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1、第 5 章 煤炭气化,5.1 概述5.2 煤气化技术的分类5.3 煤气化基本原理5.4 煤气化过程的常用评价指标5.5 影响煤气化效率的主要因素5.6 煤气化工艺及设备5.7 煤气化技术发展的主要趋势,5.1 概述,煤炭气化是指在特定的设备（气化炉）内于一定温度及压力下使煤中的有机质与气化剂发生一系列物理化学反应，将煤转化为灰渣和可燃性气体（煤气）的过程。根据所采用的气化剂的不同（空气、纯氧、富氧空气、水蒸气、二氧化碳、氢气、甲烷或混合气化剂等）和气化工艺的不同，能够制得各种不同成分的煤气，经进一步的净化与变换反应，可用于生产工业燃料气、民用煤气和化工原料气（合成气）。,5.1.1 煤炭气化的
2、定义,5.1.2 煤气的种类,煤气成分取决于燃料、汽化剂的种类以及气化过程的条件。根据汽化剂和煤气成分分类,典型的几类煤气的组成和热值,根据煤气热值的高低分类,(1)发生炉煤气 分为空气煤气和混合煤气。发生炉煤气是以空气或空气/水蒸气为气化剂使煤发生气化反应制得的，由于混了大量的氮气，所以其热值很低，又称贫煤气。(2)水煤气 一般是氧气和水蒸气作为气化剂，与炽热的烟煤或焦炭作用制得的。因此氮气含量较低，煤气热值高于发生炉煤气。(3)城市煤气 通过干馏热解得到的煤气，用作民用燃料气，我国城市煤气要求热值大于14.64MJ/m3，H2S含量少于20mg/m3，氧体积含量少于1。,按煤气的组成和用途
3、分类,（4）替代天然气 气体成分组成和热值与天然气类似的煤气，一般要求CH4含量在75%以上，热值在41.8MJ/m3左右，属高热值煤气，可在工业应用中作为天然气的替代品适用。（5）合成气 合成气是经变换和净化后的水煤气，具有特定组分要求，是合成某种化工产品原料煤气。合成气的组成与用途有关，如合成氨、合成甲醇、合成醋酸等都有不同的成分要求：合成氨所用的合成气必须是氮和氢的混合物，且H2/N2约等于3；合成甲醇用合成气要求CO含量较高，H2/N2约等于2.5。,5.1.3 煤气的应用,1)作为工业燃气 热值为11001350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、
4、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。2)作为民用煤气 热值在30003500大卡，要求CO小于10，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒，其含量应尽量低。,3)作为化工合成和燃料油合成原料气德国早在第二次世界大战时期就采用费托工艺合成航空燃料油。随着合成气化工和碳化学技术的发展，以煤气化制取
5、合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。4)作为冶金还原气煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。,7)煤炭气化制氢 氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。
6、而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。8)煤炭直接液化的气源煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。,5.2 煤气化技术的分类,按气化压力分为：常压气化和加压气化低压气化（00.35MPa）、中压气化（0.73.5MPa）和高压气化（7MPa）按操作方式分为：间歇气化和连续气化按排渣方式分为：固态排渣和液态排渣按进煤状态分为：块煤气化（650mm）细粒煤气化（0.19mm）粉煤（0.1mm）按入
7、料煤的形态干法气化；湿法气化水煤浆、油煤浆气化,按气化剂的种类分：空气鼓风气化（空气煤气）、空气-水蒸气气化（发生炉煤气）、氧-水蒸气气化（水煤气）和加氢气化（以氢气为化剂）等。按煤与汽化剂在气化炉内运动状态分为：固定床气化流化床气化气流床气化熔融床气化,按气化进行的场所常规气化站和气化地下气化,常规气化站,气化地下气化,煤炭气化技术的命名,工业生产中气化方法命名突出一两个类别，冠以名称。Lurgi 气化法：固定床块煤加压气化法；Koppres-Totzek气化法：常压粉煤气流夹带床气化法；Winkler 气化法：细颗粒煤流化床气化法；Shell法：粉煤加压液态排渣气化法等。,5.3 煤气化基
