煤炭氣化-氣流床氣化法

§3、煤的氣化§3.1煤氣化的基本原理§3.2氣化爐的基本原理§3.3固定(移動(dòng))床氣化法§3.4流化床氣化法§3.5氣流床氣化法§3.6煤的氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電§3.7煤炭地下氣化§3.8煤的氣化方法的評(píng)價(jià)與選擇§3.9煤氣的凈化§3.10煤氣的甲烷化§3．5氣流床氣化法1.基本原理和特點(diǎn)⑴基本原理所謂氣流床，就是氣化劑（蒸氣與氧）將粉煤夾帶入氣化爐進(jìn)行并流氣化。煤粉被氣化劑夾帶通過特殊的噴嘴進(jìn)入反應(yīng)器，瞬時(shí)著火，形成火焰，溫度高達(dá)2000℃。煤粉和氣化劑在火焰中作并流流動(dòng)，煤粉急速燃燒和氣化，反應(yīng)時(shí)間只有幾秒種，可以認(rèn)為放熱與吸熱反應(yīng)差不多是同時(shí)進(jìn)行的，在火焰端部，即煤氣離開氣化爐之前，碳已全部耗盡，生成含一氧化碳和氫氣的煤氣及熔渣。在高溫下，所有的干餾產(chǎn)物都被分解，只含有很少量的CH4(0.02％)而且煤顆粒各自被氣流隔開，單獨(dú)地裂解，膨脹、軟化、燒盡直到形成熔渣，因此煤粘結(jié)性對(duì)煤氣化過程沒有什么影響。⑵主要特征①氣化溫度高、氣化強(qiáng)度大純氧和水蒸氣氣化，溫度達(dá)2000℃左右②煤種適應(yīng)性強(qiáng)；褐煤不適于制水煤漿加料。③煤氣中不含焦油；反應(yīng)溫度高，床層溫度均一④需要設(shè)置龐大的磨粉、余熱回收、除塵等輔助裝置。粉煤70~80%過200目篩分，出口煤氣溫度高，起氣速高帶走的飛灰多。2.K-T氣化法(常壓、粉煤氣化)⑴氣化爐高溫氣流床熔融排渣煤氣化設(shè)備；采用氣-固相并流接觸，壓力為常壓，溫度大于1300℃；K-T煤氣化爐結(jié)構(gòu)為臥式橄欖形（圖4），其上部有廢熱鍋爐（輻射傳熱的和對(duì)流傳熱的），利用余熱副產(chǎn)蒸汽。殼體由鋼板制成，內(nèi)襯耐火材料。煤粉通過螺旋加料或氣動(dòng)加料與氣化劑混合，從爐子兩側(cè)或四側(cè)水平方向以射流形式噴入爐內(nèi)，立即著火進(jìn)行火焰反應(yīng)。煤中大部分灰分在火焰區(qū)被熔化，以熔渣自氣化爐底部排出。其余灰分被氣體夾帶走。⑵氣化工藝①氣化工藝流程a:煤粉制備

