煤的气化新技术.docx

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煤的气化新技术

煤碳气化新技术

浙江大学能源工程设计研究院

煤碳气化与气化新技术简介

一.煤的气化过程：

煤的气化是将煤炭在高温下通过与气化剂（空气/氧气和蒸汽或CO2，H2）发生的一系列化学反应转化成煤气的过程。

通过煤炭气化，将煤中的炭和氢转化成CO，H2，CO2和CH4等有效气体，即煤气在用做燃料，化工合成和发电等，不仅可以提高煤炭整体的转化效率，而且可大幅度减少对环境的污染。

在实际气化过程中，同时还伴随着煤的部分燃烧过程。

因此，在气化产物中也常会含有CO2和水蒸气等非可燃气体。

煤的气化过程通常包括下列10种基本化学反应：

1C+O2→CO2+94.1kcal/mol

②2C+O2→2CO+26.4kcal/mol

③C+CO2→2CO-41.0kcal/mol

④C+H2O→CO+H2-42.0kcal/mol

⑤C+2H2O→CO+2H2-42.8kcal/mol

⑥CO+H2O→CO2+H2+0.8kcal/mol

⑦C+2H2→CH4+17.9kcal/mol

⑧CO+3H2→CH4+H2O+59.8kcal/mol

⑨2CO+2H2→CH4+CO2+59.1kcal/mol

⑩CO2+4H2→CH4+2H2O+60.6kcal/mol

上述①式和②式是燃烧放热反应，③式是CO2还原反应，④式是水煤气反应，也是较大的吸热反应。

⑤式是伴随④式而产生的副反应。

⑥式是变换反应，⑦～⑩式是甲烷生成反应，其中⑦式是主反应，⑧式是催化合成甲烷的主要反应。

二．煤的气化分类；

目前煤的气化方法已达60多种，其分类方法也是多种多样的，常用的一些煤的气化分类方法分述如下：

1.按入炉煤粒度划分的有①粉煤（100~200目）气化，②小粒度煤（0~10mm气化），③块煤（6~100mm）气化。

2.按煤在炉内状况划分的有①固定床（或移动床）气化，②流化床（沸腾床）气化，③气流床气化，④熔渣（熔盐）床气化。

3.按气化介质划分的有空气，①空气-水蒸气，②富氧空气-水蒸气，③蒸气和氧气等。

4.按煤气用途划分的有①燃料煤气，②城市煤气，③高热值煤气（代用天然气），④还原气。

5.按煤气热值划分的有①低热值煤气[1000~1500kcal/m3（标准下同）]，②中热值煤气（2800~4000kcal/m3），③高热值煤气（4000kcal/m3）以上。

