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1、2023/8/20,煤炭气化工艺学,第四章 气化炉,2023/8/20,煤炭气化工艺学,第四章 气化炉,第三节 流化床气化炉,第四节 气流床气化炉,第五节 熔融床气化炉,第六节 工业上常用炉型的比较,第一节 气化炉概述,第二节 移动床气化炉,2023/8/20,煤炭气化工艺学,掌握气化用煤的种类、气化炉的种类及结构、工艺流程、工艺参数等,熟悉熔融床气化炉结构、气化工艺流程及工艺参数,了解我国工业上常用的气化炉及各种气化炉的比较,知识目标,2023/8/20,煤炭气化工艺学,能掌握我国气化用煤的特性、常用的气化炉形式、用途等,会判断实际用煤作为气化原料的优劣、会流利的讲述常用气化炉的工艺流程,会
2、解释一些实际操作过程常出现的问题及会分析影响操作的因素,能力目标,2023/8/20,煤炭气化工艺学,世界煤炭气化技术的发展趋势,增大气化炉规模，提高单炉制气能力。,提高气化炉的操作压力，降低压缩动力消耗，减少设备尺寸，降低氧耗，提高碳的转化率。,气流床和流化床技术日益发展，扩大了气化煤种的范围。,提高气化过程的环保技术，尽量减少环境污染。,将煤炭气化过程和发电联合起来的生产技术越来越受到各国的重视并巳建成不同规模的生产厂,以KT炉为例，20世纪50年代是双嘴炉，20世纪70年代采用了双嘴和四头八嘴，以及后来设计的六个头的气化炉等，使得单炉产气能力大幅度提高。,2023/8/20,煤炭气化工艺
3、学,4-1 气化炉概述,气化的几个重要过程,煤炭气化过程的主要评价指标,气化炉分类,基本概念,气固相反应,2023/8/20,煤炭气化工艺学,一、基本概念,1、气化炉：进行煤炭气化的设备叫气化炉。2、气化炉分类,按照燃料在气化炉内的运动状况,移动床(又叫固定床),沸腾床(又叫流化床),气流床,熔融床,生产操作压力,常压气化炉,加压气化炉,排渣方式,固态排渣气化炉,液态排渣气化炉,2023/8/20,煤炭气化工艺学,一、基本概念,空气煤气,混合煤气,水煤气,半水煤气,以空气作为气化剂生产的煤气,以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气,将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交
4、替送入气化炉内间歇进行生产的煤气,气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的符合合成氨原料气的要求的煤气,4、煤气的种类,2023/8/20,煤炭气化工艺学,一、基本概念,气化炉的组成,加煤系统,气化反应部分,排灰系统,要考虑煤入炉后的分布和加煤时的密封问题。,是煤炭气化的主要反应场所，首要考虑的问题是如何在低消耗的情况下，使煤最大限度地转化为符合用户要求的优质煤气。由于煤炭气化过程是在非常高的温度下进行的，为了保护炉体而加设内璧衬里或加设水套也是非常必要的。水套一方面可以起到保护炉体(也包括炉内的布煤器或搅拌装置)的作用，同时可以吸收气化区的热量而生产蒸汽，该部分蒸汽可以作为气化
5、时需用的蒸汽而进入气化炉内。,作用:保证了炉内料层高度的稳定，同时也保证了气化过程连续稳定地进行.问题：对移动床而言，由于炉箅(气化剂的分布装置)和排灰系统结合在一起，气化剂的均匀分布和排灰操作是生产上较为重要的两个问题。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,二、气固相反应,气固相反应,在气化炉内，物质基本上以两种相态存在，一是气相即空气、氧气、水蒸气(称为气化剂)和气化时形成的煤气，另外是固相即燃料和燃料气化后形成的固体如灰渣等。工业上把这种反应称气固相反应。,气化炉类型,气化剂以较小的速度通过床层时气体经过固体颗粒堆积时所形成的空隙，床内固体颗粒静止不动，这时的床层一般称固定床。对气化炉而
6、言，由于气化过程是连续进行的，燃料连续从气化炉的上部加人、形成的灰擅从底部连续的排出，所以燃料是以缓慢的速度向下移动，故称为移动床较为合理。,当气流速度继续增大，颗粒之间的空隙开始增大，床层膨胀，高度增加，床层上部的颗粒被气流托起，流体流速增加到一定限度时，颗粒被全部托起，颗粒运动剧烈，但仍然逗留在床层内而不被流体带出，床层的这种状态叫固体流态化，即固体颗粒具有了流体的特性，这时的床层称流化床。,在流化床阶段，如果流速进一步增大，将会有部分粒度较小的颗粒被带出流化床，这时的床层相当于一个气流输送设备，因而被称为气流床。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,二、气固相反应,三种床层中的压降和传热
