煤气化技术及应用

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1、煤气化技术及应用研究生：田 靖导 师：武建军 教授l煤气化技术的重要性 l煤气化原理 l煤气化反应器分类及特点 l影响煤气化过程的因素 l流化床煤气化技术的分类及应用煤气化技术的重要性l煤气化技术是指将煤转化为可燃气体（煤 气）的煤炭加工过程。煤炭转化为煤气后 ，不仅可以明显提高煤炭资源的利用价值 和利用效率，而且能够大幅度减少煤炭利 用过程中的污染物排放，同时还给输送和 后续利用以及进一步加工转化带来极大的 方便。 l 以煤气化为“龙头”的先进化工合成和能源转化技 术近年来在各国得到高度重视和大力发展，它 包括煤基合成燃料、化学品、煤气化联合循环 发电（IGCC）、煤气化燃料电池发电（IGF

2、C） 、多联产系统制氢等。它也是解决我国燃煤污 染、石油短缺，实现资源、能源、环境整体优 化与可持续发展的重要研究方向。以煤气化为 基础的能源及化工系统正在成为世界范围内高 效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术 和重要发展方向。煤气化技术作为其龙头技术 ，对整个能源领域的技术发展具有重要意义。 随着我国煤化工战略的实施，根据未来十五年 的发展规划，到 2020 年，我国气化用煤达 4-5 亿吨/年。 l从当前国内外煤气化技术发展趋势上看， 气化压力向高压发展、气化炉能力向大型 化发展、气化温度向高温发展、新型气化 炉研发和与企业结合进行工业化开发、气 化技术与其他技术的联合、污染低、净化

3、程序简单易操作控制是煤气化技术发展的 方向。煤气化原理l 煤炭的气化过程是一个热化学过程, 它是以煤或煤焦为原料,以氧气( 空气、富氧、纯氧) 、水蒸汽或氢气等做气化剂, 通过煤的燃烧形成 高温条件,从而促使水蒸汽分解反应、二氧化碳还原反应等反应的发 生,产生有效成分为一氧化碳、氢气和甲烷的煤气。涉及到的主要反 应有：不完全燃烧反应： C+1/2O2=CO-110.4kJ/mol完全燃烧反应： C+O2= CO2-393.8kJ/moCO2还原反应： C+ CO2=2CO+162.4kJ/mol水蒸气分解反应： C+H2O=CO+H2 +131.5kJ/mol水蒸气分解反应： C+2H2O=C

4、O2+2H2 +90.0kJ/molCO变换反应： CO+H2O=CO2+H2 -41.5kJ/mol甲烷化反应： CO+3H2 =CH4+H2O-206.4kJ/molC+2H2 =CH4 -84.3kJ/mol其中燃烧反应的速率远远大于CO2还原反应和水蒸汽分解反应 的速率。另外气化炉中还有煤的热解反应，它的反应速率也远远大 于CO2还原反应和水蒸汽分解反应的速率。煤气化反应器分类l固定床 l流化床 l气流床固定床l又称移动床，以块煤为原料，从上而下依 次经过干燥层，干馏层，还原层，氧化层 ，灰渣层，气化剂由下而上，冷进冷出。 炉内温度分布不均，见图1。图1 固定床炉温分布l固定床主要特点

5、 “冷煤气”热效率高； 氧化剂需要量低，水蒸汽用量大； 产品气中有相对高的甲烷含量； 不完全气化，煤气中含有焦油，净化繁琐； 不适合处理粉煤； 处理粘结性煤需要特殊考虑。流化床l多以小颗粒煤为原料，物料悬浮分散在垂 直上升的气流中，床层内颗粒运动剧烈， 在气泡的带动下颗粒快速上升下降，床层 内几乎没有温度和浓度梯度，气化剂冷进 热出，炉内温度分布均匀，见图2。图2 流化床炉温分布l流化床主要特点： 炉内两相易传质传热，温度均一，气化较为 完全，煤气中基本不含焦油； 生产能力较固定床高； 碳损失和热损失较大； 碳损失主要由于飞灰中固定碳含量较高； 处理粘结性煤需要特殊考虑； 耗用氧气量比固定床多

