料中的碳或其他气态产物之间发生二次反应 主要反应如下 一次反应 C O2 CO2 394 1kJ mol C H2O CO H2 135 0 kJ mol C 1 2O2 CO 110 4 kJ mol C 2H2O CO2 2H2 96 6 kJ mol C 2H2 CH4 84 3 kJ mol H2 1 2 H2O 245 3 kJ mol 10 二次反应 C CO2 2CO 173 3 kJ mol 2CO O2 2CO2 566 6 kJ mol CO H2O H2 CO2 38 4 kJ mol CO 3H2 CH4 H2O 219 3 kJ mol 3C 2H2O CH4 2CO 185 6 kJ mol 2C 2H2O CH4 CO2 12 2 kJ mol 根据以上反应产物 煤炭气化过程可用下式表示 煤 高温 加压 气化剂 C CH4 CO CO2 H2 H2O 2 5 气化反应的物料 热量衡算 地处陕北 这儿以褐煤为主 以大量的煤气化提供了便利的能源 褐煤是炭化程度 较低的煤 其特点是发热量低 40 含游离腐植酸 空气中易风化碎裂 燃点低 270 左右 在气化过程中尽管每个过程的化学反应不尽相同 但它们都遵循元素平衡的规律 加压衡算的步骤和内容基本与常压的相同 22 气化过程进入气化炉内的碳 主要是指原料带入的碳 带出气化炉的碳 则包括 煤气 焦油 轻质油 酚 煤气吹出物和灰渣等几项 气化过程中氢的来源 包括水蒸气和原料煤中的氢 带出气化炉的氢则包括在煤 气 焦油 轻质油 酚 氨和煤气中未分解的水蒸气 气化过程中氧的来源 一是原料中的化合氧 包括所含水分中的氧 二是气化 剂带入的氧 包括水蒸气中的氧 带出气化炉的氧 主要是生成煤气中的氧 以及 焦油 轻质油中的微量氧 22 以 1000kg 褐煤为计算基准 已知的原始数据如下 褐煤的工业分析 Mar 19 5 Aar 27 3 Var 28 2 ar S 0 36 褐煤的元素分析 daf C 72 13 daf H 5 5 daf O 19 70 daf N 1 99 daf S 0 68 换算为收到基 ar C 38 4 ar H 2 93 ar O 10 42 ar N 1 09 ar S 0 36 褐煤铝甑分析 半焦 74 98 焦油 6 50 热解水 11 04 煤气及损失 7 48 灰渣熔点 T1 1380 T2 1400 T3 1420 煤气组成如下 粗煤气 CO2 31 65 O2 0 3 C2H4 0 2 H2S 0 15 CO 17 4 H2 37 2 11 CH4 12 1 N2 1 0 高热值 kg m3 11903 净煤气 CO2 2 0 O2 0 5 C2H4 0 3 CO 24 95 H2 53 35 CH4 12 1 N2 1 0 高热值 kg m3 17070 焦油组成 C 80 0 H 9 0 O 8 7 N 1 0 S 1 3 轻质油组成 C 85 0 H 15 0 副产品产率 焦油 3 96 轻质油 0 794 水溶性酚 0 52 氨 0 66 气化条件如下 原料粒度 6 25mm 气化炉操作压力 1 96 2 45MPa 气化炉操作温度 1000 1050 水蒸气 氧气压力 2 45 2 95 MPa 水蒸气温度 450 500 煤气出炉温度 300 带出物料 占工作原料 1 灰渣碳含量 6 在除去 1 的带出物后 100kg 褐煤实际入炉的物料如下 mar C 38 02kg mar H 2 9kg mar O 10 32kg mar N 1 08kg mar S 0 36kg Mar 19 30kg Aar 27 02kg 在除去带出物损失后 副产品产率如下 焦油 3 92kg 轻质油 0 786kg 水溶性酚 0 515kg 氨 0 65kg 2 5 1 气化反应的物料衡算 气化反应的物料衡算主要有 1 碳的衡算 根据碳平衡计算求出粗煤气的产率 设粗煤气的产率为 V m3 kg 煤 计算如下 14 粗煤气中的碳量计算如下 m C 12 22 4 100 CO2 CO CH4 2 C2H4 0 31 65 17 4 12 1 2 0 2 0 3297 kg m3 灰渣中排出的碳量计算如下 12 灰渣中的碳含量以 6 计 硫含量以 0 35 计 则灰渣的产量为 A 100Aar 100 6 0 35 100 27 02 100 6 0 35 28 85kg 从灰渣中排出的碳量为 M CA A 6 28 85 6 1 73kg 碳平衡计算 带入气化炉的碳量 m C入 38 02kg 带出气化炉的碳量包括下面几项 煤气带出的碳量 m C粗 0 3297 