8、本原理,煤的气化主要有以下几个阶段：煤炭干燥脱水热解脱挥发分挥发分和热解半焦的气化反应,（1）煤和氧的主要反应2C+O2=2CO+QC+O2=CO2+QC+CO2=2CO-Q2CO+O2=2CO2+Q 从化学平衡的角度来考虑，增加反应的温度可以使反应向着CO生成的方向进行，降低反应的压力，有利于CO的生成，所以在高温低压的条件下，产物中的CO的含量会升高。,5.3.1 气化反应主要类型,（2）煤和水蒸气的反应C+H2O=CO+H2-QC+2H2O=CO2+2H2-QCO+H2O=CO2+H2+Q 从化学平衡的角度来考虑,提高温度有利于CO和H2的生成，同时也可以降低H2O的含量。,（3）煤气中
9、的甲烷反应C+2H2=CH4+QCO+3H2=CH4+H2O+Q2CO+2H2=CH4+CO2+QCO2+4H2=CH4+2H2O+Q2C+2H2O(g)=CH4+CO2+Q 从化学平衡的角度来考虑,降低反应的温度有使反应向着正反应的方向进行，煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；提高压力有使反应向着正反应的方向进行。煤气中的甲烷含量增加，反之则减少；所以说在高压低温的条件下，有利于甲烷的生成。,煤的热解(coal pyrolysis):Coal CH4+CO+CO2+Oils+Tars+C(Char)煤的燃烧(coal combustion):C+O2 CO2 H=405.9 kJ/mol 不完
10、全燃烧:2 C+O2 2CO H=123 kJ/mol CO2在半焦上的还原(Boudouard reaction):C+CO2 2CO H=159.7 kJ/mol 水煤气反应(water gas reaction):C+H2O CO+H2 H=118.9 kJ/mol 甲烷化反应(hydrogasification reaction):C+2H2 CH4 H=87.4 kJ/mol 水煤气变换反应:CO+H2O H2+CO2 H=40.9 kJ/mol 甲烷化反应:CO+3H2 CH4+H2O H=206.3 kJ/mol,煤气化主要化学反应热效应,放热反应,吸热反应,除了以上反应外，煤中
11、存在的少量的杂质元素如硫、氮等，也会与气化剂或气化产物发生反应，在还原性气氛下生成H2S、COS、N2、NH3以及HCN等物质，具体反应如下：S+O2SO2SO2+3H2H2S+2H2OSO2+2COS+2CO22H2S+SO23S+2H2OS+2CCS2S+COCOSN2+3H22NH3N2+H2O+2CO2HCN+1.5O2N2+x O22NOx,5.3.2 煤气化反应一般历程,煤的气化过程是一个复杂的物理化学过程，在气化炉中所进行的反应，除部分为气相均相反应外，大多数属于气固非均相反应过程，所以气化反应过程速度同化学反应速度和扩散传质速度有关，其反应机理符合非均相无催化反应的一般历程，煤
12、或煤焦的气化反应一般经历七个相继发生的步骤：,（1）反应气体从气相扩散到固体碳表面（外扩散）；（2）反应气体再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面（内扩散）；（3）反应气体分子吸附在固体表面上，形成中间络合物；（4）吸附的中间络合物之间，或中间络合物和气相分子之间发生反应，属于表面反应步骤；（5）吸附态的产物从固体表面脱附；（6）产物分子通过固体的内部孔道扩散出来（内扩散）；（7）产物分子从颗粒表面扩散到气相中（外扩散）。,总反应速度可以由外扩散过程、内扩散过程或表面反应过程控制。大量实验研究表明，低温时表面反应过程是气化反应的控制步骤，高温条件下，扩散或传质过程逐步变为控制步骤。,气化效率：用于衡
