1、煤炭气化,煤气化的定义,煤气化是指在煤气发生炉中，原料在高温条件下，与气化剂作用，生成煤气的过程。,煤气化过程的基本条件：气化炉、气化原料和气化剂。气化剂为氧气或其他含氧物质如空气、水蒸气和二氧化碳等；气化原料为各种煤或焦炭。,煤气化的实质,煤气化的实质是将煤由高分子固态物质转化为低分子气态物质，也是改变燃料中碳氢比的过程。,煤气化的主要反应（反应热以H表示）,1）碳的氧化反应 C+O2=CO2393.8kJ/mol2）碳的部分氧化反应 2C+O2=2CO-231.4kJ/mol3）二氧化碳还原反应 C+CO2=2CO+162.4kJ/mol4）水蒸气分解反应 C+H2O(g)=CO+H2+1
2、31.5kJ/mol5）水蒸分解反应 C+2H2O(g)=CO2+2H2+90.0kJ/mol6）一氧化碳变换反应 CO+H2O(g)=CO2+H2-41.5kJ/mol7) 碳的加氢反应 C+2H2=CH4-74.0kJ/mol8）甲烷化反应 CO+3H2=CH4+H2O-206.4kJ/mol9）甲烷化反应 2CO+2H2=CH4+CO2-247.4kJ/mol0）甲烷化反应 CO2+4H2=CH4+2H20-165.4kJ/mol,常用气化方法分类,压力：常压气化、加压气化与气化剂相对运动：移动床气化、流化床、 气流床气化、熔浴床,煤气的应用（一）合成气,合成气也称化工原料气，主要是利用
3、煤气中的CO和H2，通过各种途径合成众多的化工产品，包括合成氨、醇类、烃类和酸类。甲醇占有比较重要的地位，它既是重要的二次能源，又是重要的化工原料，而且通过醇类还可以生产二甲醇、聚甲醛等附加值更高的化工产品。,（二）工业燃气,作为工业燃气，煤气可广泛地用于钢铁、机械、建材、化工、轻纺和食品部门。用作工业燃气的一般为低热值煤气，我国主要采用混合发生炉煤气和水煤气工艺生产。,（三） 联合循环发电用燃气,一般用于联合循环发电的煤气热值在40006000kJ/m 之间，但必须达到特定的净化水平，以符合燃气轮机使用的要求。生产联合循环发电用的低热值煤气，以加压气化工艺为宜，它比常压气体更经济合理。,（四
4、）冶金工业还原气,煤气中所含的CO和H2具有很强的还原作用，可直接还原铁矿石。在有色金属工业中，也可以用来还原镍、铜、钨等金属氧化物。,混合发生炉煤气,混合发生炉煤气是指原料煤或焦炭在煤气发生炉内与空气和水蒸气组成的气化剂发生反应所生产的煤气。它是移动床常压气化工艺中技术最成熟的重要气化方法之一。混合发生炉煤气属于低热值煤气，一般热值在4.67.5MJ/m3之间，主要用做工业燃气，亦可作为城市的煤气的掺混气，但不能单独作民用煤气使用。,气化过程,图7-2,灰渣层,在灰渣层中，气化剂不发生化学反应，只与灰渣进行热交换，气化剂吸收灰渣的热量而升温预热，灰渣则被冷却。,氧化层,主要进行碳的燃烧反应：
5、C+O2CO2,放出大量的热量，在氧化层末端，气化剂中的O2全部被耗尽。,还原层,主要进行二氧化碳的还原反应与水蒸气的分解反应：C+CO22CO,C+H2O(g)H2+CO,反应所需要的热量主要由碳的燃烧反应放热提供，同时，CO变换反应可以补充部分热量。,干馏、干燥层,由还原层出来的气体（包括其中大量的N2）具有很高的温度，在继续上升的过程中，将上部原料干馏，生成焦油蒸气、热解水和其他液体、气体馏分和半焦或焦，干馏析出的挥发分与气化煤气仍有较高的温度，继续上升将原料煤干燥，析出水分。,气相空间,料层上部的气体空间也有化学反应发生，主要是CO的变换反应。CO和H2O的含量在减少，CO2和H2的含
