常压固定床煤气化工艺设计方案Word下载.docx
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下图所示为典型的煤气化工艺流程。
图1煤的气化过程
图2典型的煤气化工艺流程
从包含的物理化学过程来看,煤的气化过程包括以下几个阶段:
干燥脱水,热解,挥发分和残余固定碳的气化反应。
煤的干燥脱水过程去除了原煤中所含的全部水分,在温度达到350℃以上时,开始发生煤颗粒的热解反应,析出气体中间产物和焦油,统称为挥发分。
剩余的是固体焦炭或半焦,煤的热解过程可以用下面的总体表达式表示:
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CH4+其他气态烃+焦油+CO+CO2+H2+H2O+焦炭或半焦<
S)
式中,除了焦炭或半焦为固体产物,其余全部是气态产物,除此之外,还有少量含
有机氮、硫等元素的气态中间产物。
二)固定床反应器
固定床反应器又称填充床反应器,装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多
相反应过程的一种反应器。
固体物通常呈颗粒状,粒径2~15mm左右,堆积成一
定高度<
或厚度)的床层。
床层静止不动,流体通过床层进行反应。
它与流化床反
应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。
固定床反应器主要用于实
现气固相催化反应,如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于
气固相或液固相非催化反应时,床层则填装固体反应物。
1.固定床反应器分类
固定床反应器有三种基本形式:
①轴向绝热式固定床反应器:
流体沿轴向自上
而下流经床层,床层同外界无热交换。
②径向绝热式固定床反应器:
流体沿径向流
过床层,可采用离心流动或向心流动,床层同外界无热交换。
径向反应器与轴向反
应器相比,流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。
以上两种
形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反
应热效应引起的温度变化的场合。
③列管式固定床反应器:
由多根反应管并联构
成。
管内或管间置催化剂,载热体流经管间或管内进行加热或冷却,管径通常在
25~50mm之间,管数可多达上万根。
列管式固定床反应器适用于反应热效应较大
的反应。
2.固定床气化法
1)GI(GasIntegrale>
法
常压下以空气及蒸汽气化块状高挥发份烟煤以间歇制取中热值煤气,意大利曾
使用过。
2)IFE<
国家炉具公司)法
常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取低热值燃料气,系两段炉,英国开发。
3)IGI两段法
常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取中热值煤气,意大利于上世纪40年代开
发。
4)Leuna<
路易那)溶渣法
常压下以蒸汽与氧气化焦炭制取中热值煤气,德国Leuna厂开发。
5)Lurgi<
鲁奇)干灰法
2.5~3.2MPa下用蒸汽与氧使3~50mm次烟煤或褐煤气化。
1936年由德国Lurgi公
司工业化。
我国云南解放军化肥厂有11台捷克制的Lurgi型气化炉,炉径2.7m,
在2.0MPa下将褐煤用纯氧加压气化。
山西天脊煤化工集团则有LurgiⅣ型炉在
3.0MPa下气化块煤,炉径3.8m,共4台,用于生产合成氨后加工成硝酸磷肥。
太
原化工公司亦有一台用于制氨,气化压力2.5MPa,炉径2.8m。
南非Sasol厂共有
89台,年处理煤3300万吨用于生产合成油。
三)常压固定床煤气发生炉的基本气化原理
固体燃料用气化剂进行热加工,得到可燃性气体的过程称为固体燃料的气化,
又称为造气,所得的气体统称为气化煤气,用来与燃料进行气化反应的气体称为气
化剂。
常压固定床煤气发生炉,一般以块状无烟煤或烟煤等为原料,用蒸汽或水蒸
汽与空气的混合气体作气化剂,生产以一氧化碳和氢气为主要可燃成分的气化煤
气。
1.煤气炉内燃料层的分层
煤气炉内燃料层固体燃料的气化反应,按煤气炉内生产过程进行的特性分为三
层,干燥层——在燃料层顶部,燃料与热的煤接触,燃料中的水分得以蒸发;
干馏
层——在干燥层下面,由于温度条件与干馏炉相似,燃料发生热分解,放出挥发分
及其它干馏产物变成焦炭,焦炭由干馏层转入气化层进行热化学反应;
气化层——
煤气炉内气化过程的主要区域,燃料中的炭和气化剂在此区域发生激烈的化学反
应,鉴于反应条件的不同,气化层还可以分为氧化层和还原层:
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1)氧化层:
碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳,并放出大量的热
量,煤气的热化学反应所需的热量靠此来维持。
氧化层温度一般维持在1100~
1250℃,这决定于原料煤灰熔点的高低。
2)还原层:
还原层是生成主要可燃气体的区域,二氧化碳与灼热碳起作用,
进行吸热化学反应,生产可燃的一氧化碳;
水蒸气与灼热碳进行吸热化学反应,生
成可燃的一氧化碳和氢气,同时吸收大量的热。
2.固体燃料气化反应的基本原理
