煤化工气化工艺系统知识-气化工艺的介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,气化工艺的介绍,煤气化工艺的发展,以煤炭为原料经化学方法将煤炭转化为气体、液体和固体产品或半产品，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。煤的焦化是应用最早的煤化工，至今仍然是重要的方法。,煤气化在煤化工中占有特别重要的地位，煤气化主要用于生产城市煤气、各种工业用燃料气和合成气，在中国合成气主要用于制取合成氨、甲醇、二甲醚等重要化工产品。通过煤炭加氢液化和气化生产各种液体燃料和气体燃料，利用碳一化学技术合成各种化工产品。随着世界石油和天然气资源的不断减少、煤化工技术的改进、新技术和新型催化剂的开发成功、新一代煤化工技术的涌现，,21,世纪现代煤化工将会有广阔的发展前景。,煤气化的应用,大型加压煤气化技术、煤基合成液体燃料技术、大型流化床电站锅炉、煤气化联合循环发电技术（,IGCC,），煤、电、热与化工产品多联产技术，煤中硫、氮等污染物的脱除和控制技术、大型燃气轮机技术、燃料电池技术等。,加压煤气化工艺的简要介绍,煤气化工艺分为固定床加压气化技术、湿法气流床加压气化技术、干法气流床加压气化技术。,固定床加压气化技术的主要代表有：德国鲁奇碎煤加压气化技术、,BGL,加压气化技术,湿法气流床加压气化技术的典型代表有：,GE,的,TEXACO,、华东理工大学的四喷嘴、多元料浆。,干法气流床加压气化技术的主要代表有：,shell,、西门子,GSP,、科林、北京航天、五环、华东理工也在水煤浆四喷嘴的基础上研究粉煤气化工艺。,碎煤加压气化工艺,早在,1927,1928,年间，德国鲁奇公司在德国东易河矿区利用褐煤在常压下用氧气作气化剂来制取煤气。煤气经加压净化后分离出二氧化碳可以使煤气热值提高。但在常压下气化炉产气量有限，而且煤气输送的压缩费用较高，从而促使人们进行加压气化工艺的研究。通过理论计算，在压力为,2.0MPa,和温度为,1000 K,的平衡气中，甲烷含量可达,20,以上，这将大大提高煤气的热值。随后的小型试验结果也证实了加压气化理论的正确性。由于这一切都是在鲁奇公司进行的，故将这种方法称为鲁奇式加压气化法。,鲁奇炉对气化的煤质要求,水分,鲁奇炉入炉煤的水分可以较高，但有些褐煤水分过高时，会促使褐煤块受热碎裂，造成氧耗增加，增加后系统的负荷及污水处理的投资，给原料预处理带来困难。,根据使用经验，当煤中水分高于,20%,时，水分含量每增加,1%,，氧耗增加,1.5%,，煤气出炉温度降低,5,，水汽含量增加,3%,。当水分含量上升到,30%,时，气化炉的生产能力下降,10%,。,灰分,原则上对煤的灰分无严格要求。但煤中灰分含量增加，将导致消耗定额增加；气化强度低，煤气产率降低，灰渣含碳量增加，煤气的热值降低。,从经济上考虑，控制煤灰分含量,20%,。,煤的粒度,褐煤,640mm,，烟煤,525mm,，焦炭和无烟煤,520mm,；要求最大粒径与最小粒径比为,58,；最小粒径要在,6mm,以上，小于,2mm,的粉煤量控制在,1.5%,以内，小于,6mm,的细粒煤控制在,5%,以内。,黏结性,能气化坩埚膨胀序数,7,以下的强黏结性煤。但与褐煤相比，消耗指标增加,1015%,，气化炉的处理能力降低,1520%,，气化效率下降,5%,。,反应活性,反应活性越高越好。,灰熔融温度与结渣性,这是影响汽氧比和气化强度的关键，通常要求,ST,1200,，最好高于,1400,。,结渣性也影响操作温度，结渣性强的煤操作温度不宜过高。,鲁奇加压气化技术的发展,鲁奇碎煤加压气化技术的发展根据炉型的变化大致可划分为三个发展阶段。,第一阶段（,1930,1954,年）。,1930,年在德国希尔士斐尔德建立了第一套加压气化试验装置，,1936,年设计了第一代工业化的鲁奇炉，以褐煤为原料生产城市煤气，气化剂为氧气和水蒸气，气化剂通过炉箅的中空转轴由炉底中心送入炉内，出灰口设在炉底侧面，炉内壁有耐火衬里，只能气化非黏结性煤，气化强度较低。,第一代鲁奇气化炉，内径,2600mm,1,烘箱,2,上部刮刀传动机构,3,煤气出口管刮刀,4,喷冷器,5,炉体,6,炉箅,7,炉箅传动机构,8,刮灰刀,9,下灰颈管,10,灰箱,11,裙板,A,带有内部液压传动装置的煤箱上阀,B,外部液压传动装置,C,煤箱下阀的液压传动装置,第二阶段（,1954,1965,年）。为了能够气化弱黏结性的烟煤，提高气化强度，联邦德国鲁尔煤气公司与鲁奇公司合作建立了一套试验装置，对泥煤、褐煤、次烟煤、长焰煤、贫煤和无烟煤进行了气化试验，根据试验结果设计了第二代鲁奇炉。