煤气化技术应用基本基本原理

1、第7章煤炭的煤气化技术、煤炭的直接燃烧带来的环境问题，至今没有得到有效的解决。 煤炭的煤气化技术是未来煤炭清洁利用技术的基础，被认为是最清洁的煤炭转换利用方式。 煤的煤气化产物在电力生产、城市供暖、燃料电池、流体燃料和化学工业原材料的合成等方面有着极其广泛的应用，可以达到利用煤炭资源的目的，煤的煤气化技术当然成为未来净水技术的核心。 第七章煤炭的煤气化技术、第一节概要一、煤的气化的定义和实质煤炭的煤气化过程是一个热化学过程，即以煤或焦炭为原料，以氧(空气、富氧或纯氧气)、蒸汽或氢为煤气化剂(也称为煤气化介质)，在高温条件下，通过部分氧化反应从固体燃料中煤气化原料煤的煤炭煤气化三者必不可少。 第

2、七章煤炭的煤气化技术，(1)从煤气化和燃烧的不同化学反应的观点来看，煤炭的煤气化和燃烧都属于氧化过程。 煤着火时，其潜在化学能以热的形式放出。 也就是说，空气中的氧与煤中的碳、氢反应生成CO2和H2O，放出热量当氧在一盏茶中时，煤发生完全的氧化反应，其化学能全部转化为热能，这个过程就是燃烧。 第一节是： (1)煤气化和燃烧的区别此时如果减少氧量的话，煤就不会发生完全的氧化反应，所释放的热量也减少，煤中残留的潜在化学能就会转移到生成的瓦斯气体生成物，例如H2、CO、CH4等。 如果想进一步增大瓦斯气体生成物中的化学能，继续减少逻辑性的氧气供给量。 但是，实际上是有限度的。 随着氧气供应量的减少，

3、更多的煤不能转化为瓦斯气体，变成未反应碳，导致煤气化效率大幅下降。 控制氧气供给量很重要，在第1节的概要中，(2)煤气化和液化的差异从过程和化学反应的观点来看也有很大差异。 液化的目的是得到流体燃料或液体化学制品，其本质是通过使煤中大分子分解成小分子，并使云同步调整煤中的C/H (减少)比来得到液体产物。 包括加入H2的直接液化和间接液化。 第一节中，(3)煤气化和干馏是一个在煤隔绝空气的条件下在一定温度范围内热裂化并生成固定焦炭、液体焦油和少量瓦斯气体的过程。 另一方面，煤气化不仅通过高温热裂化过程，还通过与煤气化剂的部分氧化过程将煤中的碳转化为瓦斯气体生成物。 从转化的观点来看，干馏可以使

4、煤本身不到10%的碳转化为可燃瓦斯气体混合物，煤气化可以使碳完全转化。 第一节，(3)对煤气化和干馏的不同煤气化和干馏，理解了煤炭煤气化分为完全煤气化和部分煤气化的情况。 其中的一部分煤气化是干馏技术。 根据干馏温度的高低，可以分为高温干馏和低温干馏。 高温干馏，又称高温焦炭，即冶金工业焦炭低温干馏，也称为温和煤气化，其技术简单，条件温和，能够云同步瓦斯气体、焦油和半焦点，是重要的净水技术。 第一节，二、煤的气化的基本原理从物理化学过程来看，煤的煤气化包括煤干燥脱水、热挥发成分、挥发分和残留碳(或半焦点)的煤气化反应。 在煤气化过程中，当煤粒温度上升到350450C时，开始发生煤的热分解反应，

5、析出挥发物(焦油、瓦斯气体)，热分解反应如下： 第一节概述，二、煤气化基本原理煤的煤气化反应是热裂化生成的挥发分、残留焦炭粒和煤气化剂的复杂反应。 由于该反应是以缺氧状态进行的，煤的气化反应的主要产物是可燃性CO、H2和CH4，只有极小部分的碳被氧化成CO2，可能残留少量的H2O。该过程的主要化学反应在第1节中概述，二、煤的气化的基本原理除了以上反应外，煤中存在的其他元素体如硫、氮等也与煤气化剂反应，在还原气氛下生成H2S、N2、NH3等物质。 这种物质虽然很少，但直接影响后续的气体净化过程，第一节概括来说，三、煤的气化的分类煤的气化过程可以按压力、煤气化剂、煤气化过程、供热方式等进行分类：