6、。 l循环流化床气化强度较高，生产能力较大 ，也大大改善了一般流化床碳损失和热损 失较大的缺点，在工业上被广泛采用。气流床l利用气力输送将将粉煤带入高温气化炉， 也可以将煤制成煤浆，用泵送入气化炉， 在高温（1500左右）下将煤气化，生成 CO和H2等气体，气化剂冷进热处；残渣 大部分以熔渣形式排出气化炉。炉内温度 分布见图3。图3 气流床炉温分布l气流床主要特点： 高温液态排渣，气化完全，生产能力大； 在粗煤气中有一些熔渣和大量显热； 氧化剂需求相对较大； 可以有效的处理不同等级、粘结性的或粉状 的煤，但不适合高灰熔融点的煤种； 需要庞大的磨粉、余热回收和除尘辅助设备 。l 综上所述，固定床

7、、流化床、气流床适合气 化不同的煤种，且各有优缺点，表1对三种 气化炉进行了简单的比较。煤粒度/mm接触方式停留时间气化程度固定床650逆流，无返混几个小时不完全，炭转化率约60流化床310逆流，返混严 重几十分钟不完全，炭转化率约85气流床0.1并流，返混严 重几十秒完全，炭转化率约95表1 固定床、流化床、气流床气化炉比较l煤质 l气化介质速度 l反应器类型 l温度 l压力影响煤气化过程的因素煤质对气化过程的影响l水 分：煤入炉之前，不同床型对含水量要求不一 ，流化床要求水分含量小于5%，气流床 干法加料时，最好小2%。如果水分过多 易造成：(1)促使煤块碎裂，煤气带走大量煤尘；对 于流化

8、床，还影响流化状态；(2)氧耗上升；(3)废水量大。 l反应性：影响气化煤反应性的因素有：煤阶、内表 面积、灰分、制焦经历。反应性较好的煤 或焦可以在较低的温度下进行气化反应， 减少氧气量，而且避免结渣。 l粘结性：一般不粘结或弱粘结性煤可用作气化煤； 气流床可用粘结性煤，但粘结性不能太强 。l灰 分 ：灰渣中炭的损失；影响操作温度灰熔 点；影响排渣方式灰渣粘度；影响煤 的反应性。 l此外，煤的热稳定性，机械强度，粒度都 对气化过程有一定的影响。机械强度较差 的煤入炉后容易破碎，导致固定床气化炉 中细颗粒较多，增大阻力，且容易导致气 体分布不均匀，导致流化床气化炉带出增 大，碳转化率下降。气化

9、介质速度与反应器类型对气 化过程的影响 l气化介质速度与反应器类型相对应，在可 正常操作范围内，如果气化介质速度较慢 ，两相接触时间变长，利于提高炭转化率 ，而且煤气中含较少的煤灰和炭粒，同时 减少了压力损失，但是气化强度较低，也 不利于煤气的远距离输送。当然气化介质 的速度也不能过高，一方面防止气化炉带 出增大，另一方面避免降低炉子的热效率 。压力对气化过程的影响l加压气化使气相密度增大，而且两相接触 时间变长，利于提高炭转化率和气化强度 。加压气化可大大节省煤气输送的动力消 耗，方便远距离输送。加压气化可以降低 氧气消耗，降低煤气产率，增大煤气热值 ，但需要消耗大量水蒸汽，同时产生大量 废