13、量原料中的化学能转化成可回收的能量的效率；气化效率=（产品煤气的热值+可回收的热量）/原料的热值气效率：用于衡量原料中的化学能转化成产品化学能的效率；冷煤气效率=产品气体的热值/原料的热值 热煤气效率=(粗煤气热值+粗煤气显热)/原料煤热值碳转化效率：用于衡量原料中的碳转化成煤气中的碳的效率；碳转化率=1-残渣中的碳/原料中的碳有效气体产率：用于衡量单位原料可以产生的有效气体量 有效气体产率=（制得的CO+H2量）/原料煤量气化强度是指气化炉单位面积每小时所能气化的原料煤质量，单位是t/(m2h)，它反映了气化过程的生产能力。,5.4 煤气化过程的常用评价指标,5.5 影响煤气化效率的主要因素
14、,原料煤性质 反应活性 粘结性 结渣性与灰熔点 热稳定性 机械强度 粒度分布煤中的水分与灰分 挥发分 固定碳,操作条件 气化温度 压力 原料配比水蒸气/煤比氧/煤比,反应活性,反应活性是指在一定条件下，煤炭与不同的气体介质，如CO2、O2、H2O、H2，相互作用的反应能力。煤炭反应活性通常以被还原为CO的CO2 量占通入CO2总量的体积百分数，即CO2的还原率，作为反应活性的指标。反应活性的强弱直接影响到产气率、耗氧量、煤气成分、灰渣或飞灰的含碳量及热效率等。首先反应活性强的煤，在气化和燃烧过程中反应速度快，效率高，其起始气化的温度就越低，而低温条件对生成CH4有利，也能减少氧耗。其次与同样灰
15、熔点的低反应活性煤相比，使用较少的水蒸气就可以控制反应温度不超过灰熔点，减少了水蒸气的消耗量。,粘结性,煤的粘结性是指煤被加热到一定温度时，煤受热分解并产生胶质体，最后粘结成块状焦炭的能力。煤的粘结性不利于气化过程的进行，破坏料层中气流的均匀分布，并阻碍料层的正常下移，使气化过程恶化。严重粘结时，会使气化过程无法进行。一般移动床煤气化炉要求气化用煤是不粘结性的，或者只有很弱的粘结性。使用粘结性的煤，需在气化炉内粘结区部位增设搅拌装置进行破粘处理。,结渣性与灰熔点,煤中的矿物质，在高温和活性气体介质的作用下，转变为牢固的粘结物或熔融炉渣的能力称为结渣性。影响什么？煤的灰熔点。固态排灰的气化炉，要
16、求煤灰熔点ST大于1250，否则在气化过程中容易结渣，形成风洞；液态排渣的气化炉，可以用低灰熔点的煤，但难于用灰熔点ST超过1470的煤，否则排渣困难。灰成分中的酸性氧化物(SiO2和A12O3)含量越高，灰熔点越高，灰渣粘度越大；而当碱性氧化物(CaO、MgO和Na2O)含量高时，灰熔点低，灰渣粘度小。原料准备工段中设法向煤中加一些添加剂，以降低或提高煤灰熔点，以适应气化操作条件的要求。,热稳定性,热稳定性是指煤在高温下燃烧或气化过程中，对温度剧烈变化的稳定程度，也就是块煤在温度急剧变化时，保持原来粒度的性能。煤的热稳定性与煤的变质程度、成煤条件、煤中的矿物组成以及加热条件有关。一般烟煤的热
17、稳定性较好，褐煤、无烟煤和贫煤的热稳定性较差。无烟煤则因其结构致密，受热后内外温差大，膨胀不均产生应力，使块煤碎裂。贫煤急剧受热也容易爆裂，即热稳定性也较差。热稳定性是如何影响气化过程的？,机械强度、粒度分布,机械强度：煤的机械强度，是指块煤的抗碎强度、耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能。机械强度高低与气化过程效率关系？粒度分布：不同的气化方式对原料煤的粒度要求不同。固定床气化炉，要求使用550mm 的块煤，粒度应均匀合理。大块燃料滚向炉膛壁，小颗粒和粉末落在燃料层中心，从而造成炉壁附近阻力较小，大部分空气从这里穿过，使这里的燃烧层上移，严重时可使燃料层烧穿。均匀的炉料可使炉内料层有很好
18、的均匀的透气性，获得较好的煤气质量和较高的气化效率。块煤低缺时，可将细粒煤制成型煤进行造气。,水分与灰分,煤的水分、灰分对气化过程有重要影响，水分过高，会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应的温度，超过一定限度时，须在入炉前进行干燥(水煤浆气化法例外)。灰分过高，会增加热量损失和碳的不完全反应等。因此，在选择气化用煤时需要综合考虑。,挥发分和固定碳,挥发分：指煤在与空气隔绝的容器中加热一定时间以后，从煤中分解出来的液体(蒸汽状态)和气体产物（焦油、酚及甲烷等）。挥发分析出的现象，只有在固定床气化时才会出现。在流化床和气流床气化中，因气化反应温度高，煤中挥发分经高温裂解，生成气态产物直接转入煤
