各种煤气化技术介绍

煤结构模型煤炭：复杂的有机含碳矿物（从褐煤到无烟煤），以碳为主，主要成份为C，H，O，N，S；高度芳香化；多少不等的无机矿物。煤以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等做气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。条件：气化炉、气化剂、热量CO+H2工业、民用燃气合成气氨甲醇油二甲醚烯烃…H2固体煤煤气化原理其目的就是获得清洁能源和化工原料气化产品--煤气新型煤化工的一个重要单元煤炭气化技术就是将固体煤变成气态烃,CO,H2气体等的技术煤气化是发展煤基液体燃料合成、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础。煤气化过程CnHmOxNySz煤气化的过程（固定床为例）COCO2CH4H2NH3HCNH2SCOS••••煤在炉内的运行状态入炉煤的块度和状态气化剂种类供热方式操作压力常压气化、加压气化自热式、外热式、热载体供热空气-蒸汽气化、氧气-蒸汽气化、氢气气化粉煤气化、块煤气化、水煤浆气化移动床、流化床、气流床、熔融床气化分类煤气化发展史18世纪后半叶用煤生产民用煤气欧洲采用干馏方法生产干馏煤气用于城市街道照明1840年用焦炭制发生炉煤气用于炼铁1857年德国Siemens兄弟最早开发出用块煤生产煤气的炉子1875年用增热水煤气作城市煤气1882年德国设计了世界第一台常压固定床空气间歇气化炉1913年美国气体改进公司对德国的气化炉进行改进，成为UGL炉1921年用合成气发电在当时属于高效的发电方式，英国成立能源气体公司。这一时期出现了Lurgi气化工艺（移动床）1932年采用合成气通过费-托合成（Fischer-Tropsch）合成法生产液体燃料活的成功，带动了煤气化工艺的发展1934年上海建成第一座煤气厂，用立式炉和增热水煤气炉生产城市煤气。同年，德国鲁尔化学公司创建第一个F-T合成油厂移动床的最大问题是不能解决细煤的气化，流化床气化工艺出现，问题迎刃而解。最著名的流化床是Winkler，大量用于合成氨工业。气化炉在高温下运行使气化技术得到进一步提高。由于温度高，煤灰被融化以液态方式排出。在高温、氧气气化和液态排渣的经验上，气流床气化炉应运而生。最早的气流床是德国的Koppers-Totzek（K-T炉），出现于20世纪50年代。70年代Texaco水煤浆加压气化技术的工业化，大大推进了大型煤气化技术的发展。中国于20世纪30至40年代引进UGI炉，1950年后改烧无烟煤，主要用于制氨和甲醇，最多时候有千余家使用数千台炉子，主要原料是无烟煤和土焦。当时，UGI炉所生产出来的甲醇大约占全国煤基氨厂总产量的9/10以上。60年代至今，实现工业化的技术有水煤浆气化（Texaco）、碎煤加压气化（Lurgi）、灰熔聚流化床气化以及干粉加压气化（Shell）。国内情况三种床的模型移动床固定床气化一般采用一定块径的块煤（焦、半焦、无烟煤）或成型煤为原料，与气化剂逆流接触，用反应残渣（灰渣）和生成气的显热，分别预热入炉的气化剂和煤，固定床气化炉一般热效率较高。多数固定床气化炉采用转动炉箅把灰渣从炉底排出，也有采用熔融排渣的固定床气化炉。1干燥层2干馏层3还原层4氧化层5灰渣层A灰渣层灰渣层中的灰是煤炭气化后的固体残渣，煤灰堆积在炉底的气体分布板上具有以下三个方面的作用。①由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。②煤灰的温度比刚入炉的气化剂温度高，可使气化剂预热。③灰层上面的氧化层温度很高，有了灰层的保护，避免了和气体分布板的直接接触，故能起到保护分布板的作用。灰渣层对整个气化操作的正常进行作用很大，要严格控制。根据煤灰分含量的多少和炉子的气化能力制定合适的清灰操作。灰渣层一般控制在100～400mm较为合适，视具体情况而定。如果人工清灰，要多次少清，即清灰的次数要多而每次清灰的数量要少，自动连续出灰效果要比人工清灰好。