煤炭气化

第七章煤炭气化第一节概述一、基本概念1、煤气化的定义：在煤气发生炉中，原料煤在高温条件下与气化剂作用，生成煤气的过程。三要素——①气化原料—各种煤或焦炭；②气化剂—氧气或其他含氧物质；③气化炉—2、煤气化的主要反应：（1）空气或氧气为气化剂的反应：①C+O2→CO2-393.8kJ/mol碳的氧化反应②2C+O2→2CO-231.4kJ/mol碳的部分氧化反应以上是放热反应，为气化反应提供热源。（2）水蒸气为气化剂的反应：③C+H2O(g)→CO+H2+131.5kJ/mol水蒸气分解反应④C+2H2O(g)→CO2+2H2+90.0kJ/mol水蒸气分解反应为提高煤气中CO和H2的含量，增加煤气热值，用水蒸气做气化剂。是吸热反应。mol/kJ4.231CO2OC22mol/kJ4.231CO2OC22mol/kJ4.231CO2OC22mol/kJ4.231CO2OC22（3）催化转化（生成合成氨原料气——变换反应）⑤CO+H2O(g)→CO2+H2-41.5kJ/mol一氧化碳变换反应目的是增加氢含量，与氮合成氨。H2:CO比值达3时可进行甲烷化。（4）加氢气化反应：⑥C+2H2→CH4-74.9kJ/mol碳的加氢反应（5）甲烷化反应⑦CO+3H2→CH4+H2O-206.4kJ/mol⑧2CO+2H2→CH4+CO2-247.4kJ/mol⑨CO2+4H2→CH4+2H2O-165.4kJ/mol3、气化工艺分类4、煤气种类1）空气煤气——空气作气化剂；2）水煤气——水蒸气作气化剂；3）混合煤气——（空气+水蒸气）作气化剂。二、煤气的应用1、合成气——化工原料气(CO、H2)合成氨、醇类、烃类、酸类二甲醚聚甲醛2、工业燃气——各种锅炉、窑炉；3、联合循环发电用燃气；4、冶金工业还原气。第二节移动床气化一、混合发生炉煤气（低热值煤气）1、概念：原料煤或焦炭在煤气发生炉内与空气和水蒸气组成的气化剂发生反应生成煤气。它是移动床常压气化工艺中技术最成熟的重要气化方法之一。2、煤气用途：主要做工业燃气，或城市煤气的掺混气。（1100～1800kcal/m3）3、混合发生炉构造：圆筒形气化炉1、炉体—钢板制2、加煤装置3、炉箅子4、气化剂入口5、煤气出口6、排渣装置①—干燥层②—干馏层③—还原层④—氧化层⑤—灰渣层4、气化过程①气化剂：空气、水蒸气②主要气化反应：C+O2=CO2－⊿HC+CO2=2CO＋⊿HC+H2O(g)=H2+CO＋⊿HCO+H2O(g)=C2O+H2－⊿H灰渣层：靠近炉篦区，起预热气化剂及保护炉篦不被烧坏的作用。氧化层：是气化反应的主要区域，碳燃烧放出大量的热量，在氧化层末端，气化剂中的Ｏ2被全部耗尽。还原层：主要进行二氧化碳的还原反应和水蒸气的分解反应：CO2+C→2COC+H2O→H2+COCOH)g(OHC,CO2CCO222干馏层：干馏层温度约为700～800℃，该层基本上不发生气化反应，但受热后煤中挥发分产生热裂解（干馏），形成甲烷、焦油等物质。（以焦炭为原料的气化过程无干馏层）干燥层：热煤气与原料煤（或焦炭）进行热交换，煤被预热，水分蒸发。在料层上部空间主要发生CO的变换反应：CO+H2O(g)=CO2+H25、气化过程的工艺条件1）炉膛温度CO2的还原反应和水蒸气分解反应需要较高的温度。料层温度的选定还应考虑煤灰的熔融性，一般控制在1000～1200℃。2）水蒸气加入量根据水蒸气的作用，水蒸气量有一个最佳点，即以灰不结渣为最低限度。一般：水蒸气耗量为0.4～0.6kg/kg。空气中的水蒸气饱和温度50～65℃，蒸气分解率60%～70%。3）鼓风速度鼓风速度愈大，气化强度愈高；但缩短了气化剂与料层的接触时间，不利于碳的充分转化；此外，煤气中的带出物数量会相应增多。