19、气中。固定碳：气化用煤的固定碳含量高，则煤气产率高，气化效率和热效率都高，相应地，单位质量煤的空气消耗、蒸汽消耗亦高。因煤的变质程度不同，煤的固定碳含量亦不同，在工业生产或设计中针对不同变质程度的煤种，应采用不同的氧气和水蒸气的理论消耗值。,气化炉操作条件,气化温度对于固态排渣的气化方法，为防止结渣，应将温度控制在煤的灰熔点以下，但同时温度增高有利于提高煤的反应活性和碳的转化率，同时不同的操作温度还会影响到产物的生成，如低温条件有利于CH4的生成。压力压力不仅能直接影响化学反应的进行，还会对煤的性质产生影响从而间接影响气化效果。在加压的情况下，气体密度增大，化学反应速度加快，有利于单炉生产能力
20、的提高；从气化反应平衡来讲，加压有利于甲烷的形成，不利于二氧化碳的还原和水蒸气的分解，从而导致水耗量增大，煤气中二氧化碳浓度有所增加。,生产原料气宜低压，生产燃料气宜高压。？甲烷生成反应为放热反应其反应热可作为水蒸气分解、二氧化碳等吸热反应热源。随着压力的增加，气化反应中氧气消耗量减少；加压可阻止气化时上升气体中所带出物料的量，有效提高鼓风速度，增大其生产能力。,煤的粘结性随压力的增加而增加。弱粘结性煤，粘结指数都随压力的增加而上升，而且在压力增加到0.5 1MPa 以前时，粘结性增加较快。粘结性煤，粘结指数也随压力的增加而增加，并且随压力的增加开始增加较快，然后逐渐减慢。结渣率随系统压力的增
21、加而减少。为什么？,5.6 煤炭气化工艺及装备,煤气化的方法固定（移动）床气化法流化床气化法气流床气化法其他气化方法熔融床气化法煤的地下气化法,气化过程中，煤粒在炉内缓慢下移，因而也称移动床气化,5.6.1 固定床气化,常压移动床气化法,类型：主要包括煤气发生炉气化法、水煤气气化法和相应的两段炉气化法。原理与特点：在常压条件下运行，采用自供热和干法排灰的方式；气化炉内，固体原料煤从炉顶加入，在向下移动的过程中与从炉底通入的气化剂逆流接触（好处？），自上至下可分为预热干燥层、干馏层、气化层（还原层）、燃烧层（氧化层）以及灰渣层。,移动床气化炉内固体床层温度区域分布,气体组成沿料层高度变化化,移动
22、床气化炉燃料层各区域特性,1-加煤机2-炉盖3-探火孔4-炉衬5-煤气出口6-蒸汽水套7-炉算8-碎渣圈 9-灰盘10-通风箱11-传动装置12-支柱,W-G 型煤气发生炉1 料仓；2料管；3 加料控制系统；4 饱和空气管；5 上炉体；6 炉箅；7 下炉体；8 灰斗；9 探火孔,威尔曼一格鲁夏WellmanGalusha 型常压煤气发生炉，其最大的特点是：水夹套非满水设计，气化剂中的水蒸气不采用外来蒸汽直接掺混饱和空气的方法，而是将空气首先鼓入炉体水夹套水面上空层，夹套中的水受炉箅传热，水蒸发增湿空气，饱和后的空气再倒入气化炉炉底进入炉内。,热煤气工艺流程,饱和空气经与煤气炉的碳反应生成500
23、 左右的粗煤气经旋风除尘器除去带出物以后（煤粉粒、焦油等），通过煤气管道直接送往用户。,煤气的显热得到利用，但煤气含焦油和煤粉量较多对后工序不利。,烟煤气化冷煤气流程,UGI 型水煤气炉,水煤气工艺流程,半水煤气工艺流程,加长了干馏段（水套以上）下段煤 500600 oC基本没有焦油上段煤气 100150 oC产生轻质焦油。,两段式固定床气化炉,两段炉下段煤气出口经旋风除尘器出炉，故称为下段煤气或气化煤气；另一部分向上经中心管与干馏煤气混合形成混合气从炉顶引出，称为上段煤气或炉顶煤气,加压移动床气化法,加压移动床气化法是一种在高于大气压力（1.02.0MPa或更高压力）的条件下进行煤的气化操作
24、，通常以氧气和水蒸气作为气化介质，以褐煤、长焰煤或不粘煤为原料的气化炉，煤气热值高。降常压条件下的反应外，主要是发生了一系列甲烷生成的反应，而这些反应在常压下是需要催化剂参与才能发生的。主要有固态排灰和液态排渣的鲁奇炉,加压气化炉中各层的主要反应及产物,（a）干法排灰（b）液态排渣,干法排灰水蒸气和氧气的比例一般为（4:1）（5:1），液态排渣炉中则为0.5:1。液态排渣炉内最高温度一般在1300以上，出口粗煤气的温度为550左右。使得气化强度和生产能力有了显著的提高，约为干法排灰式的3倍多。同时灰渣中含碳量有所下降，碳利用率一般在92%以上。此外，水蒸气利用率高是其另一个显著的优点。干法排灰
