煤化工基础之一气化技术

煤化工基础之煤气化技术及设备宁夏大学化学化工学院张晓光能源有限据世界能源会议统计，世界已探明可采煤炭储量共计15980亿吨，预计还可开采200年。探明可采石油储量共计1211亿吨，预计还可开采30～40年。探明可采天然气储量共计119万亿立方米，预计还可开采60年。012345678910中国日本美国欧盟我国能源消费总量位居世界第二，约占世界能源消费总量的11％。每吨标准煤的产出效率洁净煤技术煤的洗选型煤水煤浆循环流化床发电加压流化床发电联合循环发电（IGCC）/整体煤气化发电煤炭气化、液化技术烟气净化煤气化的技术地位煤气化是煤基过程工业的共性技术、龙头技术、关键技术煤煤气化合成气CO+H2IGCC发电化肥、甲醇等煤基液体燃料制氢直接还原炼铁工业/民用燃气新型煤化工的龙头——煤气化技术，如今得到国家相关部门的大力支持。“863”计划、“973”计划及国家发改委专项等对各种煤气化技术，特别是对粉煤气化技术给予了强力支持。在新型煤气化技术领域，最近才发展起来的粉煤气化技术正显示出强大的生命力。目前国外已有多种煤气化技术开发成功，但我国的先进煤气化技术以及相应的煤气高温净化技术都还处于开发阶段，与世界先进技术相比差距甚远。在湿粉气化技术即水煤浆气化技术方面，国外有GE水煤浆气化技术，国内有华东理工大学与兖矿集团有限公司共同完成的多喷嘴对置式水煤浆气化技术，以及清华大学、北京达立科科技有限公司和山西丰喜肥业集团共同完成的非熔渣-熔渣分级气化技术；在干粉气化技术方面，国外有壳牌的干粉气化技术和GSP技术，国内有华东理工大学与兖矿集团有限公司正在建设和开发的四喷嘴干粉气化技术、西安热工研究院的两段干粉气化技术、航天炉技术等。主要内容1.煤气化的基本原理12.煤气化主要过程23.煤气化炉的分类及特点34.粉煤气化技术45.工业上常用炉型的比较5世界煤炭气化技术的发展趋势①增大气化炉规模，提高单炉制气能力。②提高气化炉的操作压力，降低压缩动力消耗，减少设备尺寸，降低氧耗，提高碳的转化率。③气流床和流化床技术日益发展，扩大了气化煤种的范围。④提高气化过程的环保技术，尽量减少环境污染。⑤将煤炭气化过程和发电联合起来的生产技术越来越受到各国的重视并巳建成不同规模的生产厂。1.煤气化的基本原理煤气化技术进展煤气化技术，尤其是高压、大容量气流床气化技术在国际上已经进入商业化阶段，显示了良好的经济与社会效益，代表着发展趋势。以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸气为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，可以生产出不同组分不同热值的煤气。气化压力由常压向中高压（8.5MPa）发展；气化温度向高温（1500～1600℃）发展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。固定床、流化床、气流床等几种不同类型的煤气化技术均取得了较大的进展和较好的效果。空气煤气混合煤气水煤气半水煤气以空气作为气化剂生产的煤气。以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气。将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替送入气化炉内间歇进行生产的煤气。气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的符合合成氨原料气的要求的煤气。煤气的种类煤的气化是指利用煤或半焦与气化剂进行多相反应产生碳的氧化物、氢、甲烷的过程，主要是固体燃料中的碳与气相中的氧、水蒸气、二氧化碳、氢之间相互作用。也可以说，煤炭气化过程是将煤中无用固体脱除，转化为可作为工业燃料、城市燃气和化工原料气的过程。煤的气化原理在气化炉内，物质基本上以两种相态存在，一是气相即空气、氧气、水蒸气(称为气化剂)和气化时形成的煤气，另外是固相即燃料和燃料气化后形成的固体如灰渣等。工业上把这种反应称气固相反应。