该炉型在炉内设置了搅拌装置，起到了破黏作用，从而可以气化弱黏结性煤，同时取消了炉内的耐火衬里，设置了水夹套，排灰改为炉底中心排灰，气化剂由炉底侧向进入炉箅下部。,第二代直径,2600 mm,中间除灰炉型,1,煤箱,2,上部传动装置,3,布煤器,4,搅拌装置,5,炉体,6,炉算,7,炉箅传动轴,8,气化剂进口管,9,灰箱,第三阶段（,1969,1980,）。为了进一步提高鲁奇炉的生产能力，扩大煤种的应用范围，满足现代化大型工厂的生产需要，经对第二代炉改进，开发了第三代鲁奇炉，其内径增大到,3.8 m,，采用双层夹套外壳，炉内装有搅拌器和煤分布器，转动炉算采用宝塔型结构，多层布气，单炉产气量提高到,35000,55000 m,3,/,h,（干气），同时第三代炉的结构材料、制造方法、操作控制等均采用了现代技术，自动化程度较高。,第三代加压气化炉，内径,3800mm,1,煤箱,2,上部传动装置,3,喷冷器,4,裙板,5,布煤器,6,搅拌器,7,炉体,8,炉箅,9,炉箅传动装置,10,灰箱,11,刮刀,12,保护板,1974,年，鲁奇公司与南非萨索尔合作开发出直径为,5 m,的第四代加压气化炉，该气化炉几乎能适应各种煤种，其单炉产气量可,75000m,3,/,h,比第三代炉能力提高,50,。,此外，鲁奇公司还开发研制了液态排渣气化炉。可以大幅提高气化炉内燃烧区的反应温度，这样不但减少了蒸汽消耗量，提高了蒸汽分解率，而且气化炉出口煤气有效成分增加，从而使煤气质量提高，单炉生产能力比固态排渣气化炉提高,3,4,倍。,鲁奇公司还进行了“鲁尔,100”,气化炉的研究开发,该气化炉将气化压力提高到,10MPa,，随着操作压力的提高，氧耗量降低，煤气中甲烷含量提高，以替代天然气。,鲁奇加压气化介绍,在实际的加压气化过程中，原料煤从气化炉的上部加入，在炉内从上至下依次经过干燥、干馏、半焦气化、残焦燃烧、灰渣排出等物理化学过程。,加压气化炉是一种自热式反应炉，通过在燃烧层中的,C,O,2,CO,2,这个主要反应，产生大量热量，这些热量提供给：,气化层生成煤气的各还原反应所需的热量；,煤的干馏与干燥所需热量；,生成煤气与排出灰渣带出的显热；,煤气带出物显热及气化炉设备散失的热量。,燃料床层的结构及特性,在加压气化炉中，一般将床层按其反应特性由下至上划分为以下几层：,灰渣层,燃烧层（氧化层）,气化层（还原层）,干馏层,干燥层,灰渣层的主要功能是燃烧完毕的灰渣将气化剂加热，以回收灰渣的热量，降低灰渣,温度。,燃烧层主要是焦渣与氧气的反应即,C,O,2,CO,2,，它为其他各层的反应提供了热量。,气化层（也称还原层）是煤气产生的主要来源。,干馏层及干燥层是燃料的准备阶段，煤中的吸附气体及有机物在干馏层析出。,加压气化的过程,煤的干燥与部分燃烧阶段,煤的主要干燥阶段发生在,150,以前，在此阶段，煤失去大部分水分。,之后，煤发生挥发反应，开始释放出挥发性物质，它们主要是煤中可燃物热解生成的气体、焦油蒸汽和有机化合物，以及热分解水所生成的水蒸汽。,随温度的升高，煤的干燥和气化产物的释放过程如下：,100200,放出水分及吸附的,CO,2,200300,放出,CO,2,、,CO,和热分解水,300400,放出焦油蒸汽、,CO气态 碳氢化合物,400500,焦油蒸汽产生达到最多，,CO,逸出减少直到终止,500600,放出,H,2,、,CH,4,和碳氢化合物,600,以上 碳氢化合物分解为甲烷和氢,煤的气化阶段及基本反应过程,在煤的气化阶段，发生了下列反应：,碳的氧化燃烧反应：,C+O,2,CO,2,+394.55kJ/mol,2H,2,+O,2,2H,2,O+21.8kJ/mol,气化反应：,CO,2,+,C,2CO-73.1kJ/mol,C+,H,2,O CO+H,2,-131.0kJ/mol,C+2,H,2,O CO,2,+2H,2,-88.9kJ/mol,甲烷化反应：,炉内温度为,700800,时,COH,2,CH,4,+H,2,O+247.02,kJ/mol,一般情况下，煤的气化过程均设计成使氧化和挥发裂解过程放出的热量与气化反应、还原反应所需的热量加上反应物的显热相抵消。总的热量平衡采用调整输入反应器中的氧气量和蒸汽量来控制。