70~80%通過200目篩，并要求干燥。b:煤粉和氣化劑的輸入雙燒嘴相鄰對(duì)稱設(shè)置。c:制氣

1400~1500℃的粗煤氣，爐出口處飽和蒸汽急冷，降溫至900℃。d:廢熱回收粗煤氣顯熱用廢鍋（輻射、對(duì)流）回收，并副產(chǎn)蒸汽。e:洗滌冷卻②操作條件和氣化指標(biāo)a:原料煤:可應(yīng)用各種類型煤，特別是褐煤和年輕的煙煤更為適用；70~80%過200目篩。b:溫度火焰中心：2000℃；粗煤氣出口（未淬冷）1400~1500℃。c:壓力:微正壓（常壓）d:氧煤比:0.85~0.9kg/kge:蒸汽煤比:0.3~0.34kg/kgf:氣化效率:69%~75%g:碳轉(zhuǎn)化率:80%~98%③主要優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)豐富；氣化爐結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)方便；單爐生產(chǎn)能力大；煤種適應(yīng)性廣；蒸汽用量低；煤氣中不含焦油和煙塵，有效成分（CO和H2）可達(dá)85~90%；不產(chǎn)生含酚廢水；碳的轉(zhuǎn)化率高于流化床。缺點(diǎn)：龐大的制粉設(shè)備，耗電量高；需設(shè)空分裝置，耗氧量大；需有高效除塵裝置，操作能耗大，建廠投資高。3.Shell煤氣化工藝⑴工藝技術(shù)特點(diǎn)●加壓氣流床粉煤氣化，以干煤粉進(jìn)料，純氧做氣化劑，液態(tài)排渣；●火焰中心溫度：1600~2200℃；●出爐煤氣溫度約為：1400~1700℃；●干煤氣中有效成分CO和H2可達(dá)90%以上，CH4含量很低。●主要工藝技術(shù)特點(diǎn)：①煤種適應(yīng)廣（干法粉煤、氣流床）②能源利用率高（高溫、加壓熱效率高；碳轉(zhuǎn)化率高）③設(shè)備單位產(chǎn)氣能力高（加壓、設(shè)備單位容積產(chǎn)氣能力高）④環(huán)境效益好（富產(chǎn)物少，屬潔凈煤工藝）⑵Shell煤氣化工藝流程及氣化爐流程簡述：①煤粉制備和送料系統(tǒng)經(jīng)預(yù)破碎后進(jìn)入煤的干燥系統(tǒng)，使煤中的水分小于2%，然后進(jìn)入磨煤機(jī)中被制成煤粉，磨煤機(jī)是在常壓下運(yùn)行，制成粉后用N2氣送入煤粉倉中。然后進(jìn)入加壓鎖斗系統(tǒng)。再用高壓N2氣，以較高的固氣比將煤粉送至4個(gè)氣化爐噴嘴，煤粉在噴嘴里與氧氣(95%純度)混合并與蒸汽一起進(jìn)入氣化爐反應(yīng)。②氣化

由對(duì)稱布置的4個(gè)燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生氣化反應(yīng)，氣化壓力2~4MP，氣化爐溫度維持在1400～1700℃，這個(gè)溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底部，經(jīng)淬冷后，變成一種玻璃態(tài)的渣排出。③煤氣冷卻粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口，經(jīng)過一個(gè)過渡段，用除塵后的低溫粗煤氣(150℃左右)使高溫?zé)崦簹饧崩涞?00℃(在有一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的大部分熔融態(tài)灰渣凝固后落入氣化爐底部)然后進(jìn)入煤氣冷卻器（水管式廢熱鍋爐）被進(jìn)一步冷卻到250℃左右。經(jīng)除塵后部分煤氣加壓后循環(huán)用于出爐煤氣的激冷。

⑶氣化爐高壓容器外殼膜式水冷壁環(huán)形空間：向火側(cè)附著一層耐火材料（以渣抗渣）內(nèi)壁襯里設(shè)有水冷管副產(chǎn)部分蒸汽容納水、蒸汽輸入和出的管路、利于檢修內(nèi)筒和外筒筒上部為燃燒室（氣化區(qū)）下部為熔渣激冷室水冷壁結(jié)構(gòu)水冷壁是由:

液體熔渣、固體熔渣、膜式壁、碳化硅耐火填充料、加壓冷卻水管、抓釘組成的。水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖：連續(xù)運(yùn)行10年水冷壁內(nèi)側(cè)圖片連續(xù)運(yùn)行10年水冷壁外觀圖片Shell氣化爐以渣抗渣原理：

