《煤化工工艺学》__煤的气化

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 煤的气化,1,5-1 煤气化的基本原理,2,煤的气化,：热化学过程，指,高温下,用,气化剂（气化介质）,通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为,气化煤气,的过程。,气化剂（气化介质）,：氧气（空气、富氧或氧）、水蒸气或氢气,气化煤气,：气化时所产生的可燃气体，有效成分包括,CO,、,H,2,及,CH,4,。,气化条件,：气化炉、气化剂、供给热量,根据供热方式和煤气用途选择，其中 H,2,很少用。,3,发生炉构成,（以固定床为例）,炉 体,加料装置,排灰装置,4,气化基本原理（以固定床为例）,5,6,气化类型, 自热式煤的水蒸气气化（原理如图）,：气化剂：空气或,O,2,；,H,2,O(g),：主要反应：,C+O,2,CO,2,+Q,2C+O,2,2CO+Q,C+H,2,OCO+H,2,-Q,：煤气主要可燃成分：,CO,、,H,2,：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,CO,2,含量高。,7,a,8, 外热式煤的水蒸气气化（原理如图）,：气化剂：H,2,O(气),：主要反应： C+H,2,OCO+H,2,-Q,：煤气主要可燃成分：CO、H,2,：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。,9,10, 煤的加氢气化（原理如图）,:,气化剂：H,2,：主要反应：C+H,2,CH,4,+Q,：煤气主要可燃成分：CH,4,：特点：,煤气主要由CH,4,组成（代用天然气）；,产生残焦（含碳残渣），煤与H,2,加压生成CH,4,的反应性比煤与水蒸汽的反应性小。,11,a,12,：气化剂： O,2,；H,2,O (g),：主要反应：加氢阶段： C+H,2,CH,4,+Q,水蒸气气化阶段：,C+O,2,CO,2,+Q,2C+O,2,2CO+Q,C+H,2,OCO+H,2,-Q,：煤气主要可燃成分： CH,4,：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。, 煤的水蒸气气化和加氢气化相结合制造代用天然气,13,14, 煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气,：气化剂：O,2,；H,2,O(气),：主要反应：,水蒸气气化阶段：,C+O,2,CO,2,+Q,2C+O,2,2CO+Q,C+H,2,OCO+H,2,-Q,甲烷化反应：CO+3H,2,CH,4,+H,2,O +Q,：煤气主要可燃成分：CH,4,：特点：,首先由煤的水蒸气气化反应产生以,CO,和,H,2,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。,15,16,基本化学反应,（,1,）基本化学反应, 基本化学反应：主反应,氧化反应：,C+O,2,CO,2,+Q,2C+O,2,2CO +Q,H,2,+ O,2,H,2,O +Q,CO+H,2,OCO,2,+H,2,+Q,水煤气反应：,C+H,2,OCO+H,2,-Q,副水煤气反应：,C+2H,2,OCO,2,+2H,2,-Q,气化反应：,C+CO,2,2CO -Q,甲烷化反应：,C+2H,2,CH,4,+Q,CO+3H,2,CH,4,+H,2,O +Q,水煤气主要成分：CO和H,2,供热,和,吸热,组合，对自热式气化起重要作用,17,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H,2,S、COS、CS,2,等，主要的含氮化合物是NH,3,，HCN、NO等。,煤气化时发生的硫（S）和氮（N）的基本反应（副反应）,S ：,S+O,2,SO,2,SO,2,+3H,2, H,2,S+2H,2,O,SO,2,+2COS+2CO,2,2H,2,S+SO,2,3S+2H,2,O,C+2SCS,2,CO+SCOS,N ：,N,2,+3H,2,2NH,3,N,2,+H,2,O+2CO2HCN+1.5O,2,N,2,+xO,2,2NO,x,18, 反应特点,一次反应和二次反应,均相反应和非均相反应,吸热反应和放热反应,19,5-2 气化炉的基本原理,20,1. 气固反应器类型, 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，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，固体颗粒不能继续留在床层中，开始被流体带出容器外，固体颗粒的分散流动与气体质点的流动类似。,21, 固定床（移动床）气化炉,原料,：650 mm块煤或煤焦；,加料方式,：上部加料；,排灰方式,：固态或液态；,灰渣和煤气出口温度,：不高；,炉内情况,：煤焦与产生的煤气、气化剂与灰渣都进行逆向热交换。