6、(1)在供热方式分类的煤的气化过程中，很多化学反应都会释放热量， 煤气化过程可以实现自热供给，但总体上煤瓦斯气体化供热方式如下：第一节综述；(1)按供热方式分类自热供给煤气化方式：即煤的气化过程没有外部供热，煤与水蒸气反应所需热量由煤的氧化反应提供，又称为部分氧化供热。 (参照下述7-1图)间接供热煤气化方式：在自身供热方法中过于依赖碳与氧的反应，如果使用纯氧作为瓦斯气体中的CO2含量过高的催化剂，则如果使用空气作为制造成本增加的催化剂，则会带入大量的N2。 N2和CO2的存在会降低瓦斯气体的热质量。 第1节概要、(1)不同供热方式的间接供热煤气化方式：因此使煤与水蒸气发生反应，热量通过煤气化

7、炉壁从外部传到煤和煤气化剂，由于能够通过电热和核反应进行间接供热，因此也被称为配热式水蒸气煤气化法。 参照下右图)、第一节概要、O2或空气、水蒸气、瓦斯气体、煤、灰可以采用加压或加氢方法来提高瓦斯气体中CH4的含量，以提高瓦斯气体的热值。 也就是说，煤的氢化煤气化后，剩馀的焦炭与氧和水蒸气发生煤气化反应，产生的合成瓦斯气体也为氢化阶段提供了氢源。 在该方法中，通常由平行进行的化学反应直接供给热量，或者由电热向焦炭煤气化过程供给热量。第一节概要、(1)不同供热方式的氢化煤气化方式：氢化煤气化反应方程式、第一节概要、8001800C 110Mpa、8001800C 0.10.4Mpa CO2等、(

8、1)不同供热方式的热媒供热方式：在一个反应器内用煤和空气燃烧加热，用热媒供热，通常用炉渣、熔融、第一节简介、10001600C 0.14Mpa、炉渣、熔盐、熔化铁元素、O2或水蒸气、灰、瓦斯气体、煤粉，图7-3热载体供热方式，(2)煤气化炉内煤炭材料主要是固定床煤气化：该方法的原料煤为块煤，在煤气化过程中，煤从煤气化炉的顶部进入，而煤气化剂从煤气化炉的底部进入， 煤炭材料与煤气化剂逆流接触，相对于瓦斯气体的上升速度，吹起煤炭材料床层来说是不一盏茶的，所以又称为固定床煤气化，又称为移动床煤气化。 优点：气固为逆流接触，煤在炉内停留时间约11.5h，反应温度低，碳转化率和煤气化效率高。 缺点：使用

9、瓦斯气体生产能力小的结节煤时，炉内还需要搅拌装置。 第一节是(2)以煤气化炉内的煤炭材料和煤气化剂接触的方式分类流化床气化：以粒度10mm的煤炭为煤气化原料，在煤气化炉内悬浮分散在垂直上升的气流中，煤炭粒子在沸腾状态下进行煤气化反应，煤炭材料层内的温度变得均匀，容易控制，煤气化效率提高。优点：煤与煤气化剂接触面大，反应速度快，单炉生产能力提高，煤在炉内停留时间相对较短。 缺点：流化床气化灰渣和飞灰含碳量都高，飞灰回收和循环仍是一定的技术问题。 第一节简介、(2)根据煤气化炉内煤质与煤气化剂的接触方式分类煤气化：煤气化炉煤气化法原料煤粒度更细，一般在100m以下，在煤气化过程中用煤气化剂将煤粉带

