煤炭氣化技術課件

1、煤炭氣化 2014.12.201目錄煤制油化工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀煤氣化定義、化學反應、過程原料煤及煤灰的特征描述煤氣化系統(tǒng)組成煤氣化技術分類及特點煤氣化技術發(fā)展趨勢煤氣化技術的選擇方法對一些熱點話題的思考 2一. 煤制油化工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀煤制油化工產(chǎn)業(yè)：直接液化、間接液化、 煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇、煤制芳烴、褐煤提制等項目越來越多規(guī)模、投資越來越大業(yè)主的風險意識越來越強煤氣化技術的選擇越來越被重視政府的要求越來越高：環(huán)保、節(jié)能、安全3二.煤氣化定義、化學反應、過程1.煤氣化定義 在一定的溫度與壓力下，煤炭與氣化劑（空氣、氧氣、二氧化碳、水蒸汽等）反應，煤中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成煤氣、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化成灰渣的過程42

2、.煤氣化化學反應 氣化反應： C+H2O=CO+H2 吸熱反應 C+CO2=2CO 吸熱反應變換反應：CO+H2O=CO2+H2 放熱反應燃燒反應： C+O2=CO2 放熱反應53.煤氣化過程干燥干餾（熱解）氣化燃燒 6三. 原料煤及煤灰的特征描述 1.原料煤特征描述工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、硫含量、發(fā)熱量元素分析：炭、氫、氧、氮、硫煤的工藝性質(zhì)：哈氏可磨性指數(shù)、煙煤粘結(jié)指數(shù)、機械強度、粒度組成、限下率、熱穩(wěn)定性、二氧化碳反應性等煤中微量元素：磷、氯、砷、氟、汞、鉛、鎘等。隨著現(xiàn)代煤化工項目的大型化，煤中的微量元素對下游工藝及環(huán)保影響日益被人們所重視72. 煤灰的特征描述煤灰熔融性

3、： 變形溫度（DT，原稱T1）軟化溫度（ST，原稱T2）半球溫度（HT）流動溫度（FT，原稱T3）粘溫特性：煤灰的粘溫特性是指煤的灰分在不同溫度下熔融時，液態(tài)灰所表現(xiàn)的流動性。是液態(tài)排渣氣化的重要參考指標。82. 煤灰的特征描述煤灰組成：Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO、TiO2、CaO、Na2O、K2O、MnO2、SO3、P2O5等成分的含量。其中Al2O3、SiO2、 TiO2、 P2O5稱為酸性氧化物，一般認為其含量越高，煤灰熔點較高，灰黏度也高。而Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O稱為堿性氧化物，其含量高時煤灰熔點和灰黏度會降低。92. 煤灰的特征描述沾污指數(shù)（Rf）

4、是指煤灰堿度（B/A）乘煤灰中Na2O值。其能體現(xiàn)煤灰在高溫受熱面的沾污傾向。其中，煤灰堿度是煤灰中堿性氧化物含量與酸性氧化物含量的比值。 Na2O值是煤灰中Na2O質(zhì)量百分數(shù)。通常Rf按照0.2，0.20.5，0.51.0和1.0劃分四個等級，分別代表輕微沾污、中等沾污、強沾污和嚴重沾污傾向。對于廢鍋流程的氣化工藝有重要指導意義。10四. 煤氣化系統(tǒng)組成 煤氣化系統(tǒng)由設備、連接設備的管道、附著在管道上的閥門及測量元件、控制系統(tǒng)等組成。煤氣化系統(tǒng)采用了集成技術，核心是燒嘴及氣化爐。包括：1.原料煤預處理及進料系統(tǒng) 煤的破碎、篩分、制漿、制粉等。 燒嘴、鎖斗、密相輸送、煤粉輸送泵、螺旋桿給料2.

