第五章煤的气化.ppt

1、碳一化学是以含有一个碳原子的物质(如CO、CO2、CH4、CH3OH、HCHO)为原料合成化工产品或液体燃料的有机化工生产过程。,关于碳一化学,5.1 煤气化的基本原理,1.煤气化： 以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等做气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。 2.气化条件： 气化炉、气化剂、供给能量（三者缺一不可） 3.气化产品： 气化煤气：CO 、H2、 CH4,O2、H2O、H2、根据产热方式和煤气用途选择性供入（ H2 很少用）,气化类型,自热式煤的水蒸气 气化原理： 气化剂： 空气或O2；H2O(气) 主要

2、反应：C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2-Q,煤气主要可燃成分：CO、H2 特点： 无外界供热（煤与水蒸气反应进行吸热反应所耗热量是由煤与氧气进行的放热反应所提供的）； 所需工业氧价格较贵，煤气中CO2含量高。,外热式煤的水蒸气气化原理,气化剂：H2O(气) 主要反应： C+H2OCO+H2-Q 煤气主要可燃成分： CO、H2 特点： 气化炉外部供热（煤仅与水蒸气反应）；气化炉传热差，不经济。,煤的加氢气化原理,气化剂：H2 主要反应： C+H2CH4+Q 煤气主要可燃成分：CH4 特点： 煤气主要由CH4组成（代用天然气）； 产生残焦（含碳残渣）,煤与H2加压生成

3、CH4的反应性比煤与水蒸汽的反应性小.,煤的水蒸气气化和加氢气化相结合制造代用天然气原理,气化剂： 02；H2O(气) 主要反应： 加氢阶段： C+H2CH4+Q 水蒸气气化阶段： C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2Q 煤气主要可燃成分： CH4 特点： 首先进行加氢气化， 产生残焦再与水蒸气反应，产生加氢阶段用氢气。,煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气原理,气化剂：O2；H2O(气) 主要反应： 水蒸气气化阶段： C+O2CO2+Q 2C+O22CO+Q C+H2OCO+H2-Q 甲烷化反应：CO+3H2 CH4+H2O +Q 煤气主要可燃成分：CH4 特

4、点： 首先由煤的水蒸气气化反应产生以CO和H2为主的合成气，然后合成气在催化剂的作用下“甲烷化”生成甲烷。,基本化学反应,基本化学反应： 氧化反应： C+O2CO2+Q 2C+O22CO +Q H2+ O2 H2O +Q CO+H2OCO2+H2+Q 水煤气反应: C+H2OCO+H2 -Q 副水煤气反应：C+2H2OCO2+2H2-Q 气化反应： C+CO22CO -Q 甲烷化反应： C+2H2CH4+QCO+3H2 CH4+H2O +Q,水煤气主要成分为CO和H2,这些反应中: C+H2OCO+H2 -Q即水蒸气和碳反应的意义最大，此反应为强吸热反应。 供热的： C+O2CO2+Q和 2C

5、+O22CO +Q 与吸热的：C+H2OCO+H2-Q和C+CO22CO-Q组合在一起，对自热式气化过程起重要的作用。,煤中的少量元素氮和硫在气化过程中产生了含氮的和含硫的产物，主要的硫化物是H2S、COS、CS2等，主要的含氮化合物是NH3，HCN、NO等。 煤气化时发生的硫（S）和氮（N）的基本反应 S ： S+O2SO2 SO2+3H2 H2S+2H2O SO2+2COS+2CO2 2H2S+SO2 3S+2H2O C+2SCS2 CO+SCOS N ： N2+3H22NH3 N2+H2O+2CO2HCN+1.5O2 N2+xO22NOx,5.2 气化炉的基本原理, 1.气固反应器类型