,加压气化原理,压力下煤的气化在高温下受氧、水蒸气、二氧化碳的作用，各种反应如下：,碳与氧的反应：,C,O,2,CO,2,408.8 MJ,2C,O,2,2CO,246.4 MJ,CO,2,C 2CO,162.4 MJ,2CO,O,2,2CO,2,570,24 MJ,碳与水蒸气的反应：,C,H,2,O CO,H,2,118.8 MJ,C,2H,2,O CO,2,2H,2,75.2 MJ,CO,H,2,O CO,2,H,2,42.9 MJ,甲烷生成反应：,C,2H,2,CH,4,87.38 MJ,CO,3H,2,CH,4,H,2,O,206.2 MJ,2CO,2H,2,CH,4,CO,2,247.4 MJ,CO,2,4H,2,CH,4,2H,2,O,162.9 MJ,2C,2H,2,O CH,4,CO,2,125.6 MJ,根据化学反应速度与化学反应平衡原则，提高反应压力有利于化学反应向体积缩小的反应方向移动，提高反应温度，化学反应则向吸热的方向移动，对加压气化可以得出以下结论：,提高压力，有利于煤气中甲烷的生成，可提高煤气的热值；,提高气化反应温度，有利于,CO,2,C 2CO,向生成一氧化碳的方向进行，也有利于,C,H,2,O CO,H,2,反应，从而可提高煤气中的有效成分。但提高温度不利于生成甲烷的放热反应。,鲁奇加压气化工艺的技术特点,气化温度,10001250,气化压力,2.54MPa,，固态排渣,气化炉结构复杂，炉内设有搅拌装置、煤分布器、炉篦等转动设备，设备的损坏与检修较为频繁，运行开工率较低，约为,7580%,，需设置备炉。,煤气中含有焦油、酚等，煤气的净化、污水的处理、副产品回收工艺复杂，流程长,蒸汽消耗量大，分解率低。,入炉煤为碎煤,煤气中含有,712%,的甲烷及不饱和烃，单独用于煤气及多联产还可以，如若用于合成其它产品还需将甲烷分离或转化,鲁奇加压气化操作条件,压力对煤气组成的影响,随着气化压力的提高，有利于体积缩小的反应进行，煤气中的,CH,4,和,CO,2,含量增加，煤气的热量提高。粗煤气组成随气化压力的变化如下图所示。,提高气化压力，可以提高煤气热值，这对生产城市煤气是有利的，而对于生产合成原料气则是不利的，故而气化压力的选择要综合考虑。,压力对煤气产率的影响随着压力升高，煤气产率下降。下图给出了褐煤气化时煤气产率与气化压力的关系，煤气产率随压力升高而下降是由于生成气中甲烷增多，从而使煤气总体积减少。,粗煤气组成与气化压力关系 煤气产率与气化压力关系,1,粗煤气；,2,净煤气,压力对氧气和水蒸气消耗量的影响,随着压力升高，生成甲烷反应速度加快，反应释放出的热量增加，从而减少了碳燃烧反应的耗氧量。氧气消耗量、利用率与气化压力的关系如图所示。氧气利用率是指消耗,1m,3,氧所制得煤气的化学热。,气化压力与氧气耗量、氧气利用率的关系,1,氧气消耗量；,2,氧气利用率,水蒸气消耗量与气化压力的关系如下图所示。随着压力升高水蒸气消耗量增多。因压力升高，生成甲烷所耗氢量增加，则气化系统需要水蒸气分解的绝对量增加，而压力增高却使水蒸气分解反应向左进行的速度增大，即水蒸气分解率下降。如在常压下水蒸气的分解率约为,65,，而在,2.0,MPa,下水蒸气分解率降至,36,左右。由于上述原因，加压气化比常压气化的水蒸气耗量大大增加，如图所示，,20,大气压比常压下水蒸气耗量高一倍以上，由干水蒸气分解率下降，使加压气化的热效率有所降低。,水蒸气耗量与气化压力关系,1,氢量；,2,水蒸气绝对分解量；,3,水蒸气分解率,气化层温度与气化剂温度对气化的影响,气化层温度对气化的影响,气化层温度降低，有利于放热反应的行，也就是有利于甲烷的生成反应，使煤气热值提高。但温度降的太多，如在,650,700,时，无论是甲烷生成反应或其他气化反应的反应速度都非常缓慢，在压力为,2.0,MPa,气化褐煤时，气化层温度对粗煤气组成的影响如下图所示。,气化层温度对煤气组成的影响,通常，生产城市煤气时，气化层温度一般在,950,1050,，生产合成原料气时可以提高到,1200,1300,，气化层温度的提高主要受灰熔点的限制，当温度过高超过灰的软化点时，灰将变为熔融态，这在固态排渣炉是不允许的。,气化层温度过低不但降低反应速度，也会使灰中残余碳量增加，增大了原料损失，同时低温还会使灰变细，增大了床层阻力，降低气化炉的生产负荷。一般情况下在气化原料煤种确定后，根据灰熔点来确定气化层温度。,气化剂温度是指气化剂人炉前的温度，提高气化剂温度可以减少用于预热气化剂的热量消耗，从而减少氧气消耗量，较高的气化剂温度有利于碳的燃烧反应的进行，使氧的利用率提高。氧气消耗量及其利用率与气化剂温度的关系如下图所示。,气化剂温度与氧气利用率的关系,1,氧气利用率；,2,，,3,分别为粗煤气和净煤气产率；,4,净煤气发热值,汽氧比的选择,汽氧比是指气化剂中水蒸气与氧气的组成比例，即水蒸气氧气的比值,kg/m,3,（标）。