煤制氣基礎(chǔ)知識

1、本課程主要內(nèi)容,一、基本概念,二、煤炭氣化方法,三、煤炭氣化原理,四、氣化用煤,五、氣化工藝及氣化爐,六、粗煤氣脫硫,一、基本概念,一、基本概念,1.煤化工包括 、 、 及其他煤加工制品工業(yè)。 2.煤的氣化是將煤與 在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將煤中有機物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程，常用的氣化劑有空氣、 、 等。 3.煤氣的有效成分為 、 、 等。 4.煤氣的發(fā)熱值指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3煤氣完全燃燒時放出的熱量。如果燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在稱 ，如果水以氣態(tài)形式存在稱 。 5.空氣煤氣中不含有的成分是（ ） A CO B CO2 C C2H5 D N2,練習(xí)題,1.煤化工包括 煉焦工業(yè)、煤炭氣化工業(yè)、煤炭液

2、化工業(yè)及其他煤制化學(xué)品工業(yè)。 2.煤的氣化是將煤與氣化劑在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將煤中有機物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程，常用的氣化劑有空氣、氧氣 、水蒸氣 等。 3.煤氣的有效成分為CO、H2、CH4等。 4.煤氣的發(fā)熱值指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3煤氣完全燃燒時放出的熱量。如果燃燒產(chǎn)物中的水分以液態(tài)形式存在稱高發(fā)熱值，如果水以氣態(tài)形式存在稱低發(fā)熱值 。 5.空氣煤氣中不含有的成分是（ C ） A CO B CO2 C C2H5 D N2,練習(xí)題答案,二、煤炭氣化方法,一、 按氣化技術(shù)分類,二、 地面氣化技術(shù)分類,二、煤炭氣化方法,二、 地面氣化技術(shù)分類,二、煤炭氣化方法,二、 地面氣化技術(shù)分類,二、煤炭氣化方法,

3、三、 工業(yè)煤氣分類,二、煤炭氣化方法,1.地面氣化技術(shù)以燃料在爐內(nèi)的狀況可分為四類，分別為 氣化、 氣化、 氣化和熔融床氣化。 2. 發(fā)生爐煤氣根據(jù)使用氣化劑和煤氣的熱值不同，一般可分為空氣煤氣、混合煤氣、 、 等。 3.什么是水煤氣、半水煤氣？兩者有何區(qū)別.,練習(xí)題,1.地面氣化技術(shù)以燃料在爐內(nèi)的狀況可分為四類，分別為沸騰床氣化、移動床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化。 2. 發(fā)生爐煤氣根據(jù)使用氣化劑和煤氣的熱值不同，一般可分為空氣煤氣、混合煤氣、 水煤氣 、 半水煤氣 等。 3.什么是水煤氣、半水煤氣？兩者有何區(qū)別。 水煤氣是以水蒸氣為氣化劑生成的煤氣。 主要成分： H2，CO，CO2，N2。

4、 特點：H2和CO含量達85以上，一般用作化工原料 半水煤氣是以水蒸氣加適量的空氣或富氧空氣為氣化劑生成的煤氣 主要成分： H2，CO，N2，CO2。 特點：（H2+CO）=3N2（質(zhì)量），一般用來合成氨,練習(xí)題答案,三、煤炭氣化原理,一、 氣化過程的主要化學(xué)反應(yīng),三、 煤炭氣化原理,二、 氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ),一、 氣化用煤種的主要特征,四、氣化用煤,一、 水分含量對氣化的影響,煤中的水分存在形式： 外在水分：煤的開采、運輸、儲存和洗選過程中潤濕在煤的外表面以及大毛細孔而形成的。 含有外在水分的煤為應(yīng)用煤，失去外在水分的煤為風(fēng)干煤。 內(nèi)在水分：吸附或凝聚在煤內(nèi)部較小的毛細孔中的水分，失去內(nèi)