5、排灰系統(tǒng) 鎖斗、連續(xù)排灰（渣）11四. 煤氣化系統(tǒng)組成3. 氣化爐 水冷壁、水夾套、耐火磚4. 熱回收系統(tǒng) 副產(chǎn)蒸汽、預熱工藝介質(zhì)5. 氣體凈化系統(tǒng) 除塵：干法、濕法洗滌 脫出酸性氣體：（吸收、解析）12四. 煤氣化系統(tǒng)組成6.變換系統(tǒng)：氣體組分調(diào)整 7.廢水預處理 脫出有機物：氨氮、油、酚等 脫出鹽類：超濾、反滲透、蒸發(fā)結(jié)晶13五.煤氣化技術分類及特點常壓固定床（移動床）氣化加壓固定床（移動床）氣化流化床氣化氣流床氣化熔融床氣化：融鐵床、沙浴床、熔渣床地下氣化141. 常壓移動床（固定床）氣化在冶金、建材、機械等行業(yè)用于制取工業(yè)燃氣，在中小型合成氨廠用于制取合成氣，在一些領域用于制備CO。這

6、種氣化技術對原料要求嚴格（無煙煤、焦炭、半焦等），單爐生產(chǎn)能力小，環(huán)境污染嚴重，能耗高。目前，以富氧（純氧）/二氧化碳為氣化劑的連續(xù)常壓氣化有一定的市場。隨著其它煤氣化技術的不斷發(fā)展與完善，隨著時間的推移，終將被淘汰。152. 加壓固定床氣化 加壓移動床（固定床）氣化分固態(tài)排渣魯奇爐和液態(tài)排渣BGL爐。在中國使用魯奇爐的企業(yè)有：云南省解放軍化肥廠、山西天脊煤化工集團公司、河南省義馬氣化廠等。近幾年來，新疆廣匯、大唐、新汶、慶華等公司也已選擇魯奇爐生產(chǎn)煤基天然氣。 Mark+氣化爐，與Mark4-HP40相比，單爐負荷增加了100%。建議關注該氣化爐的進展 163. 流化床氣化Winkler爐、

7、HTW爐、恩德氣化爐U-Gas氣化爐KBR氣化爐中國ICC灰融聚氣化爐建議關注HTW爐和KBR公司開發(fā)的氣化爐174. 氣流床氣化進料類型:干粉、水煤漿（多元料漿）氣化爐類型：熱壁爐、水冷壁氣化爐煤燒嘴多少：單燒嘴、組合燒嘴、多燒嘴燒嘴位置：頂部、中部氣化劑：氧氣、空氣壓力：常壓、加壓流程配置：廢鍋流程、冷激流程專利商：Shell 、GE、 Siemens、科林、 Krupp-uhde、KBR、SES、山西煤化所、 華理-兗礦、CBI(E-Ggas)、清華大學、西安熱工研究院、西北化工研究院、航天煤化工公司、魯奇公司、澤瑪克公司、云煤、寧煤、五環(huán)、東方爐 等186. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求

8、-干粉氣流床 干粉氣流床煤氣化工藝對原料煤有廣泛的適應性，從無煙煤到褐煤的各種煤都可以氣化。由于采用干粉進料，高溫、加壓氣流床氣化，對煤的活性、粘結(jié)性、機械強度、水分、揮發(fā)分等一些煤質(zhì)指標要求不嚴格。雖然干粉氣流床煤氣化工藝對煤質(zhì)的適應性很廣，但它不是萬能氣化爐，從技術經(jīng)濟角度考慮，該工藝對煤質(zhì)還是有一定要求的，主要要求及原因分析如下： 196. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干粉氣流床 灰分：干粉氣流床采用液態(tài)排渣，灰分過高導致灰渣增加，熱效率降低，還可能造成氣化爐排渣不暢或堵塞。由于干粉氣流床氣化爐均采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，灰分過低導致氣化爐不能正常掛渣，影響“以渣抗渣”的效果。實踐表明：最佳灰