,碳转化率,：高,几种床层状态的气化炉,22, 流化床气化炉,原料,：35 mm的煤粒；,加料方式,：上部加料；,排灰方式,：固态；,灰渣和煤气出口温度,：接近炉温；,炉内情况,：悬浮沸腾，煤与气化剂传热快，温度均匀。,碳转化率,：低,23, 气流床气化炉,原料,：粉煤（70以上通过200目）；,加料方式,：下部与气化剂并流加料；,排灰方式,：液态排渣；,灰渣和煤气出口温度,：接近炉温；,炉内情况,：煤与气化剂在高温火焰中反应。,碳转化率,：高,24, 熔池气化炉,气固液三相反应气化炉；,原料,：6 mm以下直至煤粉所有范围的煤粒；,加料方式,：燃料与气化剂并流加入；,排灰方式,：液态；,灰渣和煤气出口温度,：接近炉温,炉内情况,：熔池是液态的熔灰、熔盐或熔融金属作为气化剂和 煤的分散剂，作为热源供煤中挥发物的热解和干馏。,25,26,各种床层气化炉的比较,项目,固定床,流化床,气流床,熔融床,气化过程,块煤炉顶供给与热空气逆流，依次通过干燥区、气化区、燃烧区、焦碳与O,2,、H,2,O作用生成煤气,中小颗粒煤粒在炉底供给高速气化剂和蒸汽带动下边流态翻滚、边在高温炉床内气化,小煤粒的干或湿态与气化剂高速从喷燃器喷入，在高温高压欠氧下完成气化,煤粉与氧一起从喷嘴喷进熔融金属表面，在高温下瞬时气化,气化温度C,4401400,8001100,12001700,1500,优点,低温煤气易于净化*适于高灰熔点煤*技术成熟，全世界煤气化装置容量占90%,*操作简单，动力消耗少*对耐火炉衬要求低*适于高灰熔点的煤,碳转化率高*液态灰渣易排出放大容量：5000吨/日*负荷跟踪好（50%）*煤种适应性广,煤种适应性广*气化效率高,27,各种床层气化炉的比较（续）,28,2. 气化过程热的产生和传递,气化效率：,即：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。,29,自热式气化炉中不同产热方式的比较,反应物质,优点,缺点,适用场合,空气,耗费少,N,2,稀释了煤气,低热值煤气,H,2,高CH,4,含量,H,2,的分离制造作为合成气时，CH,4,需进一步分离转化,加热气,O,2,可获得纯度高的煤气,需制氧设备,中热值煤气及合成气,CaO,不需要制造O,2,再生未解决,合成气和加热气,30,3 气化反应器的生产能力,容积气化强度（q,m,/v,R,）,:,q,m-,固体的质量流量, kg/h,v,R,反应器体积，m,3,煤,固体的密度，kg/m,3,平均停留时间，h,N返混程度,X,C,碳的转化率,K反应速率常数,T温度,31,返混的减少（N值上升）；,要求碳的转化率（X,C,）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。,煤的的表观密度（原料煤性质）,煤堆的疏松程度（反应器类型）,减小,煤,32,不同反应器类型煤容积气化强度（q,m,/v,R,）的比较,反应器类型,最高温度/,容积气化强度/kg/(m,3,h),固定床,0.1 MPa,约1100,120200,0.3 MPa,8001100,200300,流化床,4 MPa,795895,71,气流床,0.1 MPa,1500,360,4 MPa,1500,7200,33,4. 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,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。,34, 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),35,5 煤质对气化的影响,气化用煤的性质包括,反应活性,、,粘结性,、,热稳定性,、,机械强度,、,粒度,、,结渣性,以及,煤的水分、挥发分、固定碳和灰分,等。,36,（1）煤的化学性质,煤的反应活性,是指在一定的条件下，煤炭与不同气化介质（如二氧化碳、氧、水蒸气和氢）相互作用的反应能力。,反应活性又称为反应性。反应性的强弱直接影响煤在气化时的有关指标：产气率、灰渣或飞灰含碳量、耗氧量、煤气成分及热效率等。,不论何种气化工艺，,煤活性高总是有利的。,37,（2）煤的物理性质,黏结性,一般结焦或较强黏结性的煤不用于气化。弱黏结性的煤在高压下，特别在常压至1 MPa的范围内，黏结性可能迅速增加。,不带搅拌的固定床气化炉应使用不黏结煤或焦炭；带搅拌的可使用弱黏结煤。固定床两段炉自能用自由膨胀指数为1.5左右的煤为原料。,流化床气化炉可使用自由膨胀指数约2.54.0的煤。采用喷射进料时，可使用黏结性稍强的煤，否则需要对黏结性煤预氧化破黏、焦与原煤的预混合等处理。,气流床气化时，可使用黏结性煤料，但黏结性不应太强。,热稳定性：,主要对固定床气化有影响。无烟煤的热稳定性较差，一般不应在固定床气化炉中使用。,38,机械强度：,影响固定床气化炉的飞灰带出量和单位炉截面积的气化强度；流化床气化炉中的煤粒大小是否均一；不影响气流床气化炉。,无烟煤的机械强度较大。,粒度：,固定床气化炉：,均匀、合理，细粉煤的比例不应太大。也可将细粉煤制成煤球。,流化床气化炉：,粒度太小，加上颗粒间的摩擦形成细粉，则会使煤气中带出物增多；粒度太大，则挥发分逸出会受到阻碍，粒子发生膨胀，而密度下降，在较低的气速下即可流化，从而减少生产能力。