第四章、煤气化技术

煤气化技术主讲人：张国伟2克拉玛依职业技术学院KaramayVocational&TechnicalCollege内容概要1、概述2、煤炭气化原理3、原料的性质对气化的影响4、煤炭气化技术-固定床气化法5、煤炭气化技术-流化床气化法6、煤炭气化技术-气流床气化技术1、煤气化工艺的工艺过程包括哪些？2、煤气化工艺的主要产品有哪些？3、煤气化的产品的应用有哪些？一、第一节概述煤炭气化的简介煤炭气化工艺的分类煤炭气化的评价指标煤炭气化的原则流程5克拉玛依职业技术学院KaramayVocational&TechnicalCollege概1、煤炭气化的简介煤或煤焦与气化剂（空气、氧气、水蒸气、氢等）在一定温度及压力下发生化学反应，将煤或煤焦中有机质转化为煤气的过程气化的主要阶段包括：备煤、气化、气体洗涤、黑水处理、一氧化碳变换等工段气化的主要产品包括：CO、H2、CH4用于生产各种燃料，是干净的能源，利于提高人民生活水平和环境保护;煤气化生产的合成气是合成液体燃料等多种产品的原料。6克拉玛依职业技术学院KaramayVocational&TechnicalCollege18世纪后半叶煤化工发展始于18世纪后半叶，用煤生产民用煤气；在欧洲当时用煤干馏方法，生产的干馏煤气用于城市街道照明；1840年由焦炭制发生炉煤气来炼铁，1875年使用增热水煤气作为城市煤气二次世界大战时期二次世界大战时期，煤炭气化工业在德国得到迅速发展。1932年采用一氧化碳与氢通过费一托(FlscherTropsch)合成法生产液体燃料获得成功，1934年德国鲁尔化学公司应用此研究成果创建了第一个F-T台成油厂，1936年投产。1935~1945年期间德国共建立了9个合成油厂，总产量达570kt。二次世界大战后二次世界大战后，煤炭气化工业因石油、天然气的迅速发展减慢了步伐，进人低迷时期，煤气主要作为城市煤气及台成氪原料的生产等，直到20世纪70年代成功开发由合成气制甲醇技术，由于甲醇的广泛用途，使煤炭气化工业又重新引起人们重视。70年代后1975年，美国Eastaman(依斯曼)公司开始了合成醋酐的实验室研究，重点是开发适用的催化剂，以便在工业化生产时能达到需要的条件下，减少副产物生成。他们采用醋酸甲酯与一氧化碳为原料羰基合成制取醋酐，并于1977年中试成功。到20世纪80年代末，由煤炭气化制合成气，羰基合成生产醋酸、醋酐开始大型化生产，这是煤制化学品的一个非常重要的突破。现在现在，随着气化生产技术的进一步发展，以生产含氧燃料为主的煤炭气化合成甲醇、二甲醚，有广阔的市场前景。其中二甲醚不仅是从合成气经甲醇制汽油、低碳烯烃的重要中间体·而且也是多种化工产品的重要原料。甲醇从近年供需情况来看，除作基本有机化工原料、精细化工原料外，作为替代燃料应用，预计需求量将达800～1000万吨／年，到2020年t甲醇需求预计达5000万吨／年。南非南非开发煤炭间接液化历史悠久，早在1927年南非当局注意到依赖进口液体燃料的严重性，基于本国有丰富的煤炭资源，开始寻找煤基合成液体燃料的新途径，1939年首先购买了德国F—T合成技术在南非的使用权，在20世纪50年代初，成立了SASOL公司，1955年建立了SASOLIT，1980年和1982年叉相继建成了SASOL一Ⅱ厂和SA—SOLⅢ厂。2煤炭气化工艺的分类地面气化将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得煤气的方法。将未开采的煤炭有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用生产煤气的过程。地下气化地理位置其原理如图此过程的反应式如下：煤在气化过程中不需外界供热，而是利用煤与氧反应放出热量来达到反应所需温度，即燃烧一部分气化所用燃料，将热量积累到燃料层里，再通入水蒸气发生化学反应制取煤气。传热方式外热式内热式是指利用外部给气化炉提供热量的过程。其热源可由加热外部炉壁来加热燃料，炉壁需选用耐火度高且导热性好的材料；同时也可用高度过热水蒸气(1100℃)；另外也可用加热水蒸气和粉末燃料的混合物到1100℃．达到水煤气反应温度。其原理如图所示地面气化技术分类地面气化技术分类气化介质纯氧加氢富氧水蒸气地面气化技术分类入炉的煤块粒度粉煤炭气化块煤炭气化移动床气化沸腾床气化气流床气化熔融床气化燃料在炉内状况其他分类工业煤气分类定义：以空气为气化剂生成的煤气。主要成分：N2，CO，CO2，H2。特点：热值低，主要作为化学工业原料，煤气发动机燃料等。空气煤气混合煤气半水煤气水煤气定义：以空气和适量水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分：N2，CO，H2，CO2。特点：工业上一般用作燃料。定义：以水蒸气为气化剂生成的煤气。主要成分：H2，CO，CO2，N2。特点：H2和CO含量达85％以上，一般用作化工原料定义：以水蒸气加适量的空气或富氧空气为气化剂生成的煤气主要成分：H2，CO，N2，CO2。特点：（H2+CO）=3N2（质量），一般用来合成氨工业煤气几种气化炉的工艺性能气化强度水蒸气消耗量热效率气化效率单炉生产能力3煤炭气化过程主要评价指标评价指标21gV=qDV4Q=100%Q，Q-Q=Q入损失入水蒸气消耗量和水蒸气分解率是煤炭气化过程重要的指标4煤气化的主要工艺流程气化压力向高压发展气化炉能力向大型化发展气化压力由常压、低压（1.0MPa）向高压（2.0～8.5MPa）气化发展，从而提高气化效率、碳转化率和气化炉能力，实现气化装置大型化和能量高效回收利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成（如甲醇低压合成），降低生产成本。如Texaco气化压力可达6.5～8.5MPa，Shell气化压力为2～4MPa。