第5章煤炭气化技术

1、第第 5 章章 煤炭气化煤炭气化5.1 概述概述5.2 煤气化技术的分类煤气化技术的分类5.3 煤气化基本原理煤气化基本原理5.4 煤气化过程的常用评价指标煤气化过程的常用评价指标5.5 影响煤气化效率的主要因素影响煤气化效率的主要因素5.6 煤气化工艺及设备煤气化工艺及设备5.7 煤气化技术发展的主要趋势煤气化技术发展的主要趋势5.1 概述概述 煤炭气化是指在特定的设备煤炭气化是指在特定的设备（气化炉）（气化炉）内于内于一定温度及压力下使煤中的有机质与气化剂一定温度及压力下使煤中的有机质与气化剂发生一系列物理化学反应，将煤转化为灰渣发生一系列物理化学反应，将煤转化为灰渣和可燃性气体和可燃性气

2、体（煤气）（煤气）的过程。的过程。 根据所采用的气化剂的不同（根据所采用的气化剂的不同（空气、纯氧、空气、纯氧、富氧空气、水蒸气、二氧化碳、氢气、甲烷富氧空气、水蒸气、二氧化碳、氢气、甲烷或混合气化剂等或混合气化剂等） 和气化工艺的不同，能够和气化工艺的不同，能够制得各种不同成分的煤气，经进一步的制得各种不同成分的煤气，经进一步的净化净化与与变换反应变换反应，可用于生产工业燃料气、民用，可用于生产工业燃料气、民用煤气和化工原料气（煤气和化工原料气（合成气合成气）。）。 5.1.1 煤炭气化的定义煤炭气化的定义 5.1.2 煤气的种类煤气的种类 煤气成分取决于燃料、汽化剂的种类以及气化过程的条件

3、。煤气成分取决于燃料、汽化剂的种类以及气化过程的条件。 根据汽化剂和煤气成分分类根据汽化剂和煤气成分分类煤气种类煤气种类汽化剂汽化剂煤气成分煤气成分特点特点用途用途空气煤气空气煤气空气空气CO、CO2、N2热值低热值低燃烧发电燃烧发电水煤气水煤气水蒸汽、氧气水蒸汽、氧气H2、CO热值高热值高合成原料合成原料混合煤气混合煤气蒸汽、空气蒸汽、空气CO、CO2、N2 、H2热值稍高于热值稍高于空气煤气空气煤气作燃料气、高热作燃料气、高热值煤气稀释剂值煤气稀释剂半水煤气半水煤气蒸汽、空气或空蒸汽、空气或空气煤气和水煤气气煤气和水煤气混合混合CO、CO2、N2、 H2V（CO+H2）/V(N2)=3.1

4、3.2合成氨的原料气合成氨的原料气焦炉煤气焦炉煤气煤干馏煤干馏CO、CH4、 H2、少少量乙烯、量乙烯、N2、CO2也可直接作也可直接作燃料燃料合成氨的原料合成氨的原料典型的几类煤气的组成和热值典型的几类煤气的组成和热值煤气名称煤气名称气化剂气化剂煤气组成（煤气组成（%）低位发热量低位发热量（KJ/m3）H2COCO2N2CH4O2空气煤气空气煤气空气空气2.61014.7720.50.237624598混合煤气混合煤气空气、蒸汽空气、蒸汽13.527.55.552.80.50.250165225水煤气水煤气蒸汽、氧气蒸汽、氧气48.438.566.40.50.21003211286半水煤气半

5、水煤气蒸汽、空气蒸汽、空气4030.7814.60.50.287789614合成天然气合成天然气氧、蒸汽、氢氧、蒸汽、氢11.50.021196970.23344037620根据煤气热值的高低分类根据煤气热值的高低分类煤气种类煤气种类热值热值kJ/m3所属种类所属种类用途用途低热值煤气低热值煤气38007600空气煤气、空气煤气、混合煤气混合煤气高热值煤气高热值煤气稀释剂稀释剂中热值煤气中热值煤气 1000020000水煤气、水煤气、焦炉煤气焦炉煤气民用、工业民用、工业用、发电用、发电高热值煤气高热值煤气21000中热值煤中热值煤气甲烷化气甲烷化所得所得合成天然气合成天然气(1) 发生炉煤气发

6、生炉煤气 分为空气煤气和混合煤气。发生炉煤气是以空气或空气分为空气煤气和混合煤气。发生炉煤气是以空气或空气/水蒸气为气水蒸气为气化剂使煤发生气化反应制得的，由于混了大量的氮气，所以其热值很低化剂使煤发生气化反应制得的，由于混了大量的氮气，所以其热值很低，又称贫煤气。，又称贫煤气。(2) 水煤气水煤气 一般是氧气和水蒸气作为气化剂，与炽热的烟煤或焦炭作用制得的一般是氧气和水蒸气作为气化剂，与炽热的烟煤或焦炭作用制得的。因此氮气含量较低，煤气热值高于发生炉煤气。因此氮气含量较低，煤气热值高于发生炉煤气。(3) 城市煤气城市煤气 通过干馏热解得到的煤气，用作民用燃料气，我国城市煤气要求热通过干馏热解

7、得到的煤气，用作民用燃料气，我国城市煤气要求热值大于值大于14.64MJ/m3，H2S含量少于含量少于20mg/m3，氧体积含量少于，氧体积含量少于1。按煤气的组成和用途分类按煤气的组成和用途分类（4）替代天然气）替代天然气 气体成分组成和热值与天然气类似的煤气，一般要求气体成分组成和热值与天然气类似的煤气，一般要求CH4含含量在量在75%以上，热值在以上，热值在41.8MJ/m3左右，属高热值煤气，可在工业左右，属高热值煤气，可在工业应用中作为天然气的替代品适用。应用中作为天然气的替代品适用。（5） 合成气合成气 合成气是经变换和净化后的水煤气，具有特定组分要求，是合合成气是经变换和净化后的