7、,固定床的压力降主要是由于流体和固体颗粒之间的摩擦，以及流体流过床层时，流道的突然增大和收缩而引起的，随流速的增大而成比例地增大，经过一个极大值后床层进入流态化阶段。,流化床：在流态化阶段，床层的压降保持不变，基本等于床层的重量，把这个极大值称临界流化速度。,气流床：进入气流床时，由于大量颗粒被带出床外，床层压降急剧下降。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,二、气固相反应,均相反应与非均相反应,均相反应：气相中的反应。如CO与H2O的反应等。非均相反应：气固相的反应。如碳的燃烧反应、水蒸气与炽热的碳之间的反应等。,控制步骤,气化剂向燃料颗粒表面的外扩散过程；气化剂被燃料颗粒的表面吸附；吸附的
8、气化剂和燃料颗粒表面上的碳进行表面化学反应；生成的产物分子从颗粒表面脱附下来；产物分子从颗粒的表面通过气膜扩散到气流主体。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,二、气固相反应,化学平衡,定义：正逆反应速度相等时，化学反应就达到动态平衡。例如对如下吸热反应 C+O2CO2,平衡常数kp如下：Kp=(Pco*PH2)/PH2O,影响因素：1、T-吸热反应，提高温度有利于化学反应向生成产物的方向进行；对于放热反应，则降低温度有利于向生成产物的方向进行。,影响因素：2、P-对反应后体积增加(即分子数增加)的反应，随着压力的增加，产物的平衡含量是减少的；反之，对于体积减少的反应加压有利于产物的生成。,2
9、023/8/20,煤炭气化工艺学,三、气化的几个重要过程,煤的干燥,煤的热解,煤的反应,2023/8/20,煤炭气化工艺学,三、气化的几个重要过程,煤的干燥,煤的干燥过程，实质上是水分从微孔中蒸发的过程。,煤的干燥过程：理论上应在接近水的沸点下进行，但实际生产中，和具体的气化工艺过程及其操作条件又有很大的关系,一般地，增加气体流速，提高气体温度都可以增加干燥速度。煤中水分含量低、干燥温度高、气流速度大，则干燥时间短；反之，煤的干燥时间就长。,从能量消耗的角度来看，以机械形式和煤结合的外在水分，在蒸发时需要消耗的能量相对较少；而以吸附方式存在于煤微孔内的内在水分，蒸发时消耗的能量相对较多。煤干燥
10、过程的主要产物是水蒸气以及被煤吸附的少量的一氧化碳和二氧化碳等。,例如，对于移动床气化而言，由于煤不断向高温区缓慢移动，且水分蒸发需要一定的时间，因此水分全部蒸发的温度稍大于l00，当气化煤中水分含量较大时，干燥期间，煤料温度在一定时间内处于不变的100左右。而在其他的一些气化工艺过程当中，例如，气流床化时，由于粉煤是直接被喷入高温区内，几乎是在2000C左右的高温条件下被瞬间干燥。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,三、气化的几个重要过程,煤的干馏,就移动床来说，基本接近于低温干馏（500-600)。从还原层上来的气体基本不含氧气，而且温度较高，可以视为隔绝空气加热即干馏。,而对于沸腾床和
11、气流床气化工艺，由于不存在移动床的分层问题，因而情况稍微复杂，尤其对于气流床来讲煤的几个主要变化过程几乎是瞬间同时进行。,无烟煤中的氢和氧元素含量较低，加热分解仅放出少量的挥发分；烟煤加热时经历软化为类原生质的过程。在煤颗粒中心达到软化温度以前，开始分解出挥发物，同时其本身发生膨胀。,煤的加热分解除了和煤的品位有关系，还与煤的颗粒粒径、加热速度、分解温度、压力和周围气体介质有关系。,煤颗粒粒径小于50m时，热解过程将为挥发形成的化学反应控制，热解与颗粒大小基本没有关系。当颗粒粒径大于100 m后，热解速度取决于挥发分从固定碳中的扩散逸出速度。,压力对热解有重要影响，随压力的升高，液体碳氢化合物
12、相对减少，而气体碳氢化合物相对增加。一般来说，在200以前，并不发生热解作用，只是放出吸附的气体如水等。在大于200后，才开始发生煤的热分解，放出大量的水蒸气和二氧化碳，同时，有少量的硫生成二氧化硫等气体。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,三、气化的几个重要过程,煤的干馏,煤的热解结果生成三类分子：小分子(气体)、中等分子(焦油)、大分子(半焦)。,就单纯热解作用的气态而言煤气热值随煤中挥发分的增加而增加；随煤的变质程度的加深氢气含量增加而烃类和二氧化碳含量减少。煤中的氧含量增加时，煤气中二氧化碳和水含量增加。煤气的平均分子量则随热解的温度升高而下降即随温度的升高大分子变小，煤气数量增加。
