现代没化工生产技术第二章煤气化技术上

第二章煤气化技术(上）现代煤化工生产技术煤气化的基本原理2Shell煤气化工艺3煤气化概述1第二章煤气化技术德士古水煤浆气化技术4鲁奇加压气化5其它气化技术简介6第一节煤气化概述12煤气的种类及成分煤气化技术的分类34煤气化技术的发展状况煤气化技术的发展状况5煤气化技术发展的方向一、煤气的种类及成分(1)空气煤气(2)水煤气(3)混合煤气(4)半水煤气(5)焦炉煤气一、煤气的种类及成分根据煤气热值的高低可将各类煤气划分为如下三类。(1)低热值煤气(2)中热值煤气(3)高热值煤气表2-1煤气的成分及热值煤气名称气化剂煤气组成/%热值/（KJ／m3）H2COCO2N2CH4O2空气煤气空气2.61014.7720.50.23762～4598水煤气H2O（g）和O248.438.566.40.50.210032～11286混合煤气H2O（g）、O2和空气13.527.55.552.80.50.25016～5225半水煤气和空气4030.7814.60.50.28778～9614焦炉煤气-29.712.729.10.522.70.214450～15930合成天然气H2O（g）、O2和H21.50.0211960.233440～37620二、煤气化技术的分类1．固定床气化2．流化床气化3．气流床气化4．熔融床气化三、煤气化技术的发展状况1．固定床气化（1）固定床间歇式气化（2）鲁奇加压连续气化2．流化床气化（1）循环流化床气化（2）灰熔聚流化床粉煤气化技术三、煤气化技术的发展状况3．气流床气化（1）德士古（Texaco）气化炉（2）Destec（GlobalE-Gas）气化炉（3）Shell气化炉（4）GSP气化炉四、我国的煤气化技术现状煤气化技术在中国有近百年的历史，但仍然处于较落后的状况。在全国的近万台各种类型的气化炉中，多数为固定床间歇气化炉。由于此工艺环保设施不健全、煤炭利用效率低、污染严重严重影响了经济、能源和环境的协调发展。五、煤气化技术发展的方向1．技术先进2．煤种适应广泛3．生产能力大4．加压气化5．煤能源的综合利用6．清洁生产第二节煤气化的基本原理12煤的干馏气化过程中的气化反应3煤气化过程常用评价指标一、煤的干馏1．煤热解过程的物理形态变化（1）第一阶段（从室温到350℃）（2）第二阶段（350～550℃）（3）第三阶段（超过550℃）一、煤的干馏2．煤干馏过程的化学反应（1）裂解反应①桥键断裂生成自由基。②脂肪侧链的裂解。③含氧官能团的裂解。④低分子化合物的裂解。24232COCOCHHNHHS加热煤煤气（，，，，，）＋焦油（液体）＋焦炭一、煤的干馏（2）二次热分解反应①裂解反应；②芳构化反应；③加氢反应；④缩合反应。一、煤的干馏3．影响干馏过程的因素（1）原料煤种对煤干馏的影响表2-2不同煤种的热解起始温度煤种热解起始温度/℃煤种热解起始温度/℃泥煤190～200烟煤300～390褐煤230～260无烟煤390～400一、煤的干馏表2-3不同煤种干馏至500℃时的产品平均分布煤种焦油/（L/t）轻油/（L/t）水/（L/t）煤气（m3/t）烛煤（一种腐泥煤）308.721.415.556.5次烟煤A86.17.1--次烟煤B64.75.511770.5高挥发分烟煤A130.09.725.261.5高挥发分烟煤B127.09.246.665.5高挥发分烟煤C113.08.066.856.2中挥发分烟煤79.47.117.260.5低挥发分烟煤36.14.213.454.9一、煤的干馏（2）加热条件对煤干馏的影响①慢速加热，加热速率＜5K/s；②速加热，加热速率5～100K/s；③快速加热，加热速率100～106K/s；④闪蒸加热，加热速率＞106K/s。二、气化过程中的气化反应（一）气化反应的化学平衡1．