25、相比，液态排渣炉液态排渣炉粗煤气中CH4含量下降，CO和H2组分之和约提高25%，同时CO/H2比上升，而CO2则由30%降到了65%。,加压移动床气化工艺流程图,流化床气化技术主要类型,温克勒（Winkler）灰熔聚（U-Gas和ICC）循环流化床（CFB,circulating fluidized gasifier）加压流化床（PFB）,5.6.2 流化床气化方法,定义：煤和气化剂在流态化状态下发生气化反应的方法。或采用流态化技术使煤炭与气化剂反应转化为灰渣和 煤气的过程。（fluidized gasification),流态化技术是一种强化流体(气体或液体)与固体颗粒间相互作用的操作。,
26、流化床气化方法的特点,缺点：70的灰及部分未燃尽碳被煤气夹带出气化炉，即增加了煤气净化的难度，也造成了很大程度的热损。同时另外的灰分通过黏结落入灰斗，灰渣和飞灰的含碳量均较高。（15%20%）,温克勒气化炉示意图,气化温度控制在950,移动床（1）流化床（2）温度分布比较,流化床沿床层高度的气体组分分布,操作气速,煤粒度,气化炉内分区,影响因素,结渣性,氧化区,还原区,HTW 煤气化示范装置工艺流程图，气化压力和温度：0.91.0MPa，1100左右,HTW 气化炉物料平衡及主要输入输出能量分布,灰团聚流化床煤气化技术,在流化床层形成局部高温区(炉底有倒锥形分布板，分布板中央有一喷嘴，可造成局
27、部高温，灰颗粒由于高温发生熔化，团聚成大颗粒），使煤中的灰分在软化而未熔融的状态下，相互团聚而黏结成含碳量较低的灰渣，结球长大到一定程度时靠其重量与煤粒分离下落到炉底灰渣斗，从而有选择性地将灰球排出炉外，降低了灰渣的含碳量（5%10%）,美国Ugas 流化床煤气化技术 中国ICC 灰熔聚流化床煤气化技术,灰溶剂流化床与传统流化床相比：传统流化床：炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰和炉底排渣中的碳损失较高。传统流化床为降低碳含量，维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度（950），所以传统的流化床气化炉只适用于高活性的褐煤或次烟煤。灰溶剂流化床：根据射流原理，设计了独特的气体分布器和灰团
28、聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区（12001300）促使灰渣团聚成球，借助密度差异，达到灰团与半焦的分离，在非结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内碳含量和操作温度，从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟煤。,Ugas 气化炉,Ugas 气化工业装置流程简图1煤干燥粉碎部分；2干煤仓；3密相输送系统；4称量斗；5锁斗；6进料斗；7-Ugas 气化炉；8灰冷；9排灰装置；10第一级旋风分离器；11第二级旋风分离器；12第三级旋风分离器；13灰冷器；14排粉装置；15废热锅炉；16蒸气过热器；17蒸气预热器；18脱氧水加热器；19文丘里洗涤器；20洗涤器；21空气压缩机部分
29、；22废水循环处理部分,中国ICC 灰熔聚流化床煤气化技术,ICC 灰熔聚流化床粉煤气化炉1气化炉；2螺旋给煤机；3第一旋风分离器；4第二旋风分离器；5温球阀,灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程简图1煤锁；2中间料仓；3气体冷却器；4气化炉；5灰锁；6一级旋风；7二级旋风；8二旋下灰头；9废热回收器；10汽包；11蒸汽过热器；12脱氧水预热器；13洗气塔,循环流化床（CFB）煤气化技术,特点：克服了鼓泡流化床中存在大量气泡造成气固接触不良的缺点，同时可避免气流床所需过高的气化温度；克服了大量煤转化为热能而不是化学能的缺点，综合了气流床和鼓泡床的优点；CFB 的操作气速介于鼓泡床和气流床之间，煤颗粒与
