第三讲 煤气发生炉及煤的气化

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1、第三讲煤气发生炉及煤的气化第一讲，介绍了什么是煤气和发生炉煤气，特别介绍了混合发生炉煤气； 第二讲，介绍了煤质及煤的特性以及对气化所产生的方方面面的影响；今天开 始第三讲，内容包括煤气发生炉及煤的气化，我将向各位介绍煤炭气化简史： 采用不同的气化方法和不同的炉型时，煤在炉内的气化反应过程；重点针对单 段炉和两段炉，介绍影响煤炭气化的若干因素；煤炭气化过程的热平衡；以及 气化过程所产生的煤气、煤尘、焦油、炉渣等。一、煤炭气化简史煤制气的历史，至今已有200多年。1、1792年，美国人威廉默多克在自己的家里，将煤装在铁制的圆筒形 的蒸馏釜内，被装在砖砌的百立火炉里进行干馏，所生成的煤气用于照明，1

2、802 年制成了较大的煤气发生器。2、1812年，英国在伦敦建造了世界上第一个炼焦煤气厂，当时主要是用 于照明。3、1839年，俄国的皮肖夫(Bishff)，设计实施了空气鼓风固定床上行式液 态排渣煤气发生炉。4、1865年，上海建立了我国第一座高温干馏煤气厂。5、1895年，奥地利维也纳的斯曲勒巧(strchc)教授发明了采用两个容器的 煤气发生炉用来制取水煤气，这就是两段炉的雏形。6、1939年，德国研制的世界第一台现代化的高压气化鲁奇炉投入运行， 目前已发展到了第四代了。7、1943年，在奥地利建成世界上第一座两段炉煤气厂。8、1940年以后，前苏联在总结以往煤气发生炉结构的基础上，设计

3、制造 了一直沿用至今的d型煤气发生炉，目前国内各煤气炉生产厂家所生产的煤气 炉，基本上都是参照g型炉的。9、1945年以后，美国研制的威尔曼一一格鲁沙单段式煤气炉投入商业运作。10、1980年，美国研制的德士古水煤气气化炉投入商业运作。就煤的气化方法而言，已不下百余种，简化分类如下：L常压气化根据气化压力分类一加压气化-带搅拌式|固定床 / 移动床(fixed/moving/descending bed)-非搅拌式-根据化学工里一紊流式特征分类一夹带床/悬浮床(entrained/suspension type/spout)edL 一般悬浮床沸腾床(fluidized bed)填充床(pack

4、ed bed)、(太阳能气化炉)回转翻滚床(tumbling bed)外热式(核反应加热)一内热式-根据加热方式分类化-方法自热式L热载体式L熔浴气化法一厂铁浴气化法一盐浴气化法L渣浴气化法E顶吹式底吹式侧吹式双塔式-根据气化热源分类一一太阳能气化法一电化学气化法 一等离子加热气化法 匚自燃式气化法 厂固态排渣式 -根据排渣方式分类一L液态排渣式一低热值煤气化方法 L根据产品热值分类一一中热值煤气化方法1高热值煤气化方法二、常压固定床煤气发生炉这里，我重点介绍的是生产混合发生炉煤气的常压固定床煤气发生炉，其 中包括单段炉和两段炉，这类炉型的特点如下：1、常压气化：就是采用的是微正压操作，一般情

5、况下，炉内的操作压力在61KPa,而加压气化的操作压力要比常压气化高得多。例如：加压气化鲁奇炉 的操作压力为2.5MPa左右；加压鲁尔炉的操作压力高达9.8MPa。2、固定床运行：固定床顾名思义即是指煤料在炉内相对呈固定状态，但是， 实际上在气化反应过程中，煤料是在不断下移的，所以又被称为移动床，从某 种意义上讲叫移动床更符合实际，根据被气化的煤料在炉内所处的状态，还有 采用流化床（又称沸腾床）的温格勒炉、采用气流床（又称悬浮床）的K-T炉、采 用不同熔池介质的铁浴床、盐浴床和渣浴床的气化炉。这里要特别说明的是： 煤料在固定床气化时，煤的干燥、干馏、还原和氧化层次比较明显，而煤料在 气流床气化

