第五章流化床气化工艺介绍

第五章流化床煤气化工艺第一节概述已工业应用的主要气化炉类型简介气化剂以较小的速度通过床层时，气体经过固体颗粒堆积时所形成的空隙，床内固体颗粒静止不动，这时的床层一般称为固定床。当气流速度继续增大，颗粒之间的空隙开始增大，床层膨胀，高度增加，床层上部的颗粒被气流托起，流体流速增加到一定限度时，颗粒被全部托起，颗粒运动剧烈，但仍然逗留在床层内而不被流体带出，床层的这种状态叫固体流态化，即团体颗粒具有了流体的特性，这时的床层称流化床。流化床气化炉是用流态化技术来生产煤气的一种气化装置，也称沸腾床气化炉。气化剂通过粉煤层，使燃料处于悬浮状态，团体颗粒的运动如沸腾的液体一样。气化用煤的粒度一般较小，比表面积大，气固相运动剧烈，整个床层温度和组成一致，所产生的煤气和灰渣都在炉温下排出，因而，导出的煤气中基本不含焦油类物质。炉型：德国有高温温克勒HTW及Lurgi公司的CFB；美国有U-gas、KRW气化炉等；中国有ICC灰熔聚气化、灰黏聚多元气化恩德炉流化床等。流化床气化工艺的反应动力学条件好，气固两相间扰动强烈，气化强度较大。适合于活性较高的年轻煤及褐煤半焦的气化。对原料的粒度一般要求为0.5~6mm，还适合于含灰较高的劣质煤。炉内温度不高，煤气出口为900℃，材料的选择容易。可用空气、氧或富氧气化，煤气热值较低，煤气中的焦油和酚类含量少，净化系统简单，污染少。可以进行炉内脱硫，环保性能好，总的造价较低。第二节流化床气化的基本原理一常压流化床的成气过程流化床气化采用0.5-6mm的小颗粒煤作为气化原料。气化剂同时作为流化介质，通过流化床的气体分布板自下而上经过床层。根据所用原料的粒度分布和性质，控制气化剂的流速使床内的原料煤全部处于流化状态，在剧烈的搅动和回混中，煤粒和气化剂充分接触同时进行着化学反应和热量传递。利用碳燃烧放出的热量进行着煤粒的干燥、干馏和气化。生成的煤气在离开流化床床层时，夹带着大量细小颗粒（包括70％的灰粒和部分未完全气化的碳粒)由炉顶离开气化炉。部分密度增重后的渣粒由炉底排灰机构排出。第二节流化床气化的基本原理一常压流化床的成气过程在流化床气化炉内，主要进行的反应有：碳的燃烧反应、二氧化碳还原反应、水蒸气分解反应以及水煤气变换反应等。图5-1无烟煤在流化床气化炉气化中气体组成及温度分布二常压流化床气化的特点1.气化强度高流化床气化采用的原料颗粒较细，气化剂的流速很高，并在剧烈的搅动和反混状态下，气固接触好，传热强度大，有利于非均相反应速度的提高。所以，流化床的气化强度大大高于移动床。直径4m的常压流化床气化炉，操作温度为1000℃时，单炉产气量可达5万m3/h。二常压流化床气化的特点2.气化温度低流化床的气化温度一般低于移动床气化炉。约控制在850~950℃左右。其主要受限于原料的灰熔点。为了防止原料灰分在高温床层中软化、结渣，以致破坏气化剂在床层截面的均匀分布，产生沟流、气截等不良现象。这些条件限制了流化床的最高床层温度也限制了产量和碳的转化率。由于流化床炉温较低，再加上流化床中碳的浓度相对较低，只有活性好的煤，才能在流化床中制得质量较好的煤气。否则，煤气中二氧化碳的含量上升，碳的转化率下降。由于煤的干馏和气化在同一温度下进行，相对移动床干馏区来说，其干馏温度高得多。所以煤气中几乎不存在焦油。酚和甲烷的含量也很少，煤气的热值较低，但净化系统简单，环境污染较小。二常压流化床气化的特点3.热损失大在流化床内，整个床层的温度分布均匀，其波动范围不超过5℃，故不会产生局部过热现象。但煤气的炉出温度很高，热量损失较大，为此，需设置规模较大的废热回收系统。二常压流化床气化的特点4.粘结煤需经预处理原因：①流化床在使用具有膨胀或粘结性能的原料煤时，会遇到较大困难。因新鲜的煤料突然注入运行中的流化床气化炉时，煤粒几乎立即升温到床层的温度。此时，煤粒发生吸热反应(煤的热解及水蒸气分解反应等)的速度较慢，颗粒将由于剧烈升温而软化，生产胶质体，并与其它同类颗粒粘结成更大的颗粒。