潔凈煤技術(shù)課件第8章 煤炭氣化理論及應(yīng)用rev

1、第第8篇篇 煤炭氣化理論及應(yīng)用煤炭氣化理論及應(yīng)用本章重點本章重點煤氣化基本原理煤氣化基本原理煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用igcc（整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）（整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）煤氣化多聯(lián)產(chǎn)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)本章難點本章難點幾種氣化技術(shù)的特點幾種氣化技術(shù)的特點igcc技術(shù)的典型流程技術(shù)的典型流程學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握煤氣化的反應(yīng)機(jī)理及主要影響因素；掌握煤氣化的反應(yīng)機(jī)理及主要影響因素；了解并掌握各種煤氣化工藝的影響因素及各反應(yīng)器的特點；了解并掌握各種煤氣化工藝的影響因素及各反應(yīng)器的特點；了解整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的特點及主要的工藝流程；了解整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的特點及主要的工藝流程；了解煤氣

2、化多聯(lián)產(chǎn)的主要工藝流程。了解煤氣化多聯(lián)產(chǎn)的主要工藝流程。第一節(jié)第一節(jié) 煤氣化基本原理煤氣化基本原理第一節(jié)第一節(jié) 煤氣化基本原理煤氣化基本原理 一、定義：氣化過程是煤炭的一個熱化學(xué)加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或工業(yè)純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過程。 煤炭氣化包含一系列物理、化學(xué)變化。一般包括干燥、熱解、氣化和燃燒四個階段。干燥屬于物理變化，隨著溫度的升高，煤中的水分受熱蒸發(fā)。其他屬于化學(xué)變化，燃燒也可以認(rèn)為是氣化的一部分。煤在氣化爐中干燥以后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，煤分子發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成大量揮發(fā)性物質(zhì)（包

3、括干餾煤氣、焦油和熱解水等），同時煤粘結(jié)成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成以一氧化碳、氫氣、甲烷及二氧化碳、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物，即粗煤氣。氣化反應(yīng)包括很多的化學(xué)反應(yīng)，主要是碳、水、氧、氫、一氧化碳、二氧化碳相互間的反應(yīng)，其中碳與氧的反應(yīng)又稱燃燒反應(yīng)，提供氣化過程的熱量。第一節(jié)第一節(jié) 煤氣化基本原理煤氣化基本原理v煤氣化的反應(yīng)機(jī)理煤氣化的反應(yīng)機(jī)理 煤的氣化反應(yīng)是典型的氣 固多相反應(yīng)，反應(yīng)過程十分復(fù)雜，在氣化爐內(nèi)先后或同時發(fā)生氧化燃燒、還原、轉(zhuǎn)化、甲烷化等反應(yīng)。主要反應(yīng)方程式有: 水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng) c+h2o=co+h2+131kj/m

4、ol 水煤氣變換反應(yīng) co+ h2o =co2+h2-41.5kj/mol 部分氧化反應(yīng) c+0.5o2=co-115.7kj/mol 完全氧化（燃燒）反應(yīng) c+o2=co2-393.8kj/mol 甲烷化反應(yīng) co+3h2=ch4+h2o-206.4kj/mol boudouard反應(yīng) c+co2=2co+162.4kj/mol第一節(jié)第一節(jié) 煤氣化基本原理煤氣化基本原理v煤氣化的主要影響因素煤氣化的主要影響因素 (1) (1) 煤結(jié)構(gòu)煤結(jié)構(gòu): : 一般來說，煤氣化反應(yīng)的反應(yīng)性隨煤化度的升高而降低。不同煤焦與氣化劑的氣化反應(yīng)性研究表明，氣化反應(yīng)的順序為: 褐煤 煙煤及煙煤焦 半焦; (2) (

5、2) 氣化溫度氣化溫度: : 相同的煤焦隨著氣化反應(yīng)溫度的增加，碳轉(zhuǎn)化率明顯增加，煤焦完成氣化反應(yīng)的時間縮短，即溫度越高，煤焦的反應(yīng)活性越好; 溫度越低，氣化反應(yīng)活性越差; (3) (3) 氣化劑氣化劑: : 對同一煤焦，在相同的反應(yīng)條件下，其水蒸氣氣化反應(yīng)速率比其與 氣化反應(yīng)速率要快一些，這與兩反應(yīng)過程的活化能有關(guān)。2co第一節(jié)第一節(jié) 煤氣化基本原理煤氣化基本原理v煤炭氣化技術(shù)主要應(yīng)用于下列領(lǐng)域煤炭氣化技術(shù)主要應(yīng)用于下列領(lǐng)域 化工合成原料氣 工業(yè)燃?xì)?民用煤氣 冶金還原氣。 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?燃料油合成原料氣和煤炭液化氣源 煤炭氣化制氫第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用第