在加压气化煤气生产中，汽氧比是一个非常重要的操作条件，是影响气化过程最活泼的因素。在一定的气化温度和煤气组成变化条件下，同一煤种汽氧比有一个变动的范围。不同煤种的变动范围也不同。,随着煤的碳化度加深，反应活性变差，为提高生产能力，汽氧比应适当降低。在加压气化生中，各种煤种的汽氧比变动范围一般为：褐煤,6,8,烟煤,5,7,，无烟煤,4,5,6,。,改变汽氧比，实际上是调整与控制气化过程的温度，在固态排渣炉中，首先应保证在燃烧过程中灰不熔融成渣，在此基础上维持足够高的温度以保证煤完全气化。,在加压气化生产中，采用不同汽氧比，对煤气生产的影响主要有以下几个方面：,在一定热负荷条件下，水蒸气的消耗量随汽氧比的提高而增加，氧气的消耗量随汽氧比提高而相对减少。如下图所示,汽氧比与蒸汽、氧气消耗量的关系,1,水蒸气消耗量；,2,氧气消耗量,由图可看出水蒸气量的变化幅度远远大于氧气量的变化幅度。因此在实际生产中，要兼顾气化过程和消耗指标来考虑，在不引起气化炉产生结渣和气质变坏的情况下，尽可能采用较低的汽氧比。,汽氧比的提高，使水蒸气的分解率显著下降，这将加大煤气废水量。不但浪费了水蒸气，同时还加大了煤气冷却系统的热负荷会使煤气水废水处理系统的负荷增加。,汽氧比的改变对煤气组成影响较大。随着汽氧比的增加，气化炉内反应温度降低，煤气组成中一氧化碳含量减少，二氧化碳还原减少使煤气中二氧化碳与氢含量高，粗煤气组成与汽氧比的关系如下图所示,粗煤气组成与汽氧比的关系,汽氧比改变和炉内温度的变化对副产品焦油的性质也有所影响。提高汽氧比以后，焦油中碱性组分下降，芳烃组分则显著增加。,汽氧比与最高燃烧温度的关系由上述汽氧比对气化过程的影响可知，降低汽氧比，有利于气化生产，但汽氧比的降低也是有限度的，一般汽氧比的选择条件是：在保证燃烧层最高温度低于灰熔点的前提下，尽可能维持较低的汽氧比。汽氧比与最高燃烧温度的关系如下图,汽氧比与最高燃烧温度的关系,BGL,液态排渣气化炉,鲁奇液态排渣气化炉是传统固态排渣气化炉的进一步发展，其特点是气化温度高，气化后灰渣呈溶融态排出，因而使气化炉的热效率与单炉生产能力提高，煤气的成本降低。液态排渣鲁奇炉如下图所示。,1,煤箱,2,上部传动装置,3,喷冷器,4,布煤器,5,搅拌器,6,炉体,7,喷嘴,8,排渣口,9,熔渣急冷箱,10,灰箱,该炉气化压力为,2.0,3.0 M Pa,，气化炉上部设有布煤搅拌器，可气化较强黏结性的烟煤。气化剂（水蒸气十氧气）由气化炉下部喷嘴喷入，气化时，灰渣在高于煤灰融点（,T2,）温度下呈熔融状态排出，熔渣快速通过气化炉底部出渣口流人急冷器，在此被水急冷而成固态炉渣，然后通过灰锁排出。,BGL,液态排渣气化炉技术特点,由于液态排渣气化剂的汽氧比远低于固态排渣，所以气化层的反应温度高，碳的转化率增大，煤气中的可燃成分增加，气化效率高。煤气中,CO,含量较高，有利于生成合成气。,水蒸气耗量大为降低，且配入的水蒸汽仅满足于气化反应，蒸汽分解率高，煤气中的剩余水蒸汽很少，故而产生的废水远小于固态排渣。,气化强度大。由于液态排渣气化煤气中的水蒸汽量很少，气化单位质量的煤所生成的湿粗煤气体积远小于固态排渣，因而煤气气流速度低，带出物减少，因此在相同带出物条件下，液态排渣气化强度可以有较大提高。,液态排渣的氧气消耗较固态排渣要高，生成煤气中的甲烷含量少，不利于生产城市煤气，但有利于生产化工原料气。,液态排渣气化炉体材料在高温下的耐磨、耐腐蚀性能要求高。在高温、高压下如何有效地控制熔渣的排出等问题是液态排渣的技术关键，尚需进一步研究。,湿法气流床加压气化技术,湿法气流床气化是指煤或石油焦等固体碳氢化合物以水煤浆或水炭浆的形式与气化剂一起通过喷嘴，气化剂高速喷出与料浆并流混合雾化，在气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应的工艺过程。具有代表性的工艺技术有美国德士古发展公司开发的水煤浆加压气化技术、道化学公司开发的两段式水煤浆气化技术、中国自主开发的多喷嘴煤浆气化技术，它们当中以德士古发展公司水煤浆加压气化技术开发最早、在世界范围内的工业化应用最为广泛。,水煤浆气化的煤质要求,总水分,总水包括外水和内水。外水是煤粒表面附着的水分，来源于人为喷洒和露天放置中的雨水，通过自然风干即可失去。外水对德士古煤气化没有影响，但如果波动太大对煤浆浓度有一定影响，而且会增加运输成本，应尽量降低。,煤的内水是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤中，煤的内水高同样会增加运输费用，但更重要的是内水是影响成浆性能的关键因素，内水越高成浆性能越差，制备的煤浆浓度越低，对气化有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利。