煤炭气化工艺学-第三章-煤炭性质对气化的影响

2019/8/14《煤炭气化工艺》第三章煤炭性质对气化的影响第二节煤质对气化的影响第一节煤种对气化的影响2019/8/14《煤炭气化工艺》掌握煤质、煤种对气化的影响熟悉气化用煤的分类、煤的性质了解我国煤炭分布情况及煤质情况知识目标2019/8/14《煤炭气化工艺》能用一种我国的煤炭来分析气化过程会判断实际用煤作为气化原料的优劣会解释一些实际操作故障的原因、会解释煤与石油的不同成因能力目标2019/8/14《煤炭气化工艺》泥炭化阶段：植物残骸分解成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥中含有大量的腐蚀酸。煤化阶段成煤过程成岩作用变质作用：在地热和压力的作用下，泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在组成上也发生了显著的变化，碳含量相对增加，腐殖酸含量减少，氧含量也减少。是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程，在这个过程中煤的性质发生变化。烟煤比褐煤碳含量增高，氧含量减少，腐殖酸在烟煤中已经不存在了。2019/8/14《煤炭气化工艺》陆地上的动植物由于地壳的变化被其它东西覆盖了，被埋在地下的动植物慢慢地腐烂着由于受到的温度和压力不同,有的变成了煤,有的变成了石油。2019/8/14《煤炭气化工艺》在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化......当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同。2019/8/14《煤炭气化工艺》关于石油的形成过程，至今还很难说清楚，因为在石油里还没有发现像化石等能证明其成因的有力证据。有一种学说认为，石油是古代海里微小动物和植物的遗体沉陷于海底，在隔绝空气的环境中，在热和高压条件下，经过微生物作用发生一系列复杂变化，而形成的粘稠状液体。经过地壳运动，石油被挤压在无孔岩层间或多孔岩层内。石油通常是黑色或深棕色、有的还有绿或蓝色荧光并有特殊气味的粘稠状液体。它不溶于水，密度比水稍小，没有固定的沸点和熔点。它主要含有由碳和氢两种元素组成的数百种有机化合物形成的混合物。2019/8/14《煤炭气化工艺》3-1煤种对气化的影响气化用煤第一类第二类第三类第四类气化时不黏结也不产生焦油气化时黏结并产生焦油气化时不黏结但产生焦油气化时不黏结，能产生大量的甲烷无烟煤、焦炭、半焦和贫煤弱黏结或不黏结烟煤褐煤泥炭一、气化用煤的分类特性代表原料2019/8/14《煤炭气化工艺》3-1煤种对气化的影响气化用煤分类的好处对控制实际的生产过程有利.能够通过变化煤种来获得优质经济的煤气（我国气化的装置多是用运输到现场的煤生产合成气或燃料气）2019/8/14《煤炭气化工艺》无烟煤、焦炭、半焦和贫煤这类原料气化时不黏结，不会产生焦油，所生产的煤气中只含有少量的甲烷，不饱和碳氢化合物极少，但煤气热值较低。其中的无烟煤和贫煤都属于变质程度非常高的煤种加热时不产生胶质体。无烟煤在中国的储量约占总储量的18％。无烟煤一号(年老无烟煤)产地主要有北京门头淘、福建龙岩和广东梅县，无烟煤二号(中等无烟煤)主要产在山西晋城和河南焦作，无烟煤三号(年轻无烟煤)主要产地在山西阳泉和宁夏汝箕淘。烟煤这种煤炭气化时黏结，并且产生焦油，煤气中的不饱和烃、碳氢化合物较多，煤气净化系统较复杂，煤气的热值较高。烟煤属于中等变质程度的煤种，在中国的煤炭分中，烟煤分为长焰煤、气煤、气肥煤、肥煤、1／3焦煤、焦煤、1／2中黏煤、弱黏煤、黏煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤十二个类别，其中，贫煤无黏结性归第一类，长焰煤、不煤和弱黏煤在一定条件下可作为气化用煤。中国的烟煤主要分布在北方各省，华北地区储量约占全国总储量的60％以上。褐煤气化时不黏结但产生焦油。褐煤是变质程度较低的煤，加热时不产生胶质体，含有高的内在水分和数量不等的腐殖酸，挥发分高，加热时不软化，不熔融。中国褐煤的储约占总储量的10%，主要的褐煤产地有内蒙的平庄、札赉诺尔和大雁、吉林的舒兰、南的小龙潭和广西的百色。