而且，很快发展成坚硬的半焦，致使床的流态化停滞或塌陷，而无法操作。二常压流化床气化的特点4.粘结煤需经预处理原因：②具有粘结性的煤粒，还容易发生爆裂。因为在新鲜煤粒进入床层以后，辐射热几乎立即传递到每一颗新的煤粒上，煤粒软化、熔融。与此同时，热解反应开始释放挥发分，首先从煤粒表面释放，继续吸热，内部挥发分析出。此时，坚固的半焦表层将对内部挥发分的析出造成阻力。有一些颗粒可逐渐形成足够大的内部压力而炸裂成许多小颗粒，产生煤粉，被气流带出而成为碳的损失。只有当原料颗粒足够小，或粘结性足够低时，可避免热炸裂的发生。二常压流化床气化的特点4.粘结煤需经预处理措施举例：①用流化床预氧化，破坏煤的粘结性。据报道，可在725~750℃，0.098MPa下，用流化床预处理煤，氧耗为0.062~0.093m3／kg。处理后煤中挥发分相应降低，煤表面由于氧化而形成了反射率很高的表层，这类表层还存在于煤粒的裂隙中和一些小气孔内部。粘结煤经预氧化处理可破坏它们的粘结性，但约损失三分之一的挥发分，固体减轻约50％，在经济上带来不利的结果。二常压流化床气化的特点4.粘结煤需经预处理措施举例：②将原料煤与半焦预混合后，再进入流化床层。当预混合比(半焦／原料煤)在2以上时，其压力为3.4MPa，温度为538℃的流化床氢气氛下，可维持正常操作；若使用更大的预混比，操作就会更安全。若不作事先混合，也可将新鲜煤粉进入床层后与半焦相混，但这种混合必须是迅速且彻底的，才能防止粘结。也就是，床层中必须有足够数量半焦和足够大流化床容积。二常压流化床气化的特点5.带出损失大严重的带出损失是流化床的一大缺点。煤料中原有的小颗粒组分以及在气化过程中，由于碳的消耗或热爆裂形成的细小颗粒都有可能被煤气流所带出。带出物的碳含量在40~60％，而且这部分飞灰的重新利用，在工艺上和设备上均存在一定的困难。二常压流化床气化的特点6.排出损失大由于流化床的组成均匀，混合充分，故要选择性地排除灰分困难很大。用传统的螺旋排灰机排出的干灰渣中含碳量往往很高。所以，有时为了避免排出物中损失过多的碳量，床层不得不在高灰浓度下操作以致煤气的产量和质量均受到不良的影响。7.流化床中煤粒始终处于运动状态，并具有流体的特性，所以，流化床特别适合于多器系统操作，可以方便地将固体在各器之间转移，使气化条件的选择和产品分布上有很大的灵活性。三加压流化床气化的特点1.压力对流化床的流体力学影响（1）对阻力的影响流化床的阻力降等于单位截面上床层的重力。当加入的固体原料数量恒定，且他们的膨胀度相同时，压力的变化，对流化床的阻力没有影响。三加压流化床气化的特点1.压力对流化床的流体力学影响（2）床层膨胀度的影响当气流的重量流量不变时，随着压力的提高床层膨胀度α急剧下降。为了使α达到保证正规流化所必需的值，则须提高气体的线速度即增加鼓风量。同时也使气体在床层中的停留时间相应增加，从而为强化气化过程创造了条件。而且，一般情况下加压流化床的工作状态比常压下稳定。三加压流化床气化的特点1.压力对流化床的流体力学影响（3）对带出物带出条件的影响随流化床反应器中压力的升高，由于气流密度增大，气流速度减小，床层结构的改善以及反应区流体力学状态的变化，这些都为减少气流从粒度组成较宽的床层中带出粉末创造了有利的条件。此时，不仅带出量下降，而且，带出物的颗粒尺寸也减少了。所以当床层膨胀度不变时，压力升高将使带出量大大减小。三加压流化床气化的特点2.压力对流化床气化过程的影响（1）加压流化床与常压流化床相比，压力对气化过程最大的影响是使气化炉的生产能力得到了很大的提高。三加压流化床气化的特点2.压力对流化床气化过程的影响（2）加压气化有利于提高煤气组成中的有效成分。压力的提高，有利于甲烷的生成反应，故在压力煤气中，甲烷含量均高于常压煤气，使煤气热值得到相应提高。甲烷生成热的释放，降低了气化的氧耗。