10、入气化炉内，先以煤粉为煤浆，然后用泵与气化剂发生气化反应。 煤粒与汽化剂顺流接触。 优点：反应速度快，碳转化率和单炉生产能力高。 第一节概要、(2)按煤气化炉内的煤炭材料和煤气化剂的接触方式分别分类熔浴床煤气化：也称为熔浴床煤气化，将煤炭粉和煤气化剂沿切线方向高速地吹入温度高且稳定的熔池内，且池内的熔物保持高速旋转。 作为微粉炭和气化剂的分散媒的熔融物可以是熔融的灰白质、熔盐或熔融的金属。 第一节是(3)固体排渣煤气化液态排渣煤气化(4)煤气化过程中是否连续煤气化：煤的燃烧和煤气化进行到云同步，煤气化剂连续流动，瓦斯气体产品不断地导出。 间歇煤气化：燃烧和煤气化分开进行，煤气化剂中的氧和水蒸气

11、在各自不同的时间通过煤气化炉，主要通过水蒸气生成瓦斯气体，因此产品瓦斯气体的导出是间歇的。 第1节概要、(5)不同场所的地面煤气化：指从地下开采煤炭，经过适当的加工处理后在煤气化炉内煤气化。 地下气化：直接通过煤气化剂煤气化地下煤层，将产品瓦斯气体导向地面进行利用。 第一节概述了不同的煤气化工艺对原料煤煤质的要求不同。 煤气化用煤的特性主要包括煤的反应性、粘结性、熔渣形成性、热安定性、机械强度、粒度组成及水分、灰分和硫成分等。 一、煤的反应性是指在一定的外部条件下，与气化剂(氧、水蒸气)相互作用反应的能力。 直接影响煤炭煤气化过程中的耗氧量、瓦斯气体组成、带出物和灰白质的碳含量、瓦斯气体发生率

12、及热效率等生产指标。 在任何一种煤气化工艺中，反应性好有利于煤的煤气化。 第二节煤气化用煤的特性、煤的反应活性直接影响煤的煤气化效果。 首先反应活性越好，其初期煤气化的温度越低，低温条件有利于生成CH4，也可以降低氧消耗，其次与相同灰熔点的低反应活性煤相比，可以控制为以较少的水蒸气使反应温度不超过灰熔点，减少水蒸气的消耗量。 煤化作用程度越低，挥发分含量越高，干馏后的焦炭的比表面积越大，反应活性越好，煤中的碳丝含量越高，反应活性越强。 第二节煤气化用煤的特性，二、煤的粘结性煤的粘结性是指煤加热到一定温度时，煤先热裂化形成塑性状态后，煤粒间在膨胀压力的作用下相互粘结的程度。 这影响了瓦斯气体在材

13、料层内流动的顺畅性和分布在材料层截面上的均匀性。 以前的煤的气化用煤采用弱粘性的煤。 三、煤的成渣性煤的成渣性是指煤中的矿元素在燃烧和煤气化过程中灰分的软化、熔化形成渣块的能力。 容易结渣的煤不适合作为煤气化原料。 通常，固体排渣煤气化过程通常要求ST1250C，因为煤的灰熔点(ST )越低，熔渣越容易形成。 第二节煤气化用煤的特性，四、煤的热安定性煤的热安定性是指煤在燃烧和煤气化过程中对热的稳定性，即煤块在高温状态下保持原来粒度的能力。 在以布摇滾乐煤为原料的固定床煤气化工艺中，煤的热安定性差会导致煤材料层内瓦斯气体流动的阻力和带出量增加，导致煤气化效率降低。五、煤的机械强度煤的机械强度是指

14、煤块的抗破碎、耐磨及抗压等综合物理和机械性能。 这是关于煤能否保持运输和煤气化过程中所要求的粒度和筛分组成，机械强度低的煤不能直接作为固定床煤气化的原料。 第二节煤气化用煤特性、六、煤粒度分布不同的煤气化工艺对所用原料煤粒度的要求不同。 固定床煤气化要求使用13100mm的块状炭，煤的粒度尽可能均匀，流态化床的煤气化使用08mm的微粉炭，以煤材料中的最大粒子决定煤气化炉内的瓦斯气体流速的气流床和熔融浴床的煤气化分别使用0.1mm和6mm的微粉炭和细粒炭第二节煤气化用煤的特性、七、煤中的水分、灰分和硫分水分：原料煤的水分直接影响煤气化过程的稳定运行和热效率，水分越低对煤气化越有利。 固定床煤气化