泥炭煤泥炭煤中含有大量的腐殖酸，挥发分产率近70%左右。气化时不黏结，但产生焦和脂肪酸，所生产的煤气中含有大量的甲烷和不饱和碳氢化合物。二、气化用煤的主要特性2019/8/14《煤炭气化工艺》对煤气的组分和产率的影响对发热值和组成的影响对煤气产率的影响三、不同煤种对气化的影响煤气的发热值是指标准状态下1m3煤气在完全燃烧时所放出热量高发热值：如果燃烧产物中的水分以液态形式存在称高发热值低发热值：如果水以气态形式存在称低发热值在各种相同的操作条件下，不同的煤种所产煤气的发热值不同，组成也不同。例如，以年轻的褐煤为气化原料时，所制得的煤气甲烷含量高，发热值比其他煤种都高。这是由于褐煤的挥发分高、变质程度低，煤气中的干馏气比例大，而干馏气中的甲烷含量高，同时年轻煤的气化温度低也有利于甲烷的生成。压力增大，同一煤种制取的煤气的发热值越高，同一操作压力下，煤气发热值由高到低的顺序依次是褐煤、气煤、无烟煤。这是由于随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低.一般来说，煤中挥发分越高，转变为焦油的有机物就越多，煤气的产率下降。此外，随着煤中挥发分的增加，粗煤气中的二氧化碳是增加的，这样在脱除二氧化碳后的净煤气产率下降得更快2019/8/14《煤炭气化工艺》三、不同煤种对气化的影响对消耗指标的影响为何有消耗指标不同煤种消耗指标的规律有此规律的原因煤炭气化过程主要是煤中的碳和水蒸气反应生成氢，这一反应需要吸收大量的热量，该热量是通过炉内的碳和氧气燃烧以后放出的热量来维持。不同煤种，其变质程度不同，随着变质程度的加深，从泥炭、褐煤、烟煤到无烟煤，煤中碳的质量分数从55％～62％增至88.98％，在气化时所消耗的水蒸气，氧气等气化剂的数量也相应增大1）固定碳含量低、挥发分低的煤种，气化时进去气化段的碳量多，则氧和水蒸汽消耗多2）不同煤种的活性不同，高活性的煤有利于甲烷的生成，相应消耗的氧气步一些；3）煤中水分、灰分含量越高，气化时消耗的热量越多，则氧耗也高2019/8/14《煤炭气化工艺》焦油组成和产率的影响三、不同煤种对气化的影响焦油产率与煤种性质有关：一般地说，变质程度较深的气煤和长焰煤比变质程度浅的褐煤焦油产率大，而变质程度更深的烟煤和无烟煤．其焦油产率却更低。2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响水分对气化的影响灰分对气化的影响挥发分对气化的影响硫分对气化的影响粒度对气化的影响灰熔点及结渣性对气化的影响其他性质对气化的影响2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响煤中水分存在形式外在水分内在水分结晶水是在煤的开采、运输、储存和洗选过程中润湿在煤的外表面以及大毛细孔而形成的吸附或凝聚在煤内部较小的毛细孔中的水分，失去内在水分的煤为绝对干燥煤。以硫酸钙、高岭土等形式存在的，通常大于200℃以上才能析出。一、水分含量对气化的影响2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响一、水分含量对气化的影响常压气化气化效率：是指制得的煤气的热值与所使用的燃料的热值之比。煤中的水分含量加压气化：能提供较高的干燥层，允许进炉煤的水分含量高。2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响一、水分含量对气化的影响炉型固定床：煤气中水分含量太高，入炉煤需要进行预干燥以降低煤气的露点温度。另一方面．煤中水分含量太高而加热的速度又太快时，煤中水分逸出太快，容易使煤块碎裂而引起出炉堞气的含尘量增高。同时由于煤气中水含量增高时，在后续工段的煤气冷却过程中．会产生大量的废液，增加废水处理量。一般生产中，煤中水分含量在8％～l0％左右。流化床和气流床：固体颗粒粉碎的粒度很小，过高的含水量会降低颗粒的流动性．因而规定煤的含水量小于5％。尤其对烟煤的气流床气化法，采用于法加料时，要求原料煤的水分含量应小于2％。