一般要求,35 mm,。,气流床气化炉：,干法进料时要求煤粒,0.1 mm,，即至少有,70%90%200,目的粉煤；水煤浆进料时，要求一定的粒度匹配，提高水煤浆中煤的浓度。,39,（3）煤的组成,水分,固定床气化炉：,8%10%,（,保证气化炉出口煤气温度高于气体的露点温度，否则需要将入炉煤进行预备干燥。因为煤中水分过多而加热速度太快时，易导致煤料破裂，使出炉煤气带出大量煤尘。另外，所得煤气冷却后会产生大量废液，增加废水处理量。,）,流化床和气流床：,5%，其中烟煤干法加料进行气流床气化时要求1250,。由于灰渣的物理状态和化学组成均不同于煤中的灰分，因此仅以灰熔点来判断有时并不可靠。,43,5-3 固定（移动）床气化法,44,一、发生炉煤气（空气煤气）,以煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，通入发生炉内制得的煤气为,发生炉煤气,（CO、 H,2,、N,2,） 。,1. 制气原理：, 理想发生炉煤气,理想的发生炉煤气的组成取决于,这两个反应的热平衡条件,，即满足放热反应与吸热反应的热效应衡等的条件 。,理想情况：,气化纯碳，且碳全部转化为,CO,；,按化学计量方程供入空气和水蒸气且无过剩；,气化系统为孤立系统，系统内实现热平衡,45,放热反应：C0.5O,2,1.88 N,2,CO 1.88 N,2,+110.4 kJ/mol,吸热反应： H,2,H,2,-135.0 kJ/mol,热平衡：2.20.6,2, H,2,2.3 N,2,2.2 H,2,2.3 N,2,理想发生炉煤气组成：,CO：40%； H,2,：18.2 %； N,2,：41.8%,实际上制取,混合发生炉煤气,（ CO：； H,2,：； N,2,：）,实际上制取混合发生炉煤气，不可避免有许多热损失，水蒸气分解和CO,2,还原进行不完全，使实际的煤气组成、气化效率与理论计算值有显著差异。,46, 沿料层高度煤气组成的变化,47,灰渣层,：,气化剂（O,2 ，,H,2,）被预热，气体组成不变；,氧化层,：,C+O,2,CO,2,+Q,（,， CO,2,）,C+CO,2,2CO -Q,（,耗尽，出现CO，CO,2, ）,还原层,：,C+CO,2,2CO -Q,C+H,2,OCO+H,2,-Q,（CO，CO,2, H,2,）,还原层以上,：,CO+H,2,OCO,2,+H,2,+Q,（ CO 稍 ， CO,2,和H,2,稍 ）,48,2. 气化过程的控制,：达到高气化效率,(1),气化炉的选择,黏结性弱（需破黏）选择带搅拌装置的气化炉；,机械强度和热稳定性差不宜搅拌；,原料筛分粒度小的，要求煤气热输送的选择干法出灰。,(2),合理气化强度,（与,温度,、,原料,、,气化炉,有关）,气化强度超过合理范围,，可能使灰渣中含碳量增加和出口煤气中带出物增多，从而增加了原料的损失，降低煤气产率，并且影响到煤气的质量，其综合效果是,气化效率降低,。,49,(3),炉温,（保持均匀和不结渣）,水蒸气耗量与原料性质关系,水蒸气的单位消耗量的差异主要由于原料煤的理化,性质不同，但为防止结渣要提高水蒸气的量。,水蒸汽的单位消耗量对水蒸气分解率和气化指标的,影响,提高水蒸气量，但水蒸气分解率却下降，煤气热,值降低,50,51,3. 煤气发生炉, 具有凸型炉箅的煤气发生炉3M13型煤气发生炉,炉内,带有搅拌,棒破粘,主要适用于长焰煤、气煤等,弱粘结性煤种,，,湿法排灰,（灰渣通过水封的旋转灰盘排出）。,52,3M21型煤气发生炉,不带搅拌,装置,主要适用于气化贫煤、无烟煤和焦炭等,不黏结性燃料。,53, 威尔曼-格鲁夏(W-G)煤气发生炉,其一：,无搅拌装置,的用于气化无烟煤、焦炭等,不黏结性燃料,；,其二：,有搅拌装置,的用于气化,弱黏结性烟煤,。,国内常用不带搅拌装置的。,特点：,液压加料，煤连续进入炉内，液压干法除灰，全水夹套。,1、山渣机 2、灰斗 3、炉栅 4、炉体 5、汽包,6、炉顶 7、双钟罩加烧煤箱 8、斜桥上煤装置,54,4. 煤气发生站工艺流程,有焦油回收的冷煤气工艺流程,：该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。,工艺过程程,：,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,80,90,，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塔，煤气被冷却到,35,以下，含尘量下降到,100 mg/m,3,以下，进入净煤气管，再经排送机送到用户。,55,二、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,。,需提供水蒸气分解所需的热量，一般采用二种方法：,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,。,1.,制气原理,3C,3H,2,O,3CO,3H,2,(-135.0,3) kJ/mol,C,O,2,3.76N,2,CO,2,3.76N,2,-394.1 kJ/mol,56,间歇法制造水煤气为例,两段：吹空阶段（吹风阶段）；,吹蒸阶段（制气阶段）。