6、时，煤的干燥、干馏、还原和氧化，仅1秒之内就完成了。固定床、流化床、气流床工作原理示意图如下：|麒|瞒、觥原.气如儡理示懿3、对入炉煤粒度要求：常压固定床：单段炉20-80mm，两段炉20-50mm加压固定床：13-50mm（要求13mm占87%） 流化床：0-8mm气流床：0.1（要求200日占80%）4、煤料在炉内所停留时间：固定床：11.5h流化床：15min气流床：1S5、气化介质：常压固定床煤气炉绝大多数采用的是“空气+水蒸汽”，而“富 氧+水蒸汽”至今还很少被采用。加压固定床、流化床、气流床煤气炉，大多数 采用“氧+水蒸汽”。6、煤气中的可燃气体，主要是CO和叩7、煤气热值:5.0

7、26.28MJ/Nm3(12001500)Kcal/Nm3)8、气化强度：150350kg/m2 h9、煤气产率:23.5Nm3/kg10、煤气炉的直径：(P 1.0？ 3.6m11、制气能力：10008000Nm3/h三、煤的常压固定床气化过程的影响因素1、在气化过程中各气体成分在各层次内的分布图8可以显示出从气化剂进入炉内后的变化过程(1) 氧气：在灰渣层不起反应，主要反应是在氧化层与碳起反应，在氧化层 结束时，氧气已经趋近于0，正常气化时在煤气中只含0.2%左右氧气。(2) 二氧化碳：是在氧化层生成，在氧气消耗逐渐下降时，二氧化碳就逐渐 上升，在氧化层的上部至第一还原层时，由于二氧化碳与

8、碳起还原反应，所以 二氧化碳就逐渐下降，当到达第二还原层时，二氧化碳下降缓慢，然后又有上 升，这是因为一氧化碳与水蒸汽反应生成二氧化碳所造成。(3) 一氧化碳：在氧化层后段及第一还原层是生成一氧化碳最多的区域，此 时主要是二氧化碳与碳起还原反应生成一氧化碳，在第二还原层上部就有微微 下降的趋势，逐后在空层部分由于一氧化碳和水蒸汽反应生成二氧化碳，而此 时一氧化碳就有下降趋势。(4) 水蒸汽：主要是耗用在第一还原层和第二还原层在空层中也有少量耗用。(5) 氢气：主要在第一还原层生成，在第二还原层以空层中还有少量生成， 从上面各种气体的消耗及生成的情况可以得到这样一些规律，即： 氧的耗用与二氧化碳

9、的生成是一消一涨，只有氧的下降才会有二氧化碳 的生成； 二氧化碳与一氧化碳也是一消一涨； 水蒸汽与氢也还是一消一涨的趋向。2、不同燃料的二氧化碳还原反应速度在发生炉内不同性质的燃料对于二氧化碳还原反应的速度和生成物的浓度 都有不同，图9示出木炭、焦炭和无烟煤在1100C的不同还原反应速度。由上图可知，在1100C时，木炭的反应速度最快，焦炭次之，而无烟煤的 反应速度最慢，若为烟煤，则反应速度是在木炭和焦炭之间。由此也可得知，为什么无烟煤在气化时，由于其还原反应速度慢，所以只 能采用小于烟煤气化时的流量，这样以降低流速，使气化剂与碳有较长时间的 接触。3、温度对二氧化碳还原反应的速度的影响氧化碳

10、生成一氧化碳的还原反应的速度与还原层的温度有很大的关系。众所周知，几乎所有的化学反应速度都是随着反应温度的升高而急速加快， 煤块在煤气发生炉内的气化反应也不例外，炉内的气化反应温度（即炉内氧化 层温度）的高低，对CO2还原率和蒸汽分解率起着至关重要的影响，因此，保 证氧化层达到较高的气化反应温度，是决定煤气产量与煤气热值的首要条件。当温度在1300c左右时，不到10秒时间，反应即可达到平衡，在1100C 时，则在30秒以后才能达到平衡，温度越是下降，还原反应的速度越慢。而且从这些曲线中可知，在温度在1300C反应产物基本上CO可接近100%， 随着温度下降其还原率也在逐步下降，如在900C时，