生產(chǎn)中，高溫熔融下的流態(tài)熔渣，順?biāo)浔谥亓Ψ较蛳铝?，?dāng)渣層較薄時(shí)，由于耐火襯里和金屬銷釘具有很好的熱傳導(dǎo)作用，渣外表層冷卻至灰熔點(diǎn)固化附著，當(dāng)渣層增厚到一定程度時(shí)，熱阻增大，傳熱減慢，外表渣層溫度升高到灰熔點(diǎn)以上時(shí)，熔渣流淌減?。划?dāng)渣層減薄到一定厚度時(shí)，熱阻減小，傳熱量增大，渣層溫度降低到灰熔點(diǎn)以下時(shí)熔渣聚積增厚，這樣不斷的進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡。下面是兩張結(jié)渣圖片供參考：shell氣化爐內(nèi)渣層對(duì)保護(hù)耐火層理和水冷壁管至關(guān)重要，以下一張照片是停車中溫降過快造成的垮渣，一張是爐內(nèi)溫度波動(dòng)（高溫）造成的渣層損壞。將容易燒蝕損壞原來被渣層保護(hù)的耐火襯里和金屬銷釘，當(dāng)保護(hù)層減薄到一定程度時(shí)，將失去對(duì)水冷壁的保護(hù)，傷害到本體，氣化爐反應(yīng)熱平衡也將失衡。⑷優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①氣化爐內(nèi)部采用膜式水冷壁，可承受較高的氣化溫度。對(duì)原料煤的灰熔點(diǎn)限制較少。②碳轉(zhuǎn)化率高，碳轉(zhuǎn)化率≥99%。③由于是干粉進(jìn)料，粗合成氣中有效氣（CO+H2）濃度高于90%，CO2含量低。④氣化效率高，原料煤及氧氣消耗低，原料利用率高。⑤單爐能力大、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長、無需備用爐。⑥多組對(duì)列式燒嘴配置，可以通過關(guān)閉一組或多組燒嘴來調(diào)整合成氣的產(chǎn)出量，操作彈性大。⑦合成氣比較清潔，高溫氣化的氣體中不含焦油、酚等有害物質(zhì)，便于合成氣的凈化處理。⑧環(huán)保上的優(yōu)點(diǎn)：正常生產(chǎn)時(shí)，基本無廢氣排放；由于絕大部分工藝水可以循環(huán)使用，排放廢水較少。在高溫下產(chǎn)生的熔渣性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境影響較小，還可以作建筑材料。⑨工藝技術(shù)先進(jìn)可靠，已在荷蘭Demkolec成功建設(shè)了一套單爐日處理煤量2000噸的氣化裝置，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。Shell工藝缺點(diǎn)是：①還沒有用于合成氣生產(chǎn)的工業(yè)應(yīng)用業(yè)績，即沒有與生產(chǎn)甲醇或合成氨裝置串聯(lián)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以借鑒；②入爐煤采用氣流輸送，限制了氣化壓力的進(jìn)一步提高，壓力限制在2～4MPa。③投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水煤漿氣化，大約是德士古水煤漿氣化的2倍左右。4.GSP粉煤氣化法

GSP粉煤加壓氣化技術(shù)，是德國未來能源開發(fā)的工藝技術(shù)，既有Texaco氣化工藝的特點(diǎn)，又有Shell氣化工藝的特點(diǎn)。氣化爐的操作壓力為2.5—4.0MP氣化溫度操1350℃—1600℃之間⑴GSP氣化爐結(jié)構(gòu)包括：水冷壁的氣化室和激冷室。

粗合成氣激冷工藝流程包括備煤、氣化及氣體除塵冷卻、黑水處理等。加壓干煤粉，氧氣及少量蒸汽通過聯(lián)合噴嘴進(jìn)入到氣化爐中。高溫氣體與液態(tài)渣一起離開氣化室向下流動(dòng)直接進(jìn)入激冷室，熱的合成氣被噴射的激冷水所冷卻。而液態(tài)渣在激冷室底部的水浴中成為顆粒狀，定期從渣鎖斗中排入渣池。