13、,2023/8/20,煤炭气化工艺学,三、气化的几个重要过程,煤的反应,煤炭气化过程的两类主要反应：燃烧反应和还原反应,煤的燃烧反应，通过燃烧一部分燃料来维持气化工艺过程中的热量平衡。不论采用哪一种具体的气化工艺，产生的热量基本上都消耗在如下几个方面：灰渣带出的热量、水蒸气和碳的还原反应需要的热量、煤气带走的热量以及传给水夹套和周围环境的热量。,煤的燃烧是指在空气、富氧空气或氧气中，当煤的温度达到者火点时剧烈氧化，放出大量热量的过程，完全燃烧时生成二氧化碳，而不完全燃烧时则生成一氧化碳。,还原反应，包括碳和二氧化碳的反应，以及水蒸气和碳之间的反应是制气的主要反应，主要生成一氧化碳和氢气。,20
14、23/8/20,煤炭气化工艺学,四、煤炭气化过程的主要评价指标,主要评价指标,气化强度,蒸汽消耗量、蒸汽分解率,气化效率,热效率,单炉生产能力,2023/8/20,煤炭气化工艺学,对于烟煤炭气化时，可以适当采用较高的气化强度，因其在干馏段挥发物较多，所以形成的半焦化学反应性较好，同时进人气化段的固体物料也较少。而在气化无烟煤时，因其结构致密，挥发分少，气化强度就不能太大。对于较高灰熔点的煤炭气化时，可以适当提高气化温度，相应也 提高了气化强度。,四、煤炭气化过程的主要评价指标,气化强度,所谓气化强度，即单位时间、单位气化炉截面积上处理的原料煤质量或产生的煤气量。,气化强度的两种表示方法如下：,
15、气化强度越大，炉子的生产能力越大。气化强度与煤的性质、气化剂供给量、气化炉炉型结构及气化操作条件有关。,实际的气化生产过程中，要结合气化的煤种和气化炉确定合理的气化强度。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,四、煤炭气化过程的主要评价指标,单炉生产能力,气化炉单台生产能力是指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量。,它主要与炉子的直径大小、气化强度和原料煤的产气率有关,计算公式如下：式中V单炉生产能力，m3h；D气化炉内径，m；Vg煤气产率,m3kg(煤)：q1气化强度，kg(m2h)。,煤气产率是指每千克燃料(煤或焦炭)在气化后转化为煤气的体积,煤气单耗，定义为每生产单位体积的煤气需要消耗的燃料
16、质量，以kgm3计。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,四、煤炭气化过程的主要评价指标,气化效率,煤炭气化过程实质是燃料形态的转变过程，即从固态的煤通过一定的工艺方法转化为气态的煤气。,这一转化过程伴随着能量的转化和转移，通常是首先燃烧部分煤提供热量(化学能转化为热能)，然后在高温条件下，气化剂和炽热的煤进行气化反应，消耗了燃烧过程提供的能量，生成可燃性的一氧化碳、氢气或甲烷等(这实际上是能量的一个转移过程)。,计算公式如下：式中气化效率，；Qlkg煤所制得煤气的热值，kJ/kg；Q1kg煤所提供的热值kJ/kg；,所谓的气化效率是指所制得的煤气热值和所使用的燃料热值之比,2023/8/20
17、,煤炭气化工艺学,四、煤炭气化过程的主要评价指标,热效率,热效率是评价整个煤炭气化过程常用的经济技术指标。气化效率偏重于评价能量的转移程度，即煤中的能量有多少转移到煤气中；而热效率则侧重于反映能量的利用程度。,进入气化炉的热量有燃料带入热、水蒸气和空气等的显热。,热效率计算公式如下：式中L一热效率，；Q煤气煤气的热值，MJ；Q入进入气化炉的总热量，MJ：Q热损失气化过程的各项热损失之和MJ。,气化过程的热损失主要有通过炉壁散失到大气中的热量、高温煤气的热损失、灰渣热损失、煤气泄露热损失等。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,四、煤炭气化过程的主要评价指标,水蒸汽消耗量与蒸汽分解率,水蒸汽消耗
18、量和水蒸汽分解率是煤炭气化过程经济性的重要指标它关系到气化炉是否能正常运行，是否能够将煤最大限度地转化为煤气。,蒸汽分解率是指被分解掉的蒸汽与入炉水蒸汽总量之比。蒸汽分解率高，得到的煤气质量好，粗煤气中水蒸汽含量低；反之，煤气质量差，粗煤气中水蒸汽含量高。,一般地，水蒸汽的消耗量是指气化1kg煤所消耗蒸汽的量水蒸汽消耗量的差异主要由于原料煤的理化性质不同而引起的。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,五、气化炉分类,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,燃料：主要有褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤、焦炭等。气化剂：有空气、空气一水蒸气、氧气一水蒸气等。基本过程：燃料由移动床上部的加煤
