煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識課件

氣化工藝的介紹氣化工藝的介紹1煤氣化工藝的發(fā)展以煤炭為原料經(jīng)化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品，而后再進一步加工成一系列化工產(chǎn)品或石油燃料的工業(yè)，稱之為煤化工。煤的焦化是應(yīng)用最早的煤化工，至今仍然是重要的方法。煤氣化在煤化工中占有特別重要的地位，煤氣化主要用于生產(chǎn)城市煤氣、各種工業(yè)用燃料氣和合成氣，在中國合成氣主要用于制取合成氨、甲醇、二甲醚等重要化工產(chǎn)品。通過煤炭加氫液化和氣化生產(chǎn)各種液體燃料和氣體燃料，利用碳一化學(xué)技術(shù)合成各種化工產(chǎn)品。隨著世界石油和天然氣資源的不斷減少、煤化工技術(shù)的改進、新技術(shù)和新型催化劑的開發(fā)成功、新一代煤化工技術(shù)的涌現(xiàn)，21世紀現(xiàn)代煤化工將會有廣闊的發(fā)展前景。煤氣化工藝的發(fā)展以煤炭為原料經(jīng)化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體2煤氣化的應(yīng)用大型加壓煤氣化技術(shù)、煤基合成液體燃料技術(shù)、大型流化床電站鍋爐、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（IGCC），煤、電、熱與化工產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，煤中硫、氮等污染物的脫除和控制技術(shù)、大型燃氣輪機技術(shù)、燃料電池技術(shù)等。煤氣化的應(yīng)用大型加壓煤氣化技術(shù)、煤基合成液體燃料技術(shù)、大型流3加壓煤氣化工藝的簡要介紹煤氣化工藝分為固定床加壓氣化技術(shù)、濕法氣流床加壓氣化技術(shù)、干法氣流床加壓氣化技術(shù)。固定床加壓氣化技術(shù)的主要代表有：德國魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)、BGL加壓氣化技術(shù)濕法氣流床加壓氣化技術(shù)的典型代表有：GE的TEXACO、華東理工大學(xué)的四噴嘴、多元料漿。干法氣流床加壓氣化技術(shù)的主要代表有：shell、西門子GSP、科林、北京航天、五環(huán)、華東理工也在水煤漿四噴嘴的基礎(chǔ)上研究粉煤氣化工藝。加壓煤氣化工藝的簡要介紹煤氣化工藝分為固定床加壓氣化技術(shù)、濕4碎煤加壓氣化工藝早在1927～1928年間，德國魯奇公司在德國東易河礦區(qū)利用褐煤在常壓下用氧氣作氣化劑來制取煤氣。煤氣經(jīng)加壓凈化后分離出二氧化碳可以使煤氣熱值提高。但在常壓下氣化爐產(chǎn)氣量有限，而且煤氣輸送的壓縮費用較高，從而促使人們進行加壓氣化工藝的研究。通過理論計算，在壓力為2.0MPa和溫度為1000K的平衡氣中，甲烷含量可達20％以上，這將大大提高煤氣的熱值。隨后的小型試驗結(jié)果也證實了加壓氣化理論的正確性。由于這一切都是在魯奇公司進行的，故將這種方法稱為魯奇式加壓氣化法。碎煤加壓氣化工藝早在1927～1928年間，德國魯奇公5魯奇爐對氣化的煤質(zhì)要求水分魯奇爐入爐煤的水分可以較高，但有些褐煤水分過高時，會促使褐煤塊受熱碎裂，造成氧耗增加，增加后系統(tǒng)的負荷及污水處理的投資，給原料預(yù)處理帶來困難。根據(jù)使用經(jīng)驗，當煤中水分高于20%時，水分含量每增加1%，氧耗增加1.5%，煤氣出爐溫度降低5℃，水汽含量增加3%。當水分含量上升到30%時，氣化爐的生產(chǎn)能力下降10%。魯奇爐對氣化的煤質(zhì)要求水分6灰分原則上對煤的灰分無嚴格要求。但煤中灰分含量增加，將導(dǎo)致消耗定額增加；氣化強度低，煤氣產(chǎn)率降低，灰渣含碳量增加，煤氣的熱值降低。從經(jīng)濟上考慮，控制煤灰分含量＜20%?；曳?煤的粒度褐煤6~40mm，煙煤5~25mm，焦炭和無煙煤5~20mm；要求最大粒徑與最小粒徑比為5~8；最小粒徑要在6mm以上，小于2mm的粉煤量控制在1.5%以內(nèi)，小于6mm的細粒煤控制在5%以內(nèi)。煤的粒度8黏結(jié)性能氣化坩堝膨脹序數(shù)7以下的強黏結(jié)性煤。但與褐煤相比，消耗指標增加10~15%，氣化爐的處理能力降低15~20%，氣化效率下降5%。反應(yīng)活性反應(yīng)活性越高越好。灰熔融溫度與結(jié)渣性這是影響汽氧比和氣化強度的關(guān)鍵，通常要求ST＞1200℃，最好高于1400℃。結(jié)渣性也影響操作溫度，結(jié)渣性強的煤操作溫度不宜過高。黏結(jié)性9魯奇加壓氣化技術(shù)的發(fā)展魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)的發(fā)展根據(jù)爐型的變化大致可劃分為三個發(fā)展階段。第一階段（1930～1954年）。1930年在德國希爾士斐爾德建立了第一套加壓氣化試驗裝置，1936年設(shè)計了第一代工業(yè)化的魯奇爐，以褐煤為原料生產(chǎn)城市煤氣，氣化劑為氧氣和水蒸氣，氣化劑通過爐箅的中空轉(zhuǎn)軸由爐底中心送入爐內(nèi)，出灰口設(shè)在爐底側(cè)面，爐內(nèi)壁有耐火襯里，只能氣化非黏結(jié)性煤，氣化強度較低。魯奇加壓氣化技術(shù)的發(fā)展魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)的發(fā)展根據(jù)爐型的變10第一代魯奇氣化爐，內(nèi)徑2600mm1烘箱2上部刮刀傳動機構(gòu)3煤氣出口管刮刀4噴冷器5爐體6爐箅7爐箅傳動機構(gòu)8刮灰刀9下灰頸管10灰箱11裙板A帶有內(nèi)部液壓傳動裝置的煤箱上閥B外部液壓傳動裝置C煤箱下閥的液壓傳動裝置第一代魯奇氣化爐，內(nèi)徑2600mm11第二階段（1954～1965年）。為了能夠氣化弱黏結(jié)性的煙煤，提高氣化強度，聯(lián)邦德國魯爾煤氣公司與魯奇公司合作建立了一套試驗裝置，對泥煤、褐煤、次煙煤、長焰煤、貧煤和無煙煤進行了氣化試驗，根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計了第二代魯奇爐。該爐型在爐內(nèi)設(shè)置了攪拌裝置，起到了破黏作用，從而可以氣化弱黏結(jié)性煤，同時取消了爐內(nèi)的耐火襯里，設(shè)置了水夾套，排灰改為爐底中心排灰，氣化劑由爐底側(cè)向進入爐箅下部。第二階段（1954～1965年）。為了能夠氣化弱黏結(jié)性的12第二代直徑2600mm中間除灰爐型1煤箱2上部傳動裝置3布煤器4攪拌裝置5爐體6爐算7爐箅傳動軸8氣化劑進口管9灰箱第二代直徑2600mm中間除灰爐型13第三階段（1969～1980）。為了進一步提高魯奇爐的生產(chǎn)能力，擴大煤種的應(yīng)用范圍，滿足現(xiàn)代化大型工廠的生產(chǎn)需要，經(jīng)對第二代爐改進，開發(fā)了第三代魯奇爐，其內(nèi)徑增大到3.8m，采用雙層夾套外殼，爐內(nèi)裝有攪拌器和煤分布器，轉(zhuǎn)動爐算采用寶塔型結(jié)構(gòu)，多層布氣，單爐產(chǎn)氣量提高到35000～55000m3/h（干氣），同時第三代爐的結(jié)構(gòu)材料、制造方法、操作控制等均采用了現(xiàn)代技術(shù)，自動化程度較高。第三階段（1969～1980）。為了進一步提高魯奇爐的生產(chǎn)14第三代加壓氣化爐，內(nèi)徑3800mm1煤箱2上部傳動裝置3噴冷器4裙板5布煤器6攪拌器7爐體8爐箅9爐箅傳動裝置10灰箱11刮刀12保護板第三代加壓氣化爐，內(nèi)徑3800mm151974年，魯奇公司與南非薩索爾合作開發(fā)出直徑為5m的第四代加壓氣化爐，該氣化爐幾乎能適應(yīng)各種煤種，其單爐產(chǎn)氣量可75000m3/h比第三代爐能力提高50％。此外，魯奇公司還開發(fā)研制了液態(tài)排渣氣化爐?？梢源蠓岣邭饣癄t內(nèi)燃燒區(qū)的反應(yīng)溫度，這樣不但減少了蒸汽消耗量，提高了蒸汽分解率，而且氣化爐出口煤氣有效成分增加，從而使煤氣質(zhì)量提高，單爐生產(chǎn)能力比固態(tài)排渣氣化爐提高3～4倍。魯奇公司還進行了“魯爾－100”氣化爐的研究開發(fā),該氣化爐將氣化壓力提高到10MPa，隨著操作壓力的提高，氧耗量降低，煤氣中甲烷含量提高，以替代天然氣。1974年，魯奇公司與南非薩索爾合作開發(fā)出直徑為5m的16魯奇加壓氣化介紹在實際的加壓氣化過程中，原料煤從氣化爐的上部加入，在爐內(nèi)從上至下依次經(jīng)過干燥、干餾、半焦氣化、殘焦燃燒、灰渣排出等物理化學(xué)過程。加壓氣化爐是一種自熱式反應(yīng)爐，通過在燃燒層中的C＋O2CO2這個主要反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，這些熱量提供給：①氣化層生成煤氣的各還原反應(yīng)所需的熱量；②煤的干餾與干燥所需熱量；③生成煤氣與排出灰渣帶出的顯熱；④煤氣帶出物顯熱及氣化爐設(shè)備散失的熱量。