6、几种床层状态 床层：若是在一个圆筒形的容器内安装一个多孔的水平分布板,并将固体颗粒堆放在分布板上,形成一层固体层,工程上称为”床层”,简称”床”. 固定床： 气流速度不致使固体颗粒的相对位置发生变化,即固体颗粒处于固定状态,床层高度基本上维持不变. 流化床： 气流速度提高,固体颗粒全部浮动起来,但是仍逗留在床层中不被流体带出. 气流床： 进一步提高流速,固体颗粒不能继续逗留在床层中,开始被流体带出容器外,固体颗粒和分散流动与气体质点的流动类似.,煤气化炉的基本原理,依据煤运动方式的不同，有多种气化方式：,各种床层气化炉的比较,自热式气化炉中不同产热方式的比较,气化过程的指标 煤气产率: 每单位

7、质量煤气化所得煤气的体积。Nm3/Kg煤，单炉发气量：Nm3/h 气化效率（冷煤气效率）： 单位质量气化原料的化学热转化为所产生的煤气化学热的比例。 1kg气化原料产生的煤气化学热，kJ/kg 气化原料的化学热， kJ/kg 干煤气产率，m3/kg 干煤气的高热值，kJ/Nm3,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。,气化反应器的生产能力 （容积气化强度）:,qm固体的质量流量, kg/h vR反应器体积，m3 煤固体的密度，kg/m3 煤堆的疏松程度（取决于反应器类型） 煤的表观密度（取决于煤种） 平均

8、停留时间，h,N返混程度 XC碳的转化率 K反应速率常数 T温度,返混的减少（N值上升）,所要求碳的转化率（XC）的下降,反应速率常数K的上升 温度的上升和更高的反应性,取决于煤的的表观密度s（原料煤性质） 煤堆的疏松程度（反应器类型）。,随以下的因素而减小,煤,3. 装料和排灰,装料 间歇加料；连续加料 常压加料；加压加料 加压加料：料槽阀门；泥浆泵 料槽阀门法 原理：如图5-18 泥浆泵法 原理：煤料与油或水搅拌制成浆状悬浮液，其中含大约60%的固体煤料，经过泵打入气化炉。,排灰 固定床反应器 固态排渣时候：通过炉箅 (灰渣层要保持一定厚度：保护炉栅 合适的蒸汽和氧气比例：防止结渣 加压时

9、候采用和料槽阀门相同的方法排灰) 流化床反应器 矸石灰：炉子底部开口排灰 飞灰：从粗煤气中分离 气流床 灰渣以液态方式排渣，从气化炉底部开口流出 (前提：气化温度应高于灰渣的熔化温度),4.煤质对气化的影响,（1） 水分 （2）挥发份 （3）黏结性 （4）固定碳 （5）反应性 （6）灰分 （7）热稳定性 （8）机械强度 （9）粒度,4.煤气发生站工艺流程,有焦油回收的冷煤气工艺流程：这种焦油不能作为重要产品，但必须从煤气中除去，防冷凝下来堵塞煤气管路和设备。 煤气由发生炉出来，进入竖管直接水冷却器，初步除去重质焦油和粉尘，煤气被冷到8595，经半净煤气管道进入电捕焦油器，除去焦油雾滴后进入洗涤

10、塔，煤气被冷却到35以下，含尘量下降到100mg/m3以下，进入净煤气管，再经排送机送到用户。,二、水煤气 水煤气是由炽热的碳和水蒸气反应所生成的煤气。燃烧时呈蓝色，所以又称为蓝水煤气。 1.制气原理 H22 H = -135.0 kJ/mol 2H2222 H = -96.6 kJ/mol 理想水煤气（理想条件下制取的水煤气，制水煤气过程无热量损 耗） 生成理想水煤气的方程式： .N2 H2 .N22 理想水煤气组成：50%与50%2 气化效率：100% 实际水煤气 2含量高于（ OH222 ） 常含有2、H2O、N2 、H2S和4 等 气化效率：60%65%,需提供水蒸气分解所需的热量，一

