《气流床气化法ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气流床气化法ppt课件.ppt（35页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第五节 气流床气化法,一常压流化床气化工艺-1 温克勒气化炉,温克勒气化炉采用粉煤为原料，粒度在010mm左右。若煤不含表面水且能自由流动就不必干燥。对于黏结性煤，可能需要气流输送系统，借以克服螺旋给煤机端部容易出现堵塞的问题。粉煤由螺旋加料器加入圆锥部分的腰部，加煤量可以通过调节螺旋给料机的转数来实现。一般沿简体的圆周设置二到三个加料口，互成180或120的角度有利于煤在整个截面上的均匀分布。,温克勒气化炉的炉箅安装在圆锥体部分，蒸汽和氧(或空气)由炉箅底侧面送人，形成流化床。一般气化剂总量的6075由下面送入，其余的气化荆由燃料层上面2 54m处的许多喷嘴喷入，使煤在接近灰熔点的温度下气化
2、，这可以提高气化效率、有利于活性低的煤种气化。通过控制气化剂的组成和流速来调节流化床的温度不超过灰的软化点。较大的富灰颗粒比煤粒的密度大，因而沉到流化床底部，经过螺旋排灰机排出。大约有30的灰从底部排出，另外的70被气流带出流化床。,气化炉顶部装有辐射锅炉，是沿着内壁设置的一些水冷管用以回收出炉煤气的显热，同时，由于温度降低可能被部分熔融的灰颗粒在出气化炉之前重新固化。,早期的温克勒气化炉在炉底部有炉栅，气化剂通过炉栅进入炉内。后来的气化炉取消炉栅，炉子的结构简化，同样能达到均匀布气的效果。典型的工业规模的温科勒常压气化炉，内径5.5m，高23m当以褐煤为原料时，氧气蒜汽常压鼓风，单炉生产能力
3、在标准状态下为47000m3/h采用空气蒸汽鼓风时，生产能力在标准状态下为94000m3h。生产能力的调整范围为25150。,2、温克勒气化工艺流程,温克勒气化工艺流程包括煤的预处理、气化、气化产物显热的利用、煤气的除尘和冷却等,(1)原料的预处理首先对原料进行破碎和筛分，制成0l0mm的炉料，一般不需要干燥，如果炉料含有表面水分，可以使用烟道气对原料进行干燥，控制入炉原料的水分在812左右。对于有黏结性的煤料，需要经过破黏处理，以保证床内的正常流化。,(2)气化预处理后的原料送入料斗中，料斗中充以氮气或二氧化碳惰性气体。用螺旋加料器将煤料加入气化炉的底部，煤在炉内的停留时间约15min左右。
4、气化剂送人炉内和煤反应，生成的煤气由顶部引出。煤气中古有大量的粉尘和水蒸气。,(3)粗煤气的显热回收粗煤气的出炉温度一般为900左右。在气化炉上部设有废热锅炉，生产的蒸汽压力在1.962.1 6MPa，蒸汽的产量为0.50.8kgm3干煤气。,(4)煤气的除尘和冷却出煤气炉的粗煤气进人废热锅炉，回收余热，产生蒸汽，然后进人两级旋风分离器和洗涤塔，煤气中的大部分粉尘和水汽，经过净化冷却，煤气温度降至3540，含尘量降至520mgm3。,4、优缺点,优点：温克勒气化工艺单炉的生产能力较大、煤气中无焦油，污染小。由于气化的是细颗粒的粉煤，因而可以充分利用机械化采煤得到的细粒度煤。由于煤的干馏和气化是