魯奇加壓氣化介紹17燃料床層的結(jié)構(gòu)及特性在加壓氣化爐中，一般將床層按其反應(yīng)特性由下至上劃分為以下幾層：①灰渣層②燃燒層（氧化層）③氣化層（還原層）④干餾層⑤干燥層燃料床層的結(jié)構(gòu)及特性在加壓氣化爐中，一般將床層按其反應(yīng)特性由18煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識課件19灰渣層的主要功能是燃燒完畢的灰渣將氣化劑加熱，以回收灰渣的熱量，降低灰渣溫度。燃燒層主要是焦渣與氧氣的反應(yīng)即C＋O2CO2，它為其他各層的反應(yīng)提供了熱量。氣化層（也稱還原層）是煤氣產(chǎn)生的主要來源。干餾層及干燥層是燃料的準備階段，煤中的吸附氣體及有機物在干餾層析出。

灰渣層的主要功能是燃燒完畢的灰渣將氣化劑加熱，以回收灰渣的熱20加壓氣化的過程煤的干燥與部分燃燒階段煤的主要干燥階段發(fā)生在150℃以前，在此階段，煤失去大部分水分。之后，煤發(fā)生揮發(fā)反應(yīng)，開始釋放出揮發(fā)性物質(zhì)，它們主要是煤中可燃物熱解生成的氣體、焦油蒸汽和有機化合物，以及熱分解水所生成的水蒸汽。加壓氣化的過程煤的干燥與部分燃燒階段21隨溫度的升高，煤的干燥和氣化產(chǎn)物的釋放過程如下：100~200℃放出水分及吸附的CO2200~300℃放出CO2、CO和熱分解水300~400℃放出焦油蒸汽、CO、氣態(tài)碳氫化合物400~500℃焦油蒸汽產(chǎn)生達到最多，CO逸出減少直到終止500~600℃放出H2、CH4和碳氫化合物600℃以上碳氫化合物分解為甲烷和氫隨溫度的升高，煤的干燥和氣化產(chǎn)物的釋放過程如下：22煤的氣化階段及基本反應(yīng)過程在煤的氣化階段，發(fā)生了下列反應(yīng)：碳的氧化燃燒反應(yīng)：C+O2CO2+394.55kJ/mol2H2+O22H2O+21.8kJ/mol氣化反應(yīng)：CO2+C2CO-73.1kJ/molC+H2OCO+H2-131.0kJ/molC+2H2OCO2+2H2-88.9kJ/mol煤的氣化階段及基本反應(yīng)過程在煤的氣化階段，發(fā)生了下列反應(yīng)：23甲烷化反應(yīng)：爐內(nèi)溫度為700~800℃時CO+H2CH4+H2O+247.02kJ/mol一般情況下，煤的氣化過程均設(shè)計成使氧化和揮發(fā)裂解過程放出的熱量與氣化反應(yīng)、還原反應(yīng)所需的熱量加上反應(yīng)物的顯熱相抵消。總的熱量平衡采用調(diào)整輸入反應(yīng)器中的氧氣量和蒸汽量來控制。甲烷化反應(yīng)：24煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識課件25加壓氣化原理壓力下煤的氣化在高溫下受氧、水蒸氣、二氧化碳的作用，各種反應(yīng)如下：碳與氧的反應(yīng)：C＋O2CO2＋408.8MJ2C＋O22CO＋246.4MJCO2＋C2CO－162.4MJ2CO＋O22CO2＋570．24MJ加壓氣化原理壓力下煤的氣化在高溫下受氧、水蒸氣、二氧化碳的作26碳與水蒸氣的反應(yīng)：C＋H2OCO＋H2－118.8MJC＋2H2OCO2＋2H2－75.2MJCO＋H2OCO2＋H2＋42.9MJ碳與水蒸氣的反應(yīng)：27甲烷生成反應(yīng)：C＋2H2CH4＋87.38MJCO＋3H2CH4＋H2O＋206.2MJ2CO＋2H2CH4＋CO2＋247.4MJCO2＋4H2CH4＋2H2O＋162.9MJ2C＋2H2OCH4＋CO2＋125.6MJ甲烷生成反應(yīng)：28根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)反應(yīng)平衡原則，提高反應(yīng)壓力有利于化學(xué)反應(yīng)向體積縮小的反應(yīng)方向移動，提高反應(yīng)溫度，化學(xué)反應(yīng)則向吸熱的方向移動，對加壓氣化可以得出以下結(jié)論：①提高壓力，有利于煤氣中甲烷的生成，可提高煤氣的熱值；②提高氣化反應(yīng)溫度，有利于CO2＋C2CO向生成一氧化碳的方向進行，也有利于C＋H2OCO＋H2反應(yīng)，從而可提高煤氣中的有效成分。但提高溫度不利于生成甲烷的放熱反應(yīng)。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)反應(yīng)平衡原則，提高反應(yīng)壓力有利于化學(xué)反29魯奇加壓氣化工藝的技術(shù)特點氣化溫度1000~1250℃氣化壓力2.5~4MPa，固態(tài)排渣氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)設(shè)有攪拌裝置、煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動設(shè)備，設(shè)備的損壞與檢修較為頻繁，運行開工率較低，約為75~80%，需設(shè)置備爐。煤氣中含有焦油、酚等，煤氣的凈化、污水的處理、副產(chǎn)品回收工藝復(fù)雜，流程長蒸汽消耗量大，分解率低。入爐煤為碎煤煤氣中含有7~12%的甲烷及不飽和烴，單獨用于煤氣及多聯(lián)產(chǎn)還可以，如若用于合成其它產(chǎn)品還需將甲烷分離或轉(zhuǎn)化魯奇加壓氣化工藝的技術(shù)特點氣化溫度1000~1250℃30魯奇加壓氣化操作條件壓力對煤氣組成的影響隨著氣化壓力的提高，有利于體積縮小的反應(yīng)進行，煤氣中的CH4和CO2含量增加，煤氣的熱量提高。粗煤氣組成隨氣化壓力的變化如下圖所示。提高氣化壓力，可以提高煤氣熱值，這對生產(chǎn)城市煤氣是有利的，而對于生產(chǎn)合成原料氣則是不利的，故而氣化壓力的選擇要綜合考慮。魯奇加壓氣化操作條件壓力對煤氣組成的影響31壓力對煤氣產(chǎn)率的影響隨著壓力升高，煤氣產(chǎn)率下降。下圖給出了褐煤氣化時煤氣產(chǎn)率與氣化壓力的關(guān)系，煤氣產(chǎn)率隨壓力升高而下降是由于生成氣中甲烷增多，從而使煤氣總體積減少。壓力對煤氣產(chǎn)率的影響隨著壓力升高，煤氣產(chǎn)率下降。下圖給出了32