气固相反应均相反应与非均相反应均相反应：气相中的反应。如CO与H2O的反应等。非均相反应：气固相的反应。如碳的燃烧反应、水蒸气与炽热的碳之间的反应等。控制步骤：①气化剂向燃料颗粒表面的外扩散过程；②气化剂被燃料颗粒的表面吸附；③吸附的气化剂和燃料颗粒表面上的碳进行表面化学反应；④生成的产物分子从颗粒表面脱附下来；⑤产物分子从颗粒的表面通过气膜扩散到气流主体。如：C+H2O→CO+H2平衡常数Kp如下：Kp=(PCO*PH2)/PH2O定义：正逆反应速度相等时，化学反应就达到动态平衡。例如对如下吸热反应C+O2→CO2－Q影响因素2：P，对反应后体积增加(即分子数增加)的反应，随着压力的增加，产物的平衡含量是减少的；反之，对于体积减少的反应加压有利于产物的生成。影响因素1：T，吸热反应，提高温度有利于化学反应向生成产物的方向进行；放热反应，则降低温度有利于向生成产物的方向进行。化学平衡随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少；同时，加压可阻止气化时上升气体中所带出物料的量，有效提高鼓风速度，增大其生产能力。但是，增加压力，反应C+H2O=H2+CO平衡左移，不利于水蒸气分解，水蒸气消耗量增多。在200℃以下在200-500℃着火点燃烧煤的干燥煤的热解煤的反应2.煤气化的主要过程气化的几个重要过程煤的干燥煤的干燥过程，实质上是水分从微孔中蒸发的过程。煤的干燥过程：理论上应在接近水的沸点下进行，但实际生产中，和具体的气化工艺过程及其操作条件又有很大的关系。一般地，增加气体流速，提高气体温度都可以增加干燥速度。煤中水分含量低、干燥温度高、气流速度大，则干燥时间短；反之，煤的干燥时间就长。从能量消耗的角度来看，以机械形式和煤结合的外在水分，在蒸发时需要消耗的能量相对较少；而以吸附方式存在于煤微孔内的内在水分，蒸发时消耗的能量相对较多。煤干燥过程的主要产物是水蒸气．以及被煤吸附的少量的一氧化碳和二氧化碳等。煤的热解就移动床来说，基本接近于低温干馏（500-600℃)。从还原层上来的气体基本不含氧气，而且温度较高，可以视为隔绝空气加热即干馏。而对于沸腾床和气流床气化工艺，由于不存在移动床的分层问题，因而情况稍微复杂，尤其对于气流床来讲，煤的几个主要变化过程几乎是瞬间同时进行。煤的加热分解除了和煤的品位有关系，还与煤的颗粒粒径、加热速度、分解温度、压力（压力对热解有重要影响，随压力的升高，液体碳氢化合物相对减少，而气体碳氢化合物相对增加）和周围气体介质有关系。煤的热解煤的热解结果生成三类分子：小分子（气体）、中等分子（焦油）、大分子（半焦）。就单纯热解作用的气态而言，煤气热值随煤中挥发分的增加而增加；随煤的变质程度的加深氢气含量增加而烃类和二氧化碳含量减少。煤中的氧含量增加时，煤气中二氧化碳和水含量增加。煤气的平均分子量随热解的温度升高而下降，即随温度的升高大分子变小，煤气数量增加。煤的反应煤炭气化过程的两类主要反应：燃烧反应和还原反应（包括碳和二氧化碳的反应，以及水蒸气和碳之间的反应是制气的主要反应）。煤的燃烧反应，通过燃烧一部分燃料来维持气化工艺过程中的热量平衡。不论采用哪一种具体的气化工艺，产生的热量基本上都消耗在如下几个方面：灰渣带出的热量、水蒸气和碳的还原反应需要的热量、煤气带走的热量以及传给水夹套和周围环境的热量。煤炭气化过程的主要评价指标主要评价指标气化强度蒸汽消耗量、蒸汽分解率气化效率热效率单炉生产能力气化强度：即单位时间、单位气化炉截面积上处理的原料煤质量或产生的煤气量。气化强度的两种表示方法如下：气化强度越大，炉子的生产能力越大。气化强度与煤的性质、气化剂供给量、气化炉炉型结构及气化操作条件有关。单位时间、单位炉截积产生煤气量单位时间、单位炉截积消耗原料量21qq气化炉单台生产能力：指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量。计算公式如下：式中V——单炉生产能力，m3／h；D——气化炉内径，m；Vg——煤气产率，m3／(kg煤)：q1——气化强度，kg／(m2·h)。煤气产率：指每千克燃料（煤或焦炭）在气化后转化为煤气的体积。