如若氧气用量不变，则炉温可得到相应提高，在灰熔点允许的范围内，炉温的适当提高则有利于一氧化碳和氢气的生成，并可部分抵消因压力增加，对该两反应造成的不利影响。三加压流化床气化的特点2.压力对流化床气化过程的影响表5-1流化床加压气化与常压气化的比较第三节工艺过程特性一过程特点流化床（或称沸腾床）煤气化过程是碎煤在反应器内呈流化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。主要优点是床层温度均匀，传热传质效率高，气化强度大，使用粉煤，原料价格便宜，且煤种适应范围宽，产品煤气中基本不含焦油和酚类物质。主要缺点是气体中带出细粉过多而影响了碳转化率，但通过采用细煤粉循环技术此缺点可得到一定程度的克服。二反应特性（1）流化床煤气化的主要反应包括：煤热解反应、热解气体二次反应、煤焦与二氧化碳及水蒸气反应、水蒸气变换反应和甲烷化反应。图5-2无烟煤在流化床气化炉气化中气体组成及温度分布（2）二反应特性（2）流化床煤气化炉通过的气体流量，一方面受使床层煤粒流化的最低流化速度—临界流化速度的限制，另一方面受煤粒的最大流化速度—终端流化速度（吹出速度）的限制，在两者之间寻求最佳流化速度。如果流化速度低于临界流速，床层煤粒不能流化而容易造成结渣，操作恶化甚至停炉。如果流化速度高于终端流速，床层煤粒将被煤气大量夹带冲出炉外，破坏床层温度，使操作无法进行。临界流化速度与固体粒度和流体的物理性质有密切关系，可以用实验方法准确求得，也可以通过实际生产中总结出的经验公式进行计算。流化床气化炉的操作速度和临界速度之比称为流化数，试验得出在最佳流化速度下，对应的流化数为1.4~2.0，床层的膨胀比为1.5~2.0，颗粒的=5~6。可以用流化数评价流化床操作状态。minmax/dd二反应特性（3）加压流化床与常压流化床相比，具有固体物料带出量减少；氧耗降低，气化强度随着气化炉压力的提高而增加，生产强度的增加，大约与气化压力增加值的平方根成正比。同样生产能力下气化炉直径减少设备投资降低，使煤气利用的后系统减少煤气压缩功耗，所以加压流化床是重要发展方向。（4）提高流化床煤气化炉的气化温度，可以提高碳转化率和气化炉煤气产量，使煤气中甲烷下降，CO和增加。2H三流体力学条件当气体流速高于临界流化速度而低于其对应的极限沉降速度时，呈流化状态。当气速大于时，颗粒将被气流夹带出床层。1极限临界速率mfututu2流化床床层的膨胀和颗粒运动•流化床床层的膨胀是相对固定床而言的。流化床床层的体积比固定床大，其体积比称为流化床的膨胀比。•流化床的相对密度：流化床与固定床床层密度之比。•颗粒在流化床内剧烈运动是流化床的标志。由气化炉炉身和炉栅结构决定，可分为有规则运动和无规则运动。当炉栅直径等于炉身直径时，颗粒运动是不规则的；当炉栅直径小于炉身直径时，颗粒呈有规则流化，颗粒被吹到炉栅上部中央，然后从四周下降，形成内部循环。三流体力学条件流化床内在床层料面以上，相当数量的固体颗粒被气体带出。气体出口越高，夹带量越小，最后，在某一高度上夹带量趋近于常数。夹带接近常数的气体出口处距床层料面的高度称为输送分离高度TDH。对给定的颗粒和反应器，夹带量对气速非常敏感，约为的关系变化。但TDH对气速不敏感，对给定的气速TDH随反应器直径增大而增加。3夹带分离高度42~uu四对原料的要求流化床气化一般要求原煤破碎成10mm粒径的煤，1mm粒径细粉应控制10%以下，经过干燥除去大部分外在水分，进气化炉的煤含水量5%为宜。试验证明流化床更适合活性高的褐煤、长焰煤和弱黏烟煤，气化贫煤、无烟煤、焦粉时需提高气化温度和增加煤粒在气化内的停留时间。固体干法排渣，为防止炉内结渣除保持一定的流化速度外，要求煤的灰熔点ST应大于1250℃，气化炉操作温度（表温）一般选定在比ST温度低150~200℃的温度下操作比较安全。第四节常温温克勒(Winklee)煤气化技术第一个流化床煤气化工业生产装置—温克勒煤气化法1926年在德国投入运转。