19、装置加入，底部通入气化剂，燃料与气化剂逆向流动，反应后的灰渣由底部排出。炉内温度分布：,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,炉内料层：当炉料装好进行气化时，以空气作为气化剂，或以空气(氧气、富氧空气)与水蒸气作为气化剂时，炉内料层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层。气化剂不同，发生的化学反应不同。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,煤灰堆积在炉底的气体分布板上具有以下三个方面的作用：由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。煤灰的温度比刚人炉的气化剂温度高，可使气化剂预热。灰层上面的氧化
20、层温度很高，有了灰层的保护，避免了和气体分布板的直接接触，故能起到保护分布板的作用。,根据煤灰分音量的多少和炉子的气化能力制定合适的清灰操作。灰渣层一般控制在100400mm较为合适，视具体情况而定。如果人工清灰，要多次少清，即清灰的次数要多而每次清灰的数量要少，自动连续出灰效果要比人工清灰好清灰太少，灰渣层加厚，氧化层和还原层相对减少，将影响气化反应的正常进行，增加炉内的阻力；清灰太多，灰渣层变薄，造成炉层波动，影响煤气质量和气化,灰渣层温度较低，灰中的残碳较少，所以灰渣层中基本不发生化学反应。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,也称燃烧层或火层，是煤炭气化的重要反应区域
21、，从灰渣中升上来的预热气化剂与煤接触发生燃烧反应产生的热量是维持气化炉正常操作的必要条件。,考虑到灰分的熔点，氧化层的温度太高有烧结的危险，所以一般在不烧结的情况下，氧化层温度越高越好，温度低于灰分熔点的80120为宜，约1200左右。氧化层厚度控制在150300mm左右，要根据气化强度、燃料块度和反应性能来具体确定。氧化层温度低可以适当降低鼓风温度，也可以适当增大风量来实现。,氧化层带温度高，气化剂浓度最大发生的化学反应剧烈，主要的反应为：C+02 C02 2C+02 2C0 2C0+02 C02上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移
22、动床气化炉,还原层厚度一般控制在300500mm左右。如果煤层太薄还原反应进行不完全，煤气质量降低；煤层太厚，对气化过程也有不良影响，尤其是在气化黏结性强的烟煤时，容易造成气流分布不均，局部过热，甚至烧结和穿孔。习惯上，把氧化层和还原层统称为气化层。气化层厚度与煤气出口温度有直接的关系，气化层薄出口温度高；气化层厚，出口温度低。因此，在实际操作中，以煤气出口温度控制气化层厚度，一般煤气出口温度控制在600左右。,还原反应是吸热反应，其热量来源于氧化层的燃烧反应所放出的热,在氧化层的上面是还原层，赤热的炭具有很强的夺取水蒸气和二氧化碳中的氧而与之化台的能力，水(当气化剂中用蒸汽时)或二氧化碳发生
23、还原反应而生成相应的氧气和一氧化碳，还原层也因此而得名。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,干馏层位于还原层的上部，气体在还原层释放大量的热量，进入干馏层时温度已经不太高了，气化剂中的氧气已基本耗尽，煤在这个过程历经低温干馏，煤中的挥发分发生裂解产生甲烷、烯烃和焦油等物质，它们受热成为气态而进入干燥层。,干馏区生成的煤气中因为含有较多的甲烷因而煤气的热值高，可以提高煤气的热值,但也产生硫化氢和焦油等杂质。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,干燥层位于干馏层的上面，上升的热煤气与刚人炉的燃料在这一层相遇并进行换热，燃料中的水分受热蒸发。,一般地，利用劣质煤
24、时因其水分舍量较大，该层高度较大，如果煤中水分含量较少，干燥段的高度就小。,脱水过程有三个阶段,2023/8/20,煤炭气化工艺学,过程,第一阶段(图45中I)，煤中的水分分外在水分和内在水分。干燥层的上部，上升的热煤气使煤受热，首先使煤表面的润湿水分即外在水分汽化，这时煤微孔内的吸附水即内在水分同时被加热。随燃料下移温度继续升高。第二阶段(图45中II)，煤移动到干燥层的中部，煤表面的外在水分已基本蒸发干净，微孔中的内在水分保持较长时间，温度变化不大，继续汽化，直至水分全部蒸发干净，温度才继续上升，燃料被彻底干燥。第三阶段(图45中)，燃料移动到干燥层的下部时，水分已全部汽化，此时不需要大量
25、的汽化热，上升的热气流主要是来预热煤料，同时煤中吸附的一些气体如二氧化碳等逸出。在干燥段的升温曲线如图4-5所示1、移动床气化炉。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,1、移动床气化炉,控制空层高度一是要求在炉体横截面积上要下煤均匀下煤量不能忽大忽小；二是按时清灰。,必须指出-上述各层的划分及高度，随燃料的性质和气化条件而异，且各层间投有明显的界限，往往是相互交错的。,空层即燃料层的上部，炉体内的自由区，其主要作用是汇集煤气，并使炉内生成的还原层气体和干馏段生成的气体混合均匀。由于空层的自由截面积增大，使得煤气的速度大大降低，气体夹带的颗粒返回床层，减小粉尘的带出量。,2023/8/20,煤炭