10、水。 温度（气化介质组成）对气化过 程的影响l一般情况下，对于自热式气化炉，通过改 变气化介质中氧气和水蒸汽的含量就可以 调节气化的温度，气化温度越高，炭的转 化率就越高，但热效率不一定高。 l气化的温度受煤灰熔融性和灰黏度的影响 ：固态排渣时，气化温度不能高于灰熔点 ；液态排渣时，气化温度必须高于灰熔点 。气化温度也受到炉型的影响 制焦经历对气化用煤反应性的影 响l 在气化炉中，由于热解速率远远大于气化速率，实际上 发生气化反应的是焦而不是进料煤，可以研究焦的反应 性来说明气化用煤的反应性，因此影响气化用煤反应性 的一个重要因素就是制焦经历，包括升温速率、加热终 温、恒温时间。中国科学院山西

11、煤化所的徐秀峰等人研 究了制焦经历对煤焦反应性的影响，他们用物理吸附和 化学吸附的方法分别测定了各种焦样的总比表面积和活 性表面积，用GT法判定各种焦样的反应活性，结果表明 升温速率越慢，加热终温越高，恒温时间越长，煤焦的 反应性越低。谢克昌先生对来自山西、河南得多个煤样 进行研究，也得到同样的结果。 影响煤气化的因素之间关系l 煤的气化过程是一个将煤中可燃部分转化为气 体燃料的过程。促进还原区反应的发生，提高 碳的转化率和单炉生产能力，在避免环境污染 的前提下尽可能多的得到不同组成的煤气是最 终目的。 l 无论何种床型，均可以采取提高反应温度的方 法，降低焦油的含量,同时提高炭的转化率。但

12、是对灰的熔点有一定的要求（固态排渣要求灰 的熔点不能太低，液态排渣要求灰的熔点不能 太高），同时需要耐高温的设备。l对于固定床和流化床，均可以采取提高反 应压力的方法，减少O2的消耗，得到含有 一定量CH4、CO、H2的高热值煤气，提高 生产能力，但是需要消耗大量的水蒸气。 对于气流床，即使加压，煤气中CH4含量 仍然极低。 l无论何种床型，灰与焦碳的有效分离均可 以提高碳的转化率，灰的熔融性直接影响 气化炉的操作温度和排灰方式。流化床煤气化的发展现状 l 目前煤化工行业常用的气化炉有固定床、流化床、气流 床。由于固定床气化需要块煤，且生产能力较低，气流 床气化需要低灰低灰熔点煤，且能耗较高。

13、而随着煤炭 资源的开采，优质煤炭资源越来越少，大量的劣质煤资 源，尤其是粉煤、高灰煤的利用越来越显得重要。流化 床可以气化灰分高、水分大的细颗粒煤粉，适用煤种较 广。 l 流化床气化技术是一种适应煤种比较广泛的气化技术。 流化床气化的主要特点是以粉煤或者碎煤为气化原料， 气化剂以一定的速度通过通过物料层，物料颗粒在气化 剂的带动下悬浮形成具有液体性质的流态化，煤粉与气 化剂充分接触，易于传热传质，加快气化反应速度，反 应产生的煤气出气化炉后去废热回收装置和除尘洗涤系 统，反应产生的炉渣由炉底排出。流化床煤气化技术的种类Winkler（温克勒）法 HTW（高温温克勒）法 NAI法，亦为Winkl

14、er炉的改进 恩德粉煤气化法，也是Winkler炉的变种 Battelle-Carbide 法 CO2受体法 Exxon（埃克松）催化法 Hoffman（霍夫曼）法 Hygas法 Synthane（合成烷烃）法 U-GAS（公用煤气）法 Westinghouse（西屋）法 Hydrane (加氢烷烃化)法 Trigas （三床循环）法 CFB（循环流化床）法 参考文献1 贺永德. 现代煤化工技术手册M.北京：化学工业出版社，2003,11. 2 国家统计局. 中华人民共和国2008年国民经济和社会发展统计公报. 北京 ， 2008 3 刘典福，魏小林，盛宏至. 大力发展洁净煤技术促进我国煤炭工

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