,(1),理想水煤气,生成理想水煤气的方程式：,CO,2,3.76N,2,3C 3H,2,O CO,2,3.76N,2, 3CO3H,2,理想水煤气组成：50%CO、50%H,2,气化效率：100%,(2) 实际水煤气,H,2,含量高于CO（ COH,2,O CO,2,H,2,）,常含有CO,2,、N,2,、H,2,S和CH,4,等,气化效率：60%65%,57,2.,间歇法制造水煤气, 工作循环的构成,间歇法制水煤气，主要由,吹空气（吹风蓄热）、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：,吹风阶段；,水蒸气吹净阶段；,一次上吹阶段；,下吹制气阶段；,二次上吹阶段；,空气吹净阶段。,58, 六阶段工作循环,a吹风阶段 (加热染料层）,吹入空气，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（避免吹风气进入水煤气系统，降低煤气质量）,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（水煤气反应）,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；,59,d. 下吹制气阶段（上层煤料降温，温度均匀分布）,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,（安全生产，将炉下部水煤气吹尽）,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（下一循环准备，将水煤气吹入水煤气系统）,由炉底吹入空气，把残留在炉上部及管道中的水煤气送往贮气柜而得以回收，以免随吹风气逸出而损失。,60,以上各阶段的时间分配列于下表：,34分钟循环各阶段时间分配表,：,序号,阶段名称,3 min循环,（s）,4 min循环,（s）,1,2,3,4,5,6,吹风阶段,蒸气吹净阶段,上吹制气阶段,下吹制气阶段,二次上吹阶段,空气吹净阶段,4050,2,4560,5055,1820,2,6080,2,6070,7090,1820,2, 生产必须间歇阀门频繁切换，生产效率低。,61,3. 富氧连续气化制造水煤气和半水煤气, 取消六阶段循环，采用富氧气纯氧气,和水 蒸气为气化剂，延长有效制气时,间，使生产能力提高。, 高挥发份不黏煤、弱黏煤、,低挥发份无烟煤、焦炭等。,62, 水煤气发生炉,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。,4. 水煤气发生炉及水煤气站流程,63,特点,：,连续式操作生产发生炉煤气（即空气煤气）外，或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。,64,水煤气站流程,65,三、两段式完全气化炉,特点：,使用,高挥发分,的弱黏结性烟煤及褐煤；,干镏气化分段,进行；,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,焦油质量比,较轻,。, 两段式煤气发生炉（,P,173，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。,66,67,(2) 两段式水煤气发生炉,现有水煤气炉上部增设干馏段，原料煤在干馏段进行低温干馏，产生半焦落入气化段，再用空气、水蒸气间歇制水煤气。, 气化炉构造,与两段煤气发生炉相似，包括加料装置、干馏段、气化段、回转炉箅及排灰装置。, 原料：,不黏结或弱黏结性的烟煤或热稳定性好的褐煤。,68,四、加压气化原理与工艺,1. 加压固定床气化炉生产工况,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。,69,2. 影响因素, 压力对煤气组成影响,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1/32/3）, 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2.53倍）,70, 压力对气化炉生产能力的影响,提高生产能力（气化强度提高，反应速率加快，碳的转化率较高）, 对煤气产率的影响,降低（气体体积减小，煤气中二氧化碳含量高）, 加压气化对煤气输送动力的影响,节省煤气动力消耗,71,3. 固定床加压气化炉及工艺流程, 加压气化炉,最成熟炉型是鲁奇炉（Lurgi）。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应器，所不同的是采用氧气-水蒸气或空气-水蒸气为气化剂，在2.03.0 MPa的压力和9001100温度条件下进行的连续气化法。,72,双层壳体,（内外两层厚刚筒间形成水夹套，可引出供气化炉使用）；,设有煤分布器和搅拌器,（破黏）；,塔节型炉箅且设有破渣装置,（气化剂均匀分布）；,73,74,工艺流程,煤气带出有废热回收的制气工艺流程：P179图5-36,75,76,五、加压液态排渣气化炉,1. 