煤炭气化原理

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1、煤炭气化原理煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、 CH4等可燃气体和C02、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条 件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。气化原料为各种煤或焦炭。煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括热解和气化和燃烧四个阶段。干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。其他属于化学变 化，燃烧也可以认为是气化的一部分。煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步 升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解 水等），同

2、时煤粘结成半焦。煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的 气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、 水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧 反应，提供气化过程的热量。主要反应有：1、水蒸气转化反应C+H2O=CO+H2-131KJ/mol2、水煤气变换反应CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol3、部分氧化反应C+0.5 O2=CO+111KJ/mol4、完全氧化（燃烧）反应C+02二C02+394KJ/mol5、甲烷化反应C0+2H2二CH4+

3、74KJ/mol6、Boudouard 反应C+C02=2C0-172KJ/mol气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固 相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即 非均相气一固反应和均相的气相反应。气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固 相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即 非均相气一固反应和均相的气相反应。不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气 化用煤的特性及其影响极为重要。不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气

4、化用煤的特性及其影响极为重要。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、 结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按气 化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有：1）固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部 加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢， 甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以 很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉 顶加入，气化剂由

5、炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变 化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气 化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化 过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂于煤逆流接触，气化过程 进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。固定床气化炉常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi） 2种。 前者用于生产合成气时一定要采用白煤（无烟煤）或焦碳为原料，以降低合成气中 CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多；后者

6、国内有20多台炉子，多用 于生产城市煤气；该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。2）流化床气化：它是以粒度为 0-10mm 的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内 使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料 层内温度均一，易于控制，提高气化效率。流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自 下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速 地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化能得 以迅速发展的主要原因在于：（1）生产强度较固定床大。（2）直接使用小颗粒碎 煤为原料，适应采煤技

7、术发展，避开了块煤供求矛盾。（3）对煤种煤质的适应性 强，可利用如褐煤等高灰劣质煤作原料。流化床气化炉常见有温克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循环流化床 （CFB）、加压流化床（PFB是PFBC的气化部分）等。（1）、循环流化床气化炉CFB鲁奇公司开发的循环流化床气化炉（CFB）可气化各种煤，也可以用碎木、树 皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强 度大，是移动床的2倍，碳转化率高（97%），炉底排灰中含碳2%3%，气化原料 循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在（5 7） m/s之间，有很高的传热传质速度。气化压力

8、0.15MPa。气化温度视原料情况进 行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在（8001050）C之间。鲁奇公司的 CFB气化技术，在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工 厂，在世界市场处于领先地位。CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料生产合成气，每公斤煤消耗气化 剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气（1.92.0） m3。煤气成份 CO+H275%, CH4含量2.5%左右，CO215%，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中 CO2含量，有利于合成氨的生产。3）气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带 入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤

9、浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰 熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉 2 类；从专 利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化 炉，气化温度13501500C ；后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500 1900C高温下气化，残渣以熔渣形式排出。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进 入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下，因 此，其热解、燃烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应 的气化剂、热解挥发物及燃烧产物

10、裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤 焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输 送”，习惯上称为气流床气化。气流床气化具有以下特点：(1)短的停留时间(通常1s) ； (2)高的反应温度(通 常1300-1500C)； (3)小的燃料粒径(固体和液体，通常小于0. 1mm)； (4)液态排 渣。而且，气流床气化通常在加压(通常20-50bar)和纯氧下运行。气流床气化主要有以下几种分类方式：(1) 根据入炉原料的输送性能可分为干法进料和湿法进料；(2) 根据气化压力可分为常压气化和加压气化；(3) 根据气化剂可分为空气气化和氧气气化；(4) 根据熔渣特性可

11、分为熔渣气流床和非熔渣气流床。在熔渣气流床气化炉中，燃料灰分在气化炉中熔化。熔融的灰分在相对较冷 的壁面上凝聚并最终形成一层保护层，然后液态熔渣会沿着该保护层从气化炉下部 流出。熔渣的数量应保证连续的熔渣流动。通常，熔渣质量流应至少占总燃料流的 6%。为了在给定的温度下形成具有合适粘度的液态熔渣，通常在燃料中添加一种被 称为助熔剂的物质。这种助熔剂通常是石灰石和其它一些富含钙基的物质。在非熔 渣气流床气化炉中，熔渣并不形成，这就意味着燃料必须含有很少量的矿物质和灰 分，通常最大的灰分含量是1%。非熔渣气流床气化炉由于受原料的限制，因此工 业上应用的较少。气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、

12、含灰都具有较大的兼容性，国 际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁、高效代表着当今技术发展 潮流。干粉进料的主要有 K-T （Koppres-Totzek）炉、Shell- Koppres 炉、Prenflo 炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉，湿法煤浆进料的主要有德士古（Texaco）气化 炉、Des tec 炉。（1）、德士古（Texaco）气化炉美国Texaco（2002年初成为Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收 购）开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为6065%的水煤浆，用纯氧作气 化剂，在高温高压下进行气化反应，气化压力在3.08.5MPa之间

13、，气化温度 1400C，液态排渣，煤气成份CO+H2为80%左右，不含焦油、酚等有机物质，对环 境无污染，碳转化率9699%，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高， 而且煤适应范围较宽。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT- 3，1989年立项，1996年7月投运，12月宣布进入验证运行。该装置为单炉，日 处理煤20002400吨，气化压力为2.8MPa,氧纯度为95%，煤浆浓度68%，冷煤 气效率76%，净功率250MW。Texaco气化炉由喷嘴、气化室、激冷室（或废热锅炉）组成。其中喷嘴为三通 道，工艺氧走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧射流之间。水

14、煤浆气化喷 嘴经常面临喷口磨损问题，主要是由于水煤浆在较高线速下（约30m/s）对金属材质 的冲刷腐蚀。喷嘴、气化炉、激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键。80年代末至今，中国共引进多套 Texaco 水煤浆气化装置，用于生产合成 气，我国在水煤浆气化领域中积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发 经验与知识。从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，主要优点：水煤浆制备输 送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，投资省。由于工程设计和操作 经验的不完善，还没有达到长周期、高负荷、稳定运行的最佳状态，存在的问题还 较多，主要缺点：喷嘴寿命短、激冷环寿命仅一年、褐煤的制浆浓度约59% 61%；烟煤的制浆浓度为 65%；因汽化煤浆中的水要耗去煤的 8%，比干煤粉为原料 氧耗高 12%20%，所以效率比较低。