5、在水分的煤為絕對干燥煤。 結(jié)晶水：在煤中以硫酸鈣(CaSO42 H2O)、高嶺土(Al2O32SiO22H2O)等形式存在的，通常大于200以上才能析出。,四、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,二、 灰分含量對氣化的影響,灰分：煤在800的條件下完全燃燒后的殘余物。即煤中礦物質(zhì)含量。 組成：硅、鋁、鐵、鎂、鉀、鈣、硫、磷等元素和以碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽和硫化物等形式的鹽類。 影響：增加運輸?shù)馁M用，降低氣化效率，增加爐渣的排出量，增加隨爐渣排出的碳損耗量，增加氣化的各項消耗指標(biāo)（如氧氣、水蒸氣和煤的消耗指標(biāo)），而凈煤氣的產(chǎn)率下降。 對于加壓氣化，用煤灰分可高達55%左右而不至于影響生產(chǎn)的正常進行。這是

6、由于加壓操作時，氣化劑的濃度高，擴散能力強，能夠透過煤灰表面與碳進行較為完全的反應(yīng)。同時，進入爐中的氣化劑的速度也比常壓氣化小，在爐內(nèi)停留時間長，有較長的時間和煤反應(yīng)。,四、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,三、 揮發(fā)分含量對氣化的影響,煤在加熱時有機質(zhì)部分裂解、聚合、縮聚，低分子部分呈氣態(tài)逸出，水分也隨著蒸發(fā)，礦物質(zhì)中的碳酸鹽分解，逸出二氧化碳等。除去水分的部分即為揮發(fā)分產(chǎn)率。隨著變質(zhì)程度的增高，煤的揮發(fā)分逐漸降低。此外，年輕煤的揮發(fā)分產(chǎn)率高，年老煤的低。 當(dāng)煤氣用做燃料時，要求甲烷含量高、熱值大，選用揮發(fā)分較高的煤做原料；當(dāng)煤氣用做工業(yè)生產(chǎn)的合成氣時，一般要求使用低揮發(fā)分、低硫的無煙煤、半焦或焦

7、炭，因為變質(zhì)程度淺(年輕)的煤種，生產(chǎn)的煤氣中焦油產(chǎn)率高，容易堵塞管道和閥門，給焦油分離帶來一定的困難，同時也增加含氰廢水的處理量。,四、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,四、 硫分含量對氣化的影響,煤中的硫以有機硫和無機硫的形式存在。煤在氣化時，其中8085%的硫以H2S和CS2的形式進入煤氣當(dāng)中，不僅污染環(huán)境，而且會影響后段工序的運行，如造成催化劑中毒，加重脫硫的負擔(dān)等。所以，氣化用燃料中硫含量應(yīng)是越低越好。,五、 粒度對氣化的影響,煤的粒度不同，將直接影響到氣化爐的運行負荷、煤氣和焦油的產(chǎn)率以及氣化時的各項消耗指標(biāo)。 1.粒度大小與比表面間的關(guān)系：煤的粒徑越小，比表面積越大。,四、氣化用煤-煤

8、質(zhì)對氣化的影響,五、 粒度對氣化的影響,2.粒度大小與傳熱的關(guān)系：粒度越大，傳熱越慢，煤粒內(nèi)外溫差越大，粒內(nèi)焦油蒸氣的擴散和停留時間增加，焦油的熱分解加劇。 3.粒度與生產(chǎn)能力的關(guān)系：煤的粒度太小，當(dāng)氣化速度較大時，小顆粒的煤有可能被帶出氣化爐外，從而使?fàn)t子的氣化效率下降。氣化爐內(nèi)某一粒徑的顆粒被帶出氣化爐的條件是:氣化爐內(nèi)上部空間氣體的實際氣流速度大于顆粒的沉降速度。 4.粒度的大小對各項氣化指標(biāo)的影響：煤的粒度減小，相應(yīng)的氧氣和水蒸氣消耗將增大。,四、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,六、 燃料的灰熔點和結(jié)渣性對氣化的影響,煤炭氣化時的灰熔點有兩方面的含義，一是氣化爐正常操作時，不致使灰熔融而影