8、水煤气，具有特定组分要求，是合成某种化工产品原料煤气。合成气的组成与用途有关，如合成氨、成某种化工产品原料煤气。合成气的组成与用途有关，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约等于约等于3；合成甲醇用合成气要求合成甲醇用合成气要求CO含量较高，含量较高，H2/N2约等于约等于2.5。5.1.3 煤气的应用煤气的应用1) 作为工业燃气作为工业燃气 热值为热值为11001350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉

9、、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。2) 作为民用煤气作为民用煤气 热值在热值在30003500大卡，要求大卡，要求CO小于小于10，除焦炉煤气外，用直接气，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极

10、大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而提高煤气的热值；而CO有毒，其含量应尽量低。有毒，其含量应尽量低。 3) 作为化工合成和燃料油合成原料气作为化工合成和燃料油合成原料气德国早在第二次世界大战时期就采用费托工艺合成航空燃料油。随着合成气化工德国早在第二次世界大战时期就采用费托工艺合成航空燃料油。随着合成气化工和碳化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直

11、接合成各种化学品的路和碳化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。、二甲醚以及合成液体燃料等。 化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德等成分有要求，一般德士古气化炉、士古气化炉、Shell气化炉较为合适。气化炉较为合适。4) 作为冶金还原气作为冶金还原气煤气中的煤气中的CO和和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿具有很

12、强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。含量有要求。7) 煤炭气化制氢煤炭气化制氢 氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用

13、，一般是将煤炭转化成。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和和H2，然后通过变换反应将然后通过变换反应将CO转换成转换成H2和和H2O，将富氢气体经过低温分离或，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。 8) 煤炭直接液化的气源煤炭直接液化的气源煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。5.2 煤气化技术的分类煤气化技术的分类 按气化压力分为：

14、按气化压力分为：常压气化和加压气化常压气化和加压气化 低压气化（低压气化（00.35MPa）、中压气化（）、中压气化（0.73.5MPa）和高压气化（和高压气化（7MPa） 按操作方式分为：按操作方式分为：间歇气化和连续气化间歇气化和连续气化 按排渣方式分为：按排渣方式分为：固态排渣和液态排渣固态排渣和液态排渣 按进煤状态分为：按进煤状态分为： 块煤气化（块煤气化（650mm） 细粒煤气化（细粒煤气化（0.19mm） 粉煤（粉煤（0.1mm） 按入料煤的形态按入料煤的形态 干法气化；湿法气化水煤浆、油煤浆气化干法气化；湿法气化水煤浆、油煤浆气化 按气化剂的种类分：按气化剂的种类分：空气鼓风气化

15、（空空气鼓风气化（空气煤气）、空气气煤气）、空气-水蒸气气化（发生炉煤水蒸气气化（发生炉煤气）、氧气）、氧-水蒸气气化（水煤气）和加氢水蒸气气化（水煤气）和加氢气化（以氢气为化剂）等气化（以氢气为化剂）等。 按煤与汽化剂在气化炉内运动状态分为：按煤与汽化剂在气化炉内运动状态分为： 固定床气化固定床气化 流化床气化流化床气化 气流床气化气流床气化 熔融床气化熔融床气化l按气化进行的场所按气化进行的场所u常规气化站和气化常规气化站和气化地下气化地下气化u常规气化站常规气化站u气化气化地下气化地下气化煤炭气化技术的命名煤炭气化技术的命名 工业生产中气化方法工业生产中气化方法命名命名突出一两个类别，突

16、出一两个类别，冠以名称。冠以名称。 Lurgi 气化法：气化法：固定床固定床块煤加压块煤加压气化法；气化法； Koppres-Totzek气化法：气化法：常压粉煤常压粉煤气流夹带床气流夹带床气化法；气化法； Winkler 气化法：气化法：细颗粒煤细颗粒煤流化床流化床气化法；气化法； Shell法法：粉煤加压粉煤加压液态排渣液态排渣气化法等。气化法等。5.3 煤气化基本原理煤气化基本原理煤的气化主要有以下几个阶段：煤的气化主要有以下几个阶段：煤炭干燥脱水煤炭干燥脱水热解脱挥发分热解脱挥发分挥发分和热解半焦的气化反应挥发分和热解半焦的气化反应Reaction with steam+H2OCOH2

17、 +O2CO2+H2O煤挥发分半 焦热 解H2OH2+ CH4+COH2OCOCO2 O2 燃 烧气化过程发生的反应包括煤的热解、燃烧和气化反应 （1）煤和氧的主要反应）煤和氧的主要反应 2C+O2=2CO+Q C+O2=CO2+Q C+CO2=2CO-Q 2CO+O2=2CO2+Q 从化学平衡的角度来考虑，增加反应的温度可以使反应从化学平衡的角度来考虑，增加反应的温度可以使反应向着向着CO生成的方向进行，降低反应的压力，有利于生成的方向进行，降低反应的压力，有利于CO的生成，所以在高温低压的条件下，产物中的的生成，所以在高温低压的条件下，产物中的CO的含量的含量会升高。会升高。5.3.1 气