基本原理,仅向炉内通入适当的水蒸气量，控制炉温度在灰熔点之上，使灰渣以熔融态自气化炉内排出（消除了结渣对炉温的影响）,77,2. 气化炉概况及其结构, 液态排渣气化炉,主要特点：,灰渣呈熔融液态排出；,特殊的排灰机构,英国煤气公司把工业鲁奇炉炉篦部分去掉，装上氧蒸气下倾斜嘴，气化剂喷入使温度为,1500,，使灰渣形成流动的熔渣。熔渣通过位于中央的排渣口排入急激室的水中淬冷成渣粒。,78,炉体为钢制外壳,（内砌耐火砖，再衬碳化硅）,；,喷嘴外部设水夹套；,排渣口材质为硝基硅酸盐或碳化硅,（抗熔渣侵蚀）；, 加压液态排渣气化炉的优缺点,a. 气化炉生产能力提高34倍；,b. 水蒸气分解率大为提高，后系统的冷凝液量大,为减少；,c. 煤气带出物减少；煤气出口温度低；,d. 煤气中CO和H,2,组分提高25%左右，煤气热值提,高；,79,e. 降低了煤耗；,f. 改善了环境污染；,a. 炉衬材质要求高；,b. 熔渣池结构和材质技术性强；,c. 氧耗高。,3. 鲁尔-100加压气化炉概况,80,5-4 流化（沸腾）床气化法,81,一、 常压流化床气化原理,直接使用小颗粒碎煤（010mm）为原料，并可利用褐煤等高灰劣质煤。它又称为沸腾床气化，把气化剂（蒸气和富氧空气或氧气）送入气化炉内，使煤颗粒呈沸腾状态进行气化反应。,与固定床相比较，流化床的特点：气化的原料粒度小，相应的传热面积大，传热效率高，气化效率和气化强度明显提高。,二、常压流化床（温克勒）气化工艺,1. 温克勒（Winkler）气化炉,82,温克勒气化炉采用粉煤为原料，粒度在,0,10mm,左右。,若煤不含表面水且能自由流动就不必干燥。,对于黏结性煤，可能需要气流输送系统，借以克服螺旋给煤机端部容易出现堵塞的问题。,粉煤由螺旋加料器加入圆锥部分的腰部，加煤量可以通过调节螺旋给料机的转数来实现。一般,沿筒体,的圆周设置二到三个加料口，互成,180,或,120,的角度有利于煤在整个截面上的均匀分布。,83,温克勒气化炉的炉箅安装在圆锥体部分，蒸汽和氧,(,或空气,),由炉箅底侧面送人，形成流化床。,一般气化剂总量的,60,75,由下面送入，其余的气化荆由燃料层上面,2 5,4 m,处的许多喷嘴喷入，使煤在接近灰熔点的温度下气化，这可以提高气化效率、有利于活性低的煤种气化。,通过控制气化剂的组成和流速来调节流化床的温度不超过灰的软化点。较大的富灰颗粒比煤粒的密度大，因而沉到流化床底部，经过螺旋排灰机排出。大约有,30,的灰从底部排出，另外的,70,被气流带出流化床。,84,气化炉顶部装有辐射锅炉，是沿着内壁设置的一些水冷管用以回收出炉煤气的显热，同时，由于温度降低可能被部分熔融的灰颗粒在出气化炉之前重新固化。,早期的温克勒气化炉在炉底部有炉栅，气化剂通过炉栅进入炉内。后来的气化炉取消炉栅，炉子的结构简化，同样能达到均匀布气的效果。,典型的工业规模的温科勒常压气化炉，内,径,5.5 m,，,高,23 m,当以褐煤为原料时，氧气蒜汽常压鼓风，单炉生产能力在标准状态下,为,47000 m,3,/h,采用空气蒸汽鼓风时，生产能力在标准状态下,为,94000 m,3,h,。生产能力的调整范围为,25,150,。,85,（1）组成：,流化床,（下部的圆锥部分）,悬浮床,（上部的圆筒部分，为下部的610倍）,（2） 操作特点,A 原料的加入：,由螺旋加料器加入圆锥部分腰部。,B 排灰：,矸石灰（30%左右）自床层底部排出；,其余飞灰由气流从炉顶夹带而出。,86,C,气化剂（氧气或空气；水蒸汽）,一次气化剂（6070%）由炉箅下部供入；,二次气化剂（3040%）由气化炉中部送入。,二次气化剂的作用,：,在接近灰熔点的温度下操作，使气流中夹带碳粒得到充分的气化。,87,2. 温克勒气化工艺流程,88, 原料的预处理,破碎与筛分（010 mm，0.5 mm以下筛去）,干燥,（水分：812%）：,一般不需要干燥，如果炉料含有表面水分，可以使用烟道气对原料进行干燥，控制入炉原料的水分在812左右。,破黏：,对有黏结性的煤料，需破黏，以保证床内的正常流化。, 气化,预处理后的原料送入料斗中，料斗中充以氮气或二氧化碳惰性气体。用螺旋加料器将煤料加入气化炉的底部，煤在炉内的停留时间约15 min左右。气化剂送入炉内和煤反应，生成的煤气由顶部引出。煤气中古有大量的粉尘和水蒸气。,89, 粗煤气的显热回收（废锅回收）,粗煤气的出炉温度一般为900 左右。在气化炉上部设有废热锅炉，生产的蒸汽压力在1.962.1 6 MPa，蒸汽的产量为0.50.8 kg/m,3,干煤气。, 煤气的除尘和冷却,出煤气炉的粗煤气进入废热锅炉，回收余热，产生蒸汽，然后进人两级旋风分离器和洗涤塔，煤气中的大部分粉尘和水汽，经过净化冷却，煤气温度降至3540 ，含尘量降至520 mg/m,3,。,90,3. 工艺条件和气化指标, 工艺条件,A 操作温度,一般为900左右。,B 操作压力,约为0.098 MPa（常压）,C 原料,010 mm的褐煤、弱黏煤、不黏煤和长焰煤等，但活性要高。,D 二次气化剂用量及组成,与带出未反应的碳成比例。（,过少,：未反应碳得不到充分气化而被带出，气化效率下降；,过多,：产品被烧。）