11、在80秒后，CO的生成只 能达到18%左右。但是，炉内的操作温度高低，却受其煤的灰熔融性限制，如果炉内的气化 反应温度超过了煤的灰熔点，就会造成结渣，即而破坏了炉内的正常操作。4、温度对二氧化碳还原反应生成物组成的影响碳和二氧化碳反应CO +C 2CO2是一个还原反应，同时又是一个吸热反应，它要通过不断得到热量才能提 高其正反应的完全性，此反应不同温度时，反应在平衡时气体变化的规律可见 下图11。当温度在400C时，CO2几乎得不到还原，此时CO为0。当温度在650C时，C0为40%, C02为60%。当温度在950C时，C0上升为96%，而C02降为4%，此时表明反应进行地 较为完全。5、压

12、力对二氧化碳还原反应的影响在不同压力时C02的还原反应的效果也不一样，如在同样的800C反应温度 时，当压力越小时，其正反应就比较完全，当压力越高时，止反应就弱，而逆 反应就强。从图12中，可看出在不同压力情况下正反应所生成的占反应气体的比例:从图中可知，当反应温度在600C时，反应的气体压力:在107帕时，其丝为4%CO + CO 2在106帕时，其CO为17%CO + CO 2在105帕时，其CO 为38%CO + CO 2在104帕时，其CO 为78%CO + CO 2小于104帕时，其 CO 为92%以上CO + CO 2常压固定层气化时，其工作压力接近103Pa，所以CO2还原反应能

13、较完全， 但在高压气化时，CO2还原反应中止反应不完全，而逆反应则较强。6、在煤气化过程中的甲烷生成甲烷主要是由煤经干馏而产生的。在煤的干馏过程中的热裂解造成断链而 产生碳氢化合物，甲烷是其中低分子量的碳氢化合物。在用烟煤作气化原料时， 甲烷的产率可以达到2-3%，无烟煤为气化原料时就较低，最低的甲烷产率的气 化原料是焦炭。在煤气发生炉内甲烷还可以由下列反应形成，如：C+2H =CH 24CO+3H2=CH4+H2O2CO+2H2=CH4+CO2CO2+4H2 = CH4+2H2O上述反应都能生成甲烷，但是，为什么在煤气中CO、H2与CO2等很多，而 生成的CH4却较少，这是因为在常压固定床煤

14、气炉内的反应趋近于大气压，因 此，对于反应后果要缩小体积的化学反应很难进行，所以甲烷生成量少。加压气化中的甲烷生成反应在加压气化的发生炉中，煤气中的甲烷含量可以达到7-12% （其中以年轻 的烟煤与褐煤在加压气化炉中生成的甲烷量较年老的无烟煤以及焦炭为原料时 为高）。在加压气化中随压力不同，其煤气中的甲烷量也有所不同。图13示出煤气组成与气化压力的关系：甲烷生成反应主要是在加压情况下，有利于体积缩小的反应（即反应前气 体体积大，而反应后生成气的体积小）。如C+2H2 = CH4就是反应前是2体积氢， 在反应后为1体积的甲烷，2CO+2H2 = CH4+CO2反应前是4体积（二体积一氧化碳 和二

15、体积氢气），而反应后为二体积（一体积甲烷、一体积二氧化碳），体积缩 小了，加压有利于体积缩小，所以反应就向正反应进行。7、蒸汽分解率参加气化反应的水蒸汽，不是100%的都能参加反应，只是其中的一部分参 加反应，而另一部分还是呈水蒸汽状态带入煤气之中。C+H O=CO+H-118821KJ/mol22C+2H O=CO +2H -75237KJ/mol222由于上述反应是吸热反应，因此，提高温度对提高水蒸汽的分解是有利的，当温度达到1000 C以上时，主要是正反应，而逆反应速度很低，可以看作是不 可逆反应，当温度较低时，生成CO +2H O的反应速度大，而当温度较高时，则22生成CO+H的反应速度大，而生成的CO+H的总热量大于2H的热值，因此，提 222高炉温有助于生成较多的CO,进而提高煤气热值。其中a ：蒸汽分解率G：进入炉内的水蒸汽总量G参与气化反应的水蒸汽量G2：带至煤气中的水蒸汽蒸汽分解率是与下列四个因素有关：a