6.按排灰方式划分，有①固态排渣，②液态排渣，③灰团聚排渣气化。

7.按操作方式划分，有①常压气化，②加压气化。

目前较常用的分类方法是按煤在气化炉内状况划分，再配以排灰方式即可概括出各种汽化方法。

8.以煤和汽化介质的相对运动方向进行分类，可分为①并流气化，②逆流气化。

9.以气化反应的类型为主进行分类，分为热力学过程和催化过程等气化。

10.以气化的阶段性为主进行分类，可分为单段气化，双段或多段气化等。

11.以气化的操作方法为主进行分类，有连续式，间歇式和循环式气化等。

三．以往常用的煤的固定床气化及其特点；

煤的固定床汽化是指在水煤气炉，发生炉煤气炉，两段气化炉和加压气化炉中对煤进行气化的方法。

在这些煤气炉内煤块由上而下运动，而气化剂则由下而上，煤在炉内仅停留1h左右，排出炉外的煤气和炉渣经过热交换，可使其温度较其它方法低。

他的优缺点如下：

⑴优点；工艺简单，操作方便：

投资少，建设快：

热效率高，炭转化率高：

耗氧量低。

⑵缺点；对煤种有一定要求，煤的粘结性不能太强，要求使用块煤：

复产焦油，酚水难于处理，造成污染：

单炉产气量较低。

四.以往常用的煤的流化床气化和气流床气化及其特点；

流化床又称沸腾床，运行过程中气化剂以一定的速度由下而上通过煤粒床层，使煤料浮动并互相分离。

典型的流化床气化炉如温克勒Winkler炉，前苏联的盖依阿帕ΓиΑΠ━4，朝鲜的恩德炉等。

气流床气化可比流化床更快、气化量更大。

⑴优点;气化量大，气化速度快，煤种适应性广。

污染较低。

⑵缺点;投资大，结构及工艺复杂，建设期长。

热效率低。

五.新型环保节能型煤碳气化炉及其特点；

1.构造和原理：

新型环保节能型煤气发生炉是一种最新的、具有专利的炉型。

该炉型集成了上述炉型的优点，克服（避开）了上述炉型的缺陷；该炉对煤种适应性强，经炉内气化生产的煤气中焦油含量低，气化效率高，灰渣含碳量少，操作安全和清洁卫生。

除煤渣和灰之外，无任何排放。

本炉采用下吸式固定床反火型煤气发生的工艺流程，使炉内处于微负压状态下气化运行生产煤气，运行时炉内所需要的空气（气化剂）是从设置在炉顶上部的可控炉口进入炉内，与炉内上层煤料发生剧烈的氧化反应生成高温二氧化碳CO2，再被吸入到下面的还原层中被还原成一氧化碳CO等可燃气体，从炉底部抽吸出炉外的（下吸式）反火气化生产煤气的工艺流程，在以上炉内反火气化过程中由于空气（气化剂）是从炉顶上部的炉口进入炉内与煤料发生剧烈的氧化反应，故使煤料中焦油受到氧化层产生1000℃左右的高温裂解，所以出炉煤气中的焦油含量较低，不但有利于煤气净化处理，而且又能提高和增加煤气中的发热量。

该炉特点是在原固定床（下吸式）反火型煤气发生炉的底部增设正火（向上）气化煤气的生产工艺，炉内所生产的煤气从设置在炉中部煤气抽气圈的外围，同时抽吸炉内上层反火气化煤气和炉内下层正火气化煤气，该炉运行时使炉内形成上、下两层共同气化的优势生产煤气，在气化运行时使炉内形成上、下热，中间冷的煤气生产工艺流程，用这种方法生产煤气的工艺是将进炉煤料首先经炉内上层反火气化时在氧化层产生1000℃左右的高温将煤料中的焦油先行裂解，同时对经炉内反火气化后且含碳量高达20%的煤渣，再经炉底部正火气化工艺进行氧化和还原生成一氧化碳CO等可燃气体，与从炉上部反火气化生产的煤气共同被抽吸出炉外的双层气化煤气发生炉生产煤气的工艺流程。

2工艺上有以下四大特点：

特点之一；

①是该炉将能敞开上炉口气化运行，在气化运行中可直接观察到炉内在气化反应时所出现的穿孔、偏流等现象能得到及时处理，确保炉内气化反应层次稳定，且操作方便，安全卫生。

②是炉内煤料经上部反火气化后，将使含碳量高的煤渣再次经炉底部正火气化工艺进行氧化和还原生成一氧化碳，将能有效地克服单一反火气化煤气工艺中存在煤渣含碳量高的缺陷，对充分利用和节约能源减少环境污染具有显著效果。

③经用新型环保节能型煤气发生炉生产的可燃气体中的焦油含量较低，有利于净化处理，经净化处理后的煤气中焦油含量可控制在20mg/m3以内为清洁气体能源，可供燃气内燃机作为动力气源发电，并能替代各种燃油工业所需烧用的油料，来减少我国对石油资源的消耗。

将是我国现阶段以煤代油的重要技术措施。

④新型环保节能型煤气发生炉采用反火气化原理，自上而下地进行连续气化反应。

气化剂（高温空气和高温蒸气）在水环真空泵的抽吸作用下，由敞开的炉口吸入炉内，经干燥、干馏层进入氧化层，在剧烈的氧化反应下，生成大量的高温二氧化碳（CO2），进入还原层被还原为一氧化碳（CO），水蒸气被分解出氢（H2）等可燃气体，当进入下面灰渣层时，受灰渣层氧化物催化剂的影响，又促进一部分一氧化碳和氢气被聚合生成部分甲烷（CH4），煤气被炉外水环真空泵抽送入洗涤塔及气水分离装置，使煤气达到冷却和净化。

特点之二；

新型环保节能型煤气发生炉在气化贫煤、无烟煤时，由于干馏层煤料受其下部氧化高温作用而释放出的焦油、苯、萘、硫等有害可燃物质，在经过氧化层（火层）时被裂解燃烧，并释放大量的热能。