100V粗 灰渣带出的碳量 m CA 1 73kg 焦油带出的碳量 m C焦油 3 92 0 8 3 136kg 轻质油带出的碳量 m C轻质油 0 786 0 85 0 668kg 酚带出的碳量 m C酚 0 515 72 94 0 394kg 根据碳平衡 m C入 m C出 得 38 02 32 97V粗 1 73 3 136 0 668 0 394 得粗煤气的产率为 V粗 38 02 5 928 32 97 0 973m3 kg 煤 2 氢的衡算 根据氢平衡来计算水蒸气的分解量 粗煤气中的氢量为 m H气 2 22 4 100 H2 2 CH4 m 2 CnHm H2S 100V 粗 0 37 2 2 12 4 2 0 2 0 15 100 0 973 5 384kg 热解水耗氢量为 设煤中含氧量的 50 生成热解水 则热解水的耗氢量为 m H H2O 0 5 10 32 2 16 0 645kg 氢平衡的计算 原料煤带入的氢量 m H煤 2 9kg 待求的水蒸气带入的氢量设为 m H水 带入的氢量共计 m H入 2 9 H水 粗煤气带出氢量 m H气 5 384kg 焦油带出的氢量 m H焦油 3 92 0 09 0 353kg 轻质油带出的氢量 m H轻油 0 785 0 15 0 118kg 酚带出的氢量 m H酚 0 515 6 94 0 033kg 氨带出的氢量 m H氨 0 65 3 17 0 115kg 热解水带出的氢量 m H 水 0 645kg 带出的氢量共计 m H出 m H气 m H焦油 m H轻油 m H酚 m H氨 m H 水 6 648kg 13 由氢平衡 m H入 m H出 所以求得水蒸气带入气化炉氢量为 m H水 3 748kg 则 水蒸气的分解量为 m H2O 3 748 18 2 33 732kg 3 氧的衡算 通过氧的衡算 可以计算出单位原料的耗氧量 粗煤气中的氧量 m O氧 32 22 4 100 O2 CO2 0 5 CO 100V粗 0 0 3 31 65 0 5 17 4 100 0 973 56 5kg 氧平衡计算 入方 原料煤带入的氧 m O煤 10 32kg 已分解的水蒸气带入的氧 m O分 33 73 16 18 29 982kg 设鼓风带入的氧 m O风 带入的氧共计 m O入 m O风 40 302 出方 煤气带出的氧 m O气 56 503kg 焦油带出的氧 m O焦油 3 92 0 087 0 341kg 酚带出的氧 m O酚 0 515 16 94 0 088kg 热解水带出的氧 m O热解水 0 5 10 32 5 16kg 带出的氧共计 m O出 m O气 m O焦油 m O酚 m O热解水 62 092kg 根据氧平衡 m O入 m O出 得 m O风 40 302 62 092kg m O风 21 79kg 则氧气的耗量可以换算为 V O2 21 79 32 22 4 15 25m3 100kg 煤 未分解水蒸气量的近似计算如下 取汽氧比为 7kg 水蒸气 m3氧气 则入炉总水蒸气量为 G水 V O2 7 15 25 7 107kg 水蒸气 100kg 煤 以 100kg 入炉煤计算 入炉蒸气的分解情况如表 2 1 所示 表表 2 12 1 入炉水蒸气的分解情况入炉水蒸气的分解情况 项目数值氢含量氧含量项目数值氢含量氧含量 总水蒸气 kg 分解量 kg 107 3373 11 889 3 748 95 111 29 982 未分解量 kg 水蒸气分解率 73 27 31 52 8 14165 129 4 氮的衡算 加压气化过程中 氮的来源除原料中含氮的部分外 用作气化剂的工业 氧气中也要带进去一部分氮 而生成物中的氮 主要包含在生成气中的氮及焦油和 氨中的氮 通过计算 可以确定工业氧气的纯度 22 入方 14 原料煤带入的氮 m N煤 1 08kg 工业氧带入的氮设为 m N风 共计 m N入 1 08 m N风 出方 煤气带出的氮 m N气 1 100 28 100 0 973 22 4 1 216kg 焦油带出的氮 m N焦油 3 92 0 01 0 0392kg 氨带出的氮 m N氨 0 65 14 17 0 5353kg 共计 m N出 1 7905kg 根据氮平衡 m N入 m N出 得 m N风 0 7105kg 换算后得 V N 风 0 7105 28 22 4 0 5684 m3 100kg 煤 由此求得工业氧的纯度为 K 15 25 15 25 0 5684 96 5 将物料衡算的结果列成综合表如表 2 2 所示 表表 2 22 2 气化过程物料衡算综合表气化过程物料衡算综合表 