煤气化基础知识

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1、第一章 煤的组成和性质一、煤的形成煤是一种固体可燃有机岩。它是由植物遗体转变而来的大分子有机化合物。大量 堆集的古代植物残体在复杂漫长的生物、地球化学、物理化学作用下，经过不断的繁 衍、分解、化合、聚集后，植物中的碳、氢、氧以二氧化碳、水和甲烷的形式逐渐放 出而生成含碳较多，含氧较少的成煤植物，再经煤化作用依次形成为：泥炭一褐煤一 烟煤一无烟煤一超级无烟煤。二、煤的元素分析和工业分析：1、煤的元素分析主要包括：碳、氢、氧、氮、硫五种元素。 碳是其中的主要元素。煤中的碳含量随煤化程度增加而增加。年轻的褐煤含碳量低， 烟煤次之，无烟煤最高。 氢是煤中的第二大元素，其燃烧时可以放出大量的热量。煤中的

2、氢含量随煤化程度 加深而减少；褐煤最高，无烟煤最低，烟煤居中。 氧也是组成煤有机质的一个重要元素。氧元素在煤的燃烧过程中并不产生热量，但 能与氢生成水，吸收燃烧热。是动力用煤的不利元素。它在煤中的含量随煤化程度 的加深而降低。 氮在煤中的含量比较少，随煤化程度变化不大。主要于成煤的植物品种有关。 硫是煤中的最有害杂质。燃烧时会生成二氧化硫，它不仅腐蚀金属设备，而且对环 境有污染。硫随成煤植物的品种和成煤条件不同而有较大的变化，与煤化程度关系 不大。2、煤的工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳。 水分：根据水在煤中的存在状态，人们把煤中水分分为：外在水、内在水、结晶 水和化合水。煤种的水对煤的工

3、业利用和运输都是不利的。在水煤浆制备过程中， 内水过高（8）不利于制的高浓度的煤浆。 灰分：煤中所有的可燃物质完全燃烧后以及煤中的矿物质在高温下产生分解、化 合等复杂反应后剩下的残渣。这些残渣几乎全部来自于煤中的矿物质。它的含量 也是煤气化的主要控制指标之一。灰分含量越高，相对碳的含量就低，粗渣和飞 灰量增大。灰水处理工号的负担加大。 挥发分：煤在一定的温度下加热后将分解出水、氢、碳的氧化物和碳氢化合物。 人们把除去分解水后的分解物称作挥发分。挥发分随煤化程度的增加而降低的规 律非常明显。利用挥发分可以计算煤的发热量和焦油产率。原料挥发分髙时，制 的的煤气中甲烷等碳氢化合物含量高，不利于合成氨

4、生产。挥发分中的焦油等物 凝结后，易堵塞管道和阀门。这也就是常压固定床煤气炉必须使用无烟煤或焦炭 的缘由。 固定碳：煤样在900C左右的温度下隔绝空气加热7分钟后，残余物扣除灰分后 所得的百分率即为煤的固定碳含量。种类 成分7、一木材泥炭褐煤低烟煤烟煤半烟煤半无烟 煤无烟煤水分56.7034.5524.283.242.033.382.80扌车发分26.1435.3427.6327.1314.47&471.16固定碳11.1722.9144.8462.5275.3176.6588. 21灰分5.997.203.257.118.1911.507.83硫0.641.100.360.952.260.6

5、30.89氢6.256.336.606.145.244.143.581.89碳49.5021.0342.4055.2978.0079.9778. 4384.36氮1.101.100.571.071.281.261.000.63氧43.1562.9142.1333.907.474.184.854.403、灰分及灰熔点：1）灰分的化学组成及性质： 煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在高温下产生分解、化合等复 杂反应后剩下来的残渣。是金属和非金属的氧化物和盐类，最常见的是钙、镁、铁等的碳酸 盐，钾、镁等的硅铝酸盐，钙、铝、镁、钠、钾等的硅酸盐，硫酸盐（石膏），硫化物（黄铁 矿等），食