一般为：0.1～0.2m/s6、气化指标和影响因素1）煤气质量——煤气的热值和组成煤气中的主要可燃成份：CO、H2影响煤气质量的因素：①气化原料的挥发分产率和组成：影响煤气的热值；②气化原料的反应性：反应性好的煤有利于气化反应；③气化原料的结渣性：结渣性差的煤可适当提高炉温，有利于气化反应的进行；④气化原料粒度：减小粒度，增加反应表面积；⑤水蒸气加入量：适量，可保持较高的料层温度；⑥料层厚度：适当增加，以延长反应时间，提高煤气质量，并降低煤气出口温度，提高气化效率。6、气化指标和影响因素2）煤气产率——气化单位质量的原料所得到煤气的体积数（m3/kg）。影响煤气产率的因素①煤的水分：水分低则煤气产率高；②煤的灰分：灰分低则煤气产率高；③煤的挥发分：挥发分含量高则煤气产率低，原因是在干馏裂解或加氢过程中，相当部分转变成了焦油，转变成煤气(CO、H2)的部分相应减少。不同煤种的实际煤气产率见表7-46、气化指标和影响因素3）原料损失——带出损失、排出损失①带出损失：随气流带出炉体的碳损失原料中细粒含量多，或原料机械强度低，热稳定性差，带出损失就大；②排出损失：随灰渣排出的碳的损失原料灰熔点低，灰分含量高，水蒸气加入量过大及料层移动过快都会导致排出损失增加。6、气化指标和影响因素4）气化强度q——发生炉炉体单位截面上的生产能力。kg/(m2·h)煤气炉的生产能力I=F·q·V(m3/h)生产操作：减少炉体散热损失，提高料层温度，强化水蒸气分解，均可提高气化强度。5）气化效率和气化热效率——70%～80%7、气化过程的强化实质是提高炉内气化反应速率1）提高气化剂中氧气的浓度：氧气浓度提高50%，气化强度增加一倍，而且煤气中CO和H2含量增加，煤气热值大大提高（表7-6）；2）提高气化温度：改变鼓风气的饱和温度、提高氧气浓度或预热鼓风气，提高气化温度；但气化温度的提高受灰渣熔融性限制；氧化层一般1100～1200℃；3）提高鼓风速度：提高鼓风速度有利于提高气化强度，但须考虑料层的稳定性和带出损失。还需配合其他措施：严格控制原料粒度和灰熔点；提高相应设备能力。8、混合发生炉气化对煤质的要求1）粒度：不同煤种有不同要求，13～50mm2）灰分≤24%；3）含矸率≤2%；4）灰熔点ST＞1250℃；5）胶质层最大厚度Y＜12mm；6）抗碎强度＞60％；7）热稳定性TS+6＞60％；8）全硫Ｓt,d＜2％；9）挥发分：适中9、混合煤气发生炉（3M13型）1、炉体—钢板制2、加煤装置3、炉箅子4、气化剂入口5、煤气出口6、排渣装置9、煤气发生炉（3M13型）1-料斗；2-煤斗闸门；3-伸缩节；4-计量锁煤器；5-计量锁气器；6-托板和三角架；7-搅棒；8-空心柱；9-蜗杆减速机；10-圆柱减速机；11-四头蜗杆；12-灰盘3M13型煤气发生炉的特点1、煤种适应性强：弱粘煤、气煤、长焰煤、贫煤、无烟煤、焦炭均可；2、采用Д型炉箅，具有较强的搅动、破碎和排渣能力，对炉温和原料灰熔点的要求可适当放宽；3、湿法出灰，兼有冷却灰渣和水封气体作用，环境污染小；4、搅拌棒运动使料层保持良好的透气性，有利于气化反应；5、缺点是原料粒度要求大，炉底风压较低，制约鼓风速度提高，影响气化过程。10、混合发生炉煤气生产工艺流程（烟煤冷煤气工艺流程）二、水煤气水煤气是以水蒸气为气化剂，吹入炽热的炭层，分解而制得的煤气。水煤气的主要成分是CO和H2。水煤气中不含N2，因此，其热值比混合发生炉煤气高，一般在11.0MJ/m3左右。主要用作合成氨的原料，也可用作工业燃料气，少量用作城镇民用燃料或规模较小的工矿企业燃料。1、水煤气生产原理间歇送风蓄热气化法（两个阶段）①吹风阶段：向发生炉吹入空气，使空气中的氧与煤发生燃烧反应：C+O2→CO2-393.8kJ/mol2C+O2→2CO-231.4kJ/mol②制气阶段：向高温料层内通入水蒸汽，使水蒸汽与炽热的碳进行分解反应，生成以CO和H2为主要成分的水煤气：C+H2O（ｇ）→CO+H2+131.5kJ/molC+2H2O（ｇ）→CO2+2H2+90.0kJ/mol2、水煤气生产的工作循环为节约原料、保证安全和煤气质量，还必须包括一些辅助阶段。