,挥发分及固定碳,煤化程度增加，则可挥发物减少，固定碳增加。固定碳与可挥发物之比称为燃料比，当煤化程度增加时，它也显著增加，因而成为显示煤炭分类及特性的一个参数。煤中挥发分高有利于煤的气化和碳转化率的提高，但是挥发分太高的煤种容易自燃，给储煤带来一定麻烦。,灰分,灰分是指煤中所有可燃物质完全反应后其中的矿物质在高温下分解、化合所形成的惰性残渣，是金属和非金属的氧化物和盐类（碳酸盐、硅铝酸盐、硅酸盐、硫酸盐等）的混合体。,灰分含有率越高，煤的总发热量就越低，浆化特性也多半较差。根据资料介绍，同样反应条件下，灰分含量每增加,1,，氧耗约增加,0.7,0.8,煤耗约增加,1.3,1.5,。,灰分含量的增高，不仅会增加废渣的外运量，而且会增加渣对耐火砖的侵蚀和磨损，还会使运行黑水中固含量增高，加重黑水对管道、阀门、设备的磨损，也容易造成结垢堵塞现象因此应尽量选用低灰分的煤种，以保证气化运行的经济性。,灰熔点,煤灰的熔融性习惯上用四个温度来衡量，即煤灰的初始变性温度、软化温度、半球温度、流动温度。煤的灰熔点一般是指流动温度，它的高低与灰的化学组成密切相关。,一般认为，灰分中氧化铁、氧化钙、氧化镁的含量越多，灰熔点越低；氧化硅、氧化铝含量越高，灰熔点愈高。但灰分不是以单独的物理混合物形式存在，而是结晶成不同结构的混合物，结晶结构不同灰熔点差异很大，不能以此作为惟一的判别标准。通常用下 来粗略判断煤种灰分熔融的难易程度：,酸碱比,SiO,2,Al,2,O,3,/,Fe,2,O,3,CaO,MgO,当比值处于,1,5,之间时易熔，大于,5,时难熔。,灰渣黏温特性,灰渣黏温特性是指熔融灰渣的黏度与温度的关系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤种（灰分组成）确定，它只与实际操作温度有关。,水煤浆气化采用液态排渣，操作温度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣黏度太低，炉砖侵蚀剥落较快。根据有些厂家的经验，当操作温度在,1400,以上每增加,20,，耐火砖熔蚀速率将增加一倍。温度偏低，灰渣黏度升高，渣流动不畅，容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范围内操作才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，既延长了炉砖寿命又不致堵塞渣口。液态排渣炉气化最佳操作温度视灰渣的黏温特性而定，一般推荐高于煤灰熔点,30,50,。最佳灰渣流动黏度对应的温度为最佳操作温度，大多研究机构认为最佳黏度应控制在,15 40Pas,之间。,助熔剂,由于材料耐热能力的限制，对灰熔点高于,1400,的煤如果还要采用熔渣炉气化，建议使用助熔剂，以降低煤的灰熔点。根据煤质中矿物质对灰熔点影响的有关研究表明，添加适当助熔剂降低灰分组成的酸碱比，可有效降低灰熔点。,助熔剂的种类及用量要根据煤种的特性确定，一般选用石灰石或氧化铁作为助熔剂。石灰石及氧化铁特别适宜作助熔剂的原因在于，它们是煤的常规矿物成分，几乎对系统没有影响，流动性与一般的水煤浆相同，加入后又能有效地改变熔渣的矿物组成，降低灰熔点和黏度。视煤种的不同，氧化钙的最佳加入量约为灰分总量的,20,25,左右，氧化铁为,15,左右即可对灰熔点降低起到明显作用。但助熔剂的加入量过大也会适得其反，另外灰渣成分不同对砖的侵蚀速率也会不同，因此还应根据灰渣的组成和向火面耐火材料的构成合理选择助熔剂。,加入助熔剂后气化温度的降低将使单位产气量和冷煤气效率提高、氧耗明显降低，但同时也会使碳转化率稍有降低、排渣量加大，过量加入石灰石还会使系统结垢加剧。,在筛选煤种时，宜选择灰熔点较低的煤种，这可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命，同时可以降低氧耗、煤耗和助熔剂消耗。,发热量,发热量即热值，是煤的主要性能指一，其值与煤的可燃组分有关，热值越高每千克煤产有效气量就越大，要产相同数量的有效气煤耗量就越低。,元素分析煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其中的主要元素。煤中的含碳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。