粗煤氣組成與氣化壓力關(guān)系煤氣產(chǎn)率與氣化壓力關(guān)系1－粗煤氣；2－凈煤氣粗煤氣組成與氣化壓力關(guān)系33壓力對氧氣和水蒸氣消耗量的影響隨著壓力升高，生成甲烷反應(yīng)速度加快，反應(yīng)釋放出的熱量增加，從而減少了碳燃燒反應(yīng)的耗氧量。氧氣消耗量、利用率與氣化壓力的關(guān)系如圖所示。氧氣利用率是指消耗1m3氧所制得煤氣的化學(xué)熱。壓力對氧氣和水蒸氣消耗量的影響34氣化壓力與氧氣耗量、氧氣利用率的關(guān)系

1－氧氣消耗量；2－氧氣利用率氣化壓力與氧氣耗量、氧氣利用率的關(guān)系

1－氧氣消耗量35水蒸氣消耗量與氣化壓力的關(guān)系如下圖所示。隨著壓力升高水蒸氣消耗量增多。因壓力升高，生成甲烷所耗氫量增加，則氣化系統(tǒng)需要水蒸氣分解的絕對量增加，而壓力增高卻使水蒸氣分解反應(yīng)向左進行的速度增大，即水蒸氣分解率下降。如在常壓下水蒸氣的分解率約為65％，而在2.0MPa下水蒸氣分解率降至36％左右。由于上述原因，加壓氣化比常壓氣化的水蒸氣耗量大大增加，如圖所示，20大氣壓比常壓下水蒸氣耗量高一倍以上，由干水蒸氣分解率下降，使加壓氣化的熱效率有所降低。水蒸氣消耗量與氣化壓力的關(guān)系如下圖所示。隨著壓力升高水蒸氣消36水蒸氣耗量與氣化壓力關(guān)系

1－氫量；2－水蒸氣絕對分解量；

3水蒸氣分解率水蒸氣耗量與氣化壓力關(guān)系

37氣化層溫度與氣化劑溫度對氣化的影響氣化層溫度對氣化的影響氣化層溫度降低，有利于放熱反應(yīng)的行，也就是有利于甲烷的生成反應(yīng)，使煤氣熱值提高。但溫度降的太多，如在650～700℃時，無論是甲烷生成反應(yīng)或其他氣化反應(yīng)的反應(yīng)速度都非常緩慢，在壓力為2.0MPa氣化褐煤時，氣化層溫度對粗煤氣組成的影響如下圖所示。氣化層溫度與氣化劑溫度對氣化的影響氣化層溫度對氣化的影響38

氣化層溫度對煤氣組成的影響氣化層溫度對煤氣組成的影響39通常，生產(chǎn)城市煤氣時，氣化層溫度一般在950～1050℃，生產(chǎn)合成原料氣時可以提高到1200～1300℃，氣化層溫度的提高主要受灰熔點的限制，當溫度過高超過灰的軟化點時，灰將變?yōu)槿廴趹B(tài)，這在固態(tài)排渣爐是不允許的。氣化層溫度過低不但降低反應(yīng)速度，也會使灰中殘余碳量增加，增大了原料損失，同時低溫還會使灰變細，增大了床層阻力，降低氣化爐的生產(chǎn)負荷。一般情況下在氣化原料煤種確定后，根據(jù)灰熔點來確定氣化層溫度。氣化劑溫度是指氣化劑人爐前的溫度，提高氣化劑溫度可以減少用于預(yù)熱氣化劑的熱量消耗，從而減少氧氣消耗量，較高的氣化劑溫度有利于碳的燃燒反應(yīng)的進行，使氧的利用率提高。氧氣消耗量及其利用率與氣化劑溫度的關(guān)系如下圖所示。通常，生產(chǎn)城市煤氣時，氣化層溫度一般在950～1050℃40

氣化劑溫度與氧氣利用率的關(guān)系1－氧氣利用率；2，3－分別為粗煤氣和凈煤氣產(chǎn)率；4－凈煤氣發(fā)熱值氣化劑溫度與氧氣利用率的41汽氧比的選擇汽氧比是指氣化劑中水蒸氣與氧氣的組成比例，即水蒸氣／氧氣的比值［kg/m3（標）］。在加壓氣化煤氣生產(chǎn)中，汽氧比是一個非常重要的操作條件，是影響氣化過程最活潑的因素。在一定的氣化溫度和煤氣組成變化條件下，同一煤種汽氧比有一個變動的范圍。不同煤種的變動范圍也不同。隨著煤的碳化度加深，反應(yīng)活性變差，為提高生產(chǎn)能力，汽氧比應(yīng)適當降低。在加壓氣化生中，各種煤種的汽氧比變動范圍一般為：褐煤6～8煙煤5～7，無煙煤4．5～6。改變汽氧比，實際上是調(diào)整與控制氣化過程的溫度，在固態(tài)排渣爐中，首先應(yīng)保證在燃燒過程中灰不熔融成渣，在此基礎(chǔ)上維持足夠高的溫度以保證煤完全氣化。汽氧比的選擇汽氧比是指氣化劑中水蒸氣與氧氣的組成比例，即水42在加壓氣化生產(chǎn)中，采用不同汽氧比，對煤氣生產(chǎn)的影響主要有以下幾個方面：在一定熱負荷條件下，水蒸氣的消耗量隨汽氧比的提高而增加，氧氣的消耗量隨汽氧比提高而相對減少。如下圖所示

汽氧比與蒸汽、氧氣消耗量的關(guān)系

1－水蒸氣消耗量；2－氧氣消耗量在加壓氣化生產(chǎn)中，采用不同汽氧比，對煤氣生產(chǎn)的影響主要有以下43由圖可看出水蒸氣量的變化幅度遠遠大于氧氣量的變化幅度。因此在實際生產(chǎn)中，要兼顧氣化過程和消耗指標來考慮，在不引起氣化爐產(chǎn)生結(jié)渣和氣質(zhì)變壞的情況下，盡可能采用較低的汽氧比。由圖可看出水蒸氣量的變化幅度遠遠大于氧氣量的變化幅度。因此在44汽氧比的提高，使水蒸氣的分解率顯著下降，這將加大煤氣廢水量。不但浪費了水蒸氣，同時還加大了煤氣冷卻系統(tǒng)的熱負荷，會使煤氣水廢水處理系統(tǒng)的負荷增加。汽氧比的改變對煤氣組成影響較大。隨著汽氧比的增加，氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度降低，煤氣組成中一氧化碳含量減少，二氧化碳還原減少使煤氣中二氧化碳與氫含量高，粗煤氣組成與汽氧比的關(guān)系如下圖所示汽氧比的提高，使水蒸氣的分解率顯著下降，這將加大煤氣廢水量。45

粗煤氣組成與汽氧比的關(guān)系粗煤氣組成與汽氧比的關(guān)系46汽氧比改變和爐內(nèi)溫度的變化對副產(chǎn)品焦油的性質(zhì)也有所影響。提高汽氧比以后，焦油中堿性組分下降，芳烴組分則顯著增加。汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系由上述汽氧比對氣化過程的影響可知，降低汽氧比，有利于氣化生產(chǎn)，但汽氧比的降低也是有限度的，一般汽氧比的選擇條件是：在保證燃燒層最高溫度低于灰熔點的前提下，盡可能維持較低的汽氧比。汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系如下圖汽氧比改變和爐內(nèi)溫度的變化對副產(chǎn)品焦油的性質(zhì)也有所影響。提高47

汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系48BGL液態(tài)排渣氣化爐魯奇液態(tài)排渣氣化爐是傳統(tǒng)固態(tài)排渣氣化爐的進一步發(fā)展，其特點是氣化溫度高，氣化后灰渣呈溶融態(tài)排出，因而使氣化爐的熱效率與單爐生產(chǎn)能力提高，煤氣的成本降低。液態(tài)排渣魯奇爐如下圖所示。BGL液態(tài)排渣氣化爐魯奇液態(tài)排渣氣化爐是傳統(tǒng)固態(tài)排渣氣化爐的491煤箱2上部傳動裝置3噴冷器4布煤器5攪拌器6爐體7噴嘴8排渣口9熔渣急冷箱10灰箱1煤箱50該爐氣化壓力為2.0～3.0MPa，氣化爐上部設(shè)有布煤攪拌器，可氣化較強黏結(jié)性的煙煤。氣化劑（水蒸氣十氧氣）由氣化爐下部噴嘴噴入，氣化時，灰渣在高于煤灰融點（T2）溫度下呈熔融狀態(tài)排出，熔渣快速通過氣化爐底部出渣口流人急冷器，在此被水急冷而成固態(tài)爐渣，然后通過灰鎖排出。該爐氣化壓力為2.0～3.0MPa，氣化爐上部設(shè)有布51BGL液態(tài)排渣氣化爐技術(shù)特點由于液態(tài)排渣氣化劑的汽氧比遠低于固態(tài)排渣，所以氣化層的反應(yīng)溫度高，碳的轉(zhuǎn)化率增大，煤氣中的可燃成分增加，氣化效率高。煤氣中CO含量較高，有利于生成合成氣。水蒸氣耗量大為降低，且配入的水蒸汽僅滿足于氣化反應(yīng)，蒸汽分解率高，煤氣中的剩余水蒸汽很少，故而產(chǎn)生的廢水遠小于固態(tài)排渣。BGL液態(tài)排渣氣化爐技術(shù)特點由于液態(tài)排渣氣化劑的汽氧比遠低于52氣化強度大。由于液態(tài)排渣氣化煤氣中的水蒸汽量很少，氣化單位質(zhì)量的煤所生成的濕粗煤氣體積遠小于固態(tài)排渣，因而煤氣氣流速度低，帶出物減少，因此在相同帶出物條件下，液態(tài)排渣氣化強度可以有較大提高。液態(tài)排渣的氧氣消耗較固態(tài)排渣要高，生成煤氣中的甲烷含量少，不利于生產(chǎn)城市煤氣，但有利于生產(chǎn)化工原料氣。氣化強度大。由于液態(tài)排渣氣化煤氣中的水蒸汽量很少，氣化單位質(zhì)53液態(tài)排渣氣化爐體材料在高溫下的耐磨、耐腐蝕性能要求高。在高溫、高壓下如何有效地控制熔渣的排出等問題是液態(tài)排渣的技術(shù)關(guān)鍵，尚需進一步研究。液態(tài)排渣氣化爐體材料在高溫下的耐磨、耐腐蝕性能要求高。在高溫54濕法氣流床加壓氣化技術(shù)濕法氣流床氣化是指煤或石油焦等固體碳氫化合物以水煤漿或水炭漿的形式與氣化劑一起通過噴嘴，氣化劑高速噴出與料漿并流混合霧化，在氣化爐內(nèi)進行火焰型非催化部分氧化反應(yīng)的工藝過程。具有代表性的工藝技術(shù)有美國德士古發(fā)展公司開發(fā)的水煤漿加壓氣化技術(shù)、道化學(xué)公司開發(fā)的兩段式水煤漿氣化技術(shù)、中國自主開發(fā)的多噴嘴煤漿氣化技術(shù)，它們當中以德士古發(fā)展公司水煤漿加壓氣化技術(shù)開發(fā)最早、在世界范圍內(nèi)的工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛。濕法氣流床加壓氣化技術(shù)濕法氣流床氣化是指煤或石油焦等固體碳氫55水煤漿氣化的煤質(zhì)要求總水分總水包括外水和內(nèi)水。外水是煤粒表面附著的水分，來源于人為噴灑和露天放置中的雨水，通過自然風(fēng)干即可失去。外水對德士古煤氣化沒有影響，但如果波動太大對煤漿濃度有一定影響，而且會增加運輸成本，應(yīng)盡量降低。煤的內(nèi)水是煤的結(jié)合水，以吸附態(tài)或化合態(tài)形式存在于煤中，煤的內(nèi)水高同樣會增加運輸費用，但更重要的是內(nèi)水是影響成漿性能的關(guān)鍵因素，內(nèi)水越高成漿性能越差，制備的煤漿濃度越低，對氣化有效氣體含量、氧氣消耗和高負荷運行不利。水煤漿氣化的煤質(zhì)要求總水分56揮發(fā)分及固定碳煤化程度增加，則可揮發(fā)物減少，固定碳增加。固定碳與可揮發(fā)物之比稱為燃料比，當煤化程度增加時，它也顯著增加，因而成為顯示煤炭分類及特性的一個參數(shù)。煤中揮發(fā)分高有利于煤的氣化和碳轉(zhuǎn)化率的提高，但是揮發(fā)分太高的煤種容易自燃，給儲煤帶來一定麻煩。揮發(fā)分及固定碳57灰分灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全反應(yīng)后其中的礦物質(zhì)在高溫下分解、化合所形成的惰性殘渣，是金屬和非金屬的氧化物和鹽類（碳酸鹽、硅鋁酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等）的混合體?；曳趾新试礁撸旱目偘l(fā)熱量就越低，漿化特性也多半較差。根據(jù)資料介紹，同樣反應(yīng)條件下，灰分含量每增加1％，氧耗約增加0.7～0.8％煤耗約增加1.3～1.5％。灰分含量的增高，不僅會增加廢渣的外運量，而且會增加渣對耐火磚的侵蝕和磨損，還會使運行黑水中固含量增高，加重黑水對管道、閥門、設(shè)備的磨損，也容易造成結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，因此應(yīng)盡量選用低灰分的煤種，以保證氣化運行的經(jīng)濟性?；曳?8灰熔點煤灰的熔融性習(xí)慣上用四個溫度來衡量，即煤灰的初始變性溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度。煤的灰熔點一般是指流動溫度，它的高低與灰的化學(xué)組成密切相關(guān)。一般認為，灰分中氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂的含量越多，灰熔點越低；氧化硅、氧化鋁含量越高，灰熔點愈高。但灰分不是以單獨的物理混合物形式存在，而是結(jié)晶成不同結(jié)構(gòu)的混合物，結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同灰熔點差異很大，不能以此作為惟一的判別標準。通常用下來粗略判斷煤種灰分熔融的難易程度：酸堿比＝SiO2＋Al2O3/Fe2O3＋CaO＋MgO當比值處于1～5之間時易熔，大于5時難熔。灰熔點59灰渣黏溫特性灰渣黏溫特性是指熔融灰渣的黏度與溫度的關(guān)系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤種（灰分組成）確定，它只與實際操作溫度有關(guān)。水煤漿氣化采用液態(tài)排渣，操作溫度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流動，但灰渣黏度太低，爐磚侵蝕剝落較快。根據(jù)有些廠家的經(jīng)驗，當操作溫度在1400℃以上每增加20℃，耐火磚熔蝕速率將增加一倍。溫度偏低，灰渣黏度升高，渣流動不暢，容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范圍內(nèi)操作才能在爐磚表面形成一定厚度的灰渣保護層，既延長了爐磚壽命又不致堵塞渣口。液態(tài)排渣爐氣化最佳操作溫度視灰渣的黏溫特性而定，一般推薦高于煤灰熔點30～50℃。最佳灰渣流動黏度對應(yīng)的溫度為最佳操作溫度，大多研究機構(gòu)認為最佳黏度應(yīng)控制在15~40Pa·s之間?；以靥匦?0助熔劑由于材料耐熱能力的限制，對灰熔點高于1400℃的煤如果還要采用熔渣爐氣化，建議使用助熔劑，以降低煤的灰熔點。根據(jù)煤質(zhì)中礦物質(zhì)對灰熔點影響的有關(guān)研究表明，添加適當助熔劑降低灰分組成的酸堿比，可有效降低灰熔點。助熔劑的種類及用量要根據(jù)煤種的特性確定，一般選用石灰石或氧化鐵作為助熔劑。