6、量在增加，该反应进行的程度直接影响着粗煤气的组成和出口温度。,气化过程的工艺条件,在混合发生炉气化过程中，主要的工艺条件是炉膛温度、水蒸气加入量和鼓风速度，他们直接影响着煤气的组成和质量。,炉膛温度,它是影响煤气质量、气化强度和气化热效率的最重要因素。煤气中有效成分是CO和H2，其含量的多少主要取决于CO2的还原反应和水蒸气的分解反应。料层温度的升高，有利于这两个反应的进行，既可以提高煤气产量产量又可改善煤气质量，但料层温度过高，容易结渣。因此，料层温度的选定应结合原料中灰分的含量高低和灰分熔点高低，大致为10001200。,水蒸气的含量,混合发生炉煤气的生产过程是以空气和水蒸气的混合物作为气
7、化剂的。水蒸气加入量的多少对煤气质量、产率和气化过程的正常进行有很重要的影响。,水蒸气在气化过程中具有以下几个作用,水蒸气分解吸收热量，降低炉温，可防止灰分溶化结块，减少炉壁散热损失。水蒸气分解反应可提高煤气中的有效成分（CO+H2）的含量，改善煤气质量水蒸气分解吸收热量，减弱CO2的还原反应，降低CO与CO2之比末分解的水蒸气显热损失降低气化效率,根据水蒸气的作用，水蒸气有一个最佳点，即以灰不结渣为最低限度。一般情况下，水蒸气的耗量在0.40.6kg/kg之间，饱和温度控制在5065之间，蒸汽分解率约为60%70%。 饱和温度的变化对炉温影响非常敏感，在实际生产中，必须保持相对稳定的饱和温度
8、，波动幅度最好控制在1范围内，一般工厂采用自动调节来控制饱和温度。,鼓风速度,鼓风速度决定着气化强度，鼓风速度越大，气化强度越高。随着鼓风速度的提高，气化剂与料层的接触时间缩短，不利于碳的充分转化，而且料层阻力相对增大，炉出煤气中的带出物数量也相应增多。鼓风速度过低，将降低发生炉的生产能力。鼓风速度一般在0.100.20m/s之间,气化指标和影响因素,气化指标包括煤气质量、煤气产率、气化强度、原料损失、冷煤气效率、气化效率和各项消耗指标。,影响气化指标的因素很多，主要取决于三个方面：气化原料的理化强度、气化过程的操作条件和煤气发生炉的构造。,煤气的热值和组成,煤气热值的高低和煤气中可燃组分的含
9、量有关。而煤气中可然组分含量的多少又取决于气化原料中的挥发分产率以及挥发分的组成。高挥发分产率的烟煤制得的煤气热值高于无烟煤或焦炭制得的煤气；对于挥发分产率相近的烟煤和褐煤，褐煤制得的煤气热值明显高于烟煤煤气。,煤气中可燃成分主要是CO和H2，他们主要来自二氧化碳的还原反应和水蒸气的分解。适当减小原料粒度以增加反应表面积；控制适当低的饱和温度以减低入炉水蒸气提高煤气质量，并且气固之间有充分的热量交换，使煤气出口温度减低，气化热效率提高。,气化原料的反应活性与结渣性对CO和H2的含量多少也有较大的影响。反应性好的原料有利于气化反应；结渣性弱的原料可以适当提高炉温，同样有利于气化反应的进行，从而可
10、以提高煤气中的有效成分。,水蒸气的存在，会减低煤气的热值，因此煤气离开发生炉后必须冷凝冷却，减低煤气中的水蒸气含量，一般冷煤气的出站温度低于35。,煤气产率,煤气产率是指气化单位质量的原料所得到煤气的体积数（在标准情况下）煤气产率决定于原料中的水分、灰分、挥发分和固定碳的含量，也与气化方法的转化率有关。对于同一类型的原料而言，原料中的惰性物（水分和灰分）越低时，煤气产率就越高。,挥发分含量越高，煤气产率就越低。因为在气化过程中原料中的挥发分在干馏裂解或加氢生成甲烷的数量很少，相当部分转变成了焦油，转变成煤气的部分相应减少。原料损失增加，煤气产率就降低。,原料的损失,气化过程中的原料的损失包括随