6、二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用v移動床加壓氣化移動床加壓氣化加壓氣化的基本過程加壓氣化的基本過程1.1.分層情況分層情況在整個移動床氣化過程中，原料自上而下，氣化劑自下而上，逆流接觸，逐漸完成煤炭由固態(tài)向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化。隨著各種反應(yīng)的進(jìn)行，料層各區(qū)域中存在著不同的溫度特征，這實際上也反映了不同的氣化特征。在加壓氣化爐內(nèi)，這種不同特征的區(qū)域自上而下依次可分為干燥層、干餾層、甲烷層、第二反應(yīng)層（氣化層）、第一反應(yīng)層（氧化層）和灰渣層，共六層。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用2 2、各層的主要特點和作用、各層的主要特點和作用 (1)(1)灰渣層灰渣層 灰渣層位

7、于料層的最底部。在該層電原料中的碳已基本耗盡，氣化反應(yīng)已結(jié)束，因此溫度快速下降。它覆蓋在爐算的上面，以免被赤熱的碳層燒壞或變形，保護(hù)了爐算又能使剛由爐底進(jìn)人的氣化劑在灰渣層中得到預(yù)熱，將灰渣層的熱量帶回反應(yīng)層中。被冷卻的灰渣排人灰鎖。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 （2 2）第一反應(yīng)層）第一反應(yīng)層第一反應(yīng)層亦即氧化層。主要進(jìn)行的是碳的氧化反應(yīng)，生成大量的co2和少量的co。同時還進(jìn)行著2c十2h2o(g)ch4co2的反應(yīng)，使得水蒸氣稍有消耗。該層的主要反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，是料層中溫度最高的區(qū)域，提供氣化爐內(nèi)其他反應(yīng)所需的熱量。由于碳燃燒反應(yīng)在高溫下反應(yīng)速度非?？?，因此原

8、料在該層的停留時間比較短，約38 min。若氣化灰分高、活性差、粒度大的原料時，則停留時間可適當(dāng)延長。(3)(3)第二反應(yīng)層第二反應(yīng)層第二反應(yīng)層亦即氣化層。該層的主要標(biāo)志是氧氣已全部耗盡。水蒸氣大量分解，co2被還原，使氣體中co和h2的含量不斷增加，co2和h2o(g)的量逐漸減少。同時也進(jìn)行著2c+2h2o(g)ch4+co2的反應(yīng)。該層生成大量的co和h2，為甲烷化反應(yīng)創(chuàng)造了條件。隨著水蒸氣的分解和co2還原反應(yīng)的進(jìn)行，上部料層溫度逐漸降低，甲烷的生成量不斷增加，從而進(jìn)入了甲烷層。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (4)(4)甲烷層甲烷層甲烷層是生成甲烷的主要反應(yīng)層

9、，也是加壓氣化與常壓氣化的區(qū)別所在。該層進(jìn)行的甲烷生成反應(yīng)是碳與氫、一氧化碳與氫之間的反應(yīng)，反應(yīng)速度比第一反應(yīng)層和第二反應(yīng)層中的氣化反應(yīng)速度要慢得多，因此，為使反應(yīng)能充分進(jìn)行，生成盡可能多的甲烷，一般要求甲烷層厚度較大，保證原料在該層的停留時間約0.5 1 h。由于甲烷生成反應(yīng)放出的熱量與該層中其他反應(yīng)吸收的熱量幾乎相等。因此該層的溫度變化較小。(5)(5)干餾層干餾層原料煤經(jīng)過干燥層預(yù)熱后，在干餾層中脫除揮發(fā)分，生成熱解水和多種干餾產(chǎn)物，如低溫焦油、油、脂肪酸、酚、氨、不飽和烴、hcn及半焦。在加壓氣化爐內(nèi)，由于溫度較低并有大量氫氣存在，因此產(chǎn)生的焦油和以脂肪烴為主的輕質(zhì)油很少裂解，并以蒸汽

10、狀態(tài)存在于粗煤氣中。同時，在該層還存在著co的變換反應(yīng)，決定了出爐煤氣的組成。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (6)(6)干燥層干燥層入爐原料在上升氣流的對流傳熱作用下，失去水分，逐漸升溫。預(yù)熱的程度取決于入爐原料的水分。與此同時，充分的熱交換可降低爐出煤氣的溫度，減少熱損失。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用1.1.碳的氧化反應(yīng)碳的氧化反應(yīng) (以h表示)2.2.二氧化碳還原反應(yīng)二氧化碳還原反應(yīng) (以h表示) 3.3.水蒸氣分解反應(yīng)水蒸氣分解反應(yīng) (以h表示) 4.4.甲烷生成反應(yīng)甲烷生成反應(yīng) (以h表示) 加壓氣化的主要反應(yīng)加壓氣化的主要反應(yīng)22c

11、oco393.8 mj / kmol-2c co2co 162.4 mj / kmol+ 22c h o gco h131.5 mj / kmol+24c 2hch74.9 mj / kmol+-第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用（三）魯奇固態(tài)排渣加壓氣化工藝（三）魯奇固態(tài)排渣加壓氣化工藝1 1、壓力對氣化指標(biāo)的影響、壓力對氣化指標(biāo)的影響(1)(1)煤氣成分煤氣成分 煤氣組成煤氣組成/%coh2ch4co2低熱值低熱值/kjm-3混合發(fā)生爐煤氣混合發(fā)生爐煤氣2413111850246280水煤氣水煤氣373848501004811723加壓氣化加壓氣化粗煤氣粗煤氣16223