5、在相同温度下进行的，相对于移动床的干馏区来讲，其干馏温度高得多，所以煤气中几乎不含有焦油，酚和甲烷的含量也很少，排放的洗涤水对环境的污染较小。缺点主要是温度和压力偏低造成的。炉内温度要保证灰分不能软化和结渣，一般应控制在900C左右，所以必须使用活性高的煤为气化原料。气化温度低，不利于二氧化碳还原和水蒸气的分解，故煤气中二氧化碳的含量偏高，而可燃组分如一氧化碳、氢气、甲烷等含量偏低。和移动床比较，气化炉的设备庞大，出炉煤气的温度几乎和床内温度一样，因而热损失大。另外，流态化使颗粒磨损严重，气流速度高又使出炉煤气的带出物较多。为此进一步开发了温克勒加压气化和灰团聚气化工艺。,4、优缺点,优点：温
6、克勒气化工艺单炉的生产能力较大、煤气中无焦油，污染小。由于气化的是细颗粒的粉煤，因而可以充分利用机械化采煤得到的细粒度煤。由于煤的干馏和气化是在相同温度下进行的，相对于移动床的干馏区来讲，其干馏温度高得多，所以煤气中几乎不含有焦油，酚和甲烷的含量也很少，排放的洗涤水对环境的污染较小。缺点主要是温度和压力偏低造成的。炉内温度要保证灰分不能软化和结渣，一般应控制在900C左右，所以必须使用活性高的煤为气化原料。气化温度低，不利于二氧化碳还原和水蒸气的分解，故煤气中二氧化碳的含量偏高，而可燃组分如一氧化碳、氢气、甲烷等含量偏低。和移动床比较，气化炉的设备庞大，出炉煤气的温度几乎和床内温度一样，因而热
7、损失大。另外，流态化使颗粒磨损严重，气流速度高又使出炉煤气的带出物较多。为此进一步开发了温克勒加压气化和灰团聚气化工艺。,二加压流化床气化工艺-1高温温克勒气化法,高温温克勒气化法的基础是低温温克勒气化法。它是采用比低温温克勒气化法较高的压力和温度的一项汽化技术。除了保持常压温克勒气化炉的简单可靠、运行灵活、氧耗量低和不产生液态烃等优点外，主要采用了带出煤粒再循环回床层的做法，从而提高了碳的利用率。,和低温温克勒气化炉相比较，高温温克勒气化炉的主要特点是出炉粗煤气直接进入两级旋风除尘器，一级分离的含碳量较高的颗粒返回到床内进一步气化，二级除尘器流出的气体入废热炉回收热量，再经水洗塔冷却除尘却除
8、尘。整个气化系统是在一个密闭的压力系统中进行的，加煤，汽化，出灰均在加压下进行。含水分8%12%的褐煤进入压力为0.98MPa的密闭料锁系统后，经过螺旋给料阀输入炉内。为提高煤的灰熔点而按一定比例配入的添加剂（主要是石灰石，石灰或白云石）也经给料机加入炉内，和由螺旋给料机加入的煤料并流气化。,1、高温温克勒气化法（1）工艺流程,HTW汽化工艺最初是由德国的莱茵褐煤公司发明，该公司拥有并经营德国鲁尔地区的几座褐煤煤矿。用莱茵褐煤为原料，煤的灰分中CaO+MgO占50%左右；SiO2占8%；灰熔点T1=950，添加5%的石灰石后提高到1100。在汽化压力0.98MPa的压力下，以氧气/水蒸气为汽化
9、剂，温度1000下进行的HTW汽化工艺试验,在压力和高温下的温克勒气化设备的生产能力大大提高，是常压的2倍多。温度的提高和大颗粒重新返回床层使得碳转化率上升为96。煤中加入助剂，一是可以脱除硫化氢等，并且可使碱性灰分的灰培点提高。气化温度提高，虽然煤气中的甲烷含量降低，但煤气中的有效成分却提高，煤气的质量也相应提高。,所谓气化床气化，一般是将气化剂夹着煤粉或煤浆，通过特殊喷嘴送入炉膛内，在高温辐射下，氧煤混合物瞬间着火、迅速燃烧，产生大量热量，火焰中心温度可高达2000左右，所有干馏产物均迅速分解，焦煤同时进行气化，生成含一氧化碳和氢气的煤气及熔渣。,一、煤粉的气化原理,1 煤粉气化的基本原理