11、煤气离开气化炉的带出损失和随灰渣离开气化炉的排出损失。,（1）带出损失,原料的带出损失是气流在料层中和煤气发生炉上部空间的流动而引起的。原料中小颗粒含量越多，气流速度越大，则带出的数量就越多。所以，原料机械强度低，造成大量的带出损失。,（2）排出损失,排出损失是由于溶解的灰分将末反应的原料包裹不能继续与气化剂接触成为碳核而随灰渣一起排除炉外所造成的。原料灰熔点低、灰分含量高、气化过程中水蒸气用量大以及操作过程中料层移动过快都将导致排除损失增加。,气化效率,气化效率是指生成物的发热量与所使用原料发热量之比。只利用冷煤气的潜热称为冷煤气效率；同时利用热煤气显热时，称为热煤气效率。,气化热效率,气化
12、热效率是指生成物的发热量与可回收热量之和占所供给总热量的百分率，表示所有直接加入到气化过程中热量的利用程度。,当废热不回收时，气化热效率低于气化效率。在实际生产中，由于存在各种热损失，气化效率不可能达到理想气化效率100%的数值，实际气化效率只有70%80%。,气化强度,气化强度是指发生炉炉体单位截面上的生产强度。煤气发生炉的生产能力取决于炉体的截面积和气化强度。,在实际生产过程中，煤种和炉体的截面积都是固定的，只有适当提高气化强度，才能提高生产能力，同时改善煤气质量。因为提高气化强度，可以减少炉体散热损失，相应可以提高料层温度，有利于水蒸气的分解，从而提高煤气的质量。,气化过程的强化途径,提
13、高生产能力有两种途径：一是增大煤气发生炉的几何尺寸，即增大截面积；二是提高煤气发生炉的气化强度，即强化气化过程。,强化气化过程的实质就是提高炉内气化反应的速率。根据气化过程中各层的反应特点，强化气化过程的主要途径是提高气化剂中氧气的浓度、气化温度和鼓风速度。,1、提高气化剂中氧气的浓度,气化剂中氧气含量的增加，碳的氧化反应加剧，料层温度随之上升，反应速度加快。如将氧气的浓度提高到50%，气化强化增加约一倍，而且可使煤气中有效成分CO和H2的含量大大增加，从而使煤气热值也大大提高。,此外，随着氧气浓度的提高，煤气中CO2的含量增加，其原因：一是煤气中N2含量减少，相对的CO2含量增高，二是CO与
14、未分解水蒸气发生了CO变换反应。,2、提高气化温度,提高气化温度有利于各气化反应的速度，是提高煤气质量和发生炉生产能力最有效的手段。炉内氧化层温度一般在10001200。,3、提高鼓风速度,在实际生产中，提高鼓风速度是强化操作简便易行的方法。但是，鼓风速度的提高受以下因素的限制：CO2还原反应和水蒸气分解反应进行的程度；料层的稳定性和带出损失；炉底的最大风压。,混合发生炉气化对煤质的要求,混合发生炉气化用煤的要求是具有较高的机械强度、热稳定性和灰熔点。对煤种的要求是选用无烟煤或焦炭或挥发分适中的不黏结和弱黏结烟煤。,1 )粒度：粒度的大小与原煤的反应性有关，反应性好，粒度可适当增大。各种原料的
15、推荐粒级为：2550mm，无烟煤1325mm，焦炭613mm，气化用焦510,1025mm。2 )灰分Ad24%3 )含矸率2%4 )灰熔点ST12505 )胶质层最大厚度Y60%7 )热稳定性Ts+660%8 )全硫St,d2%,煤气生产工艺流程,混合发生炉煤气由于其用途和运输条件的不同，在生产工艺上可以分为冷煤气生产工艺流程和热煤气生产工艺流程两种。,1.冷煤气工艺流程,冷煤气工艺流程是将制得的发生炉煤气经过冷却、净化处理后，成为冷净煤气送往用户。冷煤气工艺流程又可分为烟煤冷煤气和无烟煤冷煤气两种。,冷煤气工艺流程的优点是：输送距离较远，使用方便，热值可调。缺点是：附属设备较多，煤气热值低
