第2-章原料气制取(煤制气)1

第二章粗原料气制取•基本概念：水煤气、半水煤气、标煤、固体燃料气化•气化原理•半水煤气的生成过程•间歇法制半水煤气为什么把一个制气循环分成若干步骤?•煤气发生炉的结构•水煤浆制气的特点本章重点第二节固体燃料气化法2.1煤气化制取氨合成气的基本原理原料气气柜煤•煤气化过程的基本原理水分脱除热分解空气煤气气体组成:•气化剂：用于和碳反应的介质。•空气煤气反应：C＋O2+3.76N2=CO2+3.76N22C＋O2+3.76N2=2CO+3.76N2C+CO2＝2CO2CO+O2＝2CO2H2COCO2N2O2＜2%＞30%2%65%＜0.4%1、概念p45与烟道气的区别？？？低热值煤气•水煤气气化剂：水蒸汽主要反应C＋H2O=CO+H2C＋H2O=CO2+H2H2COCO2N250%＞35%9%＜6%气体主要成分：空气煤气＋水煤气半水煤气H2COCO2N2O240%33%6-8%20-25%＜0.5%气体成分：NHNH3气化剂：空气+水蒸汽•半水煤气：以空气和水蒸气为气化剂和碳反应生成的气体气体成分特点：那么，在工业上是否将空气和水蒸汽混合与煤反应就能制备半水煤气呢？制约条件：1、合成氨需要的气体组成H2/N2=32、空气与碳反应的放热反应水蒸汽与碳反应的吸热反应C＋H2O＋O2＋3.76N2CO＋H2＋3.76N2？热平衡2.2、气化反应的化学平衡p472.2.1以空气为气化剂的化学平衡C＋O2+3.76N2=CO2+3.76N2(1)2C＋O2+3.76N2=2CO+3.76N2(2)C+CO2＝2CO(3)2CO+O2＝2CO2(4)P47表1-2-16平衡常数平衡常数kp1=pco2/po2;kp3=p2co/pco2主要反应已知：反应压力为P，MPa；反应温度T,K;计算基准1mol氧气假设：C+O2＝CO2碳全部转化生成二氧化碳，C+CO2＝2CO为可逆反应，CO2转化为co，平衡转化率为α，空气中氮氧比3.76，C+CO2＝2CO10平衡时1-α2α平衡组成计算：反应前后的各组分间的数量关系LnKp=-21000/T+21.4将不同温度下的KP3值及总压P代入上式可求出α，从而求得平衡组成，P48表1-2-17•结论：1、CO平衡含量随温度升高而增加。二氧化碳平衡含量随之下降。当温度高于900℃。碳与氧反应主要产物为CO,CO2含量很少。2、相同的温度条件下，随着压力的提高，CO含量降低,CO2含量增加。2.2.2、以水蒸汽为气化剂发生反应化学平衡C+H2O（g）＝CO+H2（1）ΔΗ0R＝131.39KJ/molC+2H2O（g）＝CO2+2H2（2）ΔΗ0R＝90.202KJ/molCO+H2O＝CO2+H2（3）ΔΗ0R＝-41.19KJ/molC+2H2＝CH4（4）ΔΗ0R＝-74.9KJ/mol有6个组分，五个平衡分压为未知数，再需两个方程才能求解1、总压等于各组分分压之和2242*****COCOOHCHHpppppP2、利用水蒸气分解H和O的平衡422**f2)(CHHOHppp22**2)(COCOfOHpppOHHcoppppk22***1OHcoHcopppppk222****3242**4HCHpppk平衡关系式：0.1MPa下，温度高于900℃，平衡产物中氢气与一氧化碳的含量均接近50％，其它组分的含量接近零。随着温度的降低，水蒸气、二氧化碳及甲烷等平衡含量逐渐增加。所以，在高温下进行水蒸汽与碳的反应，平衡时残余水蒸气量少，水煤气中氢气和一氧化碳的含量高。温度压力已知，即可求得平衡组成相同温度下增加压力，气相中H2O、CO2、CH4提高，H2、CO减少2C+O2＝2COΔΗ0R＝-220.19KJ/mol碳与水蒸汽反应放热吸热碳与空气反应X＝（221.189/131.39）＝1.68放热量与吸热量比值：2。