碳与氧的反应以空气或氧为气化剂时，碳与氧气之间的化学反应有：（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）二、气化过程中的气化反应反应（2-3）是一个可逆反应，也是一个强的吸热反应，其反应的平衡常数表达式为：（2-5）对二氧化碳还原反应平衡常数的研究很多。布杜阿尔（O·Boudouard）的研究结果认为平衡常数可用下式计算：（2-6）22COpCOpKp21000ln21.4pKT二、气化过程中的气化反应表2-4C＋CO2＝2CO平衡混合物的组成温度/℃实验数据计算数据CO/V%CO2/V%CO/V%CO2/V%4450.699.4--55010.789.311.089.065039.860.239.061.080093.07.090.010.092596.04.097.03.0二、气化过程中的气化反应李特（T.F.Lheed）和飞勒（R.V.Wheeler）也对CO2的还原反应进行了研究，认为平衡常数与温度的关系可用下式表示：（2-5）2p8947.7lgK=2.4675lgT0.0010824T0.000000116T2.772T－＋－＋＋二、气化过程中的气化反应表2-5二氧化碳还原反应的平衡组成和平衡常数温度/℃CO/%CO2/%Kp温度/℃CO/%CO2/%Kp80086.2013.805.38100099.410.59167.5085093.776.2314.11105099.630.37268.3090097.882.1243.04110099.850.15664.7095098.681.3273.77120099.940.061665.00二、气化过程中的气化反应二、气化过程中的气化反应2．碳与蒸汽的反应在一定温度下，碳与水蒸气之间发生的反应如下：（2-8）（2-9）反应生成的一氧化碳可进一步和水蒸气发生如下反应：（2-10）二、气化过程中的气化反应该反应称为一氧化碳变换反应，为一放热反应。（1）水蒸气的分解反应（2-11）（2-12）上述两反应的平衡常数，分别可用下述公式计算：（2-13）（2-14）（2）变换反应出气化炉的煤气组成受变换反应的制约。221COHpHOppKp222122HCOpHOppKp216740.5lgKp=1.5561lgT0.0001092T0.000000371T2.554T－＋－－＋224533.3lgKp=0.6446lgT+0.0003646T+0.0000001858T+2.336T－＋二、气化过程中的气化反应3、甲烷生成反应（2-15)（2-16)（2-17)（2-18)（2-19)（1）碳的加氢反应（2）甲烷化反应二、气化过程中的气化反应表2-6碳加氢生成甲烷的平衡常数T/KKpT/KKp298.167.902×1088001.41074007.218×10510000.09835002.668×10315000.002566001.000×102表2-7CO＋3H2CH4＋H2O(g)的平衡常数T/KKpT/KKp298.167.870×10248003.206×1014004.083×101510003.758×10－25001.145×101015004.207×10－66001.977×106二、气化过程中的气化反应表2-8CO2＋4H2CH4＋2H2O(g)的平衡常数表2-92C＋2H2O(g)CH4＋CO2的平衡常数T/KKpT/KKp298.168.578×1058005.2464009.481×10410002.727×10－25009.333×10315003.712×10－86008.291×102T/KKpT/KKp298.167.850×10－48002.5060×10－14003.580×10－210003.5450×10－15008.170×10－215005.8190×10－16001.3670×10－1二、气化过程中的气化反应4．煤中其他元素与气化剂的反应二、气化过程中的气化反应（二）气化反应的反应速率1．气固相反应的历程二、气化过程中的气化反应2．碳的氧化反应（1）碳与氧气间的反应（2）CO2的还原反应二、气化过程中的气化反应3．