6、盐及氧化亚铁等。根据煤中矿物质的不同来源，可分为三类。原生矿物质：成煤植物本身所含的矿物质，在煤中含量不高。 次生矿物质：在成煤过程中，由外界逐渐进入到煤中的矿物质，在煤中含量一般也不高。 外来矿物质：这种矿物质原来并不存在于煤层中，它是在采煤过程中混入煤中的顶底板 和夹石层的矿石所形成。这种矿物质用洗选方式较易除去。2）灰分在煤燃烧过程中的产物：粘土石膏等失水：SiO Al O 2H0SiO A10+2H02 2 3 2 2 2 3 2CaSO 2HOCaSO +2H O碳酸盐受热分解，放出二氧化碳：4 2 4 2CaCOCaO+CO f32FeCO3FeO+CO2 f氧化亚铁氧化生成氧化铁

7、：4FeO；O22Fe2O3黄铁矿氧化生成二氧化硫和氧化铁： 4FeS+llO2Fe O +8SO2 2 2 s 2高温下，黄铁矿被氧化生成的一些SO2可以留在煤灰中，与钙结合。例如，它与煤中CaCO3 或灰中的CaO与氧作用生成硫酸钙，其反应式如下。2CaCO +2SO +O 2CaSO +2CO f322423）、灰熔点煤灰在高温下达到熔融状态时相对应的温度，习惯上被称作灰熔点。灰熔点与灰分 的矿物质成份有关。煤灰中的AI2O3含量高，其灰熔点就高。也有人提出用灰分中的酸碱比 来确定灰的熔点高低。因为灰分是一个多组分混合物，所以它没有一个固定的温度点，只有 一个温度范围。当在规定条件下对煤

8、灰进行加热时，随着温度的不断上升，煤灰伴随有依次 物理特性：变形一软化一半球一流动。通常用这四个物理状态对应的温度范围来表征煤灰的 熔融性。原瑋 Tt(DT)巧(5THT)g(FT)灰锥熔融特征煤灰中矿物质成分的熔点：成分熔点/c成分熔点/c成分熔点/cSiO晶体217102FeO SiO21065CaO SiO21540Al O SiO-32 1850CaO FeO SiO21100CaO A1O-315004）灰的粘温特性：煤灰的粘度大小主要取决于煤灰的组成及各种成分的相互作用，不同的煤灰其流动性是 不一样的。此外，煤灰的粘度大小还和温度有着密切的关系。为了进一步分析液态排渣的工 业锅炉和

9、气化炉煤种和操作要求，人们又提出了粘温特性的概念。对于液态排渣的工业锅炉 和气化炉来说，正常的排渣粘度一般控制为50100pas,最高不超过250pas。为了控 制煤的灰熔点，工业上一般采用配煤或添加助溶剂的方法。但是，当助溶剂添加过量后它会 和生成难熔的硅盐，还会加大灰水处理的负荷第二章煤炭的气化一、煤化工定义以煤炭为原料用化学方法将煤炭转化为气体、液体、固体产品或半生品，而后再进一步 加工成一系列化工产品或石油燃料的工业，称之为煤化工。二、煤化工的分类：1）煤焦化：把煤在隔绝空气的情况下加热，使煤经过一个受到化学、物理和物理化学 变化制约的复杂、不可逆的过程后。生成气态（煤气），液态（焦油

10、），固态（半焦 或焦炭）2）煤气化：煤气化是煤炭转化的主导途径之一。它是指以煤或煤焦为原料，用氧气（空 气、纯氧）、水蒸汽等作气化剂，在高温下通过化学放应将固态的煤或煤焦中的可 燃部分变成可燃性气体的工艺过程。3）煤的液化：以煤炭为原料制取液态（烃类）燃料的技术，称为煤的液化。目前，有 两种技术路线：直接液化和间接液化。三、煤气化的主要工艺技术：按照物料在炉内的移动方式我们习惯把煤气化分为以下几种工艺：1）：固定床：原料煤从炉顶加入，气化剂从底部加入。原料没在炉内自上而下依次经历 干燥、干馏、还原和氧化。灰渣进灰箱排出炉外。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透 气性要求较高，入炉煤要有一定的粒