12、839101128321004811304魯奇爐煤氣魯奇爐煤氣凈煤氣凈煤氣2431535913182.03.51465416747表8-1 常壓氣化與加壓氣化煤氣成分比較第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 （2 2）氧氣消耗量）氧氣消耗量 很明顯，加壓氣化有利于生成甲烷反應(yīng)的進(jìn)行，而該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可以作為氣化爐中的第二熱源，減少碳與氧燃燒反應(yīng)中原料和氧氣的消耗。并且，氣化壓力的升高，對生成甲烷的反應(yīng)越有利，放出的熱量越多，氧氣的消耗越少。在制氣生產(chǎn)的成本計算中，若使用電力為主要生產(chǎn)動力，則耗電費約占成本的25%30%，其中制氧所耗電量占總電耗的1/2左右，因此，氧耗降低

13、有明顯的經(jīng)濟(jì)性。 (3)(3)蒸汽消耗量蒸汽消耗量 加壓氣化時，壓力升高，水蒸氣耗量也增大。但是.加壓卻氣分解率下降。而且，在實際生產(chǎn)中，還需用蒸汽量來控制爐溫以保證固態(tài)排渣能順利進(jìn)行，因此，總的蒸汽消耗量加壓時比常壓高2.53倍。顯然，壓力升高，需要的當(dāng)量氫增加，水蒸氣耗量增加，使得水蒸氣絕對分解量也增加，但水蒸氣分解率卻下降，水蒸氣的利用率下降，這是固態(tài)排渣加壓氣化工藝的一大缺憾。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (4)(4)氣化強(qiáng)度氣化強(qiáng)度加壓氣化可使氣化強(qiáng)度明顯提高。這是由于氣化壓力的提高，既加快了反應(yīng)速度，又增加了氣一固反應(yīng)接觸的時間，反應(yīng)更加充分，幾乎接近平衡

14、狀態(tài)，碳的轉(zhuǎn)化率較高。 (5)(5)煤氣產(chǎn)率煤氣產(chǎn)率 提高氣化壓力，增加了甲烷的生成量，減少了氣體的總體積，降低了煤氣產(chǎn)率。而且，凈煤氣產(chǎn)率的下降幅度比粗煤氣產(chǎn)率更大。這是由于加壓氣化的粗煤氣中二氧化碳含量較多，且隨氣化壓力的升高而增加，一旦凈化脫除，將使凈煤氣體積數(shù)大大減少。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用2.2.加壓氣化對原料煤的選擇加壓氣化對原料煤的選擇 (1)(1)水分水分 加壓氣化爐的爐溫通常低于常壓氣化爐，而且料層較厚，因此人爐煤的水分可以較高，但當(dāng)有些褐煤水分過高時，對氣化就會造成不良的影響。一是促使褐煤塊碎裂;二是造成氧耗顯著增加;三是增加凈化系統(tǒng)的負(fù)荷；

15、四是增加污水處理的投資和操作費用；五是給原料預(yù)處理造成困難。因此，煤中水分控制在20%左右時，氣化效果較好。根據(jù)德國標(biāo)倫廠的經(jīng)驗，當(dāng)原料煤水分高于20%時，每增加1%的水分，氧耗將增加1.5左右，水汽含量增加3%左右。當(dāng)原料煤水分由20%上升到30%時，氣化爐的生產(chǎn)能力下降10%左右。故通常要求褐煤水分控制在20%以內(nèi)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (2)(2)灰分灰分 魯奇加壓氣化爐原則上對煤的灰分無嚴(yán)格要求，即使灰分含量高達(dá)55%，也可用做加壓氣化的原料。但是，煤中灰分含量增加，導(dǎo)致消耗定額增加，煤氣產(chǎn)率降低，灰渣含碳量增加，煤氣熱值降低。因此，控制煤的灰分小于2

16、0%時較為經(jīng)濟(jì)。 (3)(3)粒度粒度 加壓氣化時，由于氣化爐內(nèi)氣流的實際速度遠(yuǎn)低于常壓氣化，因此，粒度可小于常壓氣化，并且與煤的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和活性有關(guān)。通常，加壓氣化爐中采用的原料粒度為:褐煤46 mm、煙煤55 mm、焦炭和無煙煤520mm。同時，要求原料顆粒組成均勻，最大粒徑與最小粒徑比為58。最小粒徑宜在6mm以上，小于2 mm的粉煤量控制在1.5%以內(nèi)，小于6mm的細(xì)粒煤量控制在5%以內(nèi)。因此，在不被氣流帶走小顆粒的前提下，減小煤的粒徑有較好的經(jīng)濟(jì)性。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (4)(4)黏結(jié)性黏結(jié)性 通過對美國強(qiáng)黏結(jié)性煙煤的試驗，表明魯奇加壓氣化