18、化反应主要类型气化反应主要类型 （2）煤和水蒸气的反应）煤和水蒸气的反应C+H2O=CO+H2-QC+2H2O=CO2+2H2-QCO+H2O=CO2+H2+Q 从化学平衡的角度来考虑从化学平衡的角度来考虑,提高温度有利于提高温度有利于CO和和H2的生成，同时也可以降低的生成，同时也可以降低H2O的含量。的含量。 （3）煤气中的甲烷反应）煤气中的甲烷反应C+2H2=CH4+QCO+3H2=CH4+H2O+Q2CO+2H2=CH4+CO2+QCO2+4H2=CH4+2H2O+Q2C+2H2O(g)=CH4+CO2+Q 从化学平衡的角度来考虑从化学平衡的角度来考虑,降低反应的温度有使反应向着正反应

19、的方降低反应的温度有使反应向着正反应的方向进行，煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；提高压力有使反应向向进行，煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；提高压力有使反应向着正反应的方向进行。煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；所以说着正反应的方向进行。煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；所以说在高压低温的条件下，有利于甲烷的生成。在高压低温的条件下，有利于甲烷的生成。 煤的热解煤的热解(coal pyrolysis): Coal CH4 + CO + CO2 + Oils + Tars + C (Char) 煤的燃烧煤的燃烧(coal combustion): C + O2 CO2 H = 405.9 kJ

20、/mol 不完全燃烧不完全燃烧: 2 C + O2 2CO H = 123 kJ/mol CO2在半焦上的还原在半焦上的还原 (Boudouard reaction): C + CO2 2CO H = 159.7 kJ/mol 水煤气反应水煤气反应 (water gas reaction): C + H2O CO + H2 H = 118.9 kJ/mol 甲烷化反应甲烷化反应 (hydrogasification reaction): C + 2H2 CH4 H = 87.4 kJ/mol 水煤气变换反应水煤气变换反应 : CO + H2O H2 + CO2 H = 40.9 kJ/mol

21、甲烷化反应甲烷化反应: CO + 3H2 CH4 + H2O H = 206.3 kJ/mol 煤气化主要化学反应热效应煤气化主要化学反应热效应 放热反应放热反应 吸热反应吸热反应 除了以上反应外，煤中存在的少量的杂质元素如硫、除了以上反应外，煤中存在的少量的杂质元素如硫、氮等，也会与气化剂或气化产物发生反应，在还原性氮等，也会与气化剂或气化产物发生反应，在还原性气氛下生成气氛下生成H2S、COS、N2、NH3以及以及HCN等物质，等物质，具体反应如下：具体反应如下： S+O2SO2 SO2+3H2H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 2H2S+SO23S+2H2O S+2CCS2 S

22、+COCOS N2+3H22NH3 N2+H2O+2CO2HCN+1.5O2 N2+x O22NOx5.3.2 煤气化反应一般历程煤气化反应一般历程 煤的气化过程是一个复杂的物理化学过程，在气煤的气化过程是一个复杂的物理化学过程，在气化炉中所进行的反应，除部分为气相均相反应外，化炉中所进行的反应，除部分为气相均相反应外，大多数属于气固非均相反应过程，所以气化反应大多数属于气固非均相反应过程，所以气化反应过程速度同化学反应速度和扩散传质速度有关，过程速度同化学反应速度和扩散传质速度有关，其反应机理符合非均相无催化反应的一般历程，其反应机理符合非均相无催化反应的一般历程，煤或煤焦的气化反应煤或煤焦

23、的气化反应一般经历七个相继发生的步一般经历七个相继发生的步骤骤：（1） 反应气体从气相扩散到固体碳表面（外扩散）；反应气体从气相扩散到固体碳表面（外扩散）；（2） 反应气体再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面（内反应气体再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面（内扩散）；扩散）；（3） 反应气体分子反应气体分子吸附吸附在固体表面上，形成中间络合物；在固体表面上，形成中间络合物；（4） 吸附吸附的中间络合物之间，或中间络合物和气相分子的中间络合物之间，或中间络合物和气相分子之间发生反应，属于表面反应步骤；之间发生反应，属于表面反应步骤；（5） 吸附态的产物从固体表面吸附态的产物从固体表面脱附脱附；（6） 产

24、物分子通过固体的内部孔道扩散出来（内扩散）；产物分子通过固体的内部孔道扩散出来（内扩散）；（7） 产物分子从颗粒表面扩散到气相中（外扩散）。产物分子从颗粒表面扩散到气相中（外扩散）。 总反应速度可以由外扩散过程、内扩散过总反应速度可以由外扩散过程、内扩散过程或表面反应过程控制。大量实验研究表程或表面反应过程控制。大量实验研究表明，低温时表面反应过程是气化反应的控明，低温时表面反应过程是气化反应的控制步骤，高温条件下，扩散或传质过程逐制步骤，高温条件下，扩散或传质过程逐步变为控制步骤。步变为控制步骤。气化效率气化效率：用于衡量原料中的化学能转化成可回收的能量的效：用于衡量原料中的化学能转化成可回

25、收的能量的效率；率； 气化效率气化效率=（产品煤气的热值（产品煤气的热值+可回收的热量）可回收的热量）/原料的热值原料的热值气效率：气效率：用于衡量原料中的化学能转化成产品化学能的效率；用于衡量原料中的化学能转化成产品化学能的效率； 冷煤气效率冷煤气效率=产品气体的热值产品气体的热值/原料的热值原料的热值 热煤气效率热煤气效率 =(粗煤气热值粗煤气热值+粗煤气显热粗煤气显热)/原料煤热值原料煤热值碳转化效率碳转化效率：用于衡量原料中的碳转化成煤气中的碳的效率；：用于衡量原料中的碳转化成煤气中的碳的效率； 碳转化率碳转化率=1-残渣中的碳残渣中的碳/原料中的碳原料中的碳有效气体产率有效气体产率：