3、原料配比的确定p57C+H2O（g）＝CO+H2ΔΗ0R＝131.39KJ/mol以空气和水蒸汽为气化剂,满足热平衡时总热效应为零体系的总反应为：3.68C+O2+1.68H2O+3.76N2=3.68CO+1.68H2＋3.76N2此时，气体中（CO+H2）/N2＝1.43，远远低于半水煤气制氨合成气的要求。那么，符合原料气的条件(CO＋H2)/N2=3.1～3.2,空气中的氧氮比应是？即：(3.68＋1.68)/x=3.1～3.2,x＝1.73～1.68比较：空气中的N2/O2比:=0.79/0.21=3.761.73～1.68因此，直接用空气和水蒸气的混和物与煤反应得不到符合氨合成要求的合成气解决办法：1、制取富氧空气连续制气，气体中的氧含量应为1/(1+1.68)=0.373；2、一部分空气首先与煤反应，然后放空，只提供热量，另一部分空气和水蒸气与煤反应作为原料气，即间歇制气。3、外部提供热量的方法本节课下面要讲的主要内容2.3、煤气化的工业方法p51工业方法蓄热法富氧法外热法空气和水蒸气氧气和水蒸气水蒸气空气中氧含量提高到37.3％以上核能、外热能2.4、半水煤气的制取p57CO、CO2、N2、H2、CH4、H2S、H2O焦油、CO、CO2、、CH4、C2H6CO+H2O=CO2+H2C+CO2=2COC+H2O=CO+H2CO+3H2=CH2+H2O2.4.1、固定床气化炉燃料层的分区p58~59灰渣或蒸汽灰渣或蒸汽灰渣或蒸汽区域区域名称用途及进行过程化学反应Ⅰ灰渣层分配气化剂，防止炉篦超温。借灰渣的显热预热气化剂Ⅱ氧化区（燃烧区）碳被气化剂中的氧氧化成CO、CO2，并放出热量C+O2＝CO22C+O2＝2COⅢ还原区CO2还原成CO，或蒸汽分解为氢；原料被气体预热C+CO2＝2COC+H2O＝CO+H2C+2H2O＝CO2+2H2CO+H2O＝CO2+H2Ⅳ干馏区原料依靠气体换热进行热分解，并析出下列物质：水分、挥发分、焦油Ⅴ干燥区依靠气体的显热，来蒸发原料中的水分Ⅵ空间起积聚煤气的作用2.4.2、间歇制取半水煤气过程（工作循环）p59合理的温度分布至关重要间歇式固定床煤气化炉在制气过程中，除考虑热平衡和组成要求外，工业上还要考虑安全因素：避免含有CO和H2可燃气体与空气的直接接触，以免发生爆炸。灰渣或蒸汽在间歇制气过程中，一个制气工作循环一般包括以下几个步骤：1、吹风阶段2、蒸汽一次上吹3、蒸汽下吹4、蒸汽二次上吹5、空气吹净下面分别介绍12453间歇进行本节重点1．吹风：吹入空气，提高燃料层温度，回收显热和潜热后吹风气放空。工作循环：间歇式气化时，自上一次开始送入空气至下一次再送入空气止，称为一个工作循环。1空气换热后去烟筒放空C+O2＝CO2ΔΗ0R＝-393.770kJ/mol2C+O2＝2COΔΗ0R＝-220.19KJ/mol2．蒸汽一次上吹制气：自下而上向造气炉内送入水蒸汽进行气化反应，生成的气体经除尘、回收显热和降低温度后送到气柜，此时燃料层上部温度升高，下部降低。2水蒸气换热后去气柜在一次上吹制气阶段制气过程中，由于水蒸汽温度较低，加上气化反应大量吸热，使气化区温度显著下降，而燃料层上部却因煤气的通过，温度有所上升，气化区上移，煤气带走的显热损失增加，因而在上吹制气进行一段时间后，应改变气体流向。C+H2O（g）＝CO+H2ΔΗ0R＝131.39kJ/mol3换热后去气柜水蒸气3．蒸汽下吹：水蒸气从炉顶自上而下通过燃料层，生成的煤气除尘、回收热量、降温后送入气柜。水蒸汽下行时，吸收炉面热量可降低炉顶温度，使气化区恢复到正常位置。同时，使灰层温度提高，有利于燃尽残碳。稳定床层温度C+H2O（g）＝CO+H2ΔΗ0R＝131.39kJ/mol有的企业采用加空气，与蒸汽混合，缩短吹风时间。4、二次上吹制气：下吹制气后，如立即进行吹风，空气与下行煤气在炉底相遇，可能导致爆炸。所以，再作下一次吹风之前将炉底及下部管道中煤气排净，为吹风作准备。C+H2O（g）＝CO+H2ΔΗ0R＝131.39kJ/mol安全考虑＋4水蒸气换热后去气柜5．空气吹净：二次上吹后，煤气发生炉上部空间，出气管道及有关设备都充满了煤气。如吹入空气立即放空或送往余热回收系统将造成很大浪费，且当这部分煤气排至烟囱和空气接触，遇到火星也可能引起爆炸。因此，在转入吹风阶段之前，从炉底部吹入空气，所产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜，加以回收。5空气换热后去气柜半水煤气中氮的主要来源。间歇式制气工作循环中各阶段气体的流向衡量气化过程好坏的参数(1)单炉发气量，即气化强度，以每小时、每m2截面生产的煤气Nm3数表示；(2)半水煤气质量，如C0、H2含量，(C0＋H2)／N2以及微量O2等；(3)燃料及蒸汽的消耗.（4）气化效率：吹风效率=（Q’反-Q’气）/Q’燃制气效率=Q气/Q燃+Q蒸+Q利气化效率=Q气/Q总燃+Q蒸2.4.3、煤气化过程的主要工艺条件p60温度1)煤：煤的活性、粒度、灰熔点、机械强度、热稳定性变形温度t1：试样加热至角锥尖峰变圆的温度。软化温度t2：对应于角锥上部变形，开始倒在试台上的温度。熔融温度t3：对应于灰渣呈熔融态，沿着试台流动的温度主要工艺条件（影响因素）：p60吹风一次上吹下吹二次上吹空气吹净25％25-26％36-37％9％3-4％3）吹风速度：18000-32000nm3/h，过小，反应速度慢；过大，热损大4）蒸汽用量：5-7吨/h，蒸汽流速0.1~0.3m/s5）碳层高度：1.6-1.8m6）循环时间分配：2.5-3min2）温度：从化学平衡角度看，高温反应煤气中CO和H2含量高，水蒸气含量低；从反应速度来看，提高温度反应速度加快。蒸汽分解率高，煤气产量高，质量好。•温度过高，会导致炉内结疤。1000-1200℃6）系统阻力：1500-3000mmH2O7）气体组成：氧含量小于0.5％，甲烷含量小于0.5-1.0％，(H2+CO)/N2=3.1-3.28）燃料变化及工艺调整：原料：煤、焦炭、煤球要求：有一定的机械强度和抗破坏能力；有一定的热稳定性；粒度均匀；高灰熔点；含硫低。造气炉除尘热回收加煤系统气化剂加入系统气柜冷却塔造气岗位流程框图2.5、煤气化工艺流程余热回收系统热源：煤气显热（350-450℃的煤气和吹风气）吹风气的潜热（氢气和一氧化碳）持续热源：合成驰放气的潜热（氢气和甲烷）吹风气驰放气分离器燃烧炉烟囱蒸汽过热器水加热器引风机空气预热器空气1炉顶；2炉体；3夹套4炉篦；5灰仓；6灰盘7底盘；8炉条机固定床造气炉结构2.6主要设备大球滚动底盘总成六边炉蓖闭式传动总成蒸汽聚集器鼓风箱拉杆式油压炉口自动加煤水夹套灰仓总成大容量灰渣箱气柜近代热能回收流程的优点1、采用新型炉痹2、降低系统阻力3、上下吹加氮4、过热蒸汽制气5、集中废锅回收热量寿光化肥厂基本上实现了两煤变一煤a)设备利用率和生产能力低,燃料耗量高。b）程控阀、程控机和工艺流程复杂,设备和阀门的事故率高,操作困难,气体成分不容易调节。c)炭层温度上下变化大,气体流向周期变化,对燃料粒度、热稳定性、灰熔点等要求高。d)吹风阶段燃烧产生的气体排放到大气,燃料中40%的硫化物和大量的二氧化碳及部分一氧化碳、灰尘直接排放大气,对环境造成严重污染。其他的废气,如合成放空气、弛放气、精炼再生气;废水,如造气污水、工艺冷却水,造气炉渣。排放物对土壤及地下水都会造成不同程度的污染。ｅ)噪声UGI造气炉存在的问题思考题(1)本工段主要任务是什么?(2)一个制气据环分为哪几个阶段?为何分段?(3)吹风阶段为何要尽量采用较高的空速?(4)各设备的主要功能与作用是什么？哪些属于换热设备?(5)煤气炉中的燃料分为几层?(6)本工段主要控制约工艺指标是什么(7)各个制气阶段的流程怎样？(8)煤气炉设置水夹套的作用是什么?(9)本工段主要的节能设备是哪几个?(10)本工段主要利用了哪些除尘方法?常压连续富氧气化技术常压连续富氧气化技术是蒸汽和富氧空气连续进入炉中，焦炭和富氧空气进行不完全燃烧产生大量的热量，温度升高，供蒸汽在炽热的炭中分解，制得半水煤气。变压吸附制氧技术的