,91, 温克勒气化工艺的优缺点,单炉生产能力大；,气化炉结构简单；,可气化细颗粒煤 (010 mm);,出炉煤气基本上不含焦油；,运行可靠，开停车容易；,环境污染小。,气化温度、压力低；,气化炉设备庞大；,热损失大；,带出物损失较多；,粗煤气质量较差。,由于煤的干馏和气化是在相同温度下进行的，相对于移动床的干馏区来讲，其干馏温度高得多，所以煤气中几乎不含有焦油，酚和甲烷的含量也很少，排放的洗涤水对环境的污染较小。,由于气化的是细颗粒的粉煤，因而可以充分利用机械化采煤得到的细粒度煤。,炉内温度要保证灰分不能软化和结渣，一般应控制在,900,o,C,左右，故必须使用活性高的煤为气化原料。气化温度低，不利于,CO,2,还原和,H,2,O,的分解，故煤气中,CO,2,含量偏高，而可燃组分（如,CO,、,H,2,、,CH,4,等）含量偏低。,和移动床比较，气化炉的设备庞大，出炉煤气的温度几乎和床内温度一样，因而热损失大。,流态化使颗粒磨损严重，气流速度高又使出炉煤气的带出物较多。,92,三,、高温温克勒（HTW）气化法,1. 基本原理, 温度的影响,但要防止结渣，可在煤中添加石灰石等来提高煤料的软化点和熔点。, 压力的影响,加压，床层的膨胀度下降，工作状态比常压稳定。,加压，气流带出量减少，带出物的颗粒尺寸也减小。,加压，生产能力提高。,加压，煤气热值得到提高。,提高温度,提高CO和H,2,的浓度,提高碳的转化率和煤气产率；,93,2. 气化工艺, 在温克勒气化工艺基础上提高温度和压力。,提高气化压力到1 MPa ;,气化温度可提高到1000。,工艺流程,提高气化炉生产能力；,碳的转化率上升,提高煤气质量。,94,95,和,LTW,气,化炉相比较,，,HTW,气,化炉的主要,特点是,:,出炉,粗煤气直接进入两级旋风除尘器，一级分离的含碳量较高的颗粒返回到床内进一步气化，二级除尘器流出的气体入废热炉回收热量，再经水洗塔冷却除尘却除尘。,整个气化系统是在一个密闭的压力系统中进行的，,加煤、气化、出,灰均在加压下进行。含水分,8%12%,的褐煤进入压力,为,0.98,MPa,的密闭料锁系统后，经过螺旋给料阀输入炉内。为提高煤的灰熔点而按一定比例配入的添加剂（主要是石灰石，石灰或白云石）也经给料机加入炉内，和由螺旋给料机加入的煤料并流气,化。,HTW,气化工艺最初是由德国的莱茵褐煤公司发明，该公司拥有并经营德国鲁尔地区的几座褐煤煤矿。用莱茵褐煤为原料，煤的灰分中,CaO+MgO,占,50%,左右；,SiO,2,占,8%,；灰熔点,T2=950,，添加,5%,的石灰石后提高到,1100,。在气化压力,0.98,MPa,的压力下，以氧气,/,水蒸气为汽化剂，温度,1000,下进行的,HTW,气,化工艺试验。,在压力和高温下的温克勒气化设备的,生产能力大大提高,，是常压的,2,倍多。温度的提高和大颗粒重新返回床层使得,碳转化率上升为,96,。,煤中加入助剂，可以脱除硫化氢等，并且可使碱性灰分的灰培点提高。气化温度提高，虽然煤气中的甲烷含量降低，但煤气中的有效成分却提高，,煤气的质量也相应提高。,96,四、灰团聚气化法,1. 特点：团聚排渣,（,灰团聚而不结渣,）,2. 原理：在流化床中导入氧化性高速射流，使煤中,灰分在软化而未熔融状态,下，在一个锥形床中相互熔聚而黏结成含碳量较低的球状灰渣，,有选择地,排出炉外。,与传统排渣方式相比的优点：,与固态排渣比：降低了灰渣中的碳损失；,与液态排渣比：减少了灰渣带走的显热损失,。,97,3. U-GAS气化炉及气化过程,（1）气化炉内，四个重要功能：,煤的破黏,脱挥发分,气化及灰的熔聚,团聚灰渣从半焦中分离出来。,（2）原料：煤06 mm,（3）床内反应温度为9501100 ；,（4）操作压力在0.142.4 MPa范围变化。,98,（5）气化过程,气化剂由两处进入气化炉：, 从炉篦进入，维持正常的流化；, 由中心（文氏管）进入灰熔聚区。,由中心进入气体的氧,/,汽比较大，故床底中心区,(,熔聚区,),温度较高，当达到灰的初始软化温度时，灰粒选择性地和别的颗粒团聚起来。团聚体不断增大，直到它不能被上升气流托起为止。,床层上部空间作用：裂解在床层内产生的焦油和轻油（煤气不含焦油）。,煤气夹带煤粉由两级旋风分离器分离和收集。,99,（6）气化炉,100,101,（7）气化工艺的特点, 灰分熔聚及分离（灰渣和半焦选择性分离）,A 文氏管内的气流速度,控制中心管的气流速度，可达到控制排灰量的多少。,B 熔聚区的温度,文氏管气化剂的汽/氧比较低，形成的局部高温区（比灰熔点低100200），使未燃碳燃烧气化，又使灰粒相互粘结而团聚。,C 带出细分的再循环。,借助两级旋风分离器实现细粉循环并进一步气化，生成细灰与床层中的熔聚灰一起形成灰球排出。, 对煤种有较广泛的适应性,广泛的煤种适应性（一定黏结性的煤无需破黏）和高的碳的转化率。,102,一、选择题,1下列关于常压温克勒（Winkler）气化炉及工艺说法正确的是 （ ）,A气化剂分两次从炉箅投入，分一、二次气化剂。,B粗煤气出炉温度接近炉温，需要回收其显热。,C二次气化剂用量越多，则气化一定越有利。,D二次气化剂用量越少，则气化一定越有利。