固定床煤气发生炉制造燃气,首先使得空气通过燃料层,碳与氧发生放热反应
以提高温度。
随后使蒸汽和空气混合通过燃料层,碳与蒸汽和氧气发生吸热和放热
的混合反应以生成发生炉煤气。
3.常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程
常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程十分复杂。
就传质来讲,不仅
有气相和固相各自的本体运动,还有气固相间、固相颗粒内部向颗粒外部的传质过程。
就传热而言,有气固相间、气固相与炉壁间、固相不同层面之间的各种传热过程。
从机理上讲,传质过程有扩散传质和对流传质,传热过程有传导、对流和辐射等方式。
传热过程包括以下各个步骤:
1)颗粒内传导;
2)相接触的颗粒间传导;
3)颗粒间辐射;
4)颗粒流体间的对流;
5)颗粒向流体的辐射;
6)流体内传导;
7)流体内辐射;
8)流体混合;
9)颗粒炉壁间传导;
10)颗粒炉壁间辐射;
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11)流体炉壁间对流;
12)流体炉壁间辐射。
相对来讲,传质过程就要简单的多,其原因有以下三点:
1)颗粒内扩散经常可以忽略;
2)没有向炉壁的传质;
3)没有与辐射传热相对应的传质方式。
传热与传质过程可能伴随化学反应,也可能不伴随化学反应。
下面对常压固定床煤气化反应炉内部的传热与传质进行简单归纳。
气体和固体的许多特性<
如热容、粘度、传质系数等)都是温度和压力的函数,当温度变化范围较小时,可以采用平均值的方式来简化传热与传质的数学模型。
但在煤气化反应炉中,温度沿床层高度的变化很大,因而必须确定各种性质与温度之间的函数关系。
由于煤粒在粒度和形状上的多变性,再加上床层不同高度空隙率的不同,总传
热系数很难精确地求得,现有公式计算的理论值和实验值之间的偏差达到20%以内时便可以认为足够精确。
除了总传热系数以外,气相和固相之间的传热系数也是一个很重要的参数。
这一系数的计算要更困难一些,炉内气固相间传热的扰动、化学反应的存在、煤粒形状的不规则都有可能带来计算结果的偏差,有时候这种偏差甚至会高达几十倍。
二、工艺流程的确定及流程简图
一)工艺流程的确定
将焦炭先送入加料器中,再送入气化炉中气化,所得产品一部分送入集尘器除
尘,继而将高温产品加热废热锅炉回收废热,另一部分直接进入汽包,进入汽包的
产品一部分进入饱和器中,在此与空气、氢气和水蒸汽混合并再次进入气化炉中;
一部分直接返回至气化炉中在生产【2】;
还有一部分经废热锅炉吸收完湿热后送入洗
涤塔洗涤去尘。
气体部分送气柜储存,所得粗煤气再进一步净化;
而液渣部分被送
至循环水池中除尘,洗涤后再经循环水泵送入洗涤塔进行循环使用。
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二)流程简图
图3富氧连续气化工艺流程图
1—自动加焦机2—煤气发生炉3—鼓风机4—混合器5—灰斗6—废锅
7—汽包8—蒸汽过热器9—洗气箱10—洗气塔11—水封
三)生产条件的确定和说明
1.气化过程的工艺条件
气化过程的工艺条件对于既定的原料、设备和工艺流程,为了获得质量优良的
煤气,和足够高的气化强度,就必须选择最佳的气化条件。
1)燃料层温度合适的燃料层温度对煤气质量、气化强度及气化热效率至关重
要,发生炉煤气中的有效成分<
CO+H2)的含量主要取决于碳的氧化与还原反应<
C
+CO2→2CO)和水蒸气的分解反应【C+H2O<
g)→CO+H2】上面的两个反应均
属吸热反应。
而在煤气炉操作温度下,上述反应属于动力学控制区。
所以提高炉温
不仅有利于提高CO和H2的平衡浓度,而且可以提高反应速度,增加气化强度,从
而使气化炉的生产能力提高。
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2)燃料层的运移速度和料层高度【5】在固定床气化过程中,整个床层高度是
相对稳定的。
随着加料和排灰的进行,燃料以一定速度向下移动。
这个速度的选择
主要依据气化炉的气化强度和燃料灰分含量。
在气化强度较大或燃料灰分较高时,
应加快燃料层的移动速度,反之亦然。
燃料层分为灰分、氧化层、还原层和干馏干
燥层,其作用各不相同,灰层有预热气化剂和保护炉箅不致过热的作用、氧化、还
原层是进行气化反应的部分,直接影响煤气的质量。
干馏干燥层则既对煤气降温有
对煤料预热。
各层高度大致如下:
灰层100~300㎜,氧化还原层约500㎜,干馏
干燥层300~500㎜。
总之,稍高的原料层高度有利于气化过程。
四)操作条件
操作条件因工艺流程、炉型、煤种而异。
某厂如下表:
表1煤气炉的操作指标
炉底压力
980~3430
空气流量
3500~4000
炉出口压力
340~780
灰层厚度
150~300㎜
饱和温度
45~57℃
火层厚度
150~250㎜
炉出口温度
450~520℃
料层厚度
450~600㎜
三、气化炉的设计计算
用实际数据计算法进行发生炉煤气化过程计算如下:
一)已知直接测定和在煤气发生炉实验时所获原始数据
【7】
无烟煤的工业分析
无烟煤的元素分析。
干发生炉煤气组成。
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焦油产率<
即表示煤气中几乎不带焦油,可忽略,如果煤气中带有焦油,
则必须取得焦油组成)。