26、用于衡量单位原料可以产生的有效气体量：用于衡量单位原料可以产生的有效气体量 有效气体产率有效气体产率=（制得的（制得的CO+H2量）量）/原料煤量原料煤量 气化强度气化强度是指气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤是指气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤质量，单位是质量，单位是t/(m2h)，它反映了气化过程的生产能力。，它反映了气化过程的生产能力。 5.4 煤气化过程的常用评价指标煤气化过程的常用评价指标5.5 影响煤气化效率的主要因素影响煤气化效率的主要因素 原料煤性质原料煤性质 反应活性 粘结性 结渣性与灰熔点 热稳定性 机械强度 粒度分布煤中的水分与灰分 挥发分 固定碳 l操作条件 气化

27、温度 压力 l原料配比水蒸气/煤比氧/煤比反应活性反应活性 反应活性是指在一定条件下，煤炭与不同的气体介质，如反应活性是指在一定条件下，煤炭与不同的气体介质，如CO2 、 O2 、 H2O 、 H2 ，相互作用的反应能力。煤炭反应，相互作用的反应能力。煤炭反应活性通常以被还原为活性通常以被还原为CO的的CO2 量占通入量占通入CO2总量的体积百总量的体积百分数，即分数，即CO2的还原率，作为反应活性的指标。的还原率，作为反应活性的指标。 反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、煤气成分、反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、煤气成分、灰渣或飞灰的含碳量及热效率等。灰渣或飞灰的含碳量及热效率等

28、。 首先反应活性强的煤，在气化和燃烧过程中反应速度快，首先反应活性强的煤，在气化和燃烧过程中反应速度快，效率高，其起始气化的温度就越低，而低温条件对生成效率高，其起始气化的温度就越低，而低温条件对生成CH4有利，也能减少氧耗。其次与同样灰熔点的低反应活有利，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。灰熔点，减少了水蒸气的消耗量。粘结性粘结性 煤的粘结性是指煤被加热到一定温度时，煤受热分煤的粘结性是指煤被加热到一定温度时，煤受热分解并产生胶质体，最后粘结成块状焦炭的能力

29、。解并产生胶质体，最后粘结成块状焦炭的能力。 煤的粘结性不利于气化过程的进行，破坏料层中气煤的粘结性不利于气化过程的进行，破坏料层中气流的均匀分布，并阻碍料层的正常下移，使气化过流的均匀分布，并阻碍料层的正常下移，使气化过程恶化。严重粘结时，会使气化过程无法进行。程恶化。严重粘结时，会使气化过程无法进行。 一般移动床煤气化炉要求气化用煤是不粘结性的，一般移动床煤气化炉要求气化用煤是不粘结性的，或者只有很弱的粘结性。使用粘结性的煤，需在气或者只有很弱的粘结性。使用粘结性的煤，需在气化炉内粘结区部位增设搅拌装置进行破粘处理。化炉内粘结区部位增设搅拌装置进行破粘处理。结渣性与灰熔点结渣性与灰熔点 煤

30、中的矿物质，在高温和活性气体介质的作用下，转变为牢煤中的矿物质，在高温和活性气体介质的作用下，转变为牢固的粘结物或熔融炉渣的能力称为结渣性。固的粘结物或熔融炉渣的能力称为结渣性。影响什么？影响什么？ 煤的灰熔点。固态排灰的气化炉，要求煤灰熔点煤的灰熔点。固态排灰的气化炉，要求煤灰熔点ST大于大于1250，否则在气化过程中容易结渣，形成风洞；液态排渣的，否则在气化过程中容易结渣，形成风洞；液态排渣的气化炉，可以用低灰熔点的煤，但难于用灰熔点气化炉，可以用低灰熔点的煤，但难于用灰熔点ST超过超过1470的煤，否则排渣困难。灰成分中的酸性氧化物的煤，否则排渣困难。灰成分中的酸性氧化物(SiO2和和A

31、12O3)含含量越高，灰熔点越高，灰渣粘度越大；而当碱性氧化物量越高，灰熔点越高，灰渣粘度越大；而当碱性氧化物(CaO、MgO和和Na2O)含量高时，灰熔点低，灰渣粘度小。含量高时，灰熔点低，灰渣粘度小。 原料准备工段中设法向煤中加一些添加剂，以降低或提高煤原料准备工段中设法向煤中加一些添加剂，以降低或提高煤灰熔点，以适应气化操作条件的要求。灰熔点，以适应气化操作条件的要求。热稳定性热稳定性热稳定性是指煤在高温下燃烧或气化过程中，对温度热稳定性是指煤在高温下燃烧或气化过程中，对温度剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时，保剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时，保持原来粒度的性

32、能。持原来粒度的性能。煤的热稳定性与煤的变质程度、成煤条件、煤中的矿煤的热稳定性与煤的变质程度、成煤条件、煤中的矿物组成以及加热条件有关。一般烟煤的热稳定性较好，褐物组成以及加热条件有关。一般烟煤的热稳定性较好，褐煤、无烟煤和贫煤的热稳定性较差。无烟煤则因其结构致煤、无烟煤和贫煤的热稳定性较差。无烟煤则因其结构致密，受热后内外温差大，膨胀不均产生应力，使块煤碎裂密，受热后内外温差大，膨胀不均产生应力，使块煤碎裂。贫煤急剧受热也容易爆裂，即热稳定性也较差。贫煤急剧受热也容易爆裂，即热稳定性也较差。热稳定性是如何影响气化过程的？热稳定性是如何影响气化过程的？机械强度、粒度分布机械强度、粒度分布 机