26、气化工艺学,1、移动床气化炉,移动床分类：移动床按气化压力来分类，可以分为常压移动床和加压移动床；按排渣性质可以分为固态排渣移动床和液态排渣移动床；按气化剂性质分为空气煤气、水煤气、混合煤气、富氧蒸汽移动床等。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,2、流化床气化炉（沸腾床）,沸腾床气化炉是用流态化技术来生产煤气的一种气化装置，也称流化床气化炉,优点:沸腾床具有流体那样的流动特性，因而向气化炉加料或由气化炉出灰都比较方便。整个床内的温度均匀，容易调节。缺点：但采用这种气化途径，对原料煤的性质很敏感，煤的黏结性、热稳定性、水分、灰熔点变化时，易使操作不正常。,气化剂通过粉煤层，使燃料处于悬浮状态，
27、固体颗粒的运动如沸腾的液体一样。气化用煤的粒度一般较小，比表面积大，气固相运动剧烈整个床层温度和组成一致，所产生的煤气和灰渣都在炉温下排出，因而，导出的煤气中基本不含焦油类物质。,采用气化反应性高的燃料(如褐煤)，粒度在35mm左右，由于粒度小，再加上沸腾床较强的传热能力，因而煤料入炉的瞬间即被加热到炉内温度，几乎同时进行着水分的蒸发、挥发分的分解、焦油的裂化、碳的燃烧与气化过程。有的煤粒来不及热解并与气化剂反应就已经开始熔融，熔融的煤粒黏性强，可以与其他粒子接触形成更大粒子，有可能出现结焦而破坏床层的正常流化，因而沸腾床内温度不能太高。由于加入气化炉的燃料粒径分布比较分散，而且随气化反应的进
28、行，燃料颗粒直径不断减小，则其对应的自由沉降速度相应减小。当其对应的自由沉降速度减小到小于操作的气流速度时，燃料颗粒即被带出。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,3、气流床气化炉,微小的粉煤在火焰中经部分氧化提供热量，然后进行气化反应，粉煤与气化剂均匀混合，通过特殊的喷嘴的进入气化炉后瞬间着火，直接发生反应，温度高达2000C。所产生的炉渣和煤气一起在接近炉温下排出，由于温度高，煤气中不含焦油等物质，剩余的煤渣以液态的形式从炉底排出,粉煤和气化剂之间进行并流气化，反应物之间的接触时间短。为了提高反应速度，一般采用纯氧一水蒸气为气化剂，并且将煤粉磨得很细，以增加反应的表面积，一般要求70%的煤
29、粉通过200目筛。也可以将粉煤制成水煤浆进料，缺点是水的蒸发会消耗大量的热，故需要消耗较多的氧气来平衡。,所谓气流床，就是气化剂将煤粉夹带进人气化炉，进行并流气化。沸腾床气化炉，可以利用小颗粒燃料，气化强度较固定床大，但气化炉内的反应温度不能太高，一般用来气化反应性高的煤种。而气流床气化却是采用更小颗粒的粉煤。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,4、熔融床气化炉,燃料和气化剂并流进入炉内，煤在熔融的灰渣、金属或盐浴中直接接触气化剂而气化，生成的煤气由炉顶导出，灰渣则以液态和熔融物一起溢流出气化炉。,优点：炉内温度很高，燃料一进入床内便迅速被加热气化因而没有焦油类的物质生成。熔融床不同于移动床
30、、沸腾床和气流床，对煤的粒度没有过分限制，大部分熔融床气化炉使用磨得很粗的煤，也包括粉煤。熔融床也可以使用强黏结性煤、高灰煤和高硫煤。缺点：是热损失大，熔融物对环境污染严重，高温熔盐会对炉体造成严重腐蚀。,熔融床气化炉是一种气一固液三相反应的气化炉,2023/8/20,煤炭气化工艺学,4-2 移动床气化工艺,常压发生炉煤气生产工艺,加压气化生产工艺,发生炉煤气种类,制气原理,煤气发生炉,典型工艺流程、设备、工艺参数,物料、热量衡算,加压生产特点,加压气化炉,物料、热量衡算,工艺流程与工艺参数,2023/8/20,煤炭气化工艺学,一、常压发生炉煤气生产工艺,特点是：整个气化过程是在常压下进行的；
31、在气化炉内，煤是分阶段装入的，随着反应时间的延长，燃料逐渐下移，经过前述的干燥、干馏、还原和氧化等各个阶段，最后以灰渣的形式不断排出，而后补加新的燃料；操作方法有间歇法和连续气化法；气化剂一般为空气或富氧空气，用来和碳反应提供热量，水蒸气则利用该热量和碳反应，自身分解为氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷等气体。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,(一)发生炉煤气种类,发生炉煤气根据使用气化剂和煤气的热值不同，一般可以分为：空气煤气混合煤气水煤气半水煤气等。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,（二）制气原理-空气煤气,空气煤气的制气原理,气化剂：以空气作为气化燃料,化学反应：C+O2CO2-39
