第1讲发生炉煤气的种类 煤品质对气化过程的影响

1、硅酸盐工业热工基础硅酸盐工业热工基础第五章第五章 固体燃料气化过程及设备固体燃料气化过程及设备第第1 1讲讲 发生炉煤气的种类发生炉煤气的种类 气化过程及气化指标气化过程及气化指标 煤品质对气化过程的影响煤品质对气化过程的影响学习要学习要点点1、概述：煤的各种燃烧方法及优缺点、概述：煤的各种燃烧方法及优缺点空气煤气水煤气混合煤气2、发生炉煤气的种类、发生炉煤气的种类3、发生炉内煤的气化过程及气化指标、发生炉内煤的气化过程及气化指标4、煤品质对气化过程的影响、煤品质对气化过程的影响灰分和结渣性、水分、挥发分和硫分、粘结性、反应性、粒度和均匀性、机械强度和热稳定性5、扩大气化用煤的途径、扩大气化用

2、煤的途径概述概述煤作煤作燃料燃料时的时的燃烧燃烧方法方法直接燃烧法直接燃烧法半煤气燃烧法半煤气燃烧法全煤气燃烧法全煤气燃烧法1、在燃烧室不能完全燃烧，热能利用率低，造成能源浪费；2、产生的烟气中含有大量粉尘及有害气体，严重污染环境；3、不能严格控制窑炉的温度制度，产品质量难以稳定和提高，产量低；4、工作环境差，劳动强度大，难以实现机械化和自动化。1、比较容易满足窑炉内火焰气氛和温度分布要求；2、劳动条件得到改善，环境污染小，燃料费用低，有较好的经济效益和社会效益；发生炉煤气发生炉煤气5-1 5-1 发生炉煤气的种类发生炉煤气的种类固体燃料固体燃料固体燃料的气化过程固体燃料的气化过程 把煤和焦碳

3、等固体燃料放在某一设备中，在高温下通入气化剂(气化剂可以是空气或水蒸汽，简称蒸汽，也可以是其两者的混合物)，经过一系列的物理化学变化后，转变成煤气。将固体燃料通过高温在气化剂作用下得到气体燃料的方法，称为固体燃料的固体燃料的气化气化。 气化所用的设备为煤气发生炉，简称发生炉简称发生炉。气体燃料气体燃料气化：物理化学过程气化的基本条件：气化的基本条件：气化剂；气化燃料和发生炉；高温和压力。水煤气水煤气煤气煤气气化剂的不同气化剂的不同混合煤气混合煤气空气煤气空气煤气 以空气为气化剂而制得的煤气，称为空气煤气空气煤气。 通常将碳与空气反应，使碳全部转化为CO的煤气，称为理想理想空气煤气空气煤气。一、

4、一、 空气煤气空气煤气反应过程和机理反应过程和机理： 反应分为下面两个步骤： C + O2 + 3.76N2 CO2 + 3.76N2 + 408763 (kJ/kmol) (5-1) C + CO2 2CO - 162375(kJ/kmol) (5-2)气化过程可以看成上面两个反应之和 2C + O2 + 3.76N2 2CO + 3.76N2 +246338 (kJ/kmol) (5-3)理想空气煤气体积百分组成理想空气煤气体积百分组成 %7 .34%10076. 322%CO%3 .65%10076. 3276. 3%N2理想空气煤气产率：理想空气煤气产率：每千克碳气化得到的煤气的体积。

5、 )kg/Nm(38. 51224 .22)76. 32(V3碳空气煤气的缺点：空气煤气的缺点：1、煤中的灰分在高温下会熔融结渣，影响正常汽化过程的进行；2、空气煤气发热量较低，气化率低，出口温度高、带走热量多。 以水蒸气为气化剂而制得的煤气，称为水煤气水煤气。二、水煤气二、水煤气反应机理反应机理： 水煤气的汽化过程主要利用碳与水蒸气之间的反应。 C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol) (5-4) C + 2H2O CO2 + 2H2 - 75222(kJ/kmol) (5-5) C + CO2 2CO -162375 (kJ/kmol) CO + H2O CO2

6、 + H2 + 43576 (kJ/kmol) (5-6)送空气燃烧阶段燃烧阶段制气阶段制气阶段利用碳与氧的放热反应产生热量，并将燃烧产物放空送水蒸气使碳与水蒸气反应产生可燃气体CO和H2。提高温度降低温度 理想条件下，燃烧阶段按式(5-1)进行反应，生成CO2，放出的热量完全被制气过程吸收，则燃烧每千摩尔碳所放出的热量可以分解的蒸汽量为44. 3118798408768根据热量平衡，理想制气过程的总的方程式可写为C+O2+3.76N2+3.44C+3.44H2O CO2+3.76N2+3.44CO+3.44H2由于燃烧阶段和制气阶段所得的产物分别引出，所以产物的体积百分组成为：燃烧阶段：CO