30、气体之间有很高的滑移速度，使气固两相之间具有更高的传热传质速率。整个反应器系统和产品气的温度均一，不会出现鼓泡床中局部高温造成结渣。,鲁奇CFB 气化炉简图,CFB 循环流化床粉煤气化工艺流程,技术现状：温克勒气化炉：已有用于合成氨生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，煤气中甲烷含量高（0.72.5%）。而且设备生产强度较低，已不代表发展方向。U-Gas气化炉：在上海焦化厂1994年11月开车，长期运转不正常，于2002年停运。循环流化床和加压流化床可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例。中科院山西煤化开发的ICC灰熔聚气化炉，已通过工业示范装置试运行阶段，在多家合成氨厂开始推广使用。,6
31、.3.3气流床气化法,20世纪50年代初发展起来的新一代煤气技术，最初代表炉型为K-T炉。其后随着Shell、Texaco等一批新型工艺的开发，气流床气化技术因其出色的生产能力和气化效率，在世界范围内得到了广泛的应用，尤其是在燃气联合循环中。气流床气化是一种并流式气化，对煤种、粒度含硫、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。,气流床气化的类型,按进料状态分为：干粉进料和水煤浆进料两种：干粉进料的主要有K-T（Koppres-Totzek）炉、Shell气化炉、Prenflo炉、Shell-Koppres炉、GSP气化炉和ABB-
32、CE炉水煤浆进料的主要有德士古（Texaco）气化炉、Destec（Global-Gas）气化炉。,气流床气化特点,气流床气化法原理,气流床气化法是用极细的粉煤为原料，被氧气和水蒸气组成的气化剂高速气流携带进入并在气化炉进行充分的混合、燃烧和气化反应。气流床气化是气固并流，气体与固体在炉内的停留时间几乎相同，都比较短，一般在1 10s。煤粉气化的目的是想通过增大煤的比表面积来提高气化反应速度，从而提高气化炉的生产能力和碳的转化率。,常压干法粉煤气流床粉煤气化,据统计，20世纪80年代国外利用K-T常压气化炉技术生产合成氨的工厂，其产量占煤基合成氨生产的90。K-T炉常压气流床粉煤气化的一般工艺
33、流程见图9-19所示，原料煤经干燥、并粉碎至通过200目筛孔，以氮气为介质作气动输送。整个进料系统用氮气充压，以防止氧气倒灌引起爆炸。然后氧气和水蒸气组成的气化剂与煤粉混合，由燃烧器喷嘴高速喷入炉内。气化炉衬有耐火材料，炉壁为水夹套，用来回收炉壁散失的热量，产生的低压蒸气可作气化剂使用。,K-T炉常压粉煤气化工艺流程图,德士古（Texaco）气化炉：将煤加水磨成浓度为60%65%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，气化温度1400，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96%99%，气化强度大，
34、炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。,湿法气流床加压气化,组成：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。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。缺点：水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题，主要是水煤浆在较高线速下（约30m/s）对金属材质的冲刷腐蚀。激冷环和耐火砖寿命仅一年。汽化水煤浆中的水要耗去煤的8%，比干煤粉为原料氧耗高12-20%，效率低。关键技术：喷嘴、气化炉、激冷环。,Texaco 淬冷型气化炉,Texaco 废锅型气化炉,德士古气化激冷流程示意图,德士古气化废锅
35、流程示意图,E-Gas湿法两段气流床加压气化,E-Gas气化炉主要特点为水煤浆进料和两段气流床加压气化。在美国wabash IGCC示范项目中选择了E-Gas气化技术。目前新建的气化炉单台生产能力可达2500t/d。E-Gas两段式气化炉的煤浆制备和输送过程与德士古气化炉类似，经过燃烧器喷嘴后进入第一段的煤浆进料气流床气化反应器，其炉体与结构同K-T常压气化炉相似，炉内温度在13201420左右。,E-Gas两段式气化炉结构简图1-水煤浆；2-氧气；3-灰渣激冷水；4-灰渣或水浆；5-第一段；6-第二段；7-煤气,干法粉煤加压气流床气化,Destec（Global-Gas）气化炉工艺介绍（两套