石灰石及氧化鐵特別適宜作助熔劑的原因在于，它們是煤的常規(guī)礦物成分，幾乎對系統(tǒng)沒有影響，流動性與一般的水煤漿相同，加入后又能有效地改變?nèi)墼牡V物組成，降低灰熔點和黏度。視煤種的不同，氧化鈣的最佳加入量約為灰分總量的20～25％左右，氧化鐵為15％左右即可對灰熔點降低起到明顯作用。但助熔劑的加入量過大也會適得其反，另外灰渣成分不同對磚的侵蝕速率也會不同，因此還應(yīng)根據(jù)灰渣的組成和向火面耐火材料的構(gòu)成合理選擇助熔劑。加入助熔劑后氣化溫度的降低將使單位產(chǎn)氣量和冷煤氣效率提高、氧耗明顯降低，但同時也會使碳轉(zhuǎn)化率稍有降低、排渣量加大，過量加入石灰石還會使系統(tǒng)結(jié)垢加劇。在篩選煤種時，宜選擇灰熔點較低的煤種，這可有效地降低操作溫度，延長爐磚的使用壽命，同時可以降低氧耗、煤耗和助熔劑消耗。助熔劑61發(fā)熱量發(fā)熱量即熱值，是煤的主要性能指一，其值與煤的可燃組分有關(guān)，熱值越高每千克煤產(chǎn)有效氣量就越大，要產(chǎn)相同數(shù)量的有效氣煤耗量就越低。發(fā)熱量62元素分析煤中有機質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫五種元素構(gòu)成，碳是其中的主要元素。煤中的含碳量隨煤化程度增加而增加。年輕的褐煤含碳量低，煙煤次之，無煙煤最高。氫和氧含量隨煤化學(xué)程度加深而減少，褐煤最高，無煙煤最低。氮在煤中的含量變化不大，硫則隨成煤植物的品種和成煤條件的不同而有較大的變化，與煤化程度關(guān)系不大。氣化用煤希望有效元素碳和氫的含量越高越好，其他元素含量越低越好。元素分析煤中有機質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫五種元素構(gòu)成，碳63氧含量。一般在10％左右，對氣化過程沒有副作用。硫含量。煤中硫組分除少量不可燃硫隨渣排出外，大部分在氣化反應(yīng)中生成硫化氫和微量硫氧化碳，其中硫化氫會對設(shè)備和管道產(chǎn)生腐蝕。已有用戶使用過含硫量達5％的煤種，發(fā)現(xiàn)對氣化裝置影響不大。煤中含硫量的多少對后續(xù)的酸性氣體脫除和硫回收裝置影響也較大，因此要求煤中的可燃硫含量要相對穩(wěn)定，以便選擇正確的脫硫方法。氧含量。一般在10％左右，對氣化過程沒有副作用。64氮含量。煤中的氮含量決定著煤氣中氨含量和冷凝液的pH值，冷凝液中氨含量高，pH值高可減輕腐蝕作用。但生成過多的氨在低溫下會與二氧化碳反應(yīng)而形成堵塞引起故障，同時pH值的升高，極易引起碳酸鈣結(jié)垢，因此應(yīng)正確考慮氮含量的影響，以利于合理選擇設(shè)備材質(zhì)、平衡系統(tǒng)水量。煤中氮含量達到10％時生產(chǎn)中已證實不是大問題。氯含量。氣化反應(yīng)后氯有一部分隨固體渣排出裝置，另一部分溶滯于工藝循環(huán)水中。當氯含量過高時會對設(shè)備和管道造成腐蝕，特別是對于不銹鋼材質(zhì)，工藝運行中應(yīng)予以適當控制。一般氣化循環(huán)灰水中氯離子濃度控制在120×10－6～150×10－6之間。氮含量。煤中的氮含量決定著煤氣中氨含量和冷凝液的pH值，冷65砷含量。我國對188個煤樣抽查結(jié)果顯示煤中砷含量在0.5×10－6～176×10－6之間，雖然含量不高，隨煤種變化差異很大，但砷可以以揮發(fā)態(tài)單質(zhì)轉(zhuǎn)化到粗煤氣中，進入催化劑床層后與活性組分Co、Mo形成比較穩(wěn)定的化合物，從而使催化劑失去活性，造成不可恢復(fù)的慢性中毒。研究表明當變換催化劑中砷含量達到0．06％時，其反應(yīng)活性即開始下降，達到0．1％時基本失去全部反應(yīng)活性。因此煤中的砷含量越低越好。砷含量。我國對188個煤樣抽查結(jié)果顯示煤中砷含量在0.566可磨指數(shù)一般多用哈氏可磨指數(shù)（HardgroveIndex，簡寫HGI）表達煤的可磨性，它是指煤樣與美國一種粉碎性為100的標準煤進行比較而得到的相對粉碎性數(shù)值，指數(shù)越高越容易粉碎。煤的可磨指數(shù)決定于煤的巖相組成、礦質(zhì)含量、礦質(zhì)分布及煤的變質(zhì)程度。易于破碎的煤容易制成漿，節(jié)省磨機功耗，一般要求煤種的哈氏可磨指數(shù)在50～60以上?？赡ブ笖?shù)67綜上所述，從技術(shù)角度來看，水煤漿加壓氣化技術(shù)可以適用于大多數(shù)褐煤、煙煤及無煙煤的氣化，但從經(jīng)濟運行角度來看，在篩選煤種時可將以下指標作為參照進行比較：煤種的內(nèi)水以不大于8％為宜、灰分宜小于13％；灰熔點以小于1300℃的煤種為佳，但灰熔點太低對氣化采用廢鍋流程的不利，易使廢鍋結(jié)焦或積灰；發(fā)熱量參考指標為25MJ／kg，越高越好；盡可能選擇煤中有害物質(zhì)少、可磨性好、灰渣黏溫特性好的煤種；盡可能選擇服務(wù)年限長、儲量大、地質(zhì)條件相對好、煤層厚的礦點，以保證供煤質(zhì)量的穩(wěn)定。綜上所述，從技術(shù)角度來看，水煤漿加壓氣化技術(shù)可以適用于大多數(shù)68水煤漿的特性流變特性流體的流變特性是指流體受外力作用發(fā)生流動與變形的特性。煤漿黏度低是輸送的要求，也是煤漿通過噴嘴能充分霧化的需要。水煤漿能夠自由流動或泵送的最高黏度約為2～3Pa·s左右。水煤漿在攪拌、泵送與管道輸送過程中受到了不同程度的剪切作用，這些都會或多或少地改變煤漿的流變特性及其穩(wěn)定性，實際生產(chǎn)中應(yīng)加以注意。水煤漿的特性流變特性69粒度分布煤粉懸浮體系的特性除與原煤本身性質(zhì)有關(guān)外，其粒度組成即分布程度也將直接影響煤漿的物理和工藝特性。純粹的細粒子并不能制成高濃度的水煤漿，必須將粗細粒子適當搭配，使體系具有足夠?qū)挼牧６确植己瓦m宜的分布結(jié)構(gòu)，造成溶液中不同粒子間的相互鑲嵌才有利于制備高濃度煤漿。粒度分布狀況影響水煤漿的黏度和穩(wěn)定性，也影響水煤漿的燃燒反應(yīng)。從氣化反應(yīng)考慮，煤粉粒度越細越好，這有利于獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率。但是，細粒所占比率增加時，獲得同樣濃度的煤漿其制漿工藝要求將更高、粒級配比要求將更嚴，制漿成本相應(yīng)加大，這里需要綜合考慮。目前氣化用水煤漿粒度分布狀況是：通過40（420μm）的粒子為99％，通過200目（74μm）的微粒粒子為30％～50％，到底粒度分布范圍多少合適，這要取決于原煤特性及成漿實驗。粒度分布70煤漿濃度煤漿濃度高有利于提高氣化強度，并獲得較高的熱值。從經(jīng)濟運行考慮，般應(yīng)達到60％～70％，但濃度又受到黏度的限制，煤漿濃度越大黏度就越易升高，對泵送和霧化都不利。優(yōu)質(zhì)煤比劣質(zhì)煤黏度增加的快，當濃度超過50％時其黏度猛增。煤漿濃度下降會使送入氣化爐的水量提高，蒸發(fā)水分所需消耗的熱量增多，有效氣體成分減少，降低了冷煤氣效率，增加了氧耗，對氣化運行不利。煤漿濃度71煤漿的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示煤粉在水中的懸浮能力，是指煤漿在儲存與運輸期間保持均勻的特性。穩(wěn)定性與煤炭的性質(zhì)、顆粒的粒度分布、添加劑及水煤漿的流變特性等諸多因素有關(guān)。穩(wěn)定性越好越有利于煤漿的長時間儲存與遠距離輸送。煤漿的穩(wěn)定性72水煤漿氣化反應(yīng)是一個很復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程，水煤漿和氧氣噴入氣化爐后瞬間經(jīng)歷煤漿升溫及水分蒸發(fā)、煤熱解揮發(fā)、殘?zhí)細饣蜌怏w間的化學(xué)反應(yīng)等過程，最終生成以CO、H2為主要組分的粗煤氣（或稱合成氣、工藝氣），灰渣采用液態(tài)排渣。