7、2+3.76N2， 即21%CO2和79%N2制气阶段：3.44CO+3.44H2， 即50%CO和50%H2 C + O2 + 3.76N2 CO2 + 3.76N2 + 408763 (kJ/kmol)C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol) 按照上述反应，碳的消耗是4.44摩尔，则这两种产物的产量分别是 ： )kg/Nm(99. 11244. 44 .2276. 4V3碳吹出水煤气的优、缺点：水煤气的优、缺点：优点：发热量高；缺点：对原料要求高，操作复杂、气化率低、生产成本高。 吹出气)kg/Nm(88. 21244. 44 .2288. 6V3碳水煤气水煤气

8、 以空气和水蒸气的混合物作气化剂而制得的煤气，称为混混合煤气合煤气。三、混合煤气三、混合煤气反应机理反应机理： 利用碳与空气中的氧进行的放热反应使发生炉保持必要的气化温度，利用碳与水蒸气的吸热反应来控制氧化层温度，以免灰渣结块，同时产生的CO和H2还能提高煤气的发热量。即 2C + O2 + 3.76N2 2CO + 3.76N2 +246338 (kJ/kmol) C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol)每2kmol碳与空气反应放出的热量可满足(246388/118798)2.07kmol碳与水蒸气的反应，故混合煤气的总反应为 4.07C + O2 + 3.76N

9、2 + 2.07H2O 4.07CO + 3.76N2 + 2.07H2 即每4.07kmol碳与空气和水蒸气的混合物发生气化反应可以得到9.9kmol混合煤气。 理想混合煤气体积百分组成：理想混合煤气体积百分组成： %1 .41%1009 . 907. 4%CO%38%1009 . 976. 3%N2%9 .20%1009 . 907. 2%H2理想混合煤气产率：理想混合煤气产率：)kg/Nm(54. 41207. 44 .229 . 9V3碳5-2 5-2 气化过程及气化指标气化过程及气化指标一、发生炉内的气化过程一、发生炉内的气化过程1、煤气发生炉的结构、煤气发生炉的结构 发生炉的炉体大

10、多呈圆筒形，外壳为薄钢板，炉膛用耐火砖砌筑而成。 加煤口设在发生炉的顶端，煤块由此投入炉内，下部用炉蓖(风汽帽)支撑整个燃料层。 炉蓖下面设有进气口，气化剂由此进入炉内。 煤气出口在发生炉的上端，生成的煤气从煤气出口被引出。预热阶段预热阶段： 气化剂由发生炉下部送风口入炉后，通过炉蓖上温度较高的灰层，发生热交换，起到预热的作用。氧化阶段：氧化阶段： 预热后的气化剂继续向上运动进入正在燃烧的氧化层，煤中的碳与气化剂中的氧发生反应生成CO2和少量的CO。还原阶段：还原阶段： 气化剂中的蒸汽与在氧化阶段生成的CO2等气体一起上升，在还原层中被炽热的碳还原，CO2被还原成CO，蒸汽被还原成H2。干馏干

11、馏(燥燥)阶段：阶段： 热气体继续上升，对上层的煤起到干馏(燥)作用，干馏气体与上升的热气体相互混合，即为发生炉煤气，从出口被引出。2、煤的气化过程、煤的气化过程固定床发生炉内各层的作用固定床发生炉内各层的作用名称名称进行的过程与作用进行的过程与作用化学反应化学反应灰层支持燃料层、分配气化剂、防止风汽帽或炉蓖受高温的影响、利用灰渣的物理热预热气化剂氧化层碳被气化剂中的氧气氧化成CO2和CO并释放出热量以维持必要的反应温度C+O2=CO22C+O2=2CO还原层CO2被还原成CO、蒸汽被分解成H2、CO和CO2CO2+C=2COH2O+C=CO+H22H2O+C=CO2+2H2CO+H2O=CO

12、2+H2干馏层燃料获得热气体传递的热量进行热分解，析出产物为:CO、CO2、H2O、CH4、C2H4、H2、N2、NH3、水蒸气及焦油等。干燥层借气体的物理热蒸发燃料中水分空层聚集煤气CO+H2O=CO2+H2 评价气化过程的指标主要是：煤气质量、煤气产率、气化强度和气化过程的效率。二、煤的气化指标二、煤的气化指标1、煤气质量、煤气质量 煤气的质量指标指煤气的组成和发热量，组成中CO、H2、CH4、C2H4为可燃组分，N2为惰性组分，CO2和H2S为杂质。 煤气的组成和含量取决于煤的种类和气化情况，通常用可燃气体的含量来衡量煤气质量的好坏。2、煤气产率、煤气产率 煤气的产率是指气化1kg煤所得