9、分含量為12%25% 。 206. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干粉氣流床 灰熔點：干粉氣流床氣化均是液態(tài)排渣，為確?；曳秩刍饣癄t排渣順暢，氣化操作溫度要高于煤灰FT（流動溫度）100150。在能滿足碳轉(zhuǎn)化率要求的前提下，氣化操作溫度越低越好。但灰熔點過低的煤在氣流床粉煤氣化爐上氣化時存在操作溫度低導致炭轉(zhuǎn)化率偏低、提高操作溫度則無法掛渣的問題?；胰埸c高的煤需要加助溶劑來降低灰熔點。因此灰熔點FT在1250左右的煤較合適 。 216. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干粉氣流床 煤灰粘溫特性：為了能使水冷壁正常掛渣，并且氣化爐能順利排渣，在氣化爐溫下，要求煤的灰渣粘度范圍在2540PaS。另一

10、方面，要求煤灰粘溫曲線平緩，以保證氣化爐有較寬的溫度操作窗口。 226. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干粉氣流床 煤灰粘溫特性：為了能使水冷壁正常掛渣，并且氣化爐能順利排渣，在氣化爐溫下，要求煤的灰渣粘度范圍在2540PaS。另一方面，要求煤灰粘溫曲線平緩，以保證氣化爐有較寬的溫度操作窗口。 236. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干粉氣流床 對于采用廢鍋流程的Shell煤氣化工藝，為了避免煤灰在廢熱鍋爐內(nèi)結(jié)渣而影響換熱效果并最終導致氣化爐連鎖停車，因此要求煤灰的沾污指數(shù)最好在0.5以下（堿金屬含量要低）。對于激冷流程的GSP和HT-L干粉煤氣化技術來說，對粘污指數(shù)沒有要求。 246. 不同煤氣

11、化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 結(jié)合水煤漿氣化工藝和氣化爐的特點，水煤漿氣化的理想原料應該具備水煤漿濃度高（可磨指數(shù)高、內(nèi)水低）、原料灰分低、灰融點低的特點。 256. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 煤漿濃度 根據(jù)我國近年來對水煤漿制備的研究，煤的可制漿濃度C與煤的空氣干燥基水分和可磨指數(shù)的關聯(lián)如下： C=68-0.6Mad+0.06HGI 上式表明:煤的空氣干燥基水分越低，煤漿濃度越高，煤的可磨指數(shù)越高，煤漿濃度越高。 266. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 煤漿濃度除了與煤的自然屬性有關外，也與磨漿設備的特點和添加劑有關。工業(yè)實踐表明：選用合適的磨漿設備（比如分級磨）和

12、與之配伍的添加劑，可以提高幾個點的煤漿濃度。 在不影響貯存和輸送的前提下，煤漿濃度越高，氧耗越低，煤耗也低，氣化效率越高。水煤漿氣化一般要求煤漿濃度在55%以上。 276. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 煤灰特性 煤的灰分含量、灰熔點、灰組成、粘溫特性、沾污指數(shù)等統(tǒng)稱煤灰特性。下面分析煤灰特性與水煤漿氣化的關系： 灰分含量：灰分含量低于20%（包括加入助溶劑CaO后）。越低越好，因為灰含量每增加1 %，則氧耗增加0.7 %0.8 %，煤耗增大1.3 %1.5%。 286. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 灰熔點：FT在1300以下，如灰熔點較高，可采取加助溶劑如石灰石粉，將灰

13、熔點降下來。 灰組成與粘溫特性和沾污指數(shù)相關，是從不同的角度認識煤灰特性。對于水冷壁水煤漿氣化爐要重視原料的粘溫特性，因為，水冷壁水煤漿氣化爐采用以渣抗渣的原理來保護氣化爐水冷壁。如果灰的粘溫曲線陡峭，氣化爐的操作窗口就小，氣化爐的操作難度加大。 296. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-水煤漿氣化 如果氣化爐后面帶廢鍋，要關注灰的沾污指數(shù)。研究認為，廢鍋積灰與灰的玷污指數(shù)有關，即與煤灰中的堿性氧化物有關，特別是Na2O含量。因為一般認為堿金屬的氧化物要在650以下才會冷凝析出。 306. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 煤的反應性：任何類型氣化爐都必須達到較高的碳轉(zhuǎn)化率才具有經(jīng)濟效益或?qū)?/p>