11、度及均与性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结焦 性都与透气性有关，所以此工艺对原料煤的要求比较苛刻。2）流化床：气化剂从炉底部吹入，与从炉体侧面进入的细粒煤（小于6MM ）并逆流接 触反应，称为流化床或沸腾床。为了维持炉内的“沸腾”状态并不形成结焦，气化温度应控 制在煤灰软化温度以下。显然粘结性煤是不适用于此工艺的。由于炉内反应温度低，煤的停 留时间短，所以此工艺对入炉煤的活性要求较高，只有高活性的褐煤才适应。由于温度低， 停留时间短，同时还造成的最大弊端就是碳转化率低，飞灰多、残碳高、且灰渣分离困难。3）气流床：除了无烟煤以外，其他煤种因含挥发分较多，不适用于常压固定床气化工艺。 为了避免

12、干馏阶段原煤中大量逸出的挥发分所带来的麻烦，以煤为原料的气化工艺都在追求 入炉后煤的干燥、干馏、还原、氧化同步进行。由此在干馏时逸出的挥发分，可借助于高温 气化使之分解，出炉煤气可不含焦油或各种烃类（甲烷除外）物质。气流床就是这种类型的 工艺。由于并流气化气、固相对速度低，气化反应是朝着反应浓度降低的方向进行。为了增 加反应推动力，提高反应速度，必须提高温度，和加大比表面积。这也就是采用液态排渣和粉煤气化的原因。有关文件提出，煤的颗粒直径从10CM降到0.01MM,煤的不表面积可以 扩大10000倍，这样可以有效的提供气化反应效率，从而提高碳的转化率。各类气化方法的主要特点：气化方法固定床流化

13、床气流床典型工业炉UGILurgiWinkler HTWKTTexaco灰排出方式干法干法液态原 料 煤 特 性原煤颗粒受限不受限不受限粘结性受限要搅拌受限不受限变质程度无烟煤褐煤褐煤不受限灰熔点高高低操 作 特 性压力常压23常压常压48.5温度400850900110013501600炉内最高温度40085090011002000耗氧量无低低高消耗蒸汽高高低无炉内停留时间90分钟15分钟110秒煤 气 成 分H240373934363135CO32202330405845CO2827301315101520CH40.8 1012120， p dT平衡常数值随温度的升高而增加，即温度上升，平

14、衡向 吸热方向进行。如果反应是放热的，贝y： qo或 pd In Kp0,平衡常数值随温度的升高而减小，即温度dT下降，平衡向放热方向进行。在各种煤气炉中所发生的反应，有的是吸热反应，有的是放热反应。、气化炉炉内主要化学反应的平衡(1)、二氧化碳还原反应：压力对CO-CO2C+ CO2 =2CO172.28kJ/mo1当该反应平衡时，气相中只有co和CO2，平衡常数Kp可表示为：In Kp =21000+ 21.4Kp与温度的关系如下式所示:设二氧化碳的转化率为a,总压力为P,则PCO = P (1 -a )，Pco = 2 P，根据质量作用 定律，Kp与压力的关系如下式所示：P2(2aP)4

15、a 2K = c = Pp PP(1 -a) 1 -aCo2由以上两式可以看出，由于二氧化碳还原反应是一个吸热和体积扩大的反应，CO2转换CO2转换率与压力的关系可见右图：2(2)、均相水煤气反应均相水煤气反应方程式为：CO+H O=CO +H +41.868kJ(10kcal)2 2 2Kp哈里斯(Harris)研究了反应温度为6741125C之间的各平衡量，并由此求得平衡常数。- 2232 lg K =- 0.084631g T - 0.0002203T + 2.4943该反应进行时体积没有变化，因此，压力对煤气的平衡组分没有影响。、甲烷生成反应C+2H2=CH4+83.379kJ(20.87kcal)CO +3 H =CH + H O +206.200kJ(49.25kcal)2 4 22CO +2 H =CH +CO +247.440kJ(59.1kcal)2 4 2CO +4H =CH +2H O +162.867KJ38.9kcal)2 2 4 2第一个反应是气化炉中生成甲烷时主要反应，在3001150C的温度范围内，平衡常数 与温度的关系可用下式表示。3348lg K =-5.957 lg T + O.OO186T - 0.0000001095T 2 +11.79PM T