共有六个阶段：Ⅰ-吹风阶段；Ⅱ-蒸汽吹净阶段；Ⅲ-上吹制气阶段；Ⅳ-下吹制气阶段；Ⅴ-二次上吹制气阶段；Ⅵ-空气吹净阶段Ⅰ、吹风阶段吹风阶段是将空气与原料燃烧后放出的热量积蓄在料层内，为制气阶段提供热量。C+O2=CO2-⊿H开启阀门：1、2、5关闭阀门：3、4、6、7空气Ⅱ、蒸汽吹净阶段蒸汽自炉底进入炉内吹扫料层和发生炉及管道，目的是将残余的吹风气吹净，提高水煤气质量。开启阀门：2、3、5关闭阀门：1、4、6、7Ⅲ、一次上吹制气阶段这是主要的制气阶段。向高温料层内吹入水蒸汽，使水蒸汽与炽热的碳进行分解反应，生成以CO和H2为主要成分的水煤气。C+H2O(g)=CO+H2+⊿H开启阀门：3、4、5关闭阀门：1、2、6、7Ⅳ、下吹制气阶段为了充分利用料层上部的蓄热，克服上吹制气时造成的气化层上移，此时应切换阀门，将蒸汽从炉顶吹入，制得合格的水煤气。C+H2O(g)=CO+H2+⊿H开启阀门：4、6、7关闭阀门：1、2、3、5Ⅴ、二次上吹吹净阶段此时若吹入空气，会引起爆炸，所以用水蒸气从底部吹入，将下吹后残留在发生炉底部和管道内的水煤气吹入贮气柜中，以保证安全生产。开启阀门：3、4、5关闭阀门：1、2、6、7Ⅵ、空气吹净阶段将残存在炉顶空间和管道内的水煤气吹入贮气柜，以免将其吹除，节约原料，提高气化效率。开启阀门：1、4、5关闭阀门：2、3、6、73、操作条件要求1）吹风阶段①适当的吹风量：要求在吹风阶段用最短时间提供最多热量，但要避免因吹风大所带走的显热。②合适的氧化层高度和料层总高度：较高的氧化层高度（1.8米）可以积蓄较多的热量；较高的料层厚度有利于吹风气与料层有充分的热交换，降低出口温度，提高效率。3、操作条件要求2）制气阶段①料层温度：在取得同样气化效率的情况下，可以维持较高的料层温度，一般选择1000℃为宜。②蒸汽用量和蒸汽吹入速度：蒸汽用量与原料灰熔点和块度有关；蒸汽吹入速度应当控制在适宜的范围，且当料层温度较高时，才能适当提高蒸汽吹入速度，蒸汽吹入速度取决于吹风速度。③原料反应活性：为兼顾吹风和制气阶段对原料反应活性的不同要求，应该选用中等反应活性的原料。4、生产水煤气原料的选择固定碳≥70％；水分＜7％；灰分＜20％；挥发分≤8％；硫分≤1％；热稳定性≥60％；机械强度（落下试验）≥70％；灰熔点＞1250℃；块度25～75mm。5、水煤气发生炉1—外壳；2—安全阀；3—保温材料；4—夹套锅炉；5—炉箅：6—灰盘；7—炉底；8—保温砖；9—耐火砖；10—液位计；11—涡轮；12—蜗杆6、水煤气生产的工艺流程（对照222页流程说明）1-空气鼓风机；2-蒸汽缓冲罐；3-集汽包；4-水煤气发生炉；5-燃烧室;6-废热锅炉；7-集汽包；8-烟囱；9-洗气箱；10-洗涤塔；11-气柜水封;12-气柜；13-蒸汽总阀；14-上吹蒸汽阀；15-下吹蒸汽阀；16-吹风空气阀；17-下行煤气阀；18-烟囱阀；19-上行煤气阀三、移动床加压气化为了加快气化反应速度，增加气–固反应接触时间，提高气化强度，采用加压气化方法。与常压气化相比，加压气化过程中甲烷生成反应增多。（1）由于较厚干馏层挥发分热解产生甲烷；（2）由于甲烷层中碳的加氢生成甲烷:C+2H2=CH4主要以碳的加氢反应为主。1、加压气化的主要反应1）碳的氧化反应（高压有利）C+O2→CO2-393.8kJ/mol2）二氧化碳还原反应（高温低压有利）C+CO2→2CO+162.4kJ/mol3）水蒸气分解反应（高温低压有利）C+H2O（ｇ）→CO+H2+131.5kJ/mol4）甲烷生成反应（碳的加氢反应）（高压低温有利）C+2H2→CH4-74.9kJ/mol甲烷生成反应是体积减少的放热反应，提高压力、降低温度有利于甲烷的生成。甲烷的生成速度与温度和压力的关系☆甲烷的生成速度随温度和压力的升高而加快。1—0.098MPa2—4.9MPa3—9.8MPa压力对气化指标的影响1、对煤