⑵

組合式噴嘴

組合式噴嘴由配有火焰檢測(cè)器的點(diǎn)火噴嘴和生產(chǎn)噴嘴所組成，故稱為組合式氣化噴嘴。受到高熱負(fù)荷的噴嘴部件由噴嘴循環(huán)冷卻系統(tǒng)來強(qiáng)制冷卻。噴嘴的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，高熱應(yīng)力的噴嘴頂端材質(zhì)為鎳合金。

噴嘴由中心向外的環(huán)隙依次為氧氣、氧氣/蒸汽、煤粉通道。

組合式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖組合式噴嘴外觀示意圖⑶

GSP粉煤加壓氣化的技術(shù)特點(diǎn)a、氣化爐內(nèi)部采用膜式水冷壁，可承受高達(dá)2000℃的氣化溫度。對(duì)原料煤的灰熔點(diǎn)限制較少，可以氣化高灰熔點(diǎn)的煤。b、由于是干粉進(jìn)料，粗合成氣中有效氣（CO+H2）濃度高，接近90%，CO2含量低。c、氣化效率高，原料煤及氧氣消耗低。碳轉(zhuǎn)化率≥99%，原料利用率高。d、采用激冷工藝流程，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，裝置投資少。e、采用水冷壁副產(chǎn)低壓蒸汽，通過監(jiān)控水冷壁的出水溫度，判斷爐壁的掛渣情況，有利用于氣化爐的穩(wěn)定操作及延長設(shè)備的壽命。f、組合式工藝燒嘴（點(diǎn)火及工藝燒嘴合一）及特殊的燒嘴結(jié)構(gòu)，保證了氣化較長的周期和較大的操作彈性。g、經(jīng)過冷激和洗滌，粗合成氣含塵量低，同時(shí)有較高的水汽比，變換無需外補(bǔ)蒸汽。這是GSP氣化爐照片，用于神華寧煤集團(tuán)煤基烯烴項(xiàng)目☆5.德士古（Texaco）氣化法水煤漿進(jìn)料，加壓氣化氣化原料：水煤漿氣化劑：氧氣1.基本原理和氣化爐型⑴基本原理以及氣化爐型水煤漿通過噴嘴在高速氧氣流作用下破碎、霧化噴入爐內(nèi)。①：基本原理ａ：裂解、揮發(fā)分燃燒水迅速變?yōu)樗魵?；煤粉發(fā)生干鎦及熱解；揮發(fā)份燃燒。

b:燃燒氣化:燃燒：C+O2→CO2+Q

氣化:C+H2O→CO+H2-Q；CO2+C→CO-Q;燃燒:O2+H2→H2O+Q;CO+O2→CO2+Q

;c:氣化（氧氣耗盡時(shí)）：C+H2O→CO+H2-Q；CO2+C→CO-Q;CO+H2→CH4+H2O+Q；最后生成以CO、H2、CO2、H2O為主要成分的濕煤氣及熔渣。②

:氣化爐直立圓筒形耐壓容器;內(nèi)襯耐火材料，近似絕熱；內(nèi)部無結(jié)構(gòu)件，維修簡單；運(yùn)行可靠。2.德士古氣化工藝⑴水煤漿制備和輸送濕法：干法制造水煤漿⑵氣化和廢熱回收①燒嘴雙套管式；三套管式：中心管：15%氧氣；外環(huán)系：85%氧氣；內(nèi)環(huán)系：水煤漿。德士古燒嘴其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。水煤漿氣化噴嘴經(jīng)常面臨噴口磨損問題，主要是由于水煤漿在較高線速下(約30m/s)對(duì)金屬材質(zhì)的沖刷腐蝕。中心管：１５％氧氣；外環(huán)系：８５％氧氣；內(nèi)環(huán)系：水煤漿。燒嘴要求：霧化性好，氣化反應(yīng)性好，壽命長等。②粗煤氣三種不同的冷卻方法（流程）a:直接淬冷（激冷流程）適用于制NH3和H2(因?yàn)檫@種流程易于和變換反應(yīng)器配套，激冷產(chǎn)生蒸氣可滿足變換的需要)激冷流程簡介：