16、，煤气显热未得到利用，动力消耗大。,2.热煤气工艺流程,热煤气工艺与冷煤气工艺相比具有如下优点：工艺系统简单、附属设备少。投资省。煤气显热和焦油雾的热量得以利用，且可改善煤气燃烧炉的转热效果。节省动力消耗。环境污染低，运行费用低，煤气成本低。,热煤气工艺也缺点：,运输距离短煤气管内流速低，耗材多，投资大。调节不便，计量困难。管道内需定期清理。,二、水煤气,水煤气是以水蒸气为气化剂，吹入炽热的炭层分解而制得的煤气。水煤气的主要成分是CO和H2。水煤气在燃烧时，火焰呈蓝色，因此又称为蓝水煤气。,水煤气中不含N2，因此，其热值比混合发生炉煤气高，一般在11.0MJ/ m3左右，主要用作合成氨的原料，
17、也可用作工业燃烧气，少量用作规模较小的城镇或工矿企业的民用燃料。,水煤气生产原理,C+H2O(g)=CO+H2+131.5KJ/molC+2H2O(g)=CO2+2H2+90.0 KJ/mol这两个反应都是吸热反应，外界必须提供足够的热量。目前，我国主要采用间歇送风蓄热气化法。间歇送风蓄热气化法把水煤气生产过程分成两个阶段。第一个阶段是吹风阶段，向发生炉吹入空气，是空气中的氧与煤发生燃烧反应。,C+O2=CO2-393.8 KJ/mol2C+O2=2CO-231.4 KJ/mol反应放出的热量积蓄在料层内，使料层温度升高，生成的吹风气的主要成分是N2和CO2，经废热回收后放空。第二阶段是制气阶
18、段，向高温料层内送入水蒸气，使水蒸气与炽热的碳进行分解反应，生成以CO和H2为主要成分的水煤气。经一定时间后，料层温度下降，蒸汽分解很少或不再分解，停止送入蒸汽，制气阶段结束。再向发生炉吹入空气，如此循环不已。,理想水煤气,在理想情况下，水煤气分解反应只生成CO和H2，吹风气与水煤气组分不同，吹风气组成为21%的CO2和79%的N2，水煤气组成为50%的CO和50%的H2。实际水煤气与理想水煤气的气化指标有较大的差别。,实际水煤气,在实际生产过程过程中，吹风阶段的碳不可能完全燃烧生成CO2，一部分生成CO，放出的热量较理想过程少；制气阶段，水蒸气也不能完全分解成CO和H2，并且在吹风和制气阶段
19、总存在热量损失，用于水蒸气分解的热量比理想过程要少，因此，两者之间差别较大。,实际水煤气中，除了CO和H2外，还含有CO2 、O2、H2S、H2O（g）、N2和CH4。其中CO2一部分由反应CO+H2O=CO2+H2所生成，另一部分是由吹风气混入的；水蒸气是通入炉内未分解的水蒸气和原料干燥时产生的水蒸气；H2S来自煤中的含硫物质；CH4是在料层下部碳的加氢反应所生成的，煤灰中的铁元素具有催化作用；N2主要是炉内和管道中混入的吹风气和煤中氮元素多产生的。,水煤气生产的工作循环,水煤气的生产时间歇式的，一般来说，一个工作循环由六个阶段组成。 （1）吹风阶段 吹风阶段是将空气与原料燃烧后放出的热量积
20、蓄在炉料内，为制气阶段提供热量。 （2）蒸汽吹净阶段 蒸汽自炉底进入炉内吹扫料层和发生炉及管道，目的是将残余的吹风气吹净，提高水煤气质量。 （3）一次上吹制气阶段 目的是制造合格的水煤气，经吹风阶段后，料层内已积蓄了大量热量，温度较高，约11001200，吹入水蒸气可以大量分解，是主要的制气阶段。,（4）下吹制气阶段 在一次上吹制气后，料层下部的温度较低，水蒸气分解反应速度较慢，同时，由于反应层逐渐上移，料层上部温度较高，使水蒸气分解条件变差，而且上部料层由于CO变换反应的放热作用，使上行煤气出口温度升高，因此，为了充分利用料层上部的蓄热，克服上吹制气造成的气化层上移，此时应切换阀门，将水蒸气