14、用價值。而碳轉(zhuǎn)化率主要與煤的反應活性、煤在氣化爐中的停留時間和氣化溫度有關。考慮到氣化爐的生產(chǎn)強度及動力消耗，即便是在循環(huán)流化床氣化爐中，煤顆粒的停留時間也有一定限制。因此要保證較高的碳轉(zhuǎn)化率必須提高煤的反應性。煤的反應性除了與其本身性質(zhì)有關外，溫度和壓力也是重要的影響因素。 316. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 但流化床氣化爐都是固態(tài)排渣，其操作溫度必須在煤灰軟化溫度以下，因此氣化溫度不可能太高，灰熔聚氣化爐在9501100，KBR氣化爐在900980之間，因此為了保證較高的碳轉(zhuǎn)化率，流化床氣化要求煤的反應活性越高越好，在950下，煤對CO2反應性最好能高于80%。但對于灰熔點高

15、的煤（ST1200），可以適當提高氣化爐操作溫度，因此煤的反應性可適當降低。 326. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 灰熔點：結(jié)渣問題是影響流化床氣化爐運行的重要問題之一。結(jié)渣可以導致固體顆粒失流態(tài)化，最終導致氣化爐停車。為了避免爐內(nèi)結(jié)渣，通常要求煤的灰熔點高于操作溫度150左右?？紤]到煤的反應活性及流化床氣化爐出爐煤氣中不含焦油的要求，通常流化床氣化爐的操作溫度都在900以上，因此流化床氣化爐對煤的灰熔點ST要求高于1050。 336. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 粒度：KBR氣化爐屬于傳輸床氣化爐，具有高氣速、高氣固比、高循環(huán)量，這些特點要求煤的粒徑要比其他形式的流化

16、床小得多，同時為了減少帶出細粉量，煤的粒徑不能太細，要求在0.4mm左右。其它流化床要求煤的粒徑稍大，在06mm。 346. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 灰成分：煤灰中Fe2O3、CaO、Na2O等堿性金屬氧化物的含量過高會與灰中的硅、鋁等礦物質(zhì)形成低熔點共熔物，降低煤的灰熔點。另外KBR氣化技術采用的費鍋流程回收煤氣顯熱，熱金屬過濾除塵，煤灰中Na2O高溫下?lián)]發(fā)后會凝結(jié)在廢熱鍋爐中及金屬過濾器中形成燒結(jié)或粘結(jié)的灰沉積,影響換熱系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通常要求煤灰中Na2O的含量在5%以下。 356. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 煤的粘結(jié)性：為了防止煤在爐中結(jié)焦，從而

17、失流態(tài)化，要求煤的粘結(jié)指數(shù)小于30。 哈氏可磨性指數(shù)：KBR氣化技術要求入爐煤的粒徑在0.4mm左右，灰熔聚流化床要求入爐煤的粒徑06mm，因此從磨煤制粉方面對煤的可磨性指數(shù)要求不如干粉氣流床嚴格，但為了減少煤顆粒對氣化爐內(nèi)襯的磨損（尤其是旋風分離器），因此要求煤的硬度越低越好。 366. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-流化床氣化 其他要求：KBR氣化要求煤的水分小于18%，灰熔聚流化床氣化要求煤的外水分小于5%。對煤灰分含量不做要求。 376. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化原料煤粒度組成。典型粒度分布在5-50mm之間，低于5mm或高于50mm煤的比例均不超過5%。這是由于原