17、爐能氣化自由膨脹序數(shù)(fsi)7以下的強(qiáng)煤。但是，與氣化褐煤相比，消耗指標(biāo)增加10%15%，氣化爐的處理能力降低15%20%,氣化效率下降5%左右。因此，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，氣化煤的黏結(jié)性2性還是以不黏或弱黏為好。 (5)(5)灰熔點與結(jié)渣性灰熔點與結(jié)渣性 這是影響汽氧比和氣化強(qiáng)度的關(guān)鍵，尤其是活性差的煤，因?qū)t溫要求高，對灰熔點要求也高，通常要求st1200，最好高于1400?；屹|(zhì)量的好壞，會影響操作溫度的波動范圍。品質(zhì)好的灰，即使操作溫度波動較大，爐內(nèi)也不易發(fā)生掛渣結(jié)塊現(xiàn)象。 (6)(6)反應(yīng)活性反應(yīng)活性 原料煤活性好，有利于改善煤氣質(zhì)量，有利于提高氣化強(qiáng)度，有利于降低消耗指標(biāo)。尤其在加壓氣

18、化爐中，由于氣化溫度低于常壓氣化，原料反應(yīng)活性的好壞就顯得更為重要。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用3.3.加壓氣化爐加壓氣化爐馬克iv型第三代魯奇移動床固態(tài)排渣氣化爐如圖8-1所示。它由煤鎖、氣化爐主體和灰鎖三部分組成。(1)(1)煤鎖煤鎖 煤通過煤鎖由常壓系統(tǒng)間歇地加人到氣化爐中，采用上下閥加煤形式。(2)(2)氣化爐主體氣化爐主體 操作壓力為2.95 mpa。氣化爐外殼直徑為100 mm x 50 mm，設(shè)計壓力為3.5mpa，設(shè)計溫度為260 。氣化爐內(nèi)徑為3 848 mm 30 mm，設(shè)計壓力為0.25 mpa，溫度為310。氣化爐高為12 500 mm。氣化爐

19、爐頂裝有煤分布器和攪拌器。煤分布器由一個靜止的貯料器和一個旋轉(zhuǎn)的煤分布器構(gòu)成，保證供煤的連續(xù)均勻，貯煤量為煤鎖容積的1. 5倍。攪拌器的作用是破豁，它由一個粗大的錐體和兩個槳葉組成。攪拌器和煤分布器用同一電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為15 r/h。安裝攪拌器后，能氣化自膨序數(shù)小于7的豁結(jié)性煤。(3)(3)灰鎖灰鎖 灰鎖的結(jié)構(gòu)與煤鎖相似，也是上下閥形式。組組成成1煤箱；2上部傳動裝置；3噴冷器；4裙板；5布煤器；6攪拌器；7爐體；8爐箅；9爐箅傳動裝置；10灰箱；11刮刀；12保護(hù)板圖8-1 馬克iv型第三代加壓氣化爐第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用4.4.魯奇固態(tài)排渣加壓氣化的主要優(yōu)缺

20、點魯奇固態(tài)排渣加壓氣化的主要優(yōu)缺點 主要優(yōu)點是主要優(yōu)點是: : 操作穩(wěn)定可靠，原料煤和氣化劑逆流接觸，有利于熱量交換和反應(yīng)的充分進(jìn)行。正常運行時，煤能充分氣化，操作指標(biāo)穩(wěn)定。爐內(nèi)設(shè)置的煤分布器，能儲存一定的煤量以適應(yīng)輸煤系統(tǒng)的波動，也可在加料裝置發(fā)生故障時，提供一定的檢修時間，而不必停爐，從而保證了生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。 能耗低。加壓氣化減少了壓縮煤氣的動力消耗，充分利用了甲烷化反應(yīng)放出的熱量，減少了氧的消耗。 煤氣用途廣。采用不同組分的氣化劑可生產(chǎn)各種用途的煤氣。 生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用主要缺點是主要缺點是: : 水蒸氣分解率較

21、低，約為4000，因此蒸汽消耗量高。 粗煤氣中含有一定數(shù)量的焦油和酚，對三廢的處理和排放造 成一定的困難。 氣化劑需用工業(yè)純氧氣，制氧成本高;加壓氣化爐的材質(zhì)機(jī)械制造工藝要求較高;造成建設(shè)投資較大，煤氣成本增加。二、流化床氣化 流化床氣化又稱沸騰床氣化，氣化劑(蒸汽和富氧空氣或氧氣)由爐底進(jìn)入爐內(nèi)，使煤顆粒在爐內(nèi)上下翻滾呈沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用n（一）（一）氣化過程n 流化床氣化采用小于8 mm的小顆粒煤作氣化原料。氣化劑同時作為流化介質(zhì)，通過流化床的分布板（爐柵）自下而上經(jīng)過床層。根據(jù)原料的粒度分布和顆粒特性，控制氣化劑的流速，使床層內(nèi)的