这不但消除了有害气体，也提高了炉温，为吸热反应的CO2还原成CO创造了条件。

经检测，冷却后的煤气中和洗涤冷却煤气废水中的有害物质和杂质，优于国家环保部门的排放标准。

对于含焦油和含硫量较高的煤，在反火过程中，烧掉80%的焦油和硫，可以大大减少处理装置。

特点之三；

独特的气化及净化原理，决定其工艺流程短，主体设备少的特性。

现将正、反型煤气发生炉工艺流程相比较：

新型环保节能型煤气发生炉的工艺流程：

煤场→新型反火型煤气发生炉→热管换热器1、热管换热器2→带纳米滤网膜的洗涤塔→精净化器→罗茨吸气机→水封→稳压控制柜→用户。

传统的气化和净化工艺远比上述复杂得多。

从两者比较可以看出新型环保节能型煤气发生炉制气工艺流程环节少，几乎完全省掉煤气净化及污水处理设施。

故制气系统的设备大为减少，厂房面积相对缩减，因此工程造价低，占地面积小，操作简单，运行费用低。

新型环保节能型煤气发生炉在气化过程中使用的原料可以是褐煤、烟煤、无烟煤和焦炭等，气化剂为氧气或富氧和空气、蒸汽。

进行气化操作的设备叫双层气化煤气发生炉。

其工艺流程如下：

①在从炉下部进入气化剂（空气）时，首先进入炉底部的灰渣层，当它经过灼热的灰渣层时将被预热，以减少燃料的消耗，并且可以冷却灰渣使其安全排出。

在从炉上部进入气化剂（空气）时，首先进入炉内上部氧化层上的干燥干馏层而后再进入氧化层（燃烧层）和氧化层下面的还原层。

进入炉内的气化剂中氧与高温的碳作用，进行如下反应：

C+O2=CO2+408177kJ

2C+O2=2CO+246035kJ

2CO+O2=2CO2+570319kJ

②在上述3个反应中，第一个反应是主反应。

由于氧化过程中放出大量的热量，氧化层的温度可以高达1000℃以上。

氧化反应的速度很快，气化剂中的氧很快消耗尽，因此氧化层很薄，一般为进入炉内煤料粒度的8至10倍。

③还原层

在氧化层生成的CO2、CO上升和下吸使它进一步的与上部和下部的碳及气化剂中的水蒸气作用，进行如下反应：

CO2+C=2CO-162142kJ

C+H2O=CO+H2-118628kJ

C+2H2O=CO2+2H2-75115kJ

CO+H2O=CO2+H2+43472kJ

还原层中的反应为吸热反应，它们所需的热量是由氧化层上升或下降的气体带入的，随着反应的进行，还原层的温度逐渐降低，一般约为800～1000℃。

还原反应的速度也逐渐减慢，其温度将逐渐降低至600~700℃因此还原层的厚度远远超过氧化层。

④干馏层

由炉上部氧化层生成的高温气体，使其氧化层上部煤料受热干馏，温度约为500～700℃。

⑤干燥层

由氧化层、干馏层生成的温度上升，使上部的煤层干燥和预热，温度约为350～400℃，生成的煤气被吸入氧化层下部的还原层由炉中部抽气管口抽吸出炉外。

制造煤气的主要反应是在氧化层和还原层中进行，称这个区域为气化区，干燥层和干馏层称为预处理区域。

在发生炉中上述区域并不是截然分开的，实际上各层会出现交错、局部渗透现象。

本炉采用先进的控制手段进行实时控制和调整。

特点之四；

混合煤气的技术指标是企业综合经济效益中的一项重要指标，主要包括煤气发生炉的气化强度、生产能力、煤气质量、灰渣残碳量、气化效率及热效率等。

①气化强度

气化强度是煤气发生炉的重要指标。

所谓气化强度，即为每小时每平方米发生炉截面积处理的原料煤重量或产生的煤气量。

根据气化强度能算出该煤气发生炉的小时、天、月、年的耗煤量。

②新型环保节能型煤气发生炉的生产能力

煤气发生炉的产量是企业综合经济效益中的一项重要考核指标、煤气产量大小主要表现煤气发生炉的开工率和产气率上，开工率是指煤气发生炉的利用率。

指该炉子一年中有效生产运行时间与全年时间之比的百分数。

产气率是指每公斤燃料（煤、焦等）在气化后转为气体的量，以m3/kg计。

它是重要的技术经济指标，产气率大小决定于很多因素，它主要与煤的性质、煤的发热量和煤灰熔点、操作工艺条件及设备结构有关。

③煤气质量

不同类型煤气发生炉生产的煤气质量都有所不同，作为燃料气应用，对煤气的组成也有相应的要求。

煤气组成对燃烧速度有较大影响，因此保持煤气成分的相对稳定，对提高燃具的燃烧效率和安全具有重要的意义。

煤气组成主要与原料粒度、气化