32、4.1KJ/mol(4-1)C+CO2 2CO+173.3KJ/mol(4-2),缺点：炉内热量积聚，料层和煤气温度升得较高；存在易结渣；适宜采用液态排渣的气化炉；煤气热值低；出口温度高；气化效率低等问题,空气煤气成分：一氧化碳是空气煤气的主要可燃成分。影响煤气成分的因素：温度、反应速度,2023/8/20,煤炭气化工艺学,（二）制气原理 混合煤气,混合煤气的制气原理,气化剂：空气中混合一定量的水蒸气作为气化剂,化学反应：气化炉内热源主要依靠反应式(4-3)提供；反应式(46)也是混合煤气制气的主要反应，而且是主要的吸热反应。,实际煤气与理想煤气的区别实际煤气：在理想情况下气化过程达到热 平衡
33、时 所得到的煤气。,特点：其中的氢气和甲烷的热值较高，因而和空气煤气相比较，热值大大提高。又因为水蒸气的分解需要吸收热量，这就可以降低气化层的温度，使灰渣维持在不熔融的状态，因此可以采用固态排渣气化炉。,区别：煤气中的一氧化碳和氢气的含量比理想情况的数值要低。实际煤气组分比理想煤气得多。实际煤气的热值较理想煤气的热值高一些，主要由于干馏段生成的甲烷等化合物热值高。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,（二）制气原理 水煤气,水煤气的制气原理,气化剂：以水蒸气作为气化剂,化学反应：C+H20CO+H2+135.0 kJmol(4-6)C+2H2O C02+2H2+96.6kJmol(47)CO+
34、H20 H2+C02 38.4kJmol(48)C+2H2 CH4-84.3kjmol(410),特点：它广泛用于合成原料气，这种煤气生产工艺避免了普通方法制取混合煤气时易结渣及热效率低的缺点，并能获得热值较高的水煤气。如合成氨企业,影响煤气成分的因素：1、温度：(4-6)及式(47)均为吸热反应，提高温度对反应有利，可增加生成气体中一氧化碳和氢的含量，当温度高于900C时，平衡产物气中二者均接近50，而对于放热反应式(48)和式(4-lO)而言，在900的高温下，生成二氧化碳和甲烷的量却几乎为零。2、反应速度：碳与水蒸气的反应速度基本由温度和燃料的活性决定，一般地，温度越高，燃料的化学活性好
35、，则越有利于水蒸气的分解反应，因此，生产上采用高温操作对碳的气化十分有利。,为了提供热量以维持炉内一定的温度，生产上采用的方法有外热法和内热法。外热法热量消耗大，不常采用。内热法用得较普遍，在气化之前先通入空气燃烧部分煤，产生气化所需要的足够的热量，然后送人水蒸气进行气化反应制取煤气，随气化的进行，床层温度逐渐下降，到一定程度后，停止送人水蒸气。然后再通入空气进行燃烧反应。在第二次送人空气之前，由于炉内残存部分煤气，为防止爆炸，一般用水蒸气对气化炉进行吹扫后方可通入空气。这种方法工业上称间歇制气。,典型制取方法：煤的燃烧和水蒸气的分解分开交替进行，可制得(H2+CO)与(N2)之比在15.82
36、3.1左右的水煤气。在合成氨工业上需配入适量的氮气，使得(H2+CO)和(N2)之比约为3.2左右，称为半水煤气。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,（三）煤气发生炉,目前，国内普遍使用的有3M-13型(即3A-13型)、3M-21型(即3A-21型)、w-G、uGI及两段式气化炉。这些气化炉的共同特点是都有加煤装置、炉体、除灰装置和水夹套等。为扩大气化用煤，有的炉内设置搅拌破黏装置；为使气化剂在炉内分布均匀，采用不同的炉算。总体来看，各种类型的移动床炉型结构区别不大，为满足不同用户的需要。一般有炉径1000mm、1500mm、2000mm，3000mm等规格，承煤气炉一般有炉径 1600m
37、m、1980mm、2260mm、2740mm、3000mm等。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,3M-21型移动床混合煤气发生炉,3M-2l型气化炉的主体结构由四部分组成,炉上部有加煤机构,下部有除灰机构,中部为炉身,气化剂的入炉装置,加煤机构的作用是将料仓中一定粒度的煤经相应部件传进，能基本保持煤的粒度不变，安全定量地送入气化炉内。加煤机构必须具有好的密封性，适当的传送距离，不挤压煤料而引起颗粒的破碎。3M一21型的加煤机构主要是由一个滚筒、两个钟罩和传动装置组成。,滚筒用来实现煤的定量加入，上钟罩接受滚筒落入的煤。上下钟罩是交替开闭，当上钟罩打开时，下钟罩与炉体断开从而使煤料入炉。分布