22、原料煤都處于流化狀態(tài)，在劇烈的攪動和返混中，煤粒與氣化劑充分接觸，同時進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞。利用碳燃燒放出的熱量，對煤進(jìn)行干燥、干餾和氣化。生成的煤氣在離開流化床床層時，會帶著包括70%的灰粒和部分來不及完全氣化的碳粒的大量細(xì)小顆粒由爐頂離開氣化爐。部分密度增重后的渣粒則由爐底排灰機(jī)構(gòu)排出。n 在流化床氣化爐內(nèi)，主要進(jìn)行的反應(yīng)是：碳的燃燒反應(yīng)、二氧化碳的還原反應(yīng)、水蒸氣的分解反應(yīng)及一氧化碳的變換反應(yīng)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (二)溫克勒(winkler)氣化工藝 溫克勒氣化工藝是流化床技術(shù)發(fā)展過程中最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的。1926年在德國的路易那(leuna)

23、建成了第一個工業(yè)生產(chǎn)裝置并投人運行，以后世界各國共建有60多臺溫克勒氣化爐。在這些工業(yè)化裝置中，有些用空氣作氣化介質(zhì)，有些采用氧氣作氣化介質(zhì)。但是由于常壓溫克勒氣化工藝存在著諸多弊端，至今仍在運轉(zhuǎn)的并不多。針對這些問題，又成功地開發(fā)出了許多新型的流化床氣化技術(shù)，其中最具代表性的是高溫溫克勒和灰團(tuán)聚氣化工藝。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用1.溫克勒氣化爐 第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用1.煤氣出口；2.二次氣化劑入口；3.灰刮板；4.除灰螺旋；5.灰斗；6.空氣入口；7.蒸汽入口；8.供料螺旋；9.煤倉；10.加煤口；11.氣化爐；12.散熱鍋爐圖

24、8-2 溫克勒氣化爐2.操作條件 溫克勒氣化爐的操作條件一般包括操作溫度、操作壓力、停留時間、原料煤特性和二次氣化劑用量及組成等。(1)操作溫度 流化段為8001 000，氣流段為1 0001 200。實際操作溫度的選定取決于原料煤的活性和灰熔點。煤氣出口溫度為8001000。(2)操作壓力 典型的工業(yè)化溫克勒氣化爐都是在常壓下操作的，即0.098mpa。(3)停留時間 原料煤在爐內(nèi)的停留時間約1530 min。停留時間的長短由煤的進(jìn)料速率控制，取決于氣化爐產(chǎn)量的要求。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用n（4）原料煤特性：n 溫克勒氣化爐可以采用粒度為小于10 mm褐煤、不

25、黏煤、弱黏煤、長焰煤及中等黏性煙煤。要求原料煤具有較高的反應(yīng)活性。使用黏結(jié)煤時，由于流化床內(nèi)富含灰分，新鮮的煤料進(jìn)入爐內(nèi)會被迅速分散、稀釋，不會造成床層的熔結(jié)問題，一般采用自膨序數(shù)小于4的原料煤，當(dāng)大于4時，需進(jìn)行預(yù)處理。但由于流化床內(nèi)的溫度不宜過高，且碳濃度較低，因此不適宜使用低活性、低灰熔點的原料，最適宜使用褐謀和次煙煤。另外，當(dāng)入爐原料煤水分超過20%時必須進(jìn)行爐外干燥，以減少氧耗。n（5）二次氣化劑的用量及組成：n 在氣化爐上部引入的二次氣化劑的用量和組成必須精確地與被氣流帶走的未反應(yīng)碳量成比例。若氣化劑過少，未反應(yīng)碳不能得到充分氣化而帶出，降低氣化效率；若氣化劑過多，則煤氣將被不必要

26、地?zé)?。二次氣化劑的組成即氣氧比的大小應(yīng)以使氣流段比流化段溫度高200左右為宜。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用3.3.工藝流程工藝流程第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用1.鎖煤斗系統(tǒng)；2.螺旋輸送器；3.氣化爐；4.流化床；5.排灰螺旋輸送器；6.廢熱鍋爐；7.旋風(fēng)除塵器；8.洗滌塔；9.沉降器；10.輔助鍋爐；11.氣化爐（單設(shè)的）圖8-3 溫克勒氣化工藝流程示意圖4.溫克勒氣化工藝的優(yōu)缺點 溫克勒氣化爐是已經(jīng)完全工業(yè)化的氣化爐，其工藝的優(yōu)缺點如下。(1)單爐生產(chǎn)能力大(2)氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，造價低（3)運行可靠，開停車容易，負(fù)荷調(diào)節(jié)方便(4)碳利用

27、率低（5)氣化爐設(shè)備龐大 第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用三、氣流床氣化1、氣流床氣化的基本原理和特點 (一)基本原理 氣流床氣化就是將氣化劑(氧氣和水蒸氣)夾帶著煤粉，通過特殊噴嘴噴人爐膛內(nèi)。在高溫輻射作用下，氧煤混合物瞬間著火，迅速燃燒，產(chǎn)生大量熱量，火焰中心溫度高達(dá)2 000。煤粉立即氣化，所有的干餾產(chǎn)物均迅速分解，轉(zhuǎn)化成含一氧化碳和氫的水煤氣及熔渣。 在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，由于煤粒懸浮在氣流中，隨氣流做并流流動，煤粒之間被氣流隔開，因此，每個顆粒均單獨膨脹、軟化、燒盡或形成熔渣，而與鄰近的煤粒毫不相干。煤粒不易在塑性階段凝聚，因此煤的豁結(jié)性對氣化過程沒有任何影響。所以，氣流