13、到的煤气量，又称为气化率。 煤气产率可通过煤的碳平衡来求得。即煤中的碳含量，除去灰渣和飞灰中的碳含量以及在干馏时形成焦油所需的碳量外，其余的碳量全部转入煤气中。 设C为1kg煤中的碳含量，气化1kg煤所得煤气、灰渣、飞灰和焦油中的含碳量分别用Cg、Ca、Cf和Ct表示，则有：C = Cg + Ca + Cf + Ct由煤中氢的量来确定由燃烧计算来确定 设Vg表示气化1kg煤所得到煤气的数量，则：)kg(4 .2212100)HCCHCOCO(VC4242gg式中：CO2、CO、CH4和C2H4表示煤气中含碳气体的百分含量。故)kg/Nm(536. 0)HCCHCOCO(100CV34242gg

14、3、气化强度、气化强度 在单位时间内，发生炉内单位横截面上所气化的煤量(干燥基)，称为气化强度。单位为kg/(m2.h)。 生产能力指的是整个发生炉在单位时间内所气化的总的煤量，即气化强度乘以发生炉横截面，工厂里通常称化煤量。 气化强度高，则生产能力高，其设备效能就越好。影响气化强度的有煤的种类和发生炉的结构。4、比消耗量、比消耗量 比消耗量是指气化每千克煤所消耗的气化剂用量。 蒸汽消耗量是指气化每千克煤所需要的蒸汽量。5、气化过程的效率、气化过程的效率 气化过程的效率包括气化效率和热效率。热量总收入热量总收入：1、气化煤的化学热、气化煤的化学热Q1：即煤的低位发热量与耗煤量的乘积。Q1=Qn

15、et.cmc，计算时常取单位耗煤量；2、鼓入空气中蒸汽的热焓、鼓入空气中蒸汽的热焓Q2：即饱和蒸汽的质量与热焓值的乘积，Q2=mwiw。热量总支出热量总支出：3、干煤气化学热、干煤气化学热Q3：即由煤转变为煤气的发热量，等于干煤气的低位发热量乘以干煤气产率，Q3=Qnet.gVg；4、干煤气显热、干煤气显热Q4：即饱和蒸汽的质量与热焓值的乘积，Q4=Vgcgtg；5、焦油化学热、焦油化学热Q5：等于焦油发热量与焦油量的乘积，Q5=Qtmt；6、焦油热焓、焦油热焓Q6：是焦油蒸气随煤气带出时，在煤气出口温度下的热量，Q6=mt(it+cttg)。1、气化效率、气化效率 g 气化效率是指每单位气化

16、用煤所含的发热量转变为煤气发热量的百分数，即： 根据煤气发生炉内热量收入和支出的情况，可求得气化过程在热能利用最主要的指标。%100QQ13g2、热效率、热效率 h 气化过程热效率表示所有进入气化过程中的热量的利用程度，除煤所具有的热量外，还应计入气化剂带入的热量，即：%100QQQQ2153h5-3 5-3 煤品质对气化过程的影响煤品质对气化过程的影响气化气化用煤用煤选用选用原则原则首先满足使用单位对煤气质量的要求首先满足使用单位对煤气质量的要求玻璃熔窑：煤气发热量玻璃熔窑：煤气发热量6100-6300kJ/Nm3；陶瓷窑炉：煤气发热量陶瓷窑炉：煤气发热量5200kJ/Nm3。其次所选的煤必

17、须适合气化操作，能其次所选的煤必须适合气化操作，能够满足一定的气化指标。够满足一定的气化指标。在满足前两条要求的前提下，气化用在满足前两条要求的前提下，气化用煤尽可能就地取材，以降低成本。煤尽可能就地取材，以降低成本。1、煤的灰分含量越低越好。、煤的灰分含量越低越好。( (一一) )、 灰分和结渣性灰分和结渣性灰分高灰分高可燃组分含量低，热量低可燃组分含量低，热量低机械排渣强度大机械排渣强度大灰分造成的热损失大灰分造成的热损失大灰分沉积造成气化率低灰分沉积造成气化率低2、煤的灰分软化温度要高、煤的灰分软化温度要高 灰分软化温度低，在不高的温度下会产生熔渣覆盖在煤表面，灰分软化温度低，在不高的温