33、械强度：机械强度：煤的机械强度，是指块煤的抗碎强度、耐磨强度和抗煤的机械强度，是指块煤的抗碎强度、耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能。机械强度高低与气化过程效率关系？压强度等综合性物理和机械性能。机械强度高低与气化过程效率关系？ 粒度分布：粒度分布：不同的气化方式对原料煤的粒度要求不同。固定床气不同的气化方式对原料煤的粒度要求不同。固定床气化炉，要求使用化炉，要求使用550mm 的块煤，粒度应均匀合理。大块燃料滚向炉膛的块煤，粒度应均匀合理。大块燃料滚向炉膛壁，小颗粒和粉末落在燃料层中心，从而造成炉壁附近阻力较小，大部壁，小颗粒和粉末落在燃料层中心，从而造成炉壁附近阻力较小，大部分空气从

34、这里穿过，使这里的燃烧层上移，严重时可使燃料层烧穿。均分空气从这里穿过，使这里的燃烧层上移，严重时可使燃料层烧穿。均匀的炉料可使炉内料层有很好的均匀的透气性，获得较好的煤气质量和匀的炉料可使炉内料层有很好的均匀的透气性，获得较好的煤气质量和较高的气化效率。块煤低缺时，可将细粒煤制成型煤进行造气。较高的气化效率。块煤低缺时，可将细粒煤制成型煤进行造气。水分与灰分水分与灰分煤的水分、灰分对气化过程有重要影响，水分过煤的水分、灰分对气化过程有重要影响，水分过高，会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应高，会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应的温度，超过一定限度时，须在入炉前进行干燥的温度，超过一

35、定限度时，须在入炉前进行干燥(水水煤浆气化法例外煤浆气化法例外)。 灰分过高，会增加热量损失和碳的不完全反应灰分过高，会增加热量损失和碳的不完全反应等。因此，在选择气化用煤时需要综合考虑。等。因此，在选择气化用煤时需要综合考虑。挥发分和固定碳挥发分和固定碳挥发分：挥发分：指煤在与空气隔绝的容器中加热一定指煤在与空气隔绝的容器中加热一定时间以后，从煤中分解出来的液体时间以后，从煤中分解出来的液体(蒸汽状态蒸汽状态)和气和气体产物（焦油、酚及甲烷等）。挥发分析出的现象，体产物（焦油、酚及甲烷等）。挥发分析出的现象，只有在固定床气化时才会出现。在流化床和气流床只有在固定床气化时才会出现。在流化床和气

36、流床气化中，因气化反应温度高，煤中挥发分经高温裂气化中，因气化反应温度高，煤中挥发分经高温裂解，生成气态产物直接转入煤气中。解，生成气态产物直接转入煤气中。固定碳：固定碳：气化用煤的固定碳含量高，则煤气产气化用煤的固定碳含量高，则煤气产率高，气化效率和热效率都高，相应地，单位质量率高，气化效率和热效率都高，相应地，单位质量煤的空气消耗、蒸汽消耗亦高。因煤的变质程度不煤的空气消耗、蒸汽消耗亦高。因煤的变质程度不同，煤的固定碳含量亦不同，在工业生产或设计中同，煤的固定碳含量亦不同，在工业生产或设计中针对不同变质程度的煤种，应采用不同的氧气和水针对不同变质程度的煤种，应采用不同的氧气和水蒸气的理论消

37、耗值。蒸气的理论消耗值。气化炉操作条件气化炉操作条件 气化温度气化温度 对于固态排渣的气化方法，为防止结渣，应将温度控制对于固态排渣的气化方法，为防止结渣，应将温度控制在煤的灰熔点以下，但同时温度增高有利于提高煤的反在煤的灰熔点以下，但同时温度增高有利于提高煤的反应活性和碳的转化率，同时不同的操作温度还会影响到应活性和碳的转化率，同时不同的操作温度还会影响到产物的生成，如低温条件有利于产物的生成，如低温条件有利于CH4的生成。的生成。 压力压力 压力不仅能直接影响化学反应的进行，还会对煤的性质压力不仅能直接影响化学反应的进行，还会对煤的性质产生影响从而间接影响气化效果。产生影响从而间接影响气化

38、效果。 在加压的情况下，在加压的情况下，气体密度增大，化学反应速度加快，有利于单炉生产能气体密度增大，化学反应速度加快，有利于单炉生产能力的提高；力的提高； 从气化反应平衡来讲，加压有利于甲烷的形成，不利于从气化反应平衡来讲，加压有利于甲烷的形成，不利于二氧化碳的还原和水蒸气的分解，从而导致水耗量增大二氧化碳的还原和水蒸气的分解，从而导致水耗量增大，煤气中二氧化碳浓度有所增加。，煤气中二氧化碳浓度有所增加。 生产原料气宜低压，生产生产原料气宜低压，生产燃料气宜高压。？燃料气宜高压。？ 甲烷生成反应为放热反应甲烷生成反应为放热反应其反应热可作为水蒸气其反应热可作为水蒸气分解、二氧化碳等吸热反分解

39、、二氧化碳等吸热反应热源应热源 。 随着压力的增加，气化反随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少；应中氧气消耗量减少； 加压可阻止气化时上升气加压可阻止气化时上升气体中所带出物料的量，有体中所带出物料的量，有效提高鼓风速度，增大其效提高鼓风速度，增大其生产能力。生产能力。 煤的粘结性随压力的增加煤的粘结性随压力的增加而增加。而增加。 弱粘结性煤，粘结指数都随弱粘结性煤，粘结指数都随压力的增加而上升，而且在压力的增加而上升，而且在压力增加到压力增加到0.5 1MPa 以前以前时，粘结性增加较快。时，粘结性增加较快。 粘结性煤，粘结指数也随压粘结性煤，粘结指数也随压力的增加而增加，并且随压力的增