28、床氣化除了對熔渣的黏溫特性有一定要求外，原則上可適用于所有煤種。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用 (二)氣化特性 1.用純氧和水蒸氣做氣化劑 采用純氧而不采用空氣，避免了大量的氮氣進(jìn)人氣化爐內(nèi)，可維持較高的反應(yīng)溫度，有利于炭粒的完全氣化;相對提高了二氧化碳和水蒸氣的濃度，加速了氣化反應(yīng);生成的一氧化碳和氫氣濃度的提高，改善了煤氣的質(zhì)量;沒有大量氮氣帶走的熱量，大大減少了煤氣的顯熱，有利于吸熱氣化反應(yīng)的進(jìn)行。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用2.選擇合適的煤種 就氣流床氣化本身而言，由于其爐內(nèi)溫度很高，內(nèi)火焰中心溫度可達(dá)2000 ，氣化爐中部溫度亦達(dá)15

29、001 600，因此，從技術(shù)上講可適用于任何煤種，但從經(jīng)濟(jì)上講，并非完全如此。 在氣流床氣化過程中，總反應(yīng)速度的控制步驟為動力學(xué)控制。因此，選用反應(yīng)活性高的煤種如褐煤等有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。此外，在選擇煤種時，還應(yīng)考慮煤灰熔點的影響，灰熔點低的煤比較理想，當(dāng)選用煤灰熔點較高或液渣翻一溫特性不夠理想的煤時，可添加助熔劑或配入低灰熔點的煤加以改善。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用3.原料煤的粒度組成要適當(dāng) 由于反應(yīng)物在離開火焰高溫區(qū)后，氣化反應(yīng)的速度大大降低，因此，原料煤粒度越細(xì)越好。煤料小，比表面積大，氣化速度快，反應(yīng)時間短，碳轉(zhuǎn)化率高。一般要求70%以上的煤粉通過200網(wǎng)

30、目篩。4.采用高壓氣化 在高壓下，生產(chǎn)能力提高，氣相分壓增大，氣化反應(yīng)加快，停留時間延長，使碳轉(zhuǎn)化率提高。因此，近年來世界各國研究粉煤氣化時普遍采用高壓粉煤氣化爐。5.配置輔助設(shè)施 氣流床氣化中，通常采用輔助設(shè)施與氣流床氣化爐相配合。輔助設(shè)施包括制粉(制漿)系統(tǒng)、廢熱回收和除塵冷卻系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用(二)德士古氣化法（德士古氣化法（texaco）工藝）工藝 德士古氣化法是一種以水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝，是由美國石油公司所屬的德士古(現(xiàn)屬于ge公司)開發(fā)公司于1946年開發(fā)成功的。在美國的15 t/d中試裝置上，開展了大量的工作，取得了相當(dāng)好的效果

31、，為該工藝的工業(yè)化打下了良好的基礎(chǔ)。目前，德士古氣化工藝已成為第二代煤氣化技術(shù)中最成熟、商業(yè)化裝置最多的技術(shù)。我國也正開發(fā)引進(jìn)這項技術(shù)，在山東魯南已建成處理能力為320 t/d的裝置，用以制造合成甲醇的原料氣。上海、西渭南、安徽淮南等也已引進(jìn)該技術(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用1.德士古氣化爐 第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用圖 8-4 德士古氣化爐2.德士古氣化的基本過程 德士古水煤漿加壓氣化屬于氣流床疏相并流反應(yīng)過程。水煤漿經(jīng)噴嘴在高速氧氣流的帶動下破碎、霧化噴人氣化爐內(nèi)。氧氣和霧狀水煤漿在爐內(nèi)受到耐火襯里的高溫輻射作用，迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸

32、發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒以及碳的氣化等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程，最終生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣、熔渣和未反應(yīng)的碳，一起離開反應(yīng)區(qū)并流而下，進(jìn)人爐子底部的激冷室水浴或輻射式廢熱鍋爐，溶渣經(jīng)淬冷固化后被截留在水中，落人灰鎖斗，經(jīng)排渣系統(tǒng)定時排放。煤氣則進(jìn)入冷卻凈化系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用n3.工藝條件工藝條件n（l）水煤漿濃度n 隨著水煤漿濃度的增加，煤氣中有效成分（coh2）提高，氣化效率提高，氧氣消耗量降低。水煤漿濃度的提高，使得帶入氣化爐內(nèi)的水分相對降低，減少了蒸發(fā)水分所消耗的熱量，從而使一氧化碳和氫氣的含量增加，