15、时，煤材料中的水分必须保证煤气化炉顶部出口瓦斯气体温度高于其露点温度，当流化床与气流床煤气化时，为了使煤材料在破碎、筛分、输送及进料时可自由流动，要求煤材料水分为5%。 特别是用干式法装入的气流床煤气化，要求煤材料的水分2%。 第二节煤气化用煤的特性、七、煤中的水分、灰分和硫分灰分：煤材料中的灰分常是影响煤气化正常进行的主要因素之一。 煤中的灰分影响灰渣的碳含量会引起碳损失，作为惰性成分会导致煤气化效率降低和煤气化炉生产能力的浪费。 特别是固定床煤气化时，灰分是炉内“划伤”的主要原因。 硫：煤中硫含有有机硫和无机硫，在煤气化过程中，煤中硫主要以H2S形式和少量COS和CS2等形式转入瓦斯气体中

16、。 含硫瓦斯气体是产品瓦斯气体中的有害杂质，必须在发送给客户之前进行净化去除。 第二节煤气化用煤的特性、煤的煤气化是一个复杂的物理和化学过程，原料煤、煤气化剂及不同的煤气化方法和操作条件影响煤气化效果，通常测定煤气化效果的指标有煤气化质量、气体收率、气化强度、气化效率、碳转化率、冷气效率和热气效率等。 煤气化强度：指煤气化炉每单位面积可煤气化的原型煤的质量，单位为t/(m2h )，反映煤气化过程生产能力的碳转化率：表示原型煤中碳的转化程度，一般碳转化率越高，灰质中未转化碳的量越少。 第三节煤的煤气化指标、瓦斯气体组成和热值：瓦斯气体质量好坏用瓦斯气体组成和热值表示。 瓦斯气体热值的高低取决于瓦

17、斯气体中可燃成分。 例如，混合发生炉中可燃成分主要是CO和H2。 瓦斯气体生产率：瓦斯气体生产率是指煤气化每单位质量的煤材料而产生的瓦斯气体的体积数，分为湿瓦斯气体生产率和干瓦斯气体生产率，前者是指瓦斯气体中含有水蒸气，后者是指干瓦斯气体体积。 瓦斯气体的生产率与煤材料的水分、灰分、挥发分、固定碳含量有关，均受碳转化率和碳损失率的影响。 第三节煤的煤气化指标、碳损失率：煤气化过程中的碳损失包括从煤气化炉带到煤气化炉的碳损失和带到灰质排出煤气化炉的碳损失。 碳损失的量取决于煤质的性质、送风速度、水蒸气的添加形式和煤气化炉的结构。 一般情况下带出的碳损失按干炭计算，排放碳损失按纯碳计算。 煤气化效

18、率：煤气化效率也称为冷瓦斯气体效率，是产生瓦斯气体的热值与瓦斯气体生产率之积与所用煤炭材料的发热值之比。 使用热瓦斯气体时，在分子项中还应该考虑瓦斯气体的显热，在这种情况下，称为热瓦斯气体效率。 第三节煤的煤气化指标、冷瓦斯气体效率：热瓦斯气体效率：这些个两个指标与瓦斯气体佟热回收和后续应用有关。 热效率：指瓦斯气体和副产品热与回收利用的热之和在供给煤气化过程总热中所占的百分率。 由此可知，热效率表示了煤气化过程中热的有效利用程度。第三节煤的煤气化指标一般将煤气化生成的瓦斯气体产物称为瓦斯气体，其中煤气化炉出口的未净化瓦斯气体称为粗瓦斯气体。 不同的煤气化方法可以产生不同性质(组成和热值)的瓦斯气体。 根据其性质，瓦斯气体可以广泛应用于各工业和民生领域，包括瓦斯气体燃料城市瓦斯