36、在美国，1987年和1995年投运）：组成：两个喷嘴对置，分第一段（水平段）与第二段（垂直段）。优点：借助撞击流以强化混合，克服了Texaco炉型的速度成钟形（正态）分布的缺陷。缺点：二次水煤浆停留时间短，碳转化率低，设有一个庞大的分离器，以分离一次煤气中携带的灰渣和二次煤浆的灰渣和残碳。关键点：适合于生产燃料气，不适合生产合成气。,Shell气化炉（荷兰IGCC电站，1993年开车）：组成：四个喷嘴沿圆周分布，分第一段（水平段）与第二段（垂直段）；炉衬为水冷壁。优点：1、单炉日处理煤量（2000t）;2、采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15%；碳转化率高，可达99%，煤耗比水煤浆低8%，调节负
37、荷方便;3、水冷壁寿命据称为20年，喷嘴寿命为一年。缺点：设备投资大于水煤浆气化技术，气化炉及废热锅炉结构过于复杂，加工难度大。,Shell 煤气化工艺（SCGP）流程示意图,GSP气化炉（黑水泵气化技术，1956年德国西门子公司开发；我国宁煤集团引进）：特点：煤炭加入方式类似于Shell炉，炉子结构类似与德士古炉。1、单炉日处理煤量（720t）。2、下喷式加压气流床液态排渣气化炉。,6.3.4 熔融床气化特点,熔融床气化法的原理,在温度较高（16001700）且高度稳定的熔融金属或金属盐熔池内，完成气化反应全部过程，生成CO和H2为主的煤气，煤的转化率高达99。熔融床气化反应过程是一种属于气
38、、液、固三相反应的气化方法，其间不只是煤与气化剂发生了反应，而且熔融介质也直接或间接地参与了反应过程。其最大的特点是能够改善气固接触状况，并具有一定的催化作用，使得煤种适应性较广，然而熔融物对于炉膛的腐蚀以及熔融物再生等问题阻碍了这类气化炉的进一步发展。熔融物的作用是：作为煤和气化剂的分散剂、蓄热和提供气化反应热。依据熔融介质的种类不同可分为熔渣气化法、熔盐气化法和熔铁气化法三类。,熔渣床、熔铁床及熔盐床气化法比较,6.3.5 煤的地下气化法,煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UGG）就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃性气
39、体的过程。它集建井、采煤、气化三大工艺为一体，抛弃了庞大笨重的采煤设备和地面气化设备，变传统的物理采煤为化学采煤，是多学科开发清洁能源和化工原料的高新技术，大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境破坏，并可大大提高煤炭资源的利用率，被誉为第二代采煤方法和煤炭加工及综合利用的最佳途径。因此深受世界各国重视，也是中国洁净煤发展的重要课题之一。,煤炭地下气化过程,煤的地下气化过程是在煤层中人工开掘的气化通道中进行的。其基本原理与一般的煤气化原理类似，就好象将一个固定床气化炉板倒置于地下。常见的地下气化工艺（如下图），从地表向地下煤层垂直开掘两条平行巷道1和2，其底部有一条水平巷道3连通。这三条巷道
40、所包围的整体煤层就是准备气化的区域。气化开始时，在水平巷道一侧用可燃物质引燃煤层，形成燃烧区，气化剂由同侧竖巷道鼓入，在通道内与煤发生气化反应，生成的煤气从另一侧竖巷道排出。,1、发展先进技术：如干法粉煤加压气化技术具有先进的各项指标，是今后煤化工技术研发的重中之重。2、发展煤种适应广泛的技术：国内煤炭资源相对分散，煤质差异大，先进的煤气化技术应对煤种相对有较宽的适应性，以消除煤质变化给应用带来的不利影响。3、发展生产能力大的技术：扩大单炉生产能力，不仅能减少投资，节省占地面积，而且可降低操作费用，从而降低产品成本。4、发展加压气化技术：提高气化压力，有利于提高单炉生产能力、气化效率，对降低生产成本有重要意义，比压缩煤气要经济的多。5、发展多联产技术：把煤气化与发电、化工联合起来，综合利用资源，可以提高总热效率，降低生产成本6、发展清洁生产新技术：煤中含有部分无机矿物质，在加工利用的过程中，存在三废排放，先进的煤气化技术，排放物应相对减少或容易处理。,5.7 煤气化技术发展的主要趋势,1.简述煤催化气化的基本原理。2.简述煤气化技术发展现状和趋势。3.归纳不同煤气化技术的优点和缺点。,思考题,