项目m C kg m H kg m O kg m N kg m S kg A kgM kg 总质量 kg 原料煤 工业氧 分解 H2O g 未分解 H2O g 38 4 2 93 3 748 10 42 21 79 29 98 1 09 0 7105 0 36 27 2 19 5 73 27 100 22 5005 33 73 73 27 入 方共计38 46 67862 1921 80050 3627 392 77229 5005 干煤气 煤中干燥水 未分解水 热解水 焦油 轻质油 酚 氨 煤气带出物 灰渣 32 092 3 136 0 668 0 394 0 38 1 73 5 384 0 645 0 353 0 118 0 033 0 115 0 03 56 503 5 16 0 341 0 088 0 1 1 216 0 0392 0 5353 0 01 0 21 0 048 0 102 0 28 27 02 19 3 73 27 0 2 95 405 19 3 73 27 5 805 3 9172 0 786 0 515 0 6503 1 0 28 852 出 方 共计38 46 67862 1921 80050 3627 392 77229 5005 差额 误差 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 0 000 0 00 15 2 5 2 气化反应的热量衡算 气化反应的热量衡算主要包括 以 100kg 收到基煤为计算基准 热量衡算的供热方式由以下几项组成 气化原料的发热量 以 Q1表示 22 Q1 GQ燃料 100 15666 kJ 式中 G 气化的燃料量 100kg 下同 Q燃料 气化燃料的发热值 15666kJ kg 气化原料的显热 Q2 Q2 c2Gt2 1 256 100 25 3140kJ 式中 c2 气化原料的比热容 kJ kg t2 入炉煤的温度 25 气化剂中工业氧的显热 Q3 Q3 c3G3t3 0 9016 22 5005 30 608 6kJ 式中 c3 工业氧的比热容 kJ kg G3 工业氧的消耗量 kg t3 工业氧入炉温度 取为 30 气化剂中水蒸气的热焓 Q4 查有关水蒸气表 得 450 30kg cm2 约 3MPa 下 过热水蒸气的焓为 3344 4 kJ kg 所以 Q4 107 3344 4 8 kJ 炉体夹套软水带入的热量 Q5 Q5 c5G5t5 4 18 8 30 1003 2 kJ 式中 c5 水的比热容 4 18 kJ kg G5 气化 100kg 的煤 加入气化炉的软水约 8kg t5 软水的入炉温度取为 30 由以上计算 供给气化炉的总热量为 Q Q 6 kJ 气化过程生成的各项有效热量与所有的热损失之和 为热量衡算的付热方 由 以下几项组成 1 生成的煤气热值 Q6 Q6 100 V粗 2843 100 0 973 11903 kJ 式中 V粗 粗煤气的产率 0 973m3 kg 煤 18 11903 粗煤气的发热值 2 生成煤气的显热 Q7 Q7 100c7V粗t7 100 1 5519 0 973 300 45300 kJ 式中 1 5519 粗煤气比热容 3 出炉煤气中水蒸气的热焓 Q8 16 3 出炉煤气中水蒸气的热焓 Q8 h水 2490 1 994 300 3088 kJ kg Q8 G8h水 19 3 73 27 5 805 3088 kJ 式中 G8 粗煤气夹带蒸汽量 包括煤种干燥水 未分解水和热解水三项 kg h水 粗煤气中蒸汽的热焓 kJ kg 1 994 300 时水蒸气的比热容 kJ kg 2490 水蒸气的气化潜热 kJ kg 4 生成的焦油热 Q9 Q9 G9Q焦油 3 9172 33632 7 kJ 式中 G9 100kg 煤炭气化后的焦油产量 kg Q焦油 焦油热值 33632 7 kJ kg 5 焦油的显热和潜热 Q10 Q10 G9 376 8 2 72t7 2 9172 376 8 2 72 300 3481 kJ 式中 376 8 焦油的潜热 kJ kg 2 72 焦油的比热容 kJ kg 6 生成轻质油的发热能 Q11 Q11 G11Q轻质油 0 786 43652 5 34310 8 kJ 式中 G11 100kg 煤炭气化后生产轻质油的质量 kg Q轻质油 轻质油的热值 kJ kg 7 轻质油的显热和潜热 Q12 Q12 G11 293 1 57t7 0 786 293 1 57 300 600 6 kJ 式中 293 轻质油的潜热 kJ kg 1 57 轻质油的比热容 kJ kg 8 生成氨的发热能 Q13 Q13 G13Q氨 0 6503 22190 14430 kJ 式中 22190 氨的热值 kJ kg 9 氨的显热和潜热 Q14 Q14 G13 1557 49 2 13t7 0 6503 1557 49 2 31 300 1463 kJ 式中 1557 49 氨的潜热 kJ kg 2 31 氨的比热容 kJ kg 10 生成酚的发热能 Q15 Q15 G15Q酚 0 515 32657 16818 kJ 式中 Q酚 酚的热值 kJ kg 生成酚的显热和潜热很小 可以忽略不计 11 煤气夹带煤粉的发热能 Q16 Q16 G16Q煤 1 0 15666 15666 kJ 17 式中 G16 煤气中带出的碳量 kg Q煤 煤的发热值 kJ kg 12 夹带出煤粉的显热 Q17 Q17 c17G17t17 1 1723 1 0 300 351 7 kJ 式中 c17 煤粉的比热容 kJ kg 13 灰渣带出碳量的发热能 Q18 Q18 G18Q碳 1 73 34045 58898 kJ 式中 G17 灰渣中的碳量 kg Q碳 碳的发热值 kJ kg 14 灰渣带出的显热 Q19 Q19 c19G19t19 0 9739 28 852 225 6322 kJ 式中 c19 灰渣比热容 kJ kg G19 100kg 煤炭气化后产生的灰渣量 kg t19 灰渣出炉温度 取为 225 15 炉体夹套产生的蒸汽热焓 Q20 Q20 G5H20 8 2805 22440 kJ 式中 H20 饱和水蒸气的热焓 kJ kg 16 其他热损失 Q21 气化过程中的其他热损由热量衡算确定 付方总热量为 Q付 Q6 Q7 Q21 3 kJ 以 100kg 褐煤计算 其热量衡算结果如表 2 3 所示 18 表表 2 32 3 气化过程热平衡综合表气化过程热平衡综合表 项 目质量 kg热量 kJ 原料发热值 Q1 显热值 Q2 100 0 3410 81 20 0 18 工业氧 显热 Q322 5005608 60 03 蒸气 热焓 Q4107 818 55 夹套 带入 Q58 01003 20 05 入 方 共 计237 5005 6100 00 粗煤气 干 发热能 Q6 显热 Q7 95 405 97 345300 60 03 2 35 出炉煤气携带蒸气热 Q898 37515 75 焦油发热能 Q9 显热 潜热 Q10 3 9172 3481 6 83 0 18 轻质油发热能 Q11 显热 潜热 Q12 0 786 34310 8 600 6 1 78 0 03 氨发热能 Q13 显热 潜热 Q14 0 650314430 1463 0 75 0 08 酚 发热能 Q150 515168180 87 带出煤粉发热能 Q16 显热 潜热 Q17 1 0 15666 351 7 0 81 0 02 灰渣碳的发热能 Q18 显热 Q19 1 73 灰渣量 28 852 58898 6322 3 05 0 33 夹套蒸气 热能 Q16 热量损失 Q21 8 0 22440 1154 32 1 16 出 方 共计237 4305 6100 00 2 6 50 万吨煤气化产物分析 总的生产量为 50 万吨 年 一年 365 天 除去工厂的检修和设备维修以外 一年的 工作日大约为 300 天 平均每天产干煤气的量为 1666t d 需褐煤总量 M 5 108 kg 100 95 405kg 52 41 万吨 年 一年 365 天 除去工厂的检 修和设备维修以外 一年的工作日大约为 300 天 平均每天投煤量为 M 1747t d 碳转化率 100 M CA 1004 865 108 m3100 100 A 6 1004 865 108 m3100 100 28 85 6 1004 865 108 m3100 19 100 1 73 1004 865 108 m3100 98 37 粗煤气中有效气体含量 CO H2 CO H2 O2 C2H4 CH4 N2 CO2 H2S 17 4 37 2 31 65 0 3 0 2 0 15 17 4 37 2 12 1 1 0 54 6 99 78100 54 76 净煤气中有效气体含量 CO H2 CO H2 O2 C2H4 CH4 N2 CO2 24 95 53 35 2 0 0 5 0 3 24 95 53 35 12 1 1 0 78 3 94 24 865 108 m3100 83 12 20 3 shell 气化炉的设计 3 1 shell 气化炉 shell 煤气工艺具有 原料煤种适应性广 单系列能力强 热效率高