40、加而增加，并且随压力的增加开始增加较快，然力的增加开始增加较快，然后逐渐减慢。后逐渐减慢。 结渣率随系统压力的增加结渣率随系统压力的增加而减少。为什么？而减少。为什么？5.6 煤炭气化工艺及装备煤炭气化工艺及装备 煤气化的方法煤气化的方法 固定（固定（移动移动）床气化法床气化法 流化床气化法流化床气化法 气流床气化法气流床气化法 其他气化方法其他气化方法 熔融床气化法熔融床气化法 煤的地下气化法煤的地下气化法块煤或煤焦块煤或煤焦原料原料炉内各反应层高度基本维持不变炉内各反应层高度基本维持不变床层特点床层特点煤由气化炉顶部加入，汽化剂由炉底送入煤由气化炉顶部加入，汽化剂由炉底送入入炉方式入炉方式

41、流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化即固体颗粒处于相对固定状态即固体颗粒处于相对固定状态运动状态运动状态 气化过程中，煤粒在炉内缓慢下移，因而也称移动床气化气化过程中，煤粒在炉内缓慢下移，因而也称移动床气化5.6.1 固定床气化固定床气化煤气发生炉气化法水煤气气化法两段炉气化法450oC煤分布器搅拌器1500oC常压移动床气化法常压移动床气化法 类型：类型：主要包括煤气发生炉气化法、水主要包括煤气发生炉气化法、水煤气气化法和相应的两段炉气化法。煤气气化法和相应的两段炉气化法。 原理与特点：原理与特点：在常压条件下运行，采用在常压条件下

42、运行，采用自供热和干法排灰的方式；气化炉内，自供热和干法排灰的方式；气化炉内，固体原料煤从炉顶加入，在向下移动的固体原料煤从炉顶加入，在向下移动的过程中与从炉底通入的气化剂逆流接触过程中与从炉底通入的气化剂逆流接触（好处？好处？），自上至下可分为预热干），自上至下可分为预热干燥层、干馏层、气化层（还原层）、燃燥层、干馏层、气化层（还原层）、燃烧层（氧化层）以及灰渣层。烧层（氧化层）以及灰渣层。 移动床气化移动床气化炉内固体床炉内固体床层温度区域层温度区域分布分布气体组成沿料层高度变化化气体组成沿料层高度变化化区域区域名称 进行过程及用途主要化学反应1 灰渣区 分配气化剂， 防止炉箅过热， 预热

43、气化剂约400 2 氧化区(燃烧区)碳与气化剂中的氧进行反应生成一氧化碳及二氧化碳并放出热量约1300 C + O2C O2C + O22CO3 还原区 二氧化碳还原成一氧化碳， 水蒸气分解成氢， 热量由氧化层上升之热气体供给约1100 CO2 + C2C O H2O+ C C O + H22H2O + C C O2 +2 H2CO + H2O CO2 +H2 4 干馏区 燃料与上升的热煤气换热进行热解，煤干馏成半焦或熟煤， 释放出挥发分、水分、轻油、焦油、苯酚、硫化氢、甲烷、氨等500 600 5 干燥区 依靠气体显热蒸发煤中水分约350 6 气相(自由) 空间积聚煤气， 沉降部分夹带炭尘，

44、有时伴有部分水煤气变换反应CO + H2O CO2 +H2移动床气化炉燃料层各区域特性1-加煤机2 -炉盖3-探火孔4-炉衬5 -煤气出口6- 蒸汽水套7-炉算8 -碎渣圈9 -灰盘10-通风箱11-传动装置12 -支柱W-G 型煤气发生炉1 料仓；2料管；3 加料控制系统；4 饱和空气管；5 上炉体；6 炉箅；7 下炉体；8 灰斗；9 探火孔威尔曼一格鲁夏WellmanGalusha 型常压煤气发生炉，其最大的特点是：水夹套非满水设计，气化剂中的水蒸气不采用外来蒸汽直接掺混饱和空气的方法，而是将空气首先鼓入炉体水夹套水面上空层，夹套中的水受炉箅传热，水蒸发增湿空气，饱和后的空气再倒入气化炉炉

45、底进入炉内。热煤气工艺流程饱和空气经与煤气炉的碳反应生成500 左右的粗煤气经旋风除尘器除去带出物以后（煤粉粒、焦油等），通过煤气管道直接送往用户。煤气的显热得到利用，但煤气含焦油和煤粉量较多对后工序不利。焦炭（无烟煤） 冷煤气流程500 35 80 烟煤气化冷煤气流程UGI 型水煤气炉 加长了干馏段（水套以上） 下段煤 500600 oC基本没有焦油 上段煤气 100150 oC产生轻质焦油。水套上段煤气出口 100-150 oC下段煤气出口 500-600 oC空气、蒸气入口煤斗炉箅灰盘加煤机放散管两段式固定床气化炉两段式固定床气化炉两段炉下段煤气出口经旋风除尘两段炉下段煤气出口经旋风除尘

46、器出炉，故称为下段煤气或气化器出炉，故称为下段煤气或气化煤气；另一部分向上经中心管与煤气；另一部分向上经中心管与干馏煤气混合形成混合气从炉顶干馏煤气混合形成混合气从炉顶引出，称为上段煤气或炉顶煤气引出，称为上段煤气或炉顶煤气加压移动床气化法加压移动床气化法 加压移动床气化法是一种在高于大气压加压移动床气化法是一种在高于大气压力（力（1.02.0MPa或更高压力）的条件下或更高压力）的条件下进行煤的气化操作，通常以氧气和水蒸进行煤的气化操作，通常以氧气和水蒸气作为气化介质，以褐煤、长焰煤或不气作为气化介质，以褐煤、长焰煤或不粘煤为原料的气化炉，煤气热值高粘煤为原料的气化炉，煤气热值高。 降常压条