10、 气化床的反应基本上和流化床的反应类似 当煤粉进行完全燃烧时，烃类及碳与氧气反应，放热生成二氧化碳和水蒸气 当氧气不足，煤粉进行不完全燃烧时，烃类及碳与氧气反应生成一氧化碳和氢气 煤粉中剩余的碳与二氧化碳、水蒸气发生气化反应，吸收热量生成一氧化碳和氢气，同时还存在着水煤气变换反应。,2 影响粉煤气化的参数,（1）气化温度 提高气化温度可以：加速气化反应，提高气化炉的气化能力，提高碳的转化率提高碳与水蒸气之间强吸热式水煤气反应的平衡转化率，从而有利于提高正方向的平衡浓度，产生更多的一氧化碳和氢气。,（2）蒸汽煤比 在气化剂中水蒸气浓度很低时，提高蒸汽煤比能产生有利的影响，提高蒸汽煤比能产生有利的
11、影响；当水蒸气浓度较高时，再提高蒸汽煤比只会降低炉温二影响气化反应速度。,(3)氧煤比 当氧煤比增加后燃烧反应的放热量增加，因此气化温度也相应升高，气化反应将产生更多的一氧化碳和氢气，煤中的有效成分增加，使煤气热值和碳转化率增加。但是生成的二氧化碳和氢气的量也在增加，即无用成分也在增加。,（4）气化压力 提高气化压力，可以增大反应物和生成物的浓度，进而提高反应速度，使气化强度增大，生产能力增强，尤其是大幅度提高甲烷的含量，使煤气的热值提高。,3 气流床气化炉的主要特点,生产能力大煤种适应性强 煤的转化率高煤气质量好飞灰含量大显热损失大负荷调节范围窄,二、湿法进料的气流床气化法,（一）德士古气化
12、法1 德士古气化炉及工作流程 是一种采用水煤浆进料的加压气流床气化法。（1）直接冷却式 高温煤气和熔渣一起进入冷却段后，与炉子下部的急冷水直接接触而冷却。在粗煤气冷却的同时，产生大量的高压蒸汽，混合在粗煤气中一起离开气化炉。,（2）间接冷却法 采用废热锅炉的间接冷却法，在气化炉的下部直接安装辐射式冷却器。粗煤气将热传给水冷壁管而被冷却至700，然后通过对流立管式废热锅炉进一步回收煤气显热，再次冷却到300左右。（3）混合冷却式 热煤气先在辐射式冷却器中冷却至700左右，使熔渣固化，与煤气分离，同时产生高压蒸汽。然后粗煤气用水喷淋淬冷至200左右。,（1）、德士古气化炉,德士古气化炉是一种以水煤
13、浆进料的加压气流床气化装置，如图45l所示。该炉有两种不同的炉型，根据粗煤气采用的冷却方法不同，可分为淬冷型，如图451(a)，和全热回收型，如图4-51(b)所示。两种炉型的比较：两种炉型下部合成气的冷却方式不同，但炉子上部气化段的气化工艺是相同的。反应过程：德士古加压水煤浆气化过程是并流反应过程。合格的水煤浆原料同氧气从气化炉顶部进入。煤浆由喷嘴导入，在高速氧气的作用下雾化。氧气和雾化后的水煤浆在炉内受到高温衬里的辐射作用，迅速进行着一系列的物理、化学变化：预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等。气化后的煤气中主要是一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气。气体夹带灰分并流而下粗
14、合成气在冷却后，从炉子的底部排出。,分离回收：在淬冷型气化炉中。粗合成气体经过淬冷管离开气化段底部，淬冷管底端浸没在一水池中。粗气体经过急冷到水的饱和温度，并将煤气中的灰渣分离下来，灰熔渣被淬冷后截留在水中，落人渣罐，经过排渣系统定时排放。之后冷却了的煤气经过侧壁上的出口离开气化炉的淬冷段。然后按照用途和所用原料，粗合成气在使用前进一步冷却或净化。在全热回收型炉中，粗合成气离开气化段后，在合成气冷却器中从1400被冷却到700，回收的热量用来生产高压蒸汽。熔渣向下流到冷却器被淬冷在经过排渣系统排出。合成气由淬冷段底部送下一工序。对于这两种工艺过程，目前大多数德士古气化炉采用淬冷型，优势在于它更