氢和氧含量随煤化学程度加深而减少，褐煤最高，无烟煤最低。氮在煤中的含量变化不大，硫则随成煤植物的品种和成煤条件的不同而有较大的变化，与煤化程度关系不大。,气化用煤希望有效元素碳和氢的含量越高越好，其他元素含量越低越好。,氧含量。一般在,10,左右，对气化过程没有副作用。,硫含量。煤中硫组分除少量不可燃硫随渣排出外，大部分在气化反应中生成硫化氢和微量硫氧化碳，其中硫化氢会对设备和管道产生腐蚀。已有用户使用过含硫量达,5,的煤种，发现对气化装置影响不大。煤中含硫量的多少对后续的酸性气体脱除和硫回收装置影响也较大，因此要求煤中的可燃硫含量要相对稳定，以便选择正确的脱硫方法。,氮含量。煤中的氮含量决定着煤气中氨含量和冷凝液的,pH,值，冷凝液中氨含量高，,pH,值高可减轻腐蚀作用。但生成过多的氨在低温下会与二氧化碳反应而形成堵塞引起故障，同时,pH,值的升高，极易引起碳酸钙结垢，因此应正确考虑氮含量的影响，以利于合理选择设备材质、平衡系统水量。煤中氮含量达到,10,时生产中已证实不是大问题。,氯含量。气化反应后氯有一部分随固体渣排出装置，另一部分溶滞于工艺循环水中。当氯含量过高时会对设备和管道造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，工艺运行中应予以适当控制一般气化循环灰水中氯离子浓度控制在,120 10,6,150 10,6,之间。,砷含量。我国对,188,个煤样抽查结果显示煤中砷含量在,0.5 10,6,17610,6,之间，虽然含量不高，随煤种变化差异很大，但砷可以以挥发态单质转化到粗煤气中，进入催化剂床层后与活性组分,Co,、,Mo,形成比较稳定的化合物，从而使催化剂失去活性，造成不可恢复的慢性中毒。研究表明当变换催化剂中砷含量达到,0,06,时，其反应活性即开始下降，达到,0,1,时基本失去全部反应活性。因此煤中的砷含量越低越好。,可磨指数,一般多用哈氏可磨指数（,Hardgrove,Index,，简写,HGI,）表达煤的可磨性，它是指煤样与美国一种粉碎性为,100,的标准煤进行比较而得到的相对粉碎性数值，指数越高越容易粉碎。煤的可磨指数决定于煤的岩相组成、矿质含量、矿质分布及煤的变质程度。易于破碎的煤容易制成浆，节省磨机功耗，一般要求煤种的哈氏可磨指数在,50,60,以上。,综上所述，从技术角度来看，水煤浆加压气化技术可以适用于大多数褐煤、烟煤及无烟煤的气化，但从经济运行角度来看，在筛选煤种时可将以下指标作为参照进行比较：煤种的内水以不大于,8,为宜、灰分宜小于,13,；灰熔点以小于,1300,的煤种为佳，但灰熔点太低对气化采用废锅流程的不利，易使废锅结焦或积灰；发热量参考指标为,25MJ,kg,，越高越好；尽可能选择煤中有害物质少、可磨性好、灰渣黏温特性好的煤种；尽可能选择服务年限长、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点，以保证供煤质量的稳定。,水煤浆的特性,流变特性,流体的流变特性是指流体受外力作用发生流动与变形的特性。,煤浆黏度低是输送的要求，也是煤浆通过喷嘴能充分雾化的需要。水煤浆能够自由流动或泵送的最高黏度约为,2,3Pas,左右。,水煤浆在搅拌、泵送与管道输送过程中受到了不同程度的剪切作用，这些都会或多或少地改变煤浆的流变特性及其稳定性，实际生产中应加以注意。,粒度分布,煤粉悬浮体系的特性除与原煤本身性质有关外，其粒度组成即分布程度也将直接影响煤浆的物理和工艺特性。纯粹的细粒子并不能制成高浓度的水煤浆，必须将粗细粒子适当搭配，使体系具有足够宽的粒度分布和适宜的分布结构，造成溶液中不同粒子间的相互镶嵌才有利于制备高浓度煤浆。,粒度分布状况影响水煤浆的黏度和稳定性，也影响水煤浆的燃烧反应。从气化反应考虑，煤粉粒度越细越好，这有利于获得较高的碳转化率。但是，细粒所占比率增加时，获得同样浓度的煤浆其制浆工艺要求将更高、粒级配比要求将更严，制浆成本相应加大，这里需要综合考虑。,目前气化用水煤浆粒度分布状况是：通过,40,（,420m,）的粒子为,99,，通过,200,目（,74m,）的微粒粒子为,30,50,，到底粒度分布范围多少合适，这要取决于原煤特性及成浆实验。,煤浆浓度,煤浆浓度高有利于提高气化强度，并获得较高的热值。从经济运行考虑，般应达到,60,70,，但浓度又受到黏度的限制，煤浆浓度越大黏度就越易升高，对泵送和雾化都不利。优质煤比劣质煤黏度增加的快，当浓度超过,50,时其黏度猛增。,煤浆浓度下降会使送入气化炉的水量提高，蒸发水分所需消耗的热量增多，有效气体成分减少，降低了冷煤气效率，增加了氧耗，对气化运行不利。