18、度下会产生熔渣覆盖在煤表面，减少反应面积，降低气化效率。气化过程中为防止灰分结渣，氧减少反应面积，降低气化效率。气化过程中为防止灰分结渣，氧化层的温度通常保持在化层的温度通常保持在1100-1300 C。一、影响煤气化过程的因素一、影响煤气化过程的因素1、水分、水分( (二二) )、 水分、挥发分和硫分水分、挥发分和硫分 水分越少越好，一般要求不超过8%。水分过高，会使干燥时间延长，增加干燥层和干馏层的厚度，降低还原层的厚度，影响煤气的生成效率。 水分太高时，可以干燥后再入发生炉。2、挥发分、挥发分 挥发分中的主要成分是CH4和CmHn，挥发分高的煤制备的煤气的发热量也高，但热稳定性和机械强度

19、较差。3、硫分、硫分 挥发分中的硫主要以H2S的形式存在， 虽然H2S的发热量较高，但其燃烧产物不仅腐蚀管道，而且对环境有严重污染。其余的硫进入灰渣，使得灰渣软化温度降低，一般要求含硫量2%。( (三三) )、 煤的粘结性煤的粘结性 粘结性是烟煤的一个重要特征，用胶质层厚度Y值表示。 Y12mm的烟煤适宜气化；稍带粘结性的煤要比无粘结性的、粉末状的、热稳定性不良的煤容易气化。 12Y16mm的烟煤不适宜气化。粘结性粘结性的煤的煤在燃料面在燃料面上结块上结块在炉壁在炉壁上结块上结块阻碍气流阻碍气流的通路的通路阻碍燃料阻碍燃料的下落的下落阻碍煤阻碍煤的气化的气化连续机械搅拌连续机械搅拌( (四四)

20、 )、 煤的反应性煤的反应性 煤的反应性也称煤的活性，是指在一定的高温条件下，煤与O2、CO2或水蒸气相互作用的反应能力。 CO2与煤焦进行反应，以CO2的还原率来表示煤的活性。 CO2 的还原率越高，煤的反应性越强，反应能力越强。煤的反煤的反应性强应性强煤气质量好煤气质量好气化效率高气化效率高低温下气化低温下气化变质程度：生成年代短的煤反应性强。褐煤比烟煤反应性强，变质程度：生成年代短的煤反应性强。褐煤比烟煤反应性强，烟煤比无烟煤反应性强。疏松多孔的焦碳，其反应性强。烟煤比无烟煤反应性强。疏松多孔的焦碳，其反应性强。影响因素( (五五) )、煤的粒度及均匀性、煤的粒度及均匀性粒度小粒度小好处

21、：反应面积大，反应进行强烈坏处：粒度过小会增加气化剂通过燃料层的阻力粒度大粒度大好处：有利于气化剂通畅坏处：反应面积减小，导热性差，干燥和干馏时间长粒度不粒度不均匀均匀大粒度分布在炉壁，大粒度分布在炉壁，小粒度分布在炉中部小粒度分布在炉中部炉壁处气体阻力小，燃烧剧烈，“烧穿”；中部气体阻力大，大粒度煤反应不完全。发生炉用煤的粒度一般在12-17mm之间，13-15mm最佳；粒度要均匀，煤末含量尽可能少，一般不超过5%，最小粒度不小于5-6mm( (六六) )、煤的机械强度和热稳定性、煤的机械强度和热稳定性机械强度机械强度坚固性坚固性 用60-100mm的块煤10块或者25kg，从2m高度处坠落

22、三次，以其残块中大于25mm级的质量所占百分数作为机械强度的指标。强度小强度小运输过程中造成破碎，在炉内底部的煤容易被压碎，引起粒度不均匀。热稳定热稳定性差性差气化时发气化时发生生“崩裂崩裂”热稳定性热稳定性 用6-13mm粒度的煤样约500cm3称其质量，并装入5个200ml的坩埚，在85015C的箱形电炉中加热30min后取出冷却，称量筛分所得大于6mm的残焦占该级残焦质量百分数为热稳定性指标。粉尘带走热量造成热损失；燃料层变实，增加气体阻力850C前不破碎( (一一) )、 由煤品质的综合特性确定操作条件由煤品质的综合特性确定操作条件二、扩大气化用煤的途径二、扩大气化用煤的途径1、中等粘结性烟煤的气化、中等粘结性烟煤的气化(1) 薄煤层操作：薄煤层操作：气化时采用薄煤层，可以阻止煤块之间的相互粘结，实验表明煤层厚度以400mm为宜；(2)煤气出口温度控制得较高：煤气出口温度控制得较高：适当提高煤气出口温度能使已经生成的焦油部分裂解成CH4和CmHn，减少焦油对粘结的影响，生成的CH4和CmHn还可以提高煤气的发热量；(3)适当提高鼓风饱和温度：适当提高鼓风饱和温度：由于煤气出口温度有所提高，氧化层温度也相应被提高了，为防止产生结渣现象，需要提高饱和温度以增加水蒸气含量。2、低灰分软化温度煤的气化、低灰分软化温度