Texaco和Shell单台气化炉气化煤量已达2000t/d以上。Prenflo气化炉单炉气化煤量已达2600t/d。大型化便于实现自动控制和优化操作，降低能耗和操作费用。气化温度向高温发展Texaco气化温度1400～1500℃，Shell气化温度高达1400～1700℃，流化床气化温度为1000～1200℃。气化温度高，煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应性广。尘降到1～2mg/m3(标)以下。技术不断进步不断开发新的气化技术和新型气化炉，提高碳转化率和煤气质量，降低建设投资。目前碳转化率高达98%～99%，煤气中含CO+H2达到80%～90%。现代煤气化技术与其他先进技术联合应用如与燃气轮机发电组合的IGCC发电技术；高压气化（6.15MPa）与低压合成甲醇、二甲醚技术联合实现等压合成，省去合成气压缩机，使生产过程简化，总能耗降低。环保效果更好煤气化技术与先进脱硫、除尘技术相结合，实现环境友好，减少污染。如在气化炉内加入脱硫剂（石灰石），脱硫效率可达80%～90%；采用高效除尘器使煤气中含煤炭气化发展方向1、什么是煤炭气化技术，煤炭气化工艺大概包括了那些工段？2、煤炭气化的产品包括哪些？3、煤炭气化技术分类包括哪些？4、煤炭气化过程的评价指标？5、煤炭气化简单流程？本节课总结：P142：填空题2、3、5、7选择题2、3、6、71、什么是煤炭气化技术，煤炭气化工艺大概包括了那些工段？2、煤炭气化的产品包括哪些？3、煤炭气化技术分类包括哪些？4、煤炭气化过程的评价指标？5、煤炭气化简单流程？复习：1煤气化的基本条件2气化的几个重要过程3气化过程主要化学反应4气化过程物理化学基础5煤气平衡组份的计算第二节煤炭气化原理知识目标掌握煤炭气化方法、煤炭气化原理了解地上气化熟悉与理解气化过程的理论基础与煤气平衡组成的计算能力目标能掌握煤炭气化反应会判断实际用煤气化时的主要影响因素会解释T、P对气化的影响1煤气化的基本条件煤气化温度煤气化压力气化原料气化剂气化反应容器具体的气化过程随所采用的炉型不同，操作条件不同，所使用的气化剂及燃料组成的不同而不同，但基本都包括几个主要的过程，即煤的干燥、干馏、热解、不完全燃烧等过程。2煤气化的几个重要过程气化的几个重要过程就移动床来说，基本接近于低温干馏（500-600℃)。沸腾床和气流床气化工艺此过程较复杂，气流床几个过程几乎同时进行。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。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。煤气化热解干馏干燥一次反应C+O2→CO2-394.1kJ/molC+H2O≒CO＋H2+135.0kJ/molC+1/2O2→CO-110.4kJ/molC+2H2O→CO2+2H2+96.6kJ/molC+2H2≒CH4-84.3kJ/molH2+1/2O2→H2O-245.31kJ/mol二次反应C+CO2≒2CO+173.3kJ/mol2CO+O2≒2CO2-566.6kJ/molCO+H2O≒H2+CO2-38.4kJ/molCO+3H2≒CH4+H2O-219.3kJ/mol3C+2H2O→CH4+2CO+185.6kJ/mol2C+2H2O→CH4+CO2+12.2kJ/mol气化主反应3煤气化的主要化学反应煤气化主要的副反应S+O2=SO2S02+2CO=S+2CO2C+2S=CS2CO+S=COSN2十3H2=2NH3N2+02=2NON2+202=2NO2N2+H20+2C0=2HCN+02S+H2=H2S2H2S十S02=3S+2H20煤气化主要的副反应反应历程气体反应物向固体(碳)表面转移或扩散。第一步气体反应物被吸附在固体(碳)表面。第二步被吸附的气体反应物在固体(碳)表面起反应而形成中间配合物。第三步中间配合物的分解或与气相中到达固体(碳)表面的气体分子发生反应。第四步反应物从固体(碳)表面解吸并扩散到气相第五步4、气化过程的物理化学基础吕·查德理（LeChatelier）原理：处于平衡状态的体系，当外界条件（温度、压力及含量（摩尔分数）等）发生变化时，则平衡发生移动，其移动方向总是朝着削弱或者抗拒外界条件改变的影响。吕·查德理（LeChatelier）原理吸热反应（Q0）的K值，随温度升高而增加；而放热反应（Q0）的K值，随温度升高而下降。温度的影响压力增加，反应向体积缩小的方向移动。压力的影响温度、压力对气化平衡的影响温度与反应平衡图OHHCOCOOHHCOCOPPPKPPPK22222221气化用煤的煤质、煤种对气化过程有很大的影响，煤种不仅影响气化产品的产率与质量，而且关系到气化的生产操作条件。在选择气化用原料的种类时，必须结合气化方式和气化炉的结构进行考虑，也要充分利用资源，合理选用原料。第三节原料煤对气化的影响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特性代表原料无烟煤、焦炭、半焦和贫煤弱黏结或不黏结烟煤褐煤泥炭无烟煤、焦炭、半焦和贫煤弱黏结或不黏结烟煤褐煤泥炭无烟煤、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。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沟。烟煤褐煤泥炭煤气化煤种的主要特征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。烟煤中贫煤、长焰煤、不粘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。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、