煤气单耗：为每生产单位体积的煤气需要消耗的燃料质量，以kg／m3计。gVDqV214气化效率：指所制得的煤气热值和所使用的燃料热值之比。煤炭气化过程实质是燃料形态的转变过程，即从固态的煤通过一定的工艺方法转化为气态的煤气。伴随着能量的转化和转移。计算公式如下：式中η——气化效率，％；Q`——lkg煤所制得煤气的热值，kJ/kg；Q——1kg煤所提供的热值．kJ/kg。%100'QQ热效率：是评价整个煤炭气化过程常用的经济技术指标。气化效率偏重于评价能量的转移程度，即煤中的能量有多少转移到煤气中；而热效率则侧重于反映能量的利用程度。热效率计算公式如下：式中η——热效率，％；Q煤气——煤气的热值，MJ；∑Q入——进入气化炉的总热量，MJ：∑Q热损失——气化过程的各项热损失之和，MJ。热损失煤气入入热损失入QQQQQ'Q水蒸汽的消耗量：指气化1kg煤所消耗蒸汽的量．蒸汽分解率：指被分解掉的蒸汽与入炉水蒸汽总量之比。水蒸汽消耗量和水蒸汽分解率是煤炭气化过程经济性的重要指标．它关系到气化炉是否能正常运行，是否能够将煤最大限度地转化为煤气。蒸汽分解率高，得到的煤气质量好，粗煤气中水蒸汽含量低；反之，煤气质量差，粗煤气中水蒸汽含量高。3.煤气化炉的分类及特性1、气化炉：进行煤炭气化的设备叫气化炉。2、气化炉分类按照燃料在气化炉内的运动状况移动床(又叫固定床)沸腾床(又叫流化床)气流床熔融床生产操作压力常压气化炉加压气化炉排渣方式固态排渣气化炉液态排渣气化炉气化炉的组成1要考虑煤入炉后的分布和加煤时的密封问题。2①是煤炭气化的主要反应场所，首要问题是在低消耗的情况，使煤最大限度地转化为符合用户要求的优质煤气。②由于煤炭气化过程是在非常高的温度下进行的，为保护炉体需加设内璧衬里或加设水套。3保证了炉内料层高度的稳定，同时也保证了气化过程连续稳定地进行.加煤系统气化反应部分排灰系统气化炉类型气化剂以较小的速度通过床层时．气体经过固体颗粒堆积时所形成的空隙，床内固体颗粒静止不动，这时的床层一般称固定床。对气化炉而言，由于气化过程是连续进行的，燃料连续从气化炉的上部加人、形成的灰渣从底部连续的排出，所以燃料是以缓慢的速度向下移动，故也称为移动床。当气流速度继续增大，颗粒之间的空隙开始增大，床层膨胀，高度增加，床层上部的颗粒被气流托起，流体流速增加到一定限度时，颗粒被全部托起，颗粒运动剧烈，但仍然逗留在床层内而不被流体带出，床层的这种状态叫固体流态化，即固体颗粒具有了流体的特性，这时的床层称流化床。在流化床阶段，如果流速进一步增大，将会有部分粒度较小的颗粒被带出流化床，这时的床层相当于一个气流输送设备，因而被称为气流床。三种床层中的压降和传热•固定床的压力降主要是由于流体和固体颗粒之间的摩擦，以及流体流过床层时，流道的突然增大和收缩而引起的，随流速的增大而成比例地增大，经过一个极大值后．床层进入流态化阶段。•流化床：在流态化阶段，床层的压降保持不变，基本等于床层的重量，把这个极大值称临界流化速度。•气流床：进入气流床时，由于大量颗粒被带出床外，床层压降急剧下降。3.1移动床气化炉移动床分类：移动床按气化压力来分类，可以分为常压移动床和加压移动床；按排渣性质可以分为固态排渣移动床和液态排渣移动床；按气化剂性质分为空气煤气、水煤气、混合煤气、富氧蒸汽移动床等。.U·G·I型水煤气发生炉（常压、间歇）.U·G·I型水煤气发生炉水煤气发生炉和混合煤气发生炉的构造基本相同，一般用于制造水煤气或作为合成氨原料气的加氮半水煤气，代表性的炉型当推U·G·I型水煤气发生炉。水煤气生产原料用焦炭或无烟煤，燃料从炉顶加入，气化剂从炉底加入，灰渣主要从炉子的两侧进入灰瓶，少量细灰由炉箅缝隙漏下进入炉底中心的灰瓶内。间歇法制造半水煤气时，在维持煤气炉温度、料层高度和气体成分的前提下，采用高炉温、高风量、高炭层、短循环(称三高一短)的操作方法，有利于气化效率和气化强度的提高。加压气化生产工艺加压气化的由来：常压固定床气化炉生产的煤气热值较低，煤气中一氧化碳的含量较高，气化强度和生产能力有限。后来人们进行了加压气化技术的研究，并在1939年由德国的鲁奇公司