,2下列关于常压温克勒（Winkler）气化炉及其气化工艺说法不正确的是（ ）,A结构上分两大部分：下部为悬浮床，上部为流化床。,B粗煤气出炉温度接近炉温。,C二次气化剂用量过多，则产品。,D高温温克勒（HTW）气化法在提高生产能力同时，可减少原料的带出损失。,3. Winkler气化炉属（ ）,A、固定床 B 、流化床 C、气流床 D、熔渣池,二、判断题,1. 灰团聚气化法其特点是排渣方式为团聚排渣，与固态排渣相比减少了灰渣带走的显热损失。（ ）,2. 灰团聚气化法排渣方式均为液态排渣。（ ）,103,三、简答题,1团聚排渣（灰团聚而不结渣 ）与传统排渣方式相比的优点？,2简述流化床气化炉操作特点？(包括固体颗粒工作状态，原料加入方式，炉内情况，煤气灰渣出口温度情况以及灰渣排出状态等)？,3. 什么是沸腾床气化?沸腾床气化和移动床气化相比较，有什么优点?,4. 分析温克勒气化工艺的优缺点。,104,5-5 气流床气化法,105,1.1 基本原理,气体,气流床,煤粒与气体,同时穿过,煤粒：70%过200目,气体,流化床,煤粒运动,气体穿过,煤粒：3-5 mm,气体,固定床,煤粒不动,气体穿过,煤粒：6-50 mm,106,1. 基本原理,气流床,：气化剂（水蒸汽与氧）将煤粉或煤浆夹带入气化炉进行并流气化。,煤粉被气化剂夹带通过特殊的喷嘴进入反应器，瞬时着火，形成火焰，温度高达,2000,。,煤粉和气化剂在火焰中并流，煤粉急速燃烧和气化，反应时间只有几秒种，可以认为放热与吸热反应几乎同时进行，在火焰端部（即：煤气离开气化炉之前），碳已全部耗尽，生成含,CO,和,H,2,的煤气及熔渣（液态排渣）。,高温下，所有干馏产物都被分解，只含有很少量的,CH,4,（,0.02,），且煤颗粒各自被气流隔开，单独地裂解，膨胀、软化、烧尽直到形成熔渣，因此，煤的粘结性、机械强度和热稳定性对煤气化过程没有什么影响。故气流床气化除对熔渣的粘,-,温特性有一定要求外，原则上可适用于所有煤种。,一、基本原理和特点,107,2. 主要特征,气化温度高、气化强度大；,气流床反应器中由于煤粒和气流的并流运动，煤料与气流接触时间很短,(,气流在反应器中的短暂停留,),，故要求气化过程在瞬间完成。,为此，必需保持很高的反应温度,(,达,2000,左右,),和使用煤粉,(,200,目,),作为原料，以纯氧和水蒸汽为气化剂，所以气化强度很大。,煤种适应性强；,基本上可适用所有煤种。气化时要注意原料煤除熔渣的粘度,-,温度特性。,挥发分含量较高、活性好的煤较易气化，完成反应所需要的空间小，反之，为完成气化反应所需的空间较大。,褐煤不适于制成水煤浆加料。,一、基本原理和特点,108,煤气中不含焦油；,由于反应温度很高，炉床温度均一，煤中挥发分在高温下逸出后，迅速分解和燃烧生成二氧化碳和水蒸汽，并放出热量。二氧化碳和水蒸汽在高温下与脱挥发分后的残余炭反应生成一氧化碳和氢，因而制得的煤气中不含焦油，甲烷含量亦极少。,需要设置庞大的磨粉、余热回收、除尘等辅助装置。,气流床气化时需用粉煤，要求粗度为,70-80,通过,200,目筛，故需较庞大的制粉设备，耗电量大。,气流床为并流操作，制得的煤气与入炉的燃料之间不能产生热交换，故出口煤气温度很高。,气速很高，带走的飞灰很多，因此，为回收煤气中的显热和除去煤气中的灰尘需设置较庞大的余热回收和除尘装置。,一、基本原理和特点,109,1950s 德国Koppers-Totzek，K-T炉（柯-托气化炉），常压、干粉；,1948年 Texaco 美国，第一套中试装置，1977年建成示范厂，单炉生产能力已达1832 t/d；,1976年 Shell 荷兰，第一个实验装置，1993年第一套生产装置在荷兰布根伦市建成，1998年投入商业化运营；,1977年 GSP 原民主德国，1983年建成大型装置；,1985年 Prenflo 德国Krupp-Uhde公司，加压K-T炉。,*气流床发展简史*,110,1.,K-T (Koppers-Totzek)气化法,是气流床气化工艺中一种常压粉煤气化制合成气的方法。,2. 气化炉,二、K-T气化法,炉体,：呈卧式橄榄形，,炉身,：内衬有耐火材料的圆筒体，两端各安装着圆锥形气化炉头。图为两个炉头（也有四个炉头的）。,K-T炉,整体结构,:,111,(1) 反应速度快,粉煤,(,约,85,通过,200,目）与氧气和水蒸汽混合物由气化室相对二侧的炉头并流送入，瞬间着火，形成火焰，进行反应。两股相对气流使气化区内形成高度湍流，反应加快。,反应基本上在炉头内完成，即在喷嘴出口,0.5 m,处或在,0.1 s,内完成。,气体在炉内的停留时间约为,1 s,左右。在火焰末端，即气化炉中部，粉煤几乎完全被气化。,(2),在炉内的高温下，灰渣熔融呈液态,6070,自气化炉底排出,;,其余的熔融细粒及未燃尽的炭被粗煤气夹带出炉。,为了防止炉衬受结渣、侵蚀和高温的影响，炉内设有水蒸汽保护幕。 保护幕呈圆锥形，包围着粉煤燃烧与气化所形成的火焰。,二、K-T气化法,112,113,(3) 耐火衬里,原采用硅砖砌筑，经常发生故障,;,后改用捣实的含铬耐火混凝土；,近年改用加压喷涂含铬耐火喷徐材料，涂层厚,70 mm,，使用寿命可达,35,年,;,采用以氧化铝为主体的塑性捣实材料，其效果也较好。