9、響正常生產(chǎn)的最高溫度，另一個是采用液態(tài)排渣的氣化爐所必須超過的最低溫度。灰熔點越高，灰分越難結(jié)渣，相反，則灰熔點越低，灰分越易結(jié)渣。 在氣化爐的氧化層，由于溫度較高，灰分可能熔融成黏稠性物質(zhì)并結(jié)成大塊，這就是結(jié)渣性。其危害性有下面幾點： 影響氣化劑的均勻分布，增加排灰的困難。 為防止結(jié)渣采用較低的操作溫度而影響了煤氣的質(zhì)量和產(chǎn)量。 氣化爐的內(nèi)壁由于結(jié)渣而縮短了壽命。,四、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,七、 其他性質(zhì)對氣化的影響,1、煤的黏結(jié)性對氣化的影響 黏結(jié)性煤在氣化時，使料層的透氣性變差，阻礙氣體流動，出現(xiàn)爐內(nèi)崩料或架橋現(xiàn)象，使煤料不易往下移動，導(dǎo)致操作惡化。 2.煤的反應(yīng)性對氣化的影響 燃

10、料的反應(yīng)性主要影響氣化過程的起始反應(yīng)溫度，反應(yīng)性越高，則發(fā)生反應(yīng)的起始溫度越低，則氣化溫度就低，這有利于甲烷的生成反應(yīng)，從而降低了氧氣的耗量。當(dāng)使用具有相同的灰熔點而活性較高的原料時，由于氣化反應(yīng)可在較低的溫度下進行，容易避免結(jié)渣現(xiàn)象。 3.煤的機械強度和熱穩(wěn)定性對氣化的影響 燃料的機械強度是指抗碎、抗磨和抗壓等性能的綜合體現(xiàn)。機械強度差的煤在進入氣化爐后，粉狀燃料的顆粒容易堵塞氣道，造成爐內(nèi)氣流分布不均，嚴重影響氣化效率。 煤的熱穩(wěn)定性是指煤在加熱時，是否容易碎裂的性質(zhì)。熱穩(wěn)定性差的煤在氣化時，伴隨氣化溫度的升高，煤易碎裂成煤末和細粒，對移動床內(nèi)的氣流均勻分布和正常流動造成嚴重的影響。,四、

11、氣化用煤-煤質(zhì)對氣化的影響,1.煤中的水分存在形式有 、 和 ，從泥炭、褐煤、煙煤到年輕無煙煤，水分逐漸 。 2.根據(jù)氣化用煤的主要特征，氣化用煤大致可分為哪幾類？ 3.煤炭氣化過程結(jié)渣的危害有哪些？ 4.煤炭氣化時的灰熔點的兩方面的含義？,練習(xí)題,1.煤中的水分存在形式有內(nèi)在水分、外在水分和結(jié)晶水，從泥炭、褐煤、煙煤到年輕無煙煤，水分逐漸 減少 。 2.根據(jù)氣化用煤的主要特征，氣化用煤大致可分為哪幾類？ 根據(jù)氣化用煤的主要特征，將氣化用煤大致分為以下四類： 第一類，氣化時不黏結(jié)也不產(chǎn)生焦油，代表性原料有無煙煤、焦炭、半 焦和貧煤。 第二類，氣化時黏結(jié)并產(chǎn)生焦油，代表性原料有弱黏結(jié)或不黏結(jié)煙煤