2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响二、灰分含量对气化的影响灰分含量对气化的影响煤中灰分高，不仅增加了运输的费用，而且对气化过程有许多不利的影响气化时由于少量碳的表面被灰分覆盖，气化剂和碳表面的接触面积减少，降低了气化效率灰分的大量增加，不可避免地增加了炉渣的排出量，随炉渣排出的碳损耗量也必然增加。随着煤中灰分的增加，气化的各项消耗指标均增加，如氧气的消耗指标、水蒸气的消耗指标和煤的消耗指标都有所上升，而净煤气的产率下降2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响二、灰分含量对气化的影响加压气化煤种灰分的要求：气化炉对灰分的要求加压气化用煤灰分可高达55％左右而不至于影响生产的正常进行。原因：1）加压操作时，气化剂的浓度高，扩散能力强，能够透过煤灰表面与碳进行较为完全的反应。2）进入炉中的气化剂的速度也比常压气化小，在炉内停留时间长，有较长的时间和煤反应。从加压气化炉排出的灰渣中碳含量在5％左右，常压气化炉在15％左右，对于液态排渣的气化炉，常在2％以下.2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响三、挥发分对气化的影响挥发分产率挥发分是指煤在加热时．有机质部分裂解、聚合、缩聚，低分子部分呈气态逸出，水分也随着蒸发，矿物质中的碳酸盐分解，逸出二氧化碳等。除去水分的部分即为挥发分产率挥发分的组成挥发分中有干馏时放出的煤气、焦油、油类。干馏煤气中含有氢、一氧化碳、二氧化碳和轻质烃类挥发分产率与煤的变质关系作用随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低煤的挥发分作为煤利用价值和煤分类的重要指标，也是煤转化与燃烧可以利用的部分，它与煤的性质存在一定的关系。一般地，年轻煤的挥发分产率高，年老煤的低。2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响四、硫分对气化的影响硫分对气化的影响1、煤在气化时，其中80％～85％的硫以H2S和CS2的形式进入煤气当中。2、如果制得的煤气用于燃料时，比如用做城市民用煤气，其疏含量要达到国家标准，否则燃烧后大量的S02会排人大气，污染环境3、用做合成原料气时，硫化物的存在会使得合成催化剂中毒，煤气中硫化物的含量越高，后面工段脱硫的负担会超重。。结论：气化用燃料中硫含量应是越低越好2019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响五、粒度对气化的影响粒度与比表面间的关系：煤的粒径越小，其比表面积越大。煤有许多内孔，所以比表面积与煤的气孔率有关。见表3-3表3-3几种煤的比表面积燃料粒度／mm总表面积／cm2体积／cm3比表面积／(cm2／cm3)泥煤煤砖砖球120×60×3020234056.32164.1810.813.5褐煤1528.81.7816.4气煤1213.50.90414.8黏结性煤107.50.52414.3碎焦61.480.11313.2无烟煤40.510.04212.12019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响粒度的大小对各项气化指标的影响煤粒度的大小以及粒度的分布对煤炭气化过程的各项指标有重要的影响如表3-4。表3-4褐煤不同粒径的气化实验结果五、粒度对气化的影响项目1234煤粒度/mm0～403～406～4010～400～6mm的煤颗粒（质量分数）%28.4——3.0灰分含量（质量分数）%32.4128.8023.6221.46水蒸气消耗/[kg/（m3粗煤气）]1.261.050.970.94氧气消耗/[m3/（m3粗煤气）]0.1590.140.1360.128煤消耗/[kg/（m3粗煤气）]1.231.0220.970.932019/8/14《煤炭气化工艺》3-2煤质对气化的影响五、粒度对气化的影响气化炉内某一粒径的颗粒被带出气化炉的条件是：气化炉内上部空间气体的实际气流速度大于颗粒的沉降速度。气化炉上部空间的气流速度用下式计算：为了控制煤的带出量，气化炉实际生产能力有一个上限，对加压气化而言，粉煤带出量不应超过入炉煤总量的1%，为限制2mm的煤粒不被带出，炉内上部空间煤气的实