18、料煤粒度分布過大，會造成氣化爐同一床層截面的煤的比表面積不同，比表面積大的煤氣化時需要的氧氣多，進而造成氣化爐同一床層的反應速率不同，可能導致氣化爐床層紊亂，比表面積小的煤（大粒度）因反應不完全，隨著灰渣一起排出，致使灰中殘?zhí)苛吭黾?，碳轉(zhuǎn)化率下降。 386. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化黏結(jié)指數(shù)。魯奇加壓氣化爐可以氣化黏結(jié)指數(shù)大于20的煤種。但是，隨著煤的黏結(jié)性逐步增加，不利于氣流分布，影響煤的氣化效率?？梢姡瑲饣旱酿そY(jié)性以不黏或弱黏為好，黏結(jié)指數(shù)小于20比較合適。 396. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化熱穩(wěn)定性和機械強度。在氣化過程中，如果塊煤出現(xiàn)粉化則

19、會增大氣體通過床層的阻力影響氣體的均勻分布，并且還會導致帶出粉煤量增多，最終影響碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率。對于煤的熱穩(wěn)定性，試驗后（GB/T 1573-200）煤粒度大于6mm及3-6mm的殘焦質(zhì)量分數(shù)總和大于80%比較合適，即TS+6+TS3-680%。對于煤的機械強度，落下試驗后（GB/T 15459-2006）煤粒度大于25mm塊煤質(zhì)量分數(shù)以大于60%為宜。 406. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化灰熔點。魯奇氣化爐為固態(tài)排渣，通常操作溫度介于煤灰變型溫度（DT）和煤灰熔融性軟化溫度（ST）之間。入爐煤灰熔點高，實際操作時適當降低汽氧比，氣化爐溫度提高，氣化反應完全，有利于制氣

20、，可是受氣化爐設備材質(zhì)制約，蒸汽不可能無限降低，否則可能導致爐內(nèi)件燒損。反之，煤的灰熔點低，則操作時提高汽氧比，氣化爐溫度下降，氣化反應速率減緩，不利于制氣。綜上分析，通常要求入爐煤灰熔點ST1250。 416. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化 另外，移動床加壓氣化對煤灰熔點的要求也需要關注煤的反應活性，若煤的反應活性較好，其灰熔點可以適當降低；若煤的反應活性較差，則氣化反應要求的操作溫度會偏高，這樣氣化要求煤的灰熔點也必然升高。 426. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化水分。魯奇爐在氣化原料煤時，存在干燥層，允許進爐煤的水分含量可高達40%?？墒敲褐兴趾窟^

21、高，蒸發(fā)汽化所需的熱量增加，造成的氧耗會一定程度增加。另外，煤中水分含量過高，也會導致篩分效果不佳，容易造成煤鎖膨料、加煤不暢等故障。故通常要求入爐煤水分在20%以下為宜。 436. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-干法排灰移動床氣化灰分。實踐表明，魯奇爐可以順利氣化高灰煤（約40%），但是煤中灰分含量過高，原料煤在氣化爐進行氣化反應，產(chǎn)生較多灰渣，而大量排渣會帶走氣化爐內(nèi)熱量，不利于氣化反應的進行。故一般控制入爐煤灰分含量小于30%時較為合適。 446. 不同煤氣化技術對煤質(zhì)的要求-熔渣排灰移動床氣化 BGL氣化技術是在魯奇氣化技術基礎上開發(fā)的一種新型氣化技術，二者對煤質(zhì)的要求具有一定的相似性，

22、比如原料煤粒度分布、灰分、水分、機械強度、熱穩(wěn)定性等煤質(zhì)指標。由于BGL爐采用液態(tài)排渣，其對原料煤灰熔點指標的要求與魯奇爐要求不同。BGL原料煤的灰熔點（FT）一般要求低于1450，若灰熔點過高，則需加入助熔劑進行調(diào)整。 457. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-Shell廢鍋467. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-GSP477. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-水煤漿（熱壁爐及冷壁爐） c.清華水冷壁型氣化爐 487. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-灰熔聚流化床氣化爐497. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-TRIG氣化爐507. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-Lurgi氣化爐517. 不同煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點-BGL氣化爐528. 不同煤氣化技術的流程特點-Shell廢鍋流