水煤漿氣化反應(yīng)是一個很復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程，水煤漿和氧氣73水煤漿氣化工藝流程介紹水煤漿氣化工藝過程包括水煤漿制備、水煤漿加壓氣化和灰水處理三部分。水煤漿的制備一般采用濕法棒磨或球磨，氣化流程可選擇激冷式或廢鍋式流程，灰水處理一般采用高壓閃蒸、真空閃蒸、灰水沉淀配細灰壓濾的流程。水煤漿的制備和灰水處理工藝比較簡單，下面著重討論德士古水煤漿氣化的兩種典型流程。水煤漿氣化工藝流程介紹水煤漿氣化工藝過程包括水煤漿制備、水煤74激冷流程激冷流程75從煤輸送系統(tǒng)送來原料煤，經(jīng)過稱重后加入磨機，在磨機中與定量的水和添加劑混合制成一定濃度的煤漿。煤漿經(jīng)滾筒篩篩去大顆粒后流入磨機出口槽，然后用低壓煤漿泵送入煤漿槽，再經(jīng)高壓煤漿泵送入氣化噴嘴。通過噴嘴煤漿與空分裝置送來的氧氣一起混合霧化噴入氣化爐，在燃燒室中發(fā)生氣化反應(yīng)。氣化爐燃燒室排出的高溫氣體和熔渣經(jīng)激冷環(huán)被水激冷后，沿下降管導(dǎo)人激冷室進行水浴，熔渣迅速固化，粗煤氣被水飽和。出氣化爐的粗煤氣再經(jīng)文丘里噴射器和炭黑洗滌塔用水進一步潤濕洗滌，除去殘余的飛灰。根據(jù)需要，將所產(chǎn)粗煤氣經(jīng)變換制氫或做它用。生成的灰渣留在水中，絕大部分迅速沉淀并通過鎖渣罐系統(tǒng)定期排出界外。激冷室和炭黑洗滌塔排出黑水中的細灰（包括未轉(zhuǎn)換的炭黑）通過灰水處理系統(tǒng)經(jīng)沉降槽沉降除去，澄清的灰水返回工藝系統(tǒng)循環(huán)使用。為了保證系統(tǒng)水中的離子平衡，抽出小部分水送入生化處理裝置處理排放。從煤輸送系統(tǒng)送來原料煤，經(jīng)過稱重后加入磨機，在磨機中與定量76煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識課件77廢鍋流程廢鍋流程78廢鍋流程氣化爐燃燒室排出物經(jīng)過緊連其下的輻射廢鍋間接換熱副產(chǎn)高壓蒸汽，高溫粗煤氣被冷卻，熔渣開始凝固；含有少量飛灰的粗煤氣再經(jīng)過對流廢鍋進一步冷卻回收熱量，絕大部分灰渣（約占95％）留在輻射廢鍋的底部水浴中。出對流廢鍋的粗煤氣用水進行洗滌，除去殘余的飛灰，然后可送往下游工序進一步處理；粗渣、細灰及灰水的處理方式與激冷流程的方法相同。廢鍋流程氣化爐燃燒室排出物經(jīng)過緊連其下的輻射廢鍋間接換熱副產(chǎn)79水煤漿加壓氣化原理反應(yīng)基本原理煤是一種復(fù)雜的有機化合物，可用通式CmHnO來表示它的分子式。水煤漿噴入爐膛后在短短的5～7秒內(nèi)就完成了煤漿水分的蒸發(fā)、煤的熱解揮發(fā)、燃燒和一系列轉(zhuǎn)化反應(yīng)。爐膛內(nèi)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有（式中Q為反應(yīng)熱，放熱為正吸熱為負）：水煤漿加壓氣化原理反應(yīng)基本原理80CmHnO+［(m-1)/2+n/4］O2完全氧化mCO2+n/2H2O+QC＋O2完全氧化CO2＋QH2＋1/2O2完全氧化H2O＋QCO＋1/2O2完全氧化CO2＋QCmHnO＋(m-1)/2O2部分氧化mCO＋n／2H2＋QC＋1/2O2部分氧化CO＋QCmHnO(煤)煤熱解低鏈烴類（氣態(tài)）+焦炭CmHnO＋(m-1)H2O煤轉(zhuǎn)化mCO＋(m－1＋n／2)H2－QCmHnO＋(2m－1)H2O煤轉(zhuǎn)化mCO2＋(2m-1＋n／2)H2－QCmHnO＋(m－1)CO2煤轉(zhuǎn)化(2m－1)CO＋n／2H2－QCmHnO+［(m-1)/2+n/4］O2完全氧化mC81CH4＋2H2O甲烷轉(zhuǎn)化CO2＋4H2－QCH4＋H2O甲烷轉(zhuǎn)化CO＋3H2－QCH4＋CO2甲烷轉(zhuǎn)化2CO＋2H2－QC＋H2O碳氣化CO＋H2－QC＋CO2碳氣化2CO－QCH4＋2H2O甲烷轉(zhuǎn)化CO2＋4H2－Q82CO＋H2O變換反應(yīng)CO2＋H2＋Q3H2＋N2氨生成反應(yīng)2NH3＋QH2＋S硫化氫生成H2S＋QH2S＋COCOS生成H2＋COSCO＋H2O甲酸生成HCOOH上述反應(yīng)最終生成了以CO、H2、CO2、H2O為主要成分，以CH4、H2S、N2為次要成分，以COS、NH3、HCOOH、HCN為微量成分的產(chǎn)品氣。CO＋H2O變換反應(yīng)CO2＋H2＋Q83對水煤漿在氣化爐中反應(yīng)的幾種認知燃燒反應(yīng)在先氣化反應(yīng)過程分為兩步完成：第一步主要進行的是碳及其化合物被完全氧化的放熱反應(yīng)。第二步進行的是上述反應(yīng)產(chǎn)物、水蒸氣與煤的熱解產(chǎn)物、碳發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，認為出氣化爐的氣體組成主要由變換反應(yīng)決定，并同反應(yīng)甲烷化反應(yīng)和硫化氫還原反應(yīng)一起達到反應(yīng)平衡。該模型簡單實用，給計算帶來了許多方便，但卻無法圓滿解釋生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象，例如渣口堵塞有效氣含量反而上升等現(xiàn)象。對水煤漿在氣化爐中反應(yīng)的幾種認知燃燒反應(yīng)在先84二、部分氧化反應(yīng)在先水煤漿部分氧化反應(yīng)生成的干氣中CO、CO2和H2三組分總量占96～98％左右，基于這種狀況該模型將氣化反應(yīng)過程簡化為三個主要反應(yīng)，即CO的氧化反應(yīng)、C的部分氧化反應(yīng)和變換反應(yīng)。認為煤中的碳首先與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)全部生成CO；CO2產(chǎn)物則是由過量的氧與CO發(fā)生進一步的氧化反應(yīng)以及由CO和H2O發(fā)生變換反應(yīng)形成的；H2O量的增減則完全取決于變換反應(yīng)；H2量則為水蒸氣的增減量加上煤中帶入的氫量再扣除掉轉(zhuǎn)化為硫化氫時消耗掉的氫量，并認為變換反應(yīng)在出口處達到了平衡。根據(jù)以上假設(shè)對系統(tǒng)進行物料和熱量平衡，列出過程模型進行計算。同第一個模型一樣，這種簡化給計算帶來方便，但同時又掩蓋了氣化過程中發(fā)生的許多現(xiàn)象。二、部分氧化反應(yīng)在先85三、區(qū)域反應(yīng)模型華東理工大學(xué)對德士古氣化過程進行了大量的冷模試驗，并結(jié)合國內(nèi)氣化裝置運行的實際經(jīng)驗，提出了氣化反應(yīng)區(qū)域模型。根據(jù)對流動冷模試驗結(jié)果進行分析認為氣化爐燃燒室內(nèi)存在三個流動特征各異的區(qū)域，即射流區(qū)、回流區(qū)與管流區(qū)（見下圖）。射流區(qū)、回流區(qū)的存在使得氣化爐內(nèi)各物質(zhì)的停留時間出現(xiàn)差異，一般在0．2～30s之間，分布較寬，而爐膛的平均停留時間為5～7s。水煤漿在這些不同的區(qū)域中分別完成極為復(fù)雜的物理過程和化學(xué)過程?；瘜W(xué)反應(yīng)按照特征可分為燃燒反應(yīng)，又稱一次反應(yīng)，主要反應(yīng)產(chǎn)物為CO2和H2O；以及二次反應(yīng)，又稱轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要反應(yīng)產(chǎn)物為CO和H2。