47、件下的反应外，主要是发生了降常压条件下的反应外，主要是发生了一系列甲烷生成的反应，而这些反应在一系列甲烷生成的反应，而这些反应在常压下是需要催化剂参与才能发生的。常压下是需要催化剂参与才能发生的。 主要有主要有固态排灰和液态排渣的鲁奇炉固态排灰和液态排渣的鲁奇炉加压气加压气化炉中化炉中各层的各层的主要反主要反应及产应及产物物（a）干法排灰）干法排灰 （b）液态排渣）液态排渣 干法排灰水蒸气和氧气的比例一般为（干法排灰水蒸气和氧气的比例一般为（4:1） （5:1），液态排渣炉中则为，液态排渣炉中则为0.5: 1。 液态排渣炉内最高温度一般在液态排渣炉内最高温度一般在1300以上，出口粗煤以上，出

48、口粗煤气的温度为气的温度为550左右。使得气化强度和生产能力有了左右。使得气化强度和生产能力有了显著的提高，约为干法排灰式的显著的提高，约为干法排灰式的3倍多。同时灰渣中含倍多。同时灰渣中含碳量有所下降，碳利用率一般在碳量有所下降，碳利用率一般在92%以上。此外，水以上。此外，水蒸气利用率高是其另一个显著的优点。蒸气利用率高是其另一个显著的优点。 干法排灰相比，液态排渣炉液态排渣炉粗煤气中干法排灰相比，液态排渣炉液态排渣炉粗煤气中CH4含量下降，含量下降，CO和和H2组分之和约提高组分之和约提高25%，同时，同时CO/H2比上升，而比上升，而CO2则由则由30%降到了降到了65%。加压移动床气

49、化工艺流程图u 流化床气化技术主要类型流化床气化技术主要类型 温克勒（温克勒（Winkler） 灰熔聚（灰熔聚（U-Gas和和ICC） 循环流化床（循环流化床（CFB, circulating fluidized gasifier） 加压流化床（加压流化床（PFB）5.6.2 流化床气化方法流化床气化方法定义：煤和气化剂在定义：煤和气化剂在流态化流态化状态下发生气化反应的方法。状态下发生气化反应的方法。 或采用或采用流态化技术流态化技术使煤炭与气化剂反应转化为灰渣和使煤炭与气化剂反应转化为灰渣和 煤气的过程。（煤气的过程。（fluidized gasification),流态化技术是一种强化流

50、体流态化技术是一种强化流体(气体或液体气体或液体)与固体颗粒间相互与固体颗粒间相互作用的操作。作用的操作。 流化床气化方法的特点流化床气化方法的特点小颗粒煤，一般在小颗粒煤，一般在0.16mm左右。左右。原料原料床层温度和组成均一。床层温度和组成均一。床层特点床层特点煤由气化炉顶部加入，汽化剂由炉底送入。煤由气化炉顶部加入，汽化剂由炉底送入。入炉方式入炉方式连续、无序的沸腾和悬浮状态运动，最佳流化速度。连续、无序的沸腾和悬浮状态运动，最佳流化速度。运动状态运动状态CO2含量较高。热解产物含量很少，几乎不含焦油。含量较高。热解产物含量很少，几乎不含焦油。产物特点产物特点 缺点：缺点：70的灰及部

51、分未燃尽碳被煤气夹带出气化炉，即增的灰及部分未燃尽碳被煤气夹带出气化炉，即增加了加了煤气净化煤气净化的难度，也造成了很大程度的的难度，也造成了很大程度的热损热损。同时另外的。同时另外的灰分通过黏结落入灰斗，灰分通过黏结落入灰斗，灰渣和飞灰的含碳量均较高。灰渣和飞灰的含碳量均较高。（15%20%）温克勒气化炉示意图温克勒气化炉示意图气化温度控制在气化温度控制在950移动床（移动床（1）流化床（）流化床（2）温度分布比较温度分布比较流化床沿床层高度的气体组分分布 操作气速 煤粒度 结渣性HTW 煤气化示范装置工艺流程图，煤气化示范装置工艺流程图，气化压力和温度：气化压力和温度：0.91.0MPa，

52、1100左右左右HTW 气化炉物料平衡及主要输入输出能量分布灰团聚流化床煤气化技术灰团聚流化床煤气化技术 在流化床层形成局部高温区在流化床层形成局部高温区(炉底有倒锥形分布板，分炉底有倒锥形分布板，分布板中央有一喷嘴，可造成局部高温，灰颗粒由于高温发布板中央有一喷嘴，可造成局部高温，灰颗粒由于高温发生熔化，团聚成大颗粒生熔化，团聚成大颗粒），使煤中的灰分在软化而未熔融），使煤中的灰分在软化而未熔融的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的灰渣，结球长的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的灰渣，结球长大到一定程度时靠其重量与煤粒分离下落到炉底灰渣斗，大到一定程度时靠其重量与煤粒分离下落到炉底灰渣斗，

53、从而有选择性地将灰球排出炉外，降低了灰渣的含碳量从而有选择性地将灰球排出炉外，降低了灰渣的含碳量（5%10%） 美国美国Ugas 流化床煤气化技术流化床煤气化技术 中国中国ICC 灰熔聚流化床煤气化技术灰熔聚流化床煤气化技术灰溶剂流化床与传统流化床相比：灰溶剂流化床与传统流化床相比：传统流化床：传统流化床：炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰和炉底排炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰和炉底排渣中的碳损失较高。传统流化床为降低碳含量，维持稳定的不结渣中的碳损失较高。传统流化床为降低碳含量，维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度（渣操作，不得不采用较低的操作温度（ 950 ），所以传统的