15、廉价，可靠性更高，劣势是热效率较全热回收型的低。气化炉为一直立圆筒形钢制耐压容器，内壁村以高质量的耐火材料，可以防止热渣和粗煤气的侵蚀。,（2）工艺流程-煤浆的制备和输送,基本部分包括煤浆的制备和输送、气化和废热回收、煤气的冷却和净化等。煤浆的制备和输送合格煤浆的制备是德士古法应用的基本前提。煤浆的浓度、黏度、稳定性等对气化过程和物料的输送均有重要的影响，而这些指标与煤的研磨又有着密切的关系。固体物料的研磨分为干法和湿法两大类。制取水煤浆时普遍采用的是湿法，这种方法又分为封闭式和非封闭式两种系统。,如图4-53所示为封闭式湿磨系统。煤经过研磨后送到分级机中进行分选，过大的颗粒再返回到磨机中进一
16、步研磨。这种方法的优点是得到的煤浆粒度范围较窄，对磨机无特殊要求；缺点是需要分级设备。为了达到适当的分级，煤浆的黏度就不能太大，这就意味着煤浆中的固含量不能太大，而水分含量相应的就高，后系统需要增设稠化的专用设备，以达到该法的煤浆浓度要求。,另一种方法是非封闭式湿磨系统，如图454所示。该法中，煤一次通过磨机，所制取的煤浆同时能够满足粒度和浓度的要求。煤在磨机中的停留时问相对长一些，这样可以保证较大的颗粒尽可能不太多。要达到合格的研磨，选择适当的磨机就变得很重要，最合适的是用充填球或棒的滚筒磨机，妥善选择磨机长度、球径及球数，使得煤通过磨机时一次即能达到高浓度的煤浆，并具有所需要的粒度。,需要
17、指出的是，不管是哪一种制浆工艺，都是耗能大户。因此，为了减少磨矿功耗，磨矿前，除特殊情况(如用粉煤或煤泥制浆)外都必须经过破碎，预先破碎到粒度小于30mm，然后经过带称送人磨粉机。研磨好的煤浆首先要进入一均化罐然后用泵送到气化炉。煤浆是否能够顺利进入气化炉，在泵功率确定的前提下，取决于煤浆的浓度和颗粒的粒度这又集中体现在煤浆的黏度上，为降低黏度可采用加入添加剂的方法以降低黏度。,（2）工艺流程-气化,气化炉是气化过程的核心，而喷嘴又是气化炉的关键设备。合格的水煤浆在进人气化炉时，首先要被喷嘴雾化，使煤粒均匀地分散在气化剂中，从而保证高的气化效率。良好的喷嘴设计可以保证煤浆和氧气的均匀混台。满足
18、实际生产要求的喷嘴应该具有以较步的雾化剂和较少的能量达到较好雾化效果的能力，而且结构要简单，加工要方便使用寿命长等性能。国外使用的喷嘴结构多用三套管式，中心管导入15的氧气，内环隙导入煤浆，外环隙导人85%的氧气，并根据煤浆的性质可调节两股氧气的比例，以促使氧气和碳的反应。,气化炉内进行的反应主要有：C+O2CO2-394.1 kJmolC+CO2 2CO+1733kJmotC+2H2 CH4-84.3kJmolCO+H20 H2+C02-38.4kJmolCO+3H2 CH4+H20-2193kJmol还进行以下反应；CmHn(m-1)C+CH4+0.5(n一4)H2CmHn+(m+0.25