21、从炉顶吹入，制得合格的水煤气。,（5）二次上吹制气阶段 该阶段的目的是将下吹后残留在发生炉底部和管道内的水蒸气吹入贮气柜中，并保证安全生产，若此时吹入空气，会引起爆炸。 （6）空气吹净阶段这一阶段的目的是使残留在炉顶空间和管道内的水煤气吹入贮气柜，以免将其吹除，节约原料，提高气化效率。,气化效率及操作条件,水煤气生产过程是间歇式的，包括吹风和制气阶段，这与混合发生炉制气有较大的差别，必须将吹风和制气分别考察。,1.吹风阶段,吹风阶段的作用是在料层中积蓄尽可能多的热量，以供制气阶段所需。同时，此阶段又是非产气阶段，要求占用尽可能短的时间。即对吹风阶段的要求是在最短的时间内提供最多的热量。吹风阶段
22、的效率（吹风效率）是指积蓄于料层中的热量和消耗的原料所具有的热量之比,随着料层温度的上升，吹风温度升高，吹风气中的CO2含量减少，CO含量增加。即料层温度越高，则炉内被吹风气以显热和潜热带走的热量越多，积蓄在料层中的热量相应减少，使吹风效率下降。当料层温度为800时，吹风气中CO2含量为13%，吹风效率为53%；当料层温度为1000时，CO2含量为8%，效率为32%；当料层温度升至1200时，CO2含量仅为5%，效率降至18%；而当料层温度为1700时，吹风气中已完全没有CO2，吹风效率为零。这表明吹风阶段放出的反应热已全部为吹风气所带走，不再有剩余热量使料层温度升高。在800900时，水煤气
23、生产过程的总效率最高。,制气阶段,制气阶段效率（制气效率）是指所得水煤气的热量与制气阶段消耗原料所具有的热量和吹风时积蓄于料层中的热量之和的比值。,总效率,水煤气生产过程的总效率是指所制得水煤气热量与吹风阶段和制气阶段所消耗原料热量之和的比值。,制气阶段操作条件,（1）料层温度当料层温度为800900是，过程总效率最高，此时反应较慢，气化强度较低，而当料层温度高于1000后，制气效率会急剧下降。,（2）蒸汽用量和蒸汽吹入速度,料层温度的高低主要决定于吹风阶段的空气用量和制气阶段的蒸汽用量。实际生产过程中鼓风机亦不宜经常变动，因此，往往是通过改变水蒸气的用量来控制料层温度。,（3）原料反应活性,
24、原料反应活性对总效率的影响很大。一般说来，反应活性较高的原料在制气阶段是有利的，可以提高水蒸汽的分解率，提高制气效率。但反应活性较高的原料对吹风却是不利的，它会使吹风阶段的原料消耗大大的增加，并且增加吹风气中CO的含量和吹风气带走的潜热，降低吹风效率。所以，应选用中等反应活性的原料。,气流床气化,气流床气化就是将气化剂（氧气和水蒸气）夹带着煤粉，通过特殊喷嘴喷入炉膛内。在高温辐射作用下，氧煤混合物瞬间着火，迅速燃烧，产生大量热量，火焰中心温度高达2000。煤粉立即气化，所有的干馏产物均迅速分解，转化成含一氧化碳和氢的水煤气和熔渣。,在反应区内，由于煤粒悬浮在气流中，随气流做并流流动，煤粒之间被
25、气流隔开，因此，每个颗粒均单独膨胀、软化、烧尽或形成熔渣，而与邻近的煤粒毫不相干。气流床气化除了对煤渣的黏温特性有一定要求外，原则上可适用于所有煤种。,气流床气化的特点,1.用纯氧和水蒸气做气化剂采用纯氧而不采用空气，避免了大量的氮气进入气化炉内，可维持较高的反应温度，有利于炭粒的完全气化，改善了煤气的质量。,2.选择合适的煤种从技术上讲可适用于任何煤种，但从经济上讲，并非完全如此。在选择煤种时，还应考虑煤灰熔点的影响，灰熔点低的煤比较理想。,3.原料煤的粒度组成要适当煤料小，比表面积大，气化速度快，反应时间短，碳转化率高。一般要求70%以上的煤粉通过200网目筛（0.075mm）。,4.采用高压气化在高压下，生产能力提高，气相分压增大，气化反应加快，停留时间延长，使碳转化率提高。,欢迎提出宝贵意见!,