,煤浆的稳定性,稳定性是表示煤粉在水中的悬浮能力，是指煤浆在储存与运输期间保持均匀的特性。稳定性与煤炭的性质、颗粒的粒度分布、添加剂及水煤浆的流变特性等诸多因素有关。稳定性越好越有利于煤浆的长时间储存与远距离输送。,水煤浆气化反应是一个很复杂的物理和化学反应过程，水煤浆和氧气喷入气化炉后,瞬间经历煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残碳气化和气体间的化学反应等过程，最终生成以,CO,、,H,2,为主要组分的粗煤气（或称合成气、工艺气），灰渣采用液态排渣。,水煤浆气化工艺流程介绍,水煤浆气化工艺过程包括水煤浆制备、水煤浆加压气化和灰水处理三部分。水煤浆的制备一般采用湿法棒磨或球磨，气化流程可选择激冷式或废锅式流程，灰水处理一般采用高压闪蒸、真空闪蒸、灰水沉淀配细灰压滤的流程。水煤浆的制备和灰水处理工艺比较简单，下面着重讨论德士古水煤浆气化的两种典型流程。,激冷流程,从煤输送系统送来原料煤，经过称重后加入磨机，在磨机中与定量的水和添加剂混合制成一定浓度的煤浆。煤浆经滚筒筛筛去大颗粒后流入磨机出口槽，然后用低压煤浆泵送入煤浆槽，再经高压煤浆泵送入气化喷嘴。通过喷嘴煤浆与空分装置送来的氧气一起混合雾化喷入气化炉，在燃烧室中发生气化反应。,气化炉燃烧室排出的高温气体和熔渣经激冷环被水激冷后，沿下降管导人激冷室进行水浴，熔渣迅速固化，粗煤气被水饱和。出气化炉的粗煤气再经文丘里喷射器和炭黑洗涤塔用水进一步润湿洗涤，除去残余的飞灰。根据需要，将所产粗煤气经变换制氢或做它用。生成的灰渣留在水中，绝大部分迅速沉淀并通过锁渣罐系统定期排出界外。激冷室和炭黑洗涤塔排出黑水中的细灰（包括未转换的炭黑）通过灰水处理系统经沉降槽沉降除去，澄清的灰水返回工艺系统循环使用。为了保证系统水中的离子平衡，抽出小部分水送入生化处理装置处理排放。,废锅流程,废锅流程气化炉燃烧室排出物经过紧连其下的辐射废锅间接换热副产高压蒸汽，高温粗煤气被冷却，熔渣开始凝固；含有少量飞灰的粗煤气再经过对流废锅进一步冷却回收热量，绝大部分灰渣（约占,95,）留在辐射废锅的底部水浴中。出对流废锅的粗煤气用水进行洗涤，除去残余的飞灰，然后可送往下游工序进一步处理；粗渣、细灰及灰水的处理方式与激冷流程的方法相同。,水煤浆加压气化原理,反应基本原理,煤是一种复杂的有机化合物，可用通式,C,mH,nO,来表示它的分子式。水煤浆喷入炉膛后在短短的,5,7,秒内就完成了煤浆水分的蒸发、煤的热解挥发、燃烧和一系列转化反应。炉膛内可能发生的化学反应有（式中,Q,为反应热，放热为正吸热为负）：,CmHnO,+,(m-1)/2+n/4,O,2,完全氧化,mCO,2,+n/2H,2,O+Q,C,O,2,完全氧化,CO,2,Q,H,2,1/2O,2,完全氧化,H,2,O,Q,CO,1/2O,2,完全氧化,CO,2,Q,CmHnO,(m-1)/2O,2,部分氧化,mCO,n,2H,2,Q,C,1/2O,2,部分氧化,CO,Q,C,mHnO,(,煤,),煤热解,低链烃类（气态）,+,焦炭,CmHnO,(m-1)H,2,O,煤转化,mCO,(m,1,n,2)H,2,Q,CmHnO,(2 m,1)H,2,O,煤转化,mCO,2,(2m-1,n,2)H,2,Q,C,mH,nO,(m,1)CO,2,煤转化,(2 m,1)CO,n,2H,2,Q,CH,4,2H,2,O,甲烷转化,CO,2,4H,2,Q,CH,4,H,2,O,甲烷转化,CO,3H,2,Q,CH,4,CO,2,甲烷转化,2CO,2H,2,Q,C,H,2,O,碳气化,CO,H,2,Q,C,CO,2,碳气化,2CO,Q,CO,H,2,O,变换反应,CO,2,H,2,Q,3H,2,N,2,氨生成反应,2NH,3,Q,H,2,S,硫化氢生成,H,2,S,Q,H,2,S,CO,COS,生成,H,2,COS,CO,H,2,O,甲酸生成,HCOOH,上述反应最终生成了以,CO,、,H,2,、,CO,2,、,H,2,O,为主要成分，以,CH,4,、,H,2,S,、,N,2,为次要成分，以,COS,、,NH,3,、,HCOOH,、,HCN,为微量成分的产品气。,对水煤浆在气化炉中反应的几种认知,燃烧反应在先,气化反应过程分为两步完成：,第一步主要进行的是碳及其化合物被完全氧化的放热反应。,第二步进行的是上述反应产物、水蒸气与煤的热解产物、碳发生的转化反应，认为出气化炉的气体组成主要由变换反应决定，并同反应甲烷化反应和硫化氢还原反应一起达到反应平衡。