三、區(qū)域反應(yīng)模型86蒸發(fā)干燥等物理過程和燃燒反應(yīng)基本上在射流區(qū)中進行主要是煤、C、H2的完全氧化反應(yīng)。二次反應(yīng)主要發(fā)生在回流區(qū)與管流區(qū)，其中CO、H2大都來自回流流股，主要是煤的熱解、煤的轉(zhuǎn)化反應(yīng)、甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)、變換反應(yīng)。二次反應(yīng)也會在射流區(qū)內(nèi)發(fā)生；同樣，在回流區(qū)由于湍流的隨機性也會有H2、CO的燃燒反應(yīng)發(fā)生，可見圖中流體流動區(qū)域與氣化反應(yīng)區(qū)域并不完全重合。爐膛內(nèi)流動區(qū)域的存在以及各區(qū)內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)各不相同，導(dǎo)致爐膛內(nèi)存在著一定的溫度分布，火焰區(qū)溫度最高，管流區(qū)次之，回流區(qū)最低。蒸發(fā)干燥等物理過程和燃燒反應(yīng)基本上在射流區(qū)中進行主要是煤、C87水煤漿氣化技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點可用于氣化的原料范圍比較寬。幾乎從褐煤到無煙煤的大部分煤種都可采用該項技術(shù)進行氣化，還可氣化石油焦、煤液化殘渣、半焦、瀝青等原料，1987年以后又開發(fā)了氣化可燃垃圾、可燃廢料（如廢輪胎）的技術(shù)。工藝技術(shù)成熟，流程簡單，過程控制安全可靠，設(shè)備布置緊湊，運轉(zhuǎn)率高。氣化爐內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，爐內(nèi)沒有機械傳動裝置，操作性能好，可靠程度高。水煤漿氣化技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點可用于氣化的原料范圍比較寬。幾乎從褐88操作彈性大，氣化過程碳轉(zhuǎn)化率比較高。碳轉(zhuǎn)化率一般可達95～99％，負荷調(diào)整范圍為50～105％。粗煤氣質(zhì)量好，用途廣。由于采用高純氧氣進行部分氧化反應(yīng)，粗煤氣中有效成分（CO＋H2）可達80％左右，除含少量甲烷外不含其他烴類、酚類和焦油等物質(zhì)，粗煤氣后續(xù)過程無須特殊處理而可采用傳統(tǒng)氣體凈化技術(shù)。產(chǎn)生的粗煤氣可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、羰基化學(xué)品、醋酸、醋酐及其他相關(guān)化學(xué)品，還可用于供應(yīng)城市煤氣，也可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）裝置。操作彈性大，氣化過程碳轉(zhuǎn)化率比較高。碳轉(zhuǎn)化率一般可達95～89可供選擇的氣化壓力范圍寬。氣化壓力可根據(jù)工藝需要進行選擇，目前商業(yè)化裝置的操作壓力等級在2.6～6.5MPa之間，中試裝置的操作壓力最高已達8.5MPa，這為滿足多種下游工藝氣體壓力的需求提供了基礎(chǔ)。6.5Mpa高壓氣化為等壓合成其他碳一類化工產(chǎn)品如甲醇、醋酸等提供了條件，既節(jié)省了中間壓縮工序，也降低了能耗。單臺氣化爐的投煤量選擇范圍大。根據(jù)氣化壓力等級及爐徑的不同，單爐投煤量一般在400～1000t／d（干煤）左右，但在美國Tampa氣化裝置最大氣化能力達2200t／d（干煤）?？晒┻x擇的氣化壓力范圍寬。氣化壓力可根據(jù)工藝需要進行選擇，目90氣化過程污染少，環(huán)保性能好。高溫高壓氣化產(chǎn)生的廢水所含有害物極少，少量廢水經(jīng)簡單生化處理后可直接排放；排出的粗、細渣既可做水泥摻料或建筑材料的原料也可深埋于地下，對環(huán)境沒有其他污染。氣化過程污染少，環(huán)保性能好。高溫高壓氣化產(chǎn)生的廢水所含有害物91干法氣流床加壓氣化技術(shù)氣流床氣化是煤炭氣化的一種重要形式。原料煤是以粉狀入爐，粉煤和氣化劑經(jīng)由燒嘴或燃燒器一起夾帶、并流送入氣化爐，在氣化爐內(nèi)進行充分的混合、燃燒和氣化反應(yīng)。由于在氣化爐內(nèi)氣固相對速度很低，氣體夾帶固體幾乎是以相同的速度向相同的方向運動，因此稱為氣流床氣化或夾帶床氣化。干法氣流床加壓氣化技術(shù)氣流床氣化是煤炭氣化的一種重要形式。原92粉煤氣化的特點粉煤進料煤的氣化反應(yīng)是非均相反應(yīng)，又是劇烈的熱交換反應(yīng)，影響煤氣化反應(yīng)的主要因素除氣化溫度外，氣固間的熱量傳遞、固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)速率及氣化劑向固體內(nèi)部的擴散速率是控制氣化反應(yīng)的主要因素。氣流床氣化是氣固并流，氣體與固體在爐內(nèi)的停留時間幾乎相同，都比較短，一般在1～10s。煤粉氣化的目的是想通過增大煤的比表面積來提高氣化反應(yīng)速度，從而提高氣化爐的生產(chǎn)能力和碳的轉(zhuǎn)化率。粉煤氣化的特點粉煤進料93在流化床氣化過程中，氣體和固體的流動是并流和逆流共存，要保證氣化爐的正常操作，對入爐原料中粉煤的含量也要求控制在一定的比例。而氣流床氣化入爐原料的粒度越細對氣化反應(yīng)越有利。煤的顆粒直徑從10cm降到0.01mm（10μm），煤的比表面積約擴大104倍，這樣可以有效地提高氣化反應(yīng)速率，從而提高氣化爐的生產(chǎn)能力和碳的轉(zhuǎn)化率。因此，粉煤氣化通過降低入爐原料粒度來提高固體原料的比表面對氣化反應(yīng)就更有其特殊意義。隨著采煤技術(shù)自動化程度的提高，商品煤中粉煤含量越來越多，因此采用粉煤氣化就顯得日趨重要。在流化床氣化過程中，氣體和固體的流動是并流和逆流共存，要保證94高溫氣化氣流床煤氣化反應(yīng)溫度比較高，氣化爐內(nèi)火焰中心溫度一般可高達2000℃以上，出氣化爐氣固夾帶流的溫度也高達1400～1700℃，參加反應(yīng)的各種物質(zhì)的高溫化學(xué)活性充分顯示出來，因而碳轉(zhuǎn)化率特別高。高溫下煤中的揮發(fā)分如焦油、氮、硫化物、氰化物也可得到充分的轉(zhuǎn)化。其他組分也通過徹底的“內(nèi)部燃燒”得到鈍化。因此，得到的產(chǎn)品煤氣比較純凈，煤氣洗滌污水比較容易處理。對非燃料用氣如合成氨或甲醇的原料氣來說，甲烷是不受歡迎的，隨著氣化溫度的升高其所產(chǎn)生的氣體中甲烷含量顯著降低，因此氣流床煤氣化特別適合于生產(chǎn)高CO＋H2含量的合成氣。高溫氣化生產(chǎn)合成氣的顯熱可通過廢熱鍋爐回收，生產(chǎn)蒸汽。在某些情況下，所生產(chǎn)的蒸汽除自身生產(chǎn)應(yīng)用外，還可以和其他的化工企業(yè)或發(fā)電企業(yè)聯(lián)合一起利用。高溫氣化95液態(tài)排渣在氣流床氣化過程中，夾帶大量灰分的氣流，通過熔融灰分顆粒間的相互碰撞，逐漸結(jié)團、長大，從氣流中得到分離或黏結(jié)在氣化爐壁上，并沿爐壁向下流動，以熔融狀態(tài)排出氣化爐。經(jīng)過高溫的爐渣，大多為惰性物質(zhì)，無毒、無害。由于是液態(tài)排渣，要保證氣化爐的穩(wěn)定操作，氣化爐的操作溫度一般在灰的流動溫度（FT）以上，原料煤的灰熔點越高，要求氣化操作溫度也就越高，這樣勢必會造成氣化氧氣的消耗量增加，影響氣化運行的經(jīng)濟性，因此，使用低灰熔點煤是有利的。對于高灰熔點煤，可以通過添加助熔劑，降低灰熔點和灰的黏度，從而提高氣化的可操作性。液態(tài)排渣96幾種氣化爐的結(jié)構(gòu)