19、n)02 mCO2+0.5nH2O当煤浆进入气化炉被雾化后，部分煤燃烧而使气化炉温度很快达到1300以上的高温，由于高温气化在很高的速度下进行平均停留时间仅几秒钟高级烃完全分解，甲烷的含量也很低，不会产生焦油类物质。由于温度在灰熔点以上，灰分熔融并呈微细熔滴被气流夹带出，离开气化炉的粗煤气可用各种方法处理：,（2）工艺流程,2 德士古的气化指标,三种冷却方法中得到的产品煤气：直接冷却式适合以合成氨的制造间接冷却式工艺产生了大量的高压蒸汽，适用于煤气化循环发电或作为燃料气混合式工艺有利于甲醇的生产,3 操作条件,（1）煤种及气化温度 对煤几乎无限制，气化温度要选择煤的灰熔点以上尽可能低的温度，一
20、般在13001500（2）气化压力 用于甲醇合成时的压力为6.5兆帕左右；生产合成氨时为8.510兆帕，一般压力小于10兆帕。,（3）气化时间及氧碳比 气化时间一般为310秒；气化炉的氧碳比增加，碳转化率增加（4）煤的粒度及煤浆浓度 煤浆浓度随着煤的粒度减小而增加，其结果导致黏度增大，气化效率提高，一氧化碳含量增加，二氧化碳含量减少，氢气含量基本不变，煤气热值增加。,4 评价,本法所制得的煤气中甲烷及烃类含量极低，最适宜用作合成气。工艺过程中产生的三废少且易于处理，并可考虑使用排出的废水制备水煤气。德士古法适用于较多的煤种，然而需制成粉煤，故煤的粉碎部分投资大，必然增加氧耗。,三、干法进料的气
21、流床气化法,干法进料是指燃料以煤粉的形式进入气化炉。1.K-T炉的主要指标：燃烧区温度1930，离开 气化炉水淬冷之前约为1480，操作压力为 0.0340.048兆帕，停留时间约1秒，操作负荷下限70%。,一K-T气化法（1）KT气化炉,K-T法是柯柏斯托切克(KoppersTotzek)的简称，1952年实现工业化，经过工业化验证，是一种十分成熟的气化技术，大都用来生产富氢气以供合成氨的需要。,炉身：是一圆筒体，用锅炉钢板焊成双壁外壳，通常衬有耐火材料。在内外壳的环隙间产生的低压蒸汽，同时把内壁冷到灰熔点以下，使内壁挂渣而起到一定的保护作用。两个稍向下倾斜的喷嘴相对设置，一方面可以使反应区
22、内的反应物形成高度湍流，加速反应，同时火焰对喷而不直接冲刷炉墙，对炉墙有一定的保护作用。另一方面，在一个反应区未燃尽的喷出颗粒将在对面的火焰中被进一步气化，如果出现一个烧嘴临时堵塞时保证连续安全生产。,粉煤(85通过200目与氧气、水蒸气混合后，从气化室相对的二炉头并流进入，瞬间着火，进行气化反应，炉头内火焰的温度高达2000，煤料在炉头内的停留时间约01s，整个气化反应在炉头内基本完成，在此高温环境下，基本不生成焦油、甲烷、酚等物质。在气化炉中部，炉温度约在15001600的范围内，一般要比煤的灰熔点高100150，方能保证正常运转，煤气在炉内的停留时间约11.5s。喷嘴出口气流速度要避免回
23、火而发生爆炸，通常要大于l00ms。,双炉头的气化能力，从早期设计的81552m2d发展到了后来的611643m2d每天气化的煤超过394t。四炉头的气化炉，其能力达到每天处理煤785t，大约可生产煤气1223286m2d。气化炉可以在45min内从备用状态达到满负荷生产。螺旋加料器上的变速装置可使操作负荷减小到不低于设计能力的60，同时能够保证有足够的进料以避免回火。对四炉头的气化炉，关闭一对烧嘴可以使能力调低30。,在炉内的高温下，灰渣熔融成液态，其中6070自气化炉底部排出，其余的以飞灰的形式随煤气逸出炉外。对于液态排渣来讲，如果灰的初始变形、熔融和流动的温度在10401315的范围内，