氣化爐產(chǎn)生的高溫煤氣和液態(tài)熔渣一起，通過爐子底部的急冷室，與水直接接觸而冷卻；同時(shí)產(chǎn)生大量高壓蒸汽與煤氣一起離開氣化爐。b:間接冷卻（廢鍋流程）適用于生產(chǎn)工業(yè)燃料煤氣、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)饣蚝铣捎迷蠚狻?/p>

廢鍋流程簡介：氣化爐產(chǎn)生的高溫粗煤氣和液態(tài)熔渣進(jìn)入到氣化爐下部的輻射式廢鍋，由水冷壁管冷卻至700℃（水冷管內(nèi)副產(chǎn)高壓蒸汽），而熔渣粒固化分離落入到下面的淬冷水池，經(jīng)灰鎖斗排出。粗煤氣由輻射廢鍋導(dǎo)入對(duì)流廢鍋進(jìn)一步冷卻至300℃（廢鍋回收顯熱并副產(chǎn)蒸汽）。德士古工藝流程ｃ：間接冷卻－直接淬冷相結(jié)合（半廢鍋流程）半廢鍋流程簡介：氣化爐產(chǎn)生的高溫粗煤氣和液態(tài)熔渣先進(jìn)入輻射式廢鍋，冷卻至700℃（水冷管內(nèi)副產(chǎn)高壓蒸汽），熔渣粒固化與煤氣分離落入到下面的淬冷水池，經(jīng)灰鎖斗排出。然后粗煤氣用水噴淋淬冷至200℃左右。③煤氣冷卻以及三廢處理3.工藝條件⑴水煤漿濃度：要求：較高的濃度；較好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性；（水煤漿濃度高煤氣中有效成分增加，氣化效率高，氧氣耗量下降。）較高濃度：氣化效率高較好流動(dòng)性：易于泵送（可加助溶劑）較好的穩(wěn)定性：防止分層沉降適宜粒度分布：（粗粒多：粘度下降，流動(dòng)性好，但易分層；細(xì)粒多：穩(wěn)定性好，但粘度大，流動(dòng)性。）●褐煤不宜做制水煤漿的原料。⑵粉煤粒度：小顆粒的碳的轉(zhuǎn)化率高于大顆粒的。⑶氧煤比：合適的氧煤比。⑷氣化壓力：加壓下可以提高氣化效率；提高生產(chǎn)能力；節(jié)省煤氣的輸送動(dòng)力消耗。⑸氣化溫度：氣化溫度選擇的原則是：保證液態(tài)排渣的前提下，盡可能維持較低的操作溫度。⑹助溶劑：可降低灰熔點(diǎn)，可使氣化爐在較低溫度條件下運(yùn)行，降低氧氣耗量，提高耐火材料的使用壽命。4.德士古氣化工藝評(píng)價(jià)⑴優(yōu)點(diǎn)：①:氣化爐結(jié)構(gòu)簡單。

該技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備氣化爐屬于加壓氣流床濕法加料液態(tài)排渣設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，無機(jī)械傳動(dòng)裝置。②:開停車方便。③:煤種適應(yīng)較廣?？梢岳梅勖?、煙煤、次煙煤、石油焦、煤加氫液化殘?jiān)?。不受灰熔點(diǎn)等限制。④:合成氣質(zhì)量好。

CO+H2≥80%且H2與CO量之比約為0.77，可以對(duì)CO進(jìn)行變換以調(diào)整其比例用來作合成氨、甲醇等，且后系統(tǒng)氣體的凈化處理方便。⑤:碳轉(zhuǎn)化率高。

該工藝的碳轉(zhuǎn)化率在97%