航天爐幾種氣化爐的結(jié)構(gòu)航天爐97GSP粉煤氣化爐GSP98Shell粉煤氣化爐Shell99

科林爐煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識課件100粉煤氣化對煤質(zhì)的要求通過與各設(shè)計院交流及實際考察航天爐在臨泉的應(yīng)用，粉煤氣化并不是所有的煤都能夠氣化，煤的組成、灰的組成、灰分的粘溫特性決定煤能否適用于粉煤氣化。粉煤氣化對煤質(zhì)的要求101水分

煤中水分為內(nèi)水與外水，外在水分是在采煤過程中加入的水或空氣狀態(tài)下煤吸收空氣中的水分，內(nèi)水是水以絡(luò)合態(tài)存在于煤中。外在水通過干燥可以去除，內(nèi)水則只能在高溫氣化過程中通過水的熱解將水轉(zhuǎn)變?yōu)镠2。內(nèi)水含量的高低直接影響粉煤的輸送。目前為止無論Shell、GSP、航天爐的氣化用煤，其內(nèi)水含量均未超過8%。選用粉煤氣化考慮煤粉輸送以水分保證粉煤在輸送過程中不結(jié)團，保證粉煤能夠連續(xù)輸送。高于8%內(nèi)水的煤的輸送要通過煤輸送實驗確定。水分

煤中水分為內(nèi)水與外水，外在水分是在采煤過程中加入的水或102灰分灰分是煤中的惰性物質(zhì)，其含量的高低對氣化反應(yīng)影響不大，但對輸煤，氣化爐及灰處理系統(tǒng)影響較大?；曳衷礁?，氣化煤耗、氧耗越高，氣化爐及灰渣處理系統(tǒng)負擔也就越重，嚴重時會影響氣化爐的正常運行。由于粉煤氣化爐是采用冷壁結(jié)構(gòu)，以渣抗渣，如果灰分含量太低，氣化爐的熱損大，且不利于爐壁的抗渣保護，影響氣化爐的使用壽命?；曳?03煤粉粒度、揮發(fā)分及反應(yīng)活性揮發(fā)分是煤加熱后揮發(fā)出的有機質(zhì)（如焦油）及其分解產(chǎn)物。它是反映煤的變質(zhì)程度的重要標志，能夠大致地代表煤的變質(zhì)程度。一般而言，揮發(fā)分越高，煤化程度越淺，煤質(zhì)越年輕，反應(yīng)活性越好，對氣化反應(yīng)越有利。由于粉煤氣化爐采用的是高溫氣化，氣體在爐內(nèi)的停留時間比較短，這時氣固之間的擴散反應(yīng)是控制碳的轉(zhuǎn)化的重要因素，因此對煤粉粒度要求比較細，而對揮發(fā)分及反應(yīng)活性的要求不像固定床那樣嚴格。由于煤粉粒度的粗細直接影響了制粉的電耗和成本，因此在保證碳的轉(zhuǎn)化前提下，對揮發(fā)分含量高、反應(yīng)活性好的煤可適當放寬煤粉粒度，對于低揮發(fā)分、反應(yīng)活性差的煤（如：無煙煤）煤粉粒度應(yīng)越細越好。煤粉粒度、揮發(fā)分及反應(yīng)活性104總硫煤中硫的存在，在氣化環(huán)境中形成H2S和COS。硫含量過高，會給后系統(tǒng)煤氣的凈化及脫硫帶來負擔，并直接影響煤氣凈化系統(tǒng)的投資及運行成本。對煤中硫含量的選擇，應(yīng)結(jié)合凈化裝置的設(shè)計及投資綜合考慮?？偭?05灰熔點及灰組成粉煤氣化屬熔渣、氣流床氣化，為保證氣化爐能順利排渣，氣化操作溫度要高于灰熔點FT（流動溫度）約100～150℃。如灰熔點過高，勢必要求提高氣化操作溫度，從而影響氣化爐運行的經(jīng)濟性。因此FT溫度低對氣化排渣有利。對高灰熔點煤，一般可以通過添加助熔劑來改變煤灰的熔融特性，以保證氣化爐的正常運轉(zhuǎn)。灰熔點及灰組成粉煤氣化屬熔渣、氣流床氣化，為保證氣化爐能順利106煤灰主要是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2及Na2O、K2O等組成。一般而言，煤灰中酸性組分SiO2、Al2O3、TiO2和堿性組分Fe2O3、CaO、MgO、Na2O等的比值越大，灰熔點越高。煤灰組成一般對氣化反應(yīng)無多大影響，但其中某些組分含量過高會影響煤灰的熔融特性，造成氣化爐渣口排渣不暢或渣口堵塞（主要是Fe2O3和CaO）。對助熔劑及加入量的選擇，應(yīng)結(jié)合煤灰組成，通過添加某些組分（一般選用堿性組分），調(diào)整煤灰的相對組成，以改善灰的熔融特性。添加助熔劑將或多或少地增加運行成本和建設(shè)投資。這些費用的增加可以通過降低氣化操作溫度，節(jié)約氧耗和煤耗來補償。煤灰主要是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO107綜合來看，粉煤氣化適應(yīng)相對低的灰熔點（1300~1400℃）；灰分＞10%，以保證灰渣的形成與流動有一個平衡，能夠保證氣化爐內(nèi)壁的灰渣層均勻，減少熱損失，主要的是能真正做到“以渣抗渣”和灰渣的粘溫特性能夠保證氣化操作的穩(wěn)定。如果灰分含量低，可通過添加適當?shù)幕一蛲ㄟ^配煤方式來改變灰含量，但同時要兼顧氣化溫度、灰渣的形成與流動平衡來保證氣化爐的穩(wěn)定運行。綜合來看，粉煤氣化適應(yīng)相對低的灰熔點（1300~1400℃）108粉煤氣化工藝流程的描述Shell粉煤氣化工藝流程粉煤氣化工藝流程的描述Shell粉煤氣化工藝流程109

來自制粉系統(tǒng)的干燥粉煤由氮氣或二氧化碳氣經(jīng)濃相輸送至爐前煤粉儲倉及煤鎖斗，再經(jīng)由加壓氮氣或二氧化碳氣加壓將細煤粒由煤鎖斗送入周向相對布置的氣化燒嘴。氣化需要的氧氣和水蒸氣也送入燒嘴。通過控制加煤量，調(diào)節(jié)氧量和蒸汽量，使氣化爐在1400～1700℃范圍內(nèi)運行。氣化爐操作壓力為2～4MPa。在氣化爐內(nèi)煤中的灰分以熔渣形式排出。絕大部分熔渣從爐底離開氣化爐，用水激冷，再經(jīng)破渣機進入渣鎖系統(tǒng)，最終泄壓排出系統(tǒng)。熔渣為一種惰性玻璃狀物質(zhì)。來自制粉系統(tǒng)的干燥粉煤由氮氣或二氧化碳氣經(jīng)濃相輸送至爐110出氣化爐的粗煤氣挾帶著飛散的熔渣粒子被循環(huán)冷卻煤氣激冷，使熔渣固化而不致粘在合成氣冷卻器壁上，然后再從煤氣中脫除。合成氣冷卻器采用水管式廢熱鍋爐，用來產(chǎn)生中壓飽和蒸汽或過熱蒸汽。粗煤氣經(jīng)省煤器進一步回收熱量后進入陶瓷過濾器除去細灰（＜20mg／m3）。部分煤氣加壓循環(huán)用于出爐煤氣的激冷。粗煤氣經(jīng)脫除氯化物、氨、氰化物和硫（H2S、COS），HCN轉(zhuǎn)化為N2或NH3，硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫。工藝過程大部分水循環(huán)使用。廢水在排放前需經(jīng)生化處理。如果要將廢水排放量減少到零，可用低位熱將水蒸發(fā)。剩下的殘渣只是無害的鹽類。出氣化爐的粗煤氣挾帶著飛散的熔渣粒子被循環(huán)冷卻煤氣激冷，使熔111航天爐氣化流程航天爐氣化流程112GSP氣化工藝流程GSP氣化工藝流程113粉煤氣化的原理氣流床氣化過程實際上是煤炭在高溫下的熱化學(xué)反應(yīng)過程。由于在氣化爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生多相反應(yīng)，反應(yīng)過程極為復(fù)雜，可能進行的化學(xué)反應(yīng)很多。在高溫條件下，生成的水煤氣中主要含CO、H2、CO2、H2O、