清灰太少，灰渣层加厚，氧化层和还原层相对减少，将影响气化反应的正常进行，增加炉内的阻力；清灰太多，灰渣层变薄，造成炉层波动，影响煤气质量和气化能力，容易出现灰渣熔化烧结，影响正常生产。灰渣层温度较低，灰中的残碳较少，所以灰渣层中基本不发生化学反应。B氧化层也称燃烧层或火层，是煤炭气化的重要反应区域，从灰渣中升上来的预热气化剂与煤接触发生燃烧反应，产生的热量是维持气化炉正常操作的必要条件。氧化层带温度高，气化剂浓度最大，发生的化学反应剧烈，主要的反应为：C+O2→CO2C+O2→COCO+O2→CO2上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。考虑到灰分的熔点，氧化层的温度太高有烧结的危险，所以一般在不烧结的情况下，氧化层温度越高越好，温度低于灰分熔点的80～120℃为宜，约1200℃左右。氧化层厚度控制在150～300mm左右，要根据气化强度、燃料块度和反应性能来具体确定。氧化层温度低可以适当降低鼓风温度，也可以适当增大风量来实现。C还原层在氧化层的上面是还原层，赤热的炭具有很强的夺取水蒸气和二氧化碳中的氧而与之化合的能力，水（当气化剂中用蒸汽时）或二氧化碳发生还原反应而生成相应的氢气和一氧化碳，还原层也因此而得名。还原反应是吸热反应，其热量来源于氧化层的燃烧反应所放出的热。还原层的主要化学反应如下：C+CO2C+H2OC+H2OCOCO+H2CO2+H2C+H2CO+H2CO+H2CO2+H2CH4CH4+H2OCH4+CO2CH4+H2O由上面的反应可以看出：反应物主要是碳、水蒸气、二氧化碳和二次反应产物中的氢气；生成物主要是一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳、氮气（用空气怍气化剂时）和未分解的水蒸气等。常压下气化主要的生成物是一氧化碳、二氧化碳、氢气和少量的甲烷，而加压气化时的甲烷和二氧化碳的含量较高。还原层厚度一般控制在300～500mm左右。如果煤层太薄，还原反应进行不完全，煤气质量降低；煤层太厚，对气化过程也有不良影响，尤其是在气化黏结性强的烟煤时，容易造成气流分布不均，局部过热，甚至烧结和穿孔。习惯上，把氧化层和还原层统称为气化层。气化层厚度与煤气出口温度有直接的关系，气化层薄出口温度高；气化层厚，出口温度低。因此，在实际操作中，以煤气出口温度控制气化层厚度，一般煤气出口温度控制在600℃左右。D干馏层干馏层位于还原层的上部，气体在还原层释放大量的热量，进入于馏层时温度已经不太高了，气化剂中的氧气已基本耗尽，煤在这个过程历经低温干馏，煤中的挥发分发生裂解，产生甲烷、烯烃和焦油等物质，它们受热成为气态而进入干燥层。干馏区生成的煤气中因为含有较多的甲烷，因而煤气的热值高，可以提高煤气的热值，但也产生硫化氢和焦油等杂质。E干燥层干燥层位于干馏层的上面，上升的热煤气与刚入炉的燃料在这一层相遇并进行换热，燃料中的水分受热蒸发。一般地，利用劣质煤时．因其水分含量较大，该层高度较大，如果煤中水分含量较少，干燥段的高度就小。脱水过程大致分为以下三个阶段。第一阶段，如前所述，煤中的水分分外在水分和内在水分。干燥层的上部，上升的热煤气使煤受热，首先使煤表面的润湿水分即外在水分汽化，这时煤微孔内的吸附水即内在水分同时被加热。随燃料下移温度继续升高。第二阶段，煤移动到干燥层的中部，煤表面的外在水分已基本蒸发干净，微孔中的内在水分保持较长时间，温度变化不大，继续汽化，直至水分全部蒸发干净，温度才继续上升，燃料被彻底干燥。第三阶段，燃料移动到干燥层的下部时，水分已全部汽化，此时不需要大量的汽化热，上升的热气流主要是来预热煤料，同时煤中吸附的一些气体如二氧化碳等逸出。F空层空层即燃料层的上部，炉体内的自由区，其主要作用是汇集煤气，并使炉内生成的还原层气体和干馏段生成的气体混合均匀。由于空层的自由截面积增大，使得煤气的速度大大降低，气体夹带的颗粒返回床层，减小粉尘的带出量。控制空层高度一是要求在炉体横截面积上要下煤均匀，下煤量不能忽大忽小；二是要按时清灰。