38、锥保证煤料在整个炉膛截面上均匀分布，不能出现离析现象，即大颗粒煤在四周，而小颗粒煤在中间，可能出现中间高而四周低的不良状况。,上设探火孔、水夹套、耐火衬里等主要部分。,探火孔的主要作用是在煤料的扒平、捅渣时通过它来进行，也通过探火孔用钎子测炉内气化层的温度、厚度等。探火孔由孔塞、孔座及喷气环等主要部分构成。对探火孔的要求是密封性要好，不能使煤气外泄。喷气环的作用是在打开探火孔时，为避免煤气外泄着火，从喷气环喷出的低压水蒸气斜向进入炉内空间上部，在探火孔处形成一层隔离水蒸气气幕，防止煤气外泄和空气进入炉内。通入的蒸汽表压大于等于0.4MPa，蒸汽量不能太大以防将空气带人气化炉内引起爆炸。,水夹套
39、是炉体的重要组成部分，由于强放热反应使得氧化段温度很高，一般在1000以上。加设水夹套的作用一是回收热量，产生一定压力的水蒸气供气化或探火孔汽封使用；另一方面可以防止气化炉局部过热而损坏。夹套水必须用软化水，特殊情况可暂时用自来水代替但时间不宜太长以防在夹套壁上形成水垢影响传热。,碎渣圈位于炉体底部，上面与水套固定，下部有6把灰刀，内壁呈渡纹型。当炉箅和灰盘转动时，碎渣圈不动，可使大块灰渣受到挤压和剪切而碎裂，并下移。当灰渣移到小灰刀处，即被灰刀刮到灰盘。碎渣圈的另一作用是和灰盘外套构成水封装置，做炉底密封用。炉顶耐火衬里和水夹套上部耐火衬里的主要作用是保护炉身钢制外壳，防止因高温变形烧坏。耐
40、火衬里也可以防止热量散失太大，炉体外部温度太高，操作条件恶化。耐火衬里的缺点是容易挂渣，为防止挂渣，可以采用全水套炉身结构,除灰结构的主要部件有炉算、灰盘、排灰刀和风箱等。,炉箅的主要作用作用是支撑炉内总料层的重量，使气化剂在炉内均匀分布，与碎渣圈一起对灰渣进行破碎、移动和下落。它由四或五层炉箅和炉箅座重叠后用一长杆螺栓固定成一整体，然后固定在灰盘上。每两层炉算之间及最后一层炉箅和炉箅座之间开有布气孔，每层的布气量通过实验来确定。安装时炉箅整体的中心线和炉体的中心线偏移150mm左右的距离，可以避免灰渣卡死。具体结构如图412所示。,灰盘是一敞口的盘状物，起储灰、出灰和水封的作用。灰盘内壁一般
41、焊有斜钢筋，便于灰渣上移至灰槽。灰盘固定在大齿轮上，大齿轮装在钢球上，由电动机通过蜗轮、蜗杆带动大齿轮转动。以灰盘转速来调节出灰量和料层高度，灰盘转速在0.177；1.77r/h。具体转速应根据煤的灰分产率、气化强度、操作条件等实际情况来确定。3M-21型气化炉不带搅拌破黏装置，可以用来气化无烟煤、焦炭等无黏结性煤种。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,3M-13型移动床混合煤气发生炉,3M-13(3A-13)型煤气发生炉装有破黏装置，既能气化弱黏结性的煤如长焰煤、气煤等，又能气化无烟煤、焦炭等不黏结性燃料，生产的煤气可以用来作为燃料气。3M-13型煤气发生炉的结构如图4-13所示炉顶盖上设
42、有8个探火孔，用于探测炉内温度和检查气化层的分布情况，也可以实施捣炉操作。水夹套可以产生约0.07MPa的压力。3M-13型和3M-21型的结构及操作指标基本相同，不同的是加煤机构和破黏装置。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,.UGI型水煤气发生炉,1-支柱；2-炉底三通圆门；3-炉底三通；4-长灰瓶；5-短灰瓶；6-灰斗圆门；7-灰槽；8-灰犁；9-圆门；10-夹层锅炉放水管；11-破碎板；12-小推灰器；13-大推灰器；14-宝塔型炉条；15-夹层锅炉入口；16-保温层；17-夹层锅炉；18-R型连接板；19-夹层锅炉安全阀；20-耐火砖；21-炉口保护圈；22-探火装置；23-炉口座
43、；24-炉盖；25-炉盖安全连锁装置；26-炉盖轨道；27-气出口；28-夹层锅炉出气管；29一夹 层锅炉野液位警报器；30-夹层锅炉进水管；31-试火管及试火考克；32一内灰盘33-外灰盘；34-角钢 挡灰圈；35-我蜗杆箱大方门；36-蜗杆箱小方门；37一蜗杆；38-蜗轮；39-蜗杆箱灰瓶；40-炉底壳；41-热电偶接管；42-内刮灰板；43-外刮灰板,2023/8/20,煤炭气化工艺学,.UGI型水煤气发生炉,水煤气发生炉和混合煤气发生炉的构造基本相同，一般用于制造水煤气或作为合成氨原料气的加氮半水煤气，代表性的炉型当推UGI型水煤气发生炉。水煤气生产原料用焦炭或无烟煤，燃料从炉顶加入，
44、气化剂从炉底加入，灰渣主要从炉子的两侧进入灰瓶，少量细灰由炉箅缝隙漏下进入炉底中心的灰瓶内。其结构如图4-16所示。发生炉炉壳采用钢板焊制，上部衬有耐火砖和保温硅砖，使炉壳钢板免受高温的损害。下部外设水夹套锅炉，用来对氧化层降温，防止熔渣粘壁并副产水蒸气。探火孔设在水套两侧，用于测量火层温度。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,.UGI型水煤气发生炉,制造水煤气的关键是水蒸气的分解，由于水蒸气的分解是吸热反应，一般采用的方法是燃烧部分燃料来提供。间歇法制造水煤气，主要是由吹空气(蓄热)、吹水蒸气(制气)两个过程组成的。在实际生产过程中，还包含一些辅助过程，共同构成一个工作循环，如图4-17所