12、。 第三類，氣化時不黏結(jié)但產(chǎn)生焦油，代表性原料有褐煤。 第四類，以泥炭為代表性原料，氣化時不黏結(jié)，能產(chǎn)生大量的甲烷。,練習(xí)題答案,3.煤炭氣化過程結(jié)渣的危害有哪些？ 在氣化爐的氧化層，由于溫度較高，灰分可能熔融成黏稠性物質(zhì)并結(jié)成大塊，這就是結(jié)渣性。其危害性有下面幾點： 影響氣化劑的均勻分布，增加排灰的困難。 為防止結(jié)渣采用較低的操作溫度而影響了煤氣的質(zhì)量和產(chǎn)量。 氣化爐的內(nèi)壁由于結(jié)渣而縮短了壽命。 4.煤炭氣化時的灰熔點的兩方面的含義？ 煤炭氣化時的灰熔點有兩方面的含義，一是氣化爐正常操作時，不致使灰熔融而影響正常生產(chǎn)的最高溫度，另一個是采用液態(tài)排渣的氣化爐所必須超過的最低溫度?；胰埸c越高，灰

13、分越難結(jié)渣，相反，則灰熔點越低，灰分越易結(jié)渣。,練習(xí)題答案,五、氣化工藝及氣化爐,原 料：固體燃料（無煙煤、焦炭等） 氣化劑：空氣、水蒸氣 設(shè) 備：氣化爐 壓 力：常壓 溫 度：高溫 任 務(wù)：制合格的水煤氣 生產(chǎn)特點：氣化劑和水蒸氣交替與碳反應(yīng)，燃料層的溫度隨著空氣的加入而逐漸升高，隨著水蒸氣的加入而逐漸減低，呈周期性變化。生成煤氣的組成和數(shù)量也呈周期性變化。,一、 固定床間歇制氣工藝,（一）化學(xué)反應(yīng) 以空氣為氣化劑，碳與氧之間發(fā)生的獨立化學(xué)反應(yīng)：,以水蒸氣為氣化劑，碳與水蒸氣之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：,五、氣化工藝及氣化爐,三、固定床間歇法制水煤氣方法 固定床間歇氣化法是國內(nèi)合成甲醇裝置廣泛采用的

14、方法，大多 數(shù)合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的原料氣也用固定床間歇氣化法生產(chǎn)。 1、煤氣爐內(nèi)燃料層的分區(qū) 干燥區(qū)、干餾區(qū)、氣化層（還原層，氧化層）灰渣層。見圖 2、水煤氣生產(chǎn)的工作循環(huán) 一個工作循環(huán)：從上一次送入空氣開始，到下一次再送入空氣止。 循環(huán)周期：一個工作循環(huán)所用的時間。,五、氣化工藝及氣化爐,圖2-2 固定床煤氣發(fā)生爐簡圖,圖2-3 煤氣爐內(nèi)燃料層分區(qū),每個工作循環(huán)分為六個階段：吹風(fēng)、蒸汽吹凈、一次蒸汽上 吹、蒸汽下吹、二次蒸汽上吹與蒸汽吹凈。,吹風(fēng)階段：提高爐溫，蓄積熱量，為氣化反應(yīng)提供條件。（ 25% 30%） 蒸汽吹凈階段：將上階段末期爐上殘余的含氮高的吹風(fēng)氣趕出系統(tǒng)，降低水煤 氣中氮氣含量，

15、提高有效氣體質(zhì)量。 （ 1%） 蒸汽一次上吹制氣階段：制取高質(zhì)量的水煤氣。 （ 25% ） 蒸汽下吹制氣階段：制取水煤氣，穩(wěn)定氣化層，減少熱損失。（ 40% ） 蒸汽二次上吹制氣階段：置換爐底水煤氣，避免空氣與煤氣在爐內(nèi)接觸而爆 炸，為下一步吹風(fēng)做準(zhǔn)備，同時生產(chǎn)一定的水煤氣。（ 7 10%） 空氣吹凈階段：回收爐頂殘余的水煤氣，提高爐溫。（ 1% 2%）,圖24 固定床煤氣發(fā)生爐的工藝流程,氧氣水蒸氣連續(xù)氣化法,氧氣-水蒸氣連續(xù)氣化法可很有效的降低氮氣含量，大大提高有效氣體成分，從而提高經(jīng)濟效益。另外，若氣化劑用氧氣生產(chǎn)水煤氣，則可減少吹風(fēng)氣放空造成的環(huán)境污染，符合環(huán)保的政策要求。,1、固定床