11、般采用二种方法： a.交替用空气和水蒸气为气化剂的间歇气化法； b.用氧和水蒸气为气化剂的连续气化法。 2.间歇法制造水煤气 （1）制气原理 .N2 .N2 +394.1kJ/mol H22 - 394.1kJ/mol 吹空阶段（吹风阶段） 两段 吹蒸气阶段（制气阶段） （2）工作循环的构成 间歇法制水煤气，主要由吹空气（蓄热）、吹水蒸气（制气）两个阶段组成，但为了节约原料，保证水煤气质量，正常安全生产，还需要一些辅助阶段， 实际共有六个阶段： a 吹风阶段 b 水蒸气吹净阶段 c 一次上吹阶段 d 下吹制气阶段 e 二次上吹阶段 f 空气吹净阶段,(3)六阶段工作循环 ： a吹风阶段 吹入空

12、气，使部分燃料燃烧，将热能积蓄在料层中，废气经回收 热量后排入大气； b. 蒸气吹净阶段 由炉底吹入蒸气，把炉上部及管道中残存的吹风废气排出，避免影响水煤气的质量； c. 一次上吹制气阶段 由炉底吹入蒸气，利用床内蓄积的能量制取水煤气，煤气送气柜； d. 下吹制气阶段 上吹制气后，床层下部温度降低，气化层上移，为了充分利用料层上部的蓄热，用蒸气由炉上方往下吹（使气化过程在一个稳定，温度均匀的区域进行），制取水煤气，煤气送气柜； e. 二次上吹制气阶段 下吹制气后炉底部残留下水煤气，为安全起见，先吹入水蒸气，所得煤气仍送贮气柜； f. 空气吹净阶段 由炉底吹入空气，把残留在炉上部及管道中的水煤气

13、送往贮气柜而得以回收，以免随吹风气逸出而损失。,4.水煤气发生炉及水煤气站流程 水煤气发生炉 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。 UGI煤气化炉 是一种常压固定床煤气化设备。 原料：通常采用无烟煤或焦炭， 发生炉由上锥体、水夹套、炉篦传动装置，出灰机械及炉底壳等五个主要部分组成。,特点：除连续式操作生产发生炉煤气（即空气煤气）外，还可间歇式操作生产半水煤气或水煤气。 炉子为直立圆筒形结构。炉体用钢板制成，下部设有水夹套以回收热量、副产蒸汽，上部内衬耐火材料，炉底设转动炉篦排灰。 优点 设备结构简单，易于操作，一般不需用氧气作气化

14、剂，热效率较高。 缺点 生产强度低，对煤种要求比较严格，采用间歇操作时工艺管道比较复杂。,水煤气站流程,三、两段式完全气化炉 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。 特点： 1. 使用高挥发份的弱黏结性烟煤及褐煤； 2. 干镏气化分段进行； 3. 两段炉具有比一般发生炉较长的干馏段，煤加热速度变慢，干馏温度低，获得的焦油

15、质量比较轻。 两段式煤气发生炉（P173图5-28） 上段：干馏段 下段：气化段 下段煤气温度500600， 上段煤气温度100150，只含轻质焦油。,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。 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

16、的高度，同时也增加了料层的阻力。,四、加压气化原理与工艺 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。 加压固定床气化炉生产工况,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,与常压气化炉类似，原料自上而下，气化剂自下而上，逆流接触，煤碳由固态向气态转化。 炉内料层：干燥层、干馏层、甲烷层、第二反应层（还原）、第一反应层（氧化）和灰渣层。,过程原理及其影响因素 过程原理以及影响因素 压力对煤气组成影响 二氧化碳还原与水蒸气分解反应 甲烷合成反应 甲烷和二氧化碳含量增加；氢气和一氧化碳含量减少（在加压下为甲烷生成反应制造了条件 ）,压力对氧气耗量的影响 减少氧气的消耗（为常压的1323） 压力对蒸汽耗量的影响 蒸汽耗量增加（为防止结渣和利于甲烷化的反应，为常压的2