24、则从气化炉内排渣基本没有困难。如果采用灰熔点太高的煤种，那么熔渣可能在气化炉内壁上固化这就需要添加助熔剂。这并不是说渣的流动性越大越好，如上所述，渣的流动性太大，耐火衬里就失去保护而受到侵蚀。在高温气化环境条件下，炉子的防护除了用挂渣来起一定的作用外，更重要的是耐火材料的选择。最初采用硅砖砌筑，经常发生故障，后改用含铬的混凝土。后来用的加压喷涂含铬耐火喷涂材料，涂层厚达70mm，寿命可达35年。采用以氧化铝为主体的塑性捣实材料，效果也较好。,（2）工艺流程,K-T气化工艺流程包括粉煤制备、制气、废热回收和洗涤冷却等部分。(1)煤粉制备煤使用球磨机、棒磨机或辊磨机粉碎，同时使热烟道气(200)循
25、环通过磨机，煤粉被热气体干燥到水分含量符合要求，一般烟煤在1左右褐煤在8lO。煤同时要被磨碎到7080通过200目筛。气流将煤粉干燥、夹带并送入分级器，细粒继续前进送旋风分离器，不合格的粗粒返回磨机继续研磨。旋风分离器分离下来的合格煤粉送充氮的煤粉储仓。,(2)原料输入煤粉由煤仓用氮气通过气动输送系统送入煤粉料斗，全系统均以氮气充压，以防氧气倒流而爆炸。螺旋加料器将煤粉由料斗以一定的速度送人炉头，同时空分车间来的工业氧气和过热的工艺蒸汽混合后也送人炉头，混合气体将煤粉夹带一起由喷嘴喷人气化炉内。,（3）制气采用K-T法时，粉状燃料、气化介质氧和水蒸气均匀混合，气化反应瞬时完成。因此，气化炉内的
26、气化过程不是像固定床那样依次发生，大都是并行发生，碳的几个重要的气化反应如下；C+O2COC+02 CO2C+C02 2COC+H2O CO+H2同时在气相中进行下面的反应；CO+H20 H2+C02该反应是关系到水煤气组成的一个主要反应。气化过程中主要生成硫化氢和硫氧碳，其比例约为：H2SCOS=(8890)(1210)气化生成的粗煤气去冷却净化，高温炉内产生的液态渣经过排渣口进入水封槽急冷后用捞渣机排出，运去铺筑场地或堆放。,(4)废热回收由于反应是吸热的，而且辐射作用将一部分热量传递给炉内的耐火材料，因而气体出气化炉的温度降到1510左右在出口处用饱和蒸汽急冷以固化夹带的熔渣小滴，以防止
27、熔渣黏附在高压蒸汽锅炉的炉管上，气体温度被降至900。高温生成气的显热用废热锅炉回收产生高压蒸汽，回收显热后的煤气温度降至300以下。采用辐射式废热锅炉，可回收约70的显热，由于炉内的空腔大，故结渣和结灰都不太严重；采用对流式废热锅炉会有炉管磨损严重等问题。,(5)洗涤冷却洗涤冷却系统可根据出炉煤气的灰含量、回收利用的要求、煤气的具体用途等进行不同的组合。传统的柯柏斯除尘流程、干湿法联合除尘流程以及湿法文丘里流程等，都可供选择。图4-50流程所示为柯柏斯除尘流程。由于气化时的飞灰含碳量都很低，故不考虑飞灰的回收利用。气体经过废热锅炉后进人冷却洗涤塔，直接用水喷淋冷却，再由机械除尘器(泰生洗涤机)和最终冷却塔除尘和冷却。冷却洗涤塔的除尘效率可达90，经过泰生洗涤机和最终冷却塔后，气体含尘量可降至3050mgm3。如果要得到含尘量更低的气体，可采用两套泰生洗涤机串联，并通过焦炭过滤，气体的含尘量可降至3mgm3。在其他的一些流程中，采用静电除尘可降到0.30.5mgm3。洗涤塔中的洗涤水经过沉降可循环使用，泰生机要使用新水。,2.K-T气化炉的优点：煤种适应性较宽气化强度高粗煤气中一氧化碳和氢气的含量大于80%气化炉启动时间短,