16、加壓氣化法（魯奇加壓煤氣化）,氣化的原理及生產(chǎn)工藝 魯奇加壓煤氣化工藝采用德國魯奇公司的MARK-IV型移動床加壓氣化爐。有供開、停車用的公用的冷、熱火炬系統(tǒng)和煤鎖、氣柜系統(tǒng)。,魯奇氣化爐為立式圓筒形構(gòu)造，是加壓氣化爐，主要殼體部分為雙層水夾套。將鍋爐給水注入水夾套來回收，從氣化爐散發(fā)的熱量產(chǎn)生中壓蒸汽，作為氣化劑的一部分返回氣化爐系統(tǒng)。 爐頂裝有供加煤用的煤鎖，以便向爐中加入篩分后的煤，由動力裝置驅(qū)動布煤器把加入的煤均勻分布在煤床上。 氣化爐的底部裝有由動力裝置驅(qū)動的爐箅及灰刮刀，用來排出產(chǎn)生的灰渣?；以淙牖益i內(nèi)，灰鎖是氣化爐的組成部分。 從氣化爐底部引入蒸汽和氧氣，與煤進行氣化反應(yīng)，通過

17、旋轉(zhuǎn)的爐箅把蒸汽和氧氣分布到煤床內(nèi)。爐箅支撐著煤床，并連續(xù)旋轉(zhuǎn)以保證均勻不斷地排出產(chǎn)生的灰渣。,Lurgi式加壓氣化爐,隨著蒸汽和氧氣的向上流動，煤床內(nèi)可以表征為五個不同的區(qū)段，從 底部向上到頂部，分別是灰渣層、第一反應(yīng)層(碳的燃燒層，供應(yīng)氣化 所需的熱量)、第二反應(yīng)層、干餾層(脫除揮發(fā)分)和干燥層。當(dāng)煤通過 床層下降時，煤中的一些揮發(fā)分首先被脫除，然后剩余的碳被氣化并燒 掉。從氣化爐底部把灰渣排至灰鎖內(nèi)，接著外送處置。 氣化爐生成的粗煤氣從爐頂離去。 （1）灰層：最底部。 （2）第一反應(yīng)層(燃燒層) 第一反應(yīng)層由底層正在燃燒著的炭組成。這一層為緊接著上面的第二 反應(yīng)層提供熱量和二氧化碳。其中

18、的主要反應(yīng)是碳和氧氣的放熱反應(yīng)： C+O2=CO2 2C+O2=2CO,（3）第二反應(yīng)層（氣化層） 炭(剛脫除揮發(fā)分的煤)同蒸汽和熱的燃燒產(chǎn)物相接觸。主反應(yīng)物是炭 同水蒸氣、CO2相結(jié)合而生成的CO和H2的吸熱反應(yīng)。高溫有利于生成CO和 H2，而較低溫度則有利于生成CO2和CH4。 （4）干餾層（脫揮發(fā)分區(qū)） 當(dāng)煤進一步被加熱時，在低于200的溫度下，煤中吸附的CO2和CH4 被驅(qū)出。在200以上時才開始煤本身的熱分解，同時煤中的有機硫分 解，并轉(zhuǎn)化成硫化氫和其他化合物。在500以上時，從煤中分解出大 量的焦油和氣態(tài)烴類，同時氨和氧化物的分解也開始。隨著溫度的進一 步提高，煤的熱解作用將放出大

