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1、第四章 气化炉DateDate煤炭气化工艺学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DateDate煤炭气化工艺学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DateDate煤炭气化工艺学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
2、流 程会解释一些实际 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DateDate煤炭气化工艺学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
3、幅度提高 。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学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DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学一、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 DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学一、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
4、化剂，生产的煤气 将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替 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DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学一、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
5、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学二、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
6、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
7、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学二、气固相反应三种床层中的压降 和传热 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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学二、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
8、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学二、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
9、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学三、气化的几个重要过程煤的 干燥煤的 热解煤的 反应DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学三、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
10、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
11、条件下被瞬间干燥。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学三、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
12、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学三、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
13、)、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学三、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
14、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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学四、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 DateDate煤炭气化工艺学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
15、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 ：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。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学四、煤炭气化过
16、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, m3 kg(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 的燃料质量，以kgm3计 。DateDate煤炭气化工艺学煤炭气化工艺学四、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