,二、K-T气化法,目前，世界上最大的K-T炉在印度，容积为56 m,3,，有四个炉头，采用喷涂耐火衬里，,以渣抗渣的冷壁结构,，可副产高压蒸汽（,上部设有废热锅炉,）。,114,3. 气化工艺,二、K-T气化法,1-煤斗 2-螺旋给料器 3-氧煤混合器,4-,煤粉喷嘴,5-气化炉 6-辐射锅炉,7-废热锅炉 8-除渣机 9-运渣车 10-冷却洗涤塔 11-泰生洗涤机 12-最终冷却塔 13-水封槽 14-急冷器,(1) K-T气化工艺流程包括：,煤粉制备,、,煤粉,和,气化剂的输送,、,制气,、,废热回收,、,洗涤冷却,等。,115,小于,25mm,的原料煤送至球磨机中进行粉碎，从燃烧炉来的热风与循环风、冷风混合成,200,左右,(,视煤种而定,),的温风亦进入球磨机。,原煤在球磨机内磨细、干燥，煤粉随,70,左右的气流进入粗粉分离器，进行分选。粗煤粒返回球磨机，合格的煤粉加入充氮的粉煤储仓。,煤粉粒度,70%80,通过,200,目筛（,0.1mm,），并干燥到：烟煤水分控制在,1,；褐煤水分控制在,8%10,。, 煤粉制备,116,煤仓中粉煤通过气动输送输入气化炉上部的粉煤料斗,1,。全系统均以氮气充压（防止氧气倒流爆炸）。,螺旋加料器,2,将煤粉送入氧煤混合器,3,；空分工业氧进入氧煤混合器,3,。,均匀混合的氧气和煤粉，进入烧嘴,4,，喷入气化炉内,5,；过热蒸汽同时经烧嘴,4,送入气化炉,5,。,关键,煤粉喷射速度必须大于火焰的扩散速度，防止回火。, 煤粉和气化剂的输入,117,改善湍流状态；,当其中一个烧嘴堵塞时，仍可保证继续操作；,喷出的煤粉在自已的火焰区中未燃尽时，可进入对面烧嘴的火焰中气化；,火焰相对喷射的，一端的火焰喷不到对面炉壁，因此炉壁耐火材料承受瞬间高温的程度可以减轻。,每个炉头内的两个烧嘴组成一组，与对面炉头内的烧嘴处于同一直线上。,双烧嘴相邻对称设置的优点,118,由烧嘴进入的煤、氧和水蒸汽在气化炉内迅速反应，产生温度约为,14001500,的粗煤气。粗煤气在炉出口处用饱和蒸汽急冷，气体温度降至,900,以下，气体中夹带的液态灰渣快速固化。以免粘在炉壁上，堵塞气体通道而影响正常生产。,在高温炉膛内生成的液态渣，经排渣口排入水封槽淬冷，灰渣用捞渣机排出。, 制气与排渣,14-急冷器,小于900,14001500,119,生成气的显热用辐射锅炉或对流火管锅炉加以回收，并副产高压蒸汽。废热锅炉出口煤气温度在,300,以下。,辐射式废热锅炉约可回收热量的,70,，由于炉内空腔大，故结渣、结灰等问题均不严重；,对流式废热锅炉存在飞灰对炉管较严重磨损问题。, 废热回收,辐射锅炉,废热锅炉,120, 洗涤冷却,该流程中，气化炉逸出的粗煤气经废热锅炉回收显热后，进入冷却洗涤塔，直接用水洗涤冷却，再由机械除尘器（泰生洗涤机）和最终冷却塔除尘和冷却，用鼓风机将煤气送入气柜。,除渣机,运渣机,冷却洗涤塔,泰生洗涤机,终冷塔,水封槽,121,传统的考伯斯除尘流程，不考虑飞灰回收利用，飞灰经洗涤后集中堆存处理。多数煤种气化时产生的飞灰含碳量不高，不值得回收利用。,除渣机,运渣机,冷却洗涤塔,泰生洗涤机,终冷塔,水封槽,效率达90,泰生洗涤和终冷塔后，含尘量可降至3050 ug/m,3,；进一步可降至3mg/m,3,。,122,(2) 操作条件与气化指标,原料煤,：可应用各种煤，特别是褐煤和年青烟煤更为适用。要求煤的粒度小于,0.1 mm,，即要求,70%80%,通过,200,目筛。,温度,：火焰中心,2000 ,，粗煤气炉出口,14001500 ,（未经淬冷前）,压力,：微正压（常压）,氧煤比,：烟煤,0.850.9 kg/kg,煤,蒸 气煤比,：,0.30.34 kg/kg,煤；,气化效率,：,69,75,（冷煤气效率）,碳转化率,：,80,98,；,生成气性质,：见教材,P,201,表,5-24,二、K-T气化法,123,(2) 操作条件与气化指标,原料煤,：可应用各种煤，特别是褐煤和年青烟煤更为适用。要求煤的粒度小于,0.1 mm,，即要求,70%80%,通过,200,目筛。,温度,：火焰中心,2000 ,，粗煤气炉出口,14001500 ,（未经淬冷前）,压力,：微正压（常压）,氧煤比,：烟煤,0.850.9 kg/kg,煤,蒸 气煤比,：,0.30.34 kg/kg,煤；,气化效率,：,69,75,（冷煤气效率）,碳转化率,：,80,98,；,生成气性质,：见教材,P,201,表,5-24,二、K-T气化法,124,项 目,烟 煤,褐 煤,燃料煤,原料组成,W/%,A/%,w(C)/%,w(H)/%,w(O)/%,w(N)/%,w(S)/%,1.0,16.2,68.8,4.2,8.6,1.1,0.1,8.0,18.4,49.5,3.3,16.1,1.8,2.9,0.05,-,85.0,11.4,0.40,0.15,3.0,生成气组成,(H,2,),(CO),(CH,4,),(CO,2,),(O,2,),(N,2,+Ar),(H,2,S),33.3,53.0,0.2,12.0,痕迹,1.5,0.1,27.2,57.1,0.2,11.8,痕迹,2.2,1.5,47.0,46.6,0.1,4.4,痕迹,1.2,0.7,生成气热值/(