54、），所以传统的流化床气化炉只适用于高活性的褐煤或次烟煤。流化床气化炉只适用于高活性的褐煤或次烟煤。灰溶剂流化床：灰溶剂流化床：根据射流原理，设计了独特的气体分布器和灰团根据射流原理，设计了独特的气体分布器和灰团聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区（聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区（12001300 ）促）促使灰渣团聚成球，借助密度差异，达到灰团与半焦的分离，在非使灰渣团聚成球，借助密度差异，达到灰团与半焦的分离，在非结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内碳含结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内碳含量和操作温度，从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟量和

55、操作温度，从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟煤。煤。Ugas 气化炉气化炉Ugas 气化工业装置流程简图气化工业装置流程简图1煤干燥粉碎部分；煤干燥粉碎部分；2干煤仓；干煤仓；3密相输送系统；密相输送系统；4称量斗；称量斗；5锁斗；锁斗；6进料斗；进料斗；7-Ugas 气化炉；气化炉；8灰冷；灰冷；9排灰装置；排灰装置；10第第一级旋风分离器；一级旋风分离器；11第二级旋风分离器；第二级旋风分离器；12第三级旋风分离器；第三级旋风分离器；13灰冷器；灰冷器；14排粉装置；排粉装置；15废热锅炉；废热锅炉；16蒸气过热器；蒸气过热器；17蒸气预热器；蒸气预热器；18脱氧水加热器；脱氧水加

56、热器；19文丘里洗涤器；文丘里洗涤器；20洗涤器；洗涤器；21空气压缩机部分；空气压缩机部分；22废水循环处理部分废水循环处理部分中国中国ICC 灰熔聚流化床煤气化技术灰熔聚流化床煤气化技术ICC 灰熔聚流化床粉煤气化炉灰熔聚流化床粉煤气化炉1气化炉；气化炉；2螺旋给煤机；螺旋给煤机；3第一旋风分离器；第一旋风分离器；4第第二旋风分离器；二旋风分离器；5温球阀温球阀灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程简图灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程简图1煤锁；煤锁；2中间料仓；中间料仓；3气体冷却器；气体冷却器；4气化炉；气化炉；5灰锁；灰锁；6一级旋风；一级旋风；7二级旋风；二级旋风；8二旋下灰头；二旋下灰头；9废

57、热回收器；废热回收器；10汽包；汽包；11蒸汽过热蒸汽过热器；器；12脱氧水预热器；脱氧水预热器；13洗气塔洗气塔循环流化床（循环流化床（CFB） 煤气化技术煤气化技术特点：克服了鼓泡流化床中存在大量气泡造成气固接触不良特点：克服了鼓泡流化床中存在大量气泡造成气固接触不良的缺点，同时可避免气流床所需过高的气化温度；克服了大的缺点，同时可避免气流床所需过高的气化温度；克服了大量煤转化为热能而不是化学能的缺点，综合了气流床和鼓泡量煤转化为热能而不是化学能的缺点，综合了气流床和鼓泡床的优点；床的优点；CFB 的操作气速介于鼓泡床和气流床之间，煤颗的操作气速介于鼓泡床和气流床之间，煤颗粒与气体之间有很

58、高的滑移速度，使气固两相之间具有更高粒与气体之间有很高的滑移速度，使气固两相之间具有更高的传热传质速率。整个反应器系统和产品气的温度均一，不的传热传质速率。整个反应器系统和产品气的温度均一，不会出现鼓泡床中局部高温造成结渣。会出现鼓泡床中局部高温造成结渣。鲁奇鲁奇CFB 气化炉简图气化炉简图CFB 循环流化床粉煤气化工艺流程技术现状：技术现状： 温克勒气化炉：温克勒气化炉：已有用于合成氨生产案例，但对粒度、煤种要已有用于合成氨生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，煤气中甲烷含量高（求较为严格，煤气中甲烷含量高（0.72.5%）。而且设备生产强）。而且设备生产强度较低，已不代表发展方向。度较低，

59、已不代表发展方向。 U-Gas气化炉：气化炉：在上海焦化厂在上海焦化厂1994年年11月开车，长期运转不正常月开车，长期运转不正常，于，于2002年停运。年停运。循环流化床和加压流化床循环流化床和加压流化床可以生产燃料气，但国际上尚无生产合可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例。成气先例。 中科院山西煤化开发的中科院山西煤化开发的ICC灰熔聚气化炉灰熔聚气化炉，已通过工业示范装，已通过工业示范装置试运行阶段，在多家合成氨厂开始推广使用。置试运行阶段，在多家合成氨厂开始推广使用。6.3.3气流床气化法气流床气化法 20世纪世纪50年代初发展起来的新一代煤气技术，年代初发展起来的新一代煤气技术

60、，最初代表炉型为最初代表炉型为K-T炉。其后随着炉。其后随着Shell、Texaco等一批新型工艺的开发，气流床气化技等一批新型工艺的开发，气流床气化技术因其出色的生产能力和气化效率，在世界范术因其出色的生产能力和气化效率，在世界范围内得到了广泛的应用，尤其是在燃气联合循围内得到了广泛的应用，尤其是在燃气联合循环中。环中。 气流床气化是一种并流式气化，对煤种、粒度气流床气化是一种并流式气化，对煤种、粒度含硫、含灰都具有较大的兼容性，国际上已有含硫、含灰都具有较大的兼容性，国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。、高