19、量的氫，生成介于半焦和冶金焦之間的 中溫焦。煤的熱解的結(jié)果，使煤分解為三類分子：小分子氣體，中等 分子焦油，大分子焦炭。,（5）干燥層 加到反應(yīng)器的原料煤，同熱的產(chǎn)品煤氣相接觸，煤中的水分被驅(qū)出。 離開氣化爐的煤氣溫度視煤種及爐型而不同，一般為300700。 從爐頂進來的煤以極快的速率被加熱，使從煤衍生的油和焦油發(fā)生裂解 和聚合反應(yīng)而生成粘稠的重質(zhì)焦油和瀝青，這樣激烈的干餾，也會使煤 發(fā)生爆裂并產(chǎn)生大量煤塵，由產(chǎn)品煤氣帶出氣化爐。,大型的加壓氣化爐內(nèi)各床層的高度和溫度的分布,1.總的來說，氣化爐基本上由三大部分組成，分別是 系統(tǒng)、 部分和 系統(tǒng)。 2.對固定床來說，氣化爐 溫度必須高于煤氣的

20、溫度 3.德士古煤炭氣化工藝主要包括 、 、 、 等。 4.濕法制取水煤漿方法有 和 。 5.簡述移動床氣化爐內(nèi)的燃料分層情況，并說明各層主要作用？ 6.煤氣發(fā)生爐設(shè)水夾套的目的是什么？,練習(xí)題,1.總的來說，氣化爐基本上由三大部分組成，分別是 加煤 系統(tǒng)、爐身 部分和 排渣 系統(tǒng)。 2.對固定床來說，氣化爐 頂部 溫度必須高于煤氣的 露點 溫度 3.德士古煤炭氣化工藝主要包括 水煤漿制備、氣化過程、 等。 4.濕法制取水煤漿方法有 濕式球磨法 和 。,練習(xí)題答案,5.煤氣發(fā)生爐設(shè)水夾套的目的是什么？ 保護爐體，回收余熱，副產(chǎn)蒸汽,5.簡述移動床氣化爐內(nèi)的燃料分層情況，并說明各層主要作用？ （

21、1）灰層：最底部。保護爐痹，預(yù)熱氣化劑，均勻布氣 （2）第一反應(yīng)層(燃燒層)：由底層正在燃燒著的炭組成。這一層為緊接著上面的第二反應(yīng)層提供熱量和二氧化碳。 （3）第二反應(yīng)層（氣化層）：炭(剛脫除揮發(fā)分的煤)同蒸汽和熱的燃燒產(chǎn)物相接觸。反應(yīng)生成的CO和H2。 （4）干餾層（脫揮發(fā)分區(qū)）： 在該層，煤中吸附的CO2和CH4被驅(qū)出。煤本身發(fā)生熱分解，煤中的有機硫分解，并轉(zhuǎn)化成硫化氫和其他化合物。從煤中分解出大量的焦油和氣態(tài)烴類，同時氨和氧化物的分解也開始。隨著溫度的進一步提高，煤的熱解作用將放出大量的氫，生成介于半焦和冶金焦之間的中溫焦。煤的熱解的結(jié)果，使煤分解為三類分子：小分子氣體，中等分子焦油，大分子焦炭。 （5）干燥層 加爐頂?shù)椒磻?yīng)器的原料煤，同熱的產(chǎn)品煤氣相接觸，以極快的速率被加熱，煤中的水分被驅(qū)出。但這樣激烈的干燥，也會使煤發(fā)生爆裂并產(chǎn)生大量煤塵，由產(chǎn)品煤氣帶出氣化爐。,練習(xí)題答案,硫化物存在的對甲醇生產(chǎn)工藝、設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量都有嚴重的影響， 故需脫除，指標(biāo)越低越好。 甲醇原料氣中的硫是以各種形態(tài)的含硫化合物存在的，如硫化氫、 硫氧化碳、二硫化碳、硫醇、硫醚、環(huán)狀硫化物等。性質(zhì)如下： 1.硫化氫(H2S) 無色氣體，有毒，溶于水呈酸性，與堿作用生成鹽，可被堿性溶液