33、氣化強(qiáng)度和氣化效率都得到提高，能耗下降。n（2）氧煤比n 氧煤比是氣化中十分重要的操作參數(shù)，它決定了氣化溫度和碳的轉(zhuǎn)化率。增加氧煤比，氣化溫度和碳轉(zhuǎn)化率都明顯升高。但是，氧氣用量過大時，部分碳將完全燃燒，生成二氧化碳，或不完全燃燒生成的一氧化碳又進(jìn)一步氧化成二氧化碳，增加煤氣中的無用組分，降低氣化效率，而且，氧煤比的增加造成氧耗明顯提高，而煤耗下降。所以，氧煤比應(yīng)有一最佳值，一般為0. 92左右。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用n（3）煤粉粒度分布n 煤粉的粒度大小對碳的轉(zhuǎn)化率有明顯的影響。由于煤粒在爐內(nèi)的停留時間及氣固反應(yīng)的接觸面積與顆粒大小有著非常密切的關(guān)系。大顆粒煤

34、離開噴嘴后，具有較高的相對速度，停留時間較短，另一方面，比表面積卻與顆粒大小呈反比。這種雙重影響的結(jié)果必然造成大顆粒煤的轉(zhuǎn)化率低于小顆粒煤。根據(jù)試驗結(jié)果，煤粉越細(xì)，氣化效率越高。但是，煤粉中細(xì)粉含量過多，制得的水煤漿表觀黏度越高，不利于制備高濃度的水煤漿。當(dāng)然，煤粉的粒度大小，還取決于煤的反應(yīng)性。n（4）氣化壓力n 氣流床操作壓力的提高，有利于氣化過程的進(jìn)行。因為壓力增加，不僅增加了反應(yīng)物的濃度，加快了反應(yīng)速度，而且也延長了反應(yīng)物在爐內(nèi)的停留時間，使碳的轉(zhuǎn)化率提高。同時，氣化壓力的提高，既可提高氣化爐單位體積的生產(chǎn)能力，又可節(jié)省壓縮煤氣的動力。所以德士古氣化工藝的最高氣化壓力可達(dá)8. 0 mp

35、a。但是，氣化壓力的選擇應(yīng)根據(jù)煤氣的最終用途加以確定。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用4.工藝過程工藝過程(1)制漿和輸送制漿和輸送 煤經(jīng)濕磨后，與油或水制成煤漿，典型的煤漿濃度為60007000。煤漿制備可采用干法、濕法(一段濕法和兩段濕法)以及混合法。煤漿輸送的主要設(shè)備為低壓循環(huán)泵和高壓料漿泵。低壓循環(huán)泵一般采用離心泵，主要對煤漿進(jìn)行泵送、循環(huán)和起一定程度的攪拌作用。高壓料漿泵一般采用柱塞泵、隔膜泵或活塞泵等，用于將制成的煤漿壓送人氣化爐噴嘴。(2)制氣和廢熱回收制氣和廢熱回收n （2）制氣和廢熱回收n煤漿在爐內(nèi)快速氣化，制得的粗煤氣溫度很高，必須回收其顯熱。圖8-6

36、中給出了兩種常用的工藝流程。圖8-6(a)為激冷流程，圖8-6(b)為廢熱鍋爐流程。對于前者，粗煤氣用激冷水直接冷卻，后者則使粗煤氣先經(jīng)輻射鍋爐，再送往對流鍋爐，產(chǎn)生的鍋爐蒸汽可用于發(fā)電。n (3)煤氣冷卻及三廢處理煤氣冷卻及三廢處理 粗煤氣經(jīng)回收顯熱后，進(jìn)人水洗滌系統(tǒng)，其溫度一般為300左右，需進(jìn)一步冷卻和脫除其中的細(xì)灰，可通過煤塵洗滌器加以洗滌冷卻。粗煤氣的組分單一，不含焦油。煤氣脫硫可采用selexol法或rectisol法，脫除酸氣后的尾氣，經(jīng)凈化(如claus法)后放空，不存在廢氣排放問題。廢水中只含極少量的酚、氰和氨，只需常規(guī)法處理即可排放。固化熔渣呈玻璃光澤狀，可用做水泥和建筑材

37、料，填土無公害產(chǎn)生。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用(a)激冷流程(b)廢熱鍋爐流程1.磨煤機(jī)；2.煤漿槽；3.氣化爐；4.廢熱鍋爐；5.洗滌塔；6.熔渣池；7.灰鎖；8.渣池；9.分離器圖8-6 兩種常用的制氣與廢熱回收流程n5.5.對德士古氣化法的評價對德士古氣化法的評價n （1）對煤種的適應(yīng)性n 衡量煤種適應(yīng)性的主要指標(biāo)是煤料的反應(yīng)性、成漿性和灰熔點。無煙煤活性低、褐煤成漿性差，都不適宜于水煤漿氣化。最適宜的原料應(yīng)為長焰煤、氣煤等。同時為維持正常的液態(tài)排渣，液渣黏度最好維持在1525pas之間。n對德士古氣化的原料，通常有如下的具體要求：發(fā)熱量為25121kj/kg