,该模型简单实用，给计算带来了许多方便，但却无法圆满解释生产中出现的许多现象，例如渣口堵塞有效气含量反而上升等现象。,二、部分氧化反应在先,水煤浆部分氧化反应生成的干气中,CO,、,CO,2,和,H,2,三组分总量占,96,98,左右，基于这种状况该模型将气化反应过程简化为三个主要反应，即,CO,的氧化反应、,C,的部分氧化反应和变换反应。认为煤中的碳首先与氧气发生部分氧化反应全部生成,CO,；,CO,2,产物则是由过量的氧与,CO,发生进一步的氧化反应以及由,CO,和,H,2,O,发生变换反应形成的；,H,2,O,量的增减则完全取决于变换反应；,H,2,量则为水蒸气的增减量加上煤中带入的氢量再扣除掉转化为硫化氢时消耗掉的氢量，并认为变换反应在出口处达到了平衡。,根据以上假设对系统进行物料和热量平衡列出过程模型进行计算。同第一个模型一样，这种简化给计算带来方便，但同时又掩盖了气化过程中发生的许多现象。,三、区域反应模型,华东理工大学对德士古气化过程进行了大量的冷模试验，并结合国内气化装置运行的实际经验，提出了气化反应区域模型。根据对流动冷模试验结果进行分析认为气化炉燃烧室内存在三个流动特征各异的区域，即射流区、回流区与管流区（见下图）。射流区、回流区的存在使得气化炉内各物质的停留时间出现差异，一般在,0,2,30s,之间，分布较宽，而炉膛的平均停留时间为,5,7s,。,水煤浆在这些不同的区域中分别完成极为复杂的物理过程和化学过程。化学反应按照特征可分为燃烧反应，又称一次反应，主要反应产物为,CO,2,和,H,2,O,；以及二次反应，又称转化反应，主要反应产物为,CO,和,H,2,。,蒸发干燥等物理过程和燃烧反应基本上在射流区中进行主要是煤、,C,、,H,2,的完全氧化反应。,二次反应主要发生在回流区与管流区，其中,CO,、,H,2,大都来自回流流股，主要是煤的热解、煤的转化反应、甲烷转化反应、变换反应。,二次反应也会在射流区内发生；同样，在回流区由于湍流的随机性也会有,H,2,、,CO,的燃烧反应发生，可见图中流体流动区域与气化反应区域并不完全重合。炉膛内流动区域的存在以及各区内发生的反应各不相同，导致炉膛内存在着一定的温度分布，火焰区温度最高，管流区次之，回流区最低。,水煤浆气化技术的技术优点,可用于气化的原料范围比较宽。几乎从褐煤到无烟煤的大部分煤种都可采用该项技术进行气化，还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青等原料，,1987,年以后又开发了气化可燃垃圾、可燃废料（如废轮胎）的技术。,工艺技术成熟，流程简单，过程控制安全可靠，设备布置紧凑，运转率高。气化炉内结构设计简单，炉内没有机械传动装置，操作性能好，可靠程度高。,操作弹性大，气化过程碳转化率比较高。碳转化率一般可达,95,99,，负荷调整范围为,50,105,。,粗煤气质量好，用途广。由于采用高纯氧气进行部分氧化反应，粗煤气中有效成分（,CO,H,2,）可达,80,左右，除含少量甲烷外不含其他烃类、酚类和焦油等物质，粗煤气后续过程无须特殊处理而可采用传统气体净化技术。产生的粗煤气可用于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋酐及其他相关化学品，还可用于供应城市煤气，也可用于联合循环发电（,IGCC,）装置。,可供选择的气化压力范围宽。气化压力可根据工艺需要进行选择，目前商业化装置的操作压力等级在,2.6,6.5,MPa,之间，中试装置的操作压力最高已达,8.5 M Pa,，这为满足多种下游工艺气体压力的需求提供了基础。,6.5Mpa,高压气化为等压合成其他碳一类化工产品如甲醇、醋酸等提供了条件，既节省了中间压缩工序，也降低了能耗。,单台气化炉的投煤量选择范围大。根据气化压力等级及炉径的不同单炉投煤量一般在,400,1000t,d,（干煤）左右，但在美国,Tampa,气化装置最大气化能力达,2200t,d,（干煤）。,气化过程污染少，环保性能好。高温高压气化产生的废水所含有害物极少，少量废水经简单生化处理后可直接排放；排出的粗、细渣既可做水泥掺料或建筑材料的原料也可深埋于地下，对环境没有其他污染。,干法气流床加压气化技术,气流床气化是煤炭气化的一种重要形式。原料煤是以粉状入炉，粉煤和气化剂经由烧嘴或燃烧器一起夹带、并流送入气化炉，在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。由于在气化炉内气固相对速度很低，气体夹带固体几乎是以相同的速度向相同的方向运动，因此称为气流床气化或夹带床气