45、示。,第一阶段为吹风阶段：吹入空气，提高燃料层的温度，空气由阀门1进人发生炉，燃烧后的吹风气由阀门4、5后经过烟囱排出，或去余热回收系统。第二阶段为水蒸气吹净阶段：阀门1关闭，阀门2打开，水蒸气由发生炉下部进入，将残余吹风气经阀门4、5排至烟囱，以免吹风气混入水煤气系统，此阶段时间很短。如不需要得到纯水煤气时，例如制取台成氨原料气该阶段也可取消。,第三阶段为一次上吹制气阶段：水蒸气仍由阀门2进入发生炉底部，在炉内进行气化反应，此时，炉内下部温度降低而上部温度较高，制得的水煤气经阀门4、6(阀门5关闭)后，进入水煤气的净化和冷却系统，然后进入气体储罐。第四阶段为下吹制气阶段：关闭阀门2、4，打开
46、阔门3、7，水蒸气由阀门3进入气化炉后，由上而下经过煤层进行制气，制得的水煤气经过阀门7后由阀门6去净化冷却系统。该阶段使燃料层温度趋于平衡。,第五阶段为二次上吹制气阶段：阀门位置与气流路线同第三阶段。主要作用是将炉底部的煤气吹净，为吹入空气做准备。第六阶段为空气吹净阶段：切断阀门7，停止向炉内通入水蒸气。打开阀门1，通入空气将残存在炉内和管道中的水煤气吹入煤气净制系统。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,.UGI型水煤气发生炉,注意事项：,1、水煤气中的(CO+H2)和N2之比不符合合成氨原料气的要求,2、为避免发生爆炸，开启时应先开蒸汽阀，然后开空气阀；关闭时，应先关闭加氮空气阀，然后再
47、关闭蒸汽。,3、对每一个工作循环，都希望料层温度稳定。一般而言，循环时间长，气化层的温度、煤气的产量和成分波动大；相反，则波动小但阀门的开启次数频繁。,4、在实际生产过程中，应根据具体使用的气化原料和阀门的控制条件来确定。一般来说，气化活性差的原料需较长的循环时间；相反，气化活性高的原料，时间可适当缩短，因为活性高的原料气化时，反应速度大，料层温度降低快，适当缩短时间对气化是有利的。工作循环的时间一般在6-10min之间。采用自动控制时，每一个工作循环可以缩短3-4min。,通常是在上述生产水煤气的基础上，在一次上吹制气阶段鼓入水蒸气的同时，并适量鼓入空气(称加N2空气)，这样制得的煤气中氮气
48、含量增加，符合合成氨原料气中(CO+H2)和(N2)之比约3.2的要求，但需注意的是，在配入加氮空气时，其送入时间应滞后于水蒸气，并在水蒸气停送之前切断。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,UGI型水煤气发生炉,间歇法制造半水煤气时，在维持煤气炉温度、料层高度和气体成分的前提下，采用高炉温、高风量、高炭层、短循环(称三高一短)的操作方法，有利于气化效率和气化强度的提高。,高炉温：在燃料灰熔点允许的情况下，提高炉温，炭层中积蓄的热量多炭层温度高，对蒸汽的分解反应有利，可以提高蒸汽的分解率，相应半水煤气的产量和质量提高。,高风速：在保证炭层不被吹翻的条件下，提高煤气炉的鼓风速度，碳与氧气的反应速
49、度加快，吹风时间缩短；同时高风速还使二氧化碳在炉内的停留时间缩短，二氧化碳还原为一氧化碳的量相应减少，提高了吹风效率。但风速也不能太高，否则，燃料随煤气的带出损失增加，严重时有可能在料层中出现风洞。,高炭层：炭层高度的稳定是稳定煤炭气化操作过程的一个十分重要的因素，加煤、出灰速度的变化会引起炭层高度的渡动，进而影响炉内工况，煤气组成发生变化。在稳定炭层高度的前提下，适当增加炭层高度，有利于煤气炉内燃料各层高度的相对稳定，燃料层储存的热量多，炉面和炉底的温度不会太高，相应出炉煤气的显热损失减小；高炭层也有利于维持较高的气化层，增加水蒸气和炭层的接触时间提高气体的分解率和出炉煤气的产量与质量；采用
50、高炭层也是采用高风速的有利条件。但炭层太高，会增加气化炉的阻力，气化剂通过炭层的能量损耗增大，相应的动力消耗增加，因而要综合考虑高炭层带来的利弊。,短循环：循环时间的长短，主要取决于燃料的化学活性，总的来讲，燃料活性好，循环时间短；燃料活性差，则循环时间长。,2023/8/20,煤炭气化工艺学,(四)典型工艺流程,1、常见工艺流程 煤气发生站的工艺流程按气化原料性质、燃料气的用途、投资费用等因素来综合考虑。目前，比较常见的工艺流程分为下述三种形式。(1)热煤气流程 无冷却装置，从气化炉出来的热煤气直接作为燃料气。热煤气流程简单，从气化炉出来的热煤气经过旋风除尘后即送给用户，距离短，热损失较小，