水蒸气与碳的反应（1）水蒸气在碳表面的分解反应（2）一氧化碳变换反应4．氢气与碳生成甲烷的反应（1）反应机理（2）反应速率方程式二、气化过程中的气化反应5．气化生产过程的强化措施在煤气化的基础理论的研究上，虽然还有一些不清楚的问题，但已对生产过程的强化指明了一定的方向。三、煤气化过程常用评价指标1．冷煤气效率2．气化效率3．炭转化率4．有效气体产率第三节Shell煤气化工艺12Shell煤气化基本原理Shell煤气化的主要工艺指标34工艺流程主要设备5壳牌煤气化的操作控制一、Shell煤气化基本原理1．化学平衡第一步：煤的裂解及挥发分燃烧。第二步：煤焦的燃烧及气化。第三步：煤焦及产物的气化。一、Shell煤气化基本原理气化炉中发生的主要反应可分为：一、Shell煤气化基本原理我们选对煤气成分影响最大的如下4个反应作独立反应，即一、Shell煤气化基本原理在这四个反应中，完全氧化反应（2-2）为不可逆反应，不受反应条件的影响，而CO2还原反应（2-3）、非均相水煤气反应（2-9）和加氢反应（2-15）在不同的反应条件下所得到的产物不同。图2-6反应（2-3）的化学平衡一、Shell煤气化基本原理图2-7反应（2-9）的化学平衡一、Shell煤气化基本原理图2-8反应（2-15）的化学平衡一、Shell煤气化基本原理2．反应速率（1）碳与氧之间的完全氧化反应（2）CO2的还原反应（3）碳与水蒸汽之间的反应（4）生成甲烷的反应二、Shell煤气化的主要工艺指标1．氧煤比2．H2O/O23．气化温度4．气化压力5．对煤种的要求二、Shell煤气化的主要工艺指标图2-9氧煤比对气化过程的影响二、Shell煤气化的主要工艺指标表2-10气化压力对粉煤气化性能的影响二、Shell煤气化的主要工艺指标表2-11Shell煤气化炉对入炉煤的质量要求项目水分（W%）灰分（W%）硫含量（W%）灰熔点（FT，℃）粒度(mm)褐煤其它煤种要求6-101-6＜20＜2＜1350＜说明保证煤不结团超过时应加助溶剂90%以上三、工艺流程表2-12设备名称和编号对应表编号设备名称编号设备名称编号设备名称1原煤仓29热水缓冲罐56过滤器2称重给煤机30热水过滤器57洗涤塔3磨煤机31煤加料器58飞灰收集罐4旋风分离器32三通阀59飞灰放料罐5煤粉袋式过滤器33气化室60放料罐过滤器6煤粉螺旋输送机34激冷管61飞灰气提/冷却罐7煤粉旋转给料机35传输管道62气提罐过滤器8热风炉36返回室63中间储罐9助燃风机37合成气冷却器64飞灰充气仓10循环风机38膜式水冷壁换热器65飞灰储仓11密封风机39汽包66文丘里洗涤器三、工艺流程续上表编号设备名称编号设备名称编号设备名称12原煤仓放空过滤器40中压循环泵67循环气压缩机13煤粉储仓41中压蒸汽发生器68洗涤塔循环水泵14煤粉锁斗4269汽提塔给料罐15煤粉给料仓4370汽提塔给料泵16煤粉仓装料袋滤器44激冷环71废水汽提塔17螺旋输送机45渣池72回流罐18旋转给料机46破渣机73冷却器19、20压力平衡阀47渣收集罐74澄清池21氧气预热器48泵75空冷器22计量控制模块49旋流分离器76真空皮带过滤机23进入混合器50换热器77澄清池底部泵24蒸汽过滤器51排放罐78溢流罐25煤烧嘴52灰水泵79澄清池底部泵26热水泵53脱水仓80泥浆储罐27过滤器54捞渣机81泵28加热器55泵三、工艺流程整个系统可分为：①磨煤及干燥系统；②粉煤加压及输送系统；③气化、激冷及合成气冷却系统；④渣脱除系统(除渣)；⑤干灰脱除系统(干洗)；⑥湿灰脱除系统(湿洗)；⑦废水汽提及澄清系统。三、工艺流程四、主要设备1．气化炉和SGC四、主要设备四、主要设备四、主要设备2．烧嘴图2-18煤烧嘴结构示意图五、壳牌煤气化的操作控制（一）原始开车1．必须具备的条件2．开车前准备工作3．气化炉加热到热备用状态4．气化系统升温5．气化系统开车五、壳牌煤气化的操作控制（二）正常停车1．停