38、，灰熔點為1300 ，灰分為15%20%。n（2）煤氣的適用范圍n 煤氣中co和h2含量高，尤其是h2 /co比謝爾氣化法高，甲烷僅為0.1%左右，無焦油等高級烴類，是比較理想的化工合成原料氣。n（3）生產(chǎn)效率和建廠規(guī)模n 生產(chǎn)能力大，對負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，在50%的負(fù)荷下，仍然能正常操作；操作壓力高，可節(jié)省煤氣壓縮動力，對下游系統(tǒng)有利；氧耗量較高；單爐生產(chǎn)能力不宜太低，通常處理能力應(yīng)大于500 t/d。第二節(jié)第二節(jié) 煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用煤氣化基本技術(shù)與應(yīng)用四、地下氣化四、地下氣化n煤炭地下氣化(underground coal gasification,簡稱ucg)技術(shù)是將處于地下的煤炭進(jìn)行有

39、控制的燃燒、通過對煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w、綜合開發(fā)清潔能源與生產(chǎn)化工原料的新技術(shù)。其實質(zhì)是僅僅提取煤中的含能組分，而將灰渣等污染物留在井下。煤炭地下氣化技術(shù)集建井、采煤、轉(zhuǎn)化等多種工藝為一體，大大提高了煤炭資源的利用效率和利用水平，深受世界各國的重視，被譽(yù)為新一代采煤方法。早在1979年聯(lián)合國“世界煤炭遠(yuǎn)景會議”就曾明確指出，煤炭地下氣化是從根本上解決傳統(tǒng)煤炭開采和使用方法存在的一系列技術(shù)和環(huán)境問題的重要途徑。目前煤炭地下氣化在國內(nèi)外工業(yè)化試驗已取得初步成果，并在俄羅斯、美國等國家及我國山東、河北等地進(jìn)行了工業(yè)化地下氣化煤氣的生產(chǎn)。我國蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，目前不僅利用率低，而且井工

40、開采對環(huán)境和安全都有很大的影響，通過煤炭地下氣化將地下煤炭資源轉(zhuǎn)變成可利用的煤氣及其它產(chǎn)品是解決能源問題的重要途徑之一。地下氣化地下氣化（一）煤炭地下氣化原理（一）煤炭地下氣化原理 煤炭地下氣化與地面氣化的原理相同，煤氣成分也基本相同，但其工藝形態(tài)不同，地面氣化過程在氣化爐內(nèi)的煤塊中進(jìn)行，而地下氣化則在煤層中的氣化通道中進(jìn)行。將氣化通道的進(jìn)氣孔一端煤層點燃。從進(jìn)氣孔鼓人氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)。煤層燃燒后，則按溫度和化學(xué)反應(yīng)的不同，在氣化通道中形成3個帶，如圖1所示，即氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。經(jīng)過這3個反應(yīng)帶后、就形成了主要含有可燃組分co,h2,ch4的煤氣。這3個反應(yīng)帶沿氣流方向

41、逐漸向出氣口移動，因而保持氣化反應(yīng)的不斷進(jìn)行。地下氣化爐的主要建設(shè)是進(jìn)、排氣孔的施工和氣化通道的貫通，根據(jù)氣化通道的建設(shè)方式，把煤炭地下氣化分為有井式和無井式，前者以人工開采的巷道為氣化通道，后者以鉆孔作為氣化通道。地下氣化地下氣化圖8-7 煤炭地下氣化原理圖地下氣化地下氣化n（二）煤炭地下氣化相關(guān)技術(shù)（二）煤炭地下氣化相關(guān)技術(shù)n 煤炭地下氣化相關(guān)技術(shù)據(jù)生產(chǎn)階段及技術(shù)類型可分為煤層勘探、煤炭地下氣化爐建爐、煤炭地下氣化控制和氣化煤氣的處理等技術(shù)。n(1）煤層勘探技術(shù)：與其他勘探技術(shù)相同，主要利用地質(zhì)、二維和三維地震及鉆井研究煤層在地下的分布狀態(tài)、厚度等。我國目前發(fā)展的主要是有井式氣化(即通過人

42、工巷道進(jìn)行氣化)，利用廢棄煤礦進(jìn)行地下氣化，氣化煤的分布狀態(tài)在煤礦開采過程中多已清楚，所以這一環(huán)節(jié)在我國目前的煤炭地下氣化中也不重要，但隨著無井式氣化(即通過鉆孔進(jìn)行氣化)的發(fā)展，配合無井地下氣化的獨立的煤層勘探技術(shù)將被提到重要的位置，目前的勘探技術(shù)完全能適應(yīng)煤層勘探的需要。n(2）建爐技術(shù)：地下氣化爐分為“有井式”和“無井式”兩種。“無井式”氣化指氣化通道通過鉆孔來實現(xiàn)，建爐工藝簡單，建設(shè)周期短，可用于深部及水下煤層氣化，國外都采用無井式爐型，但由于氣化通道窄小，影響出氣量，鉆探成本高。國內(nèi)目前所建氣化爐都采用有井式，氣化爐建在運行中的礦井煤田上，借助礦井的巷道向氣化煤層中延伸，氣化爐的井下通道建好后，在氣化爐與礦井巷道連接的通道中筑一道密閉墻，然后再進(jìn)行氣化爐的點火工作。“有井式”氣化可利