3M系列移动床混合煤气发生炉UGI型水煤气发生炉W-G（魏尔曼-格鲁夏）煤气发生炉两段式煤气发生炉碎煤加压气化鲁奇炉液态排渣BGL炉UGI型水煤气发生炉UGI炉用空气生产空气煤气或以富氧空气生产半水煤气时，可采用连续操作方式，即气化剂从气化炉底部连续进入，生成气从顶部引出；以空气、蒸汽为气化剂制取半水煤气或水煤气时，一般采用间歇式操作方法。在我国目前近4000台UGI气化炉中，除少数用连续式操作生产发生炉煤气（即空气煤气）外，绝大部分采用间歇式操作生产半水煤气或水煤气。UGI炉的优点是设备结构简单，易于操作，投资低，一般不用氧气做气化剂，冷煤气效率较高。其缺点是生产能力低，一般每平方米炉膛面积半水煤气发生量仅约lOOO立方米/h；对煤种的要求非常严格；间歇操作时工艺管道非常复杂。从气化技术发展的角度看，已无法适应现代煤化工对气化的要求，面临着更新换代。UGI气化工艺足美国联合气体改进公司开发，并以其命名的气化炉，是一种常压的固定床煤气化设备，炉子为直立圆筒形结构。原料通常采用无烟煤或焦炭，其特点是可以采用不同的操作方式（连续或间歇），也可以采用不同的气化剂，制取空气煤气、半水煤气或水煤气。2008年底统计结果，国内正在运行的煤气化炉情况如下：■约4000台固定床间歇式气化炉■30台碎煤加压气化炉（鲁奇炉）■11台恩德炉■7台灰融聚气化炉■8台国产水煤浆气化炉■30台GE水煤浆气化炉■20台壳牌干粉煤气化炉—以氧气-水蒸气做气化剂—固态排渣，适宜弱粘结性碎煤，原料来源受限制—炉结构复杂，设有煤分布器、破黏和炉箅转动结构，制造维修费用高—单炉生产能力较大，技术成熟可靠，业绩多—出炉煤气焦油、酚含量大，污水处理和煤气净化工艺复杂—灰锁上下阀使用寿命不长—灰渣含碳在5%左右Lurgi气化工艺BGL气化工艺BGL气化工艺是在Lurgi气化工艺基础上发展起来的，最大的改进是将鲁奇的固态排渣改为熔融态排渣，提高了操作温度，同时也提高了生产能力，更适合灰熔点低的煤种。气化炉下方的熔渣室使用水对熔渣激冷。与普通的鲁奇炉相比，BGL炉有以下优点：—单位截面积的的产量提高—低水蒸气消耗，搞水蒸气分解率，废水量大大减少—气化效率明显提高—降低了焦油等难处理副产物的生成量—取消了转动炉篦，结构简单化—喷嘴中可喷入煤粉，本工艺产生含酚废水可制成水煤浆自喷嘴入炉气化太重煤化工设备分公司为中煤鄂尔多斯能源化工有限公司图克化肥项目生产的年产200万吨合成氨项目配套BGL气化炉。长17米，直径4.6米，重220吨，是迄今为止世界最大的BGL炉。流化床当气体或液体以某种速度通过颗粒床层而足以使颗粒物料悬浮，并能保持连续的随机运动状态时，便出现了颗粒床层的流化。流化床气化就是利用流态化的原理和技术，使煤颗粒通过气化介质达到流态化。流化床的特点在于其有较高的气-固之间的传热、传质速率，床层中气固两相的混合接近于理想混合反应器。也称沸腾床适应于劣质煤种的气化，气化强度高，煤气中基本不含焦油和酚。温克勒气化（Winkler）恩德炉Lurgi常压循环流化床（CFB）高温温克勒（HTW）气化灰熔聚气化法：U-Gas炉和KRW炉KBR输送床加氢气化法：HYGAS和HYdrane固体热载体气化法：CO2受体法和Cogas法温克勒气化炉典型的工业规模的炉型高23米，内径5.5米，单炉生产能力较大，可充分利用机械化采煤得到的细粒度煤。干馏和气化在相同温度下进行，干馏温度较移动床高得多，所以煤气中几乎不含焦油，酚和甲烷含量也很少。气化温度在900℃左右，故应使用活性高的煤作原料，同样由于温度低，不利于CO2的还原和水蒸气的分解，煤气中CO2含量偏高。出炉煤气温度高，热损失大。气流速度高使得煤气中带出物较多。恩德炉1.煤气出口2.人孔3.炉身4.耐温层5.喷嘴30°α70°朝鲜恩德郡七七联合化工厂20世纪60年代引进了德国的温克勒煤气化技术，当时温克勒技术存在三个主要问题：6.进煤口7.圆锥筒体8.喷嘴9.圆锥筒体体内的保温层10.出灰口11.回收煤入口12.点火孔13.透灰孔炉箅经常出现局部超温、结渣、偏炉现象