煤化工氣化工藝系統(tǒng)知識(shí)

1、 氣化工藝的介紹煤氣化工藝的發(fā)展 以煤炭為原料經(jīng)化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品，而后再進(jìn)一步加工成一系列化工產(chǎn)品或石油燃料的工業(yè)，稱之為煤化工。煤的焦化是應(yīng)用最早的煤化工，至今仍然是重要的方法。 煤氣化在煤化工中占有特別重要的地位，煤氣化主要用于生產(chǎn)城市煤氣、各種工業(yè)用燃料氣和合成氣，在中國(guó)合成氣主要用于制取合成氨、甲醇、二甲醚等重要化工產(chǎn)品。通過煤炭加氫液化和氣化生產(chǎn)各種液體燃料和氣體燃料，利用碳一化學(xué)技術(shù)合成各種化工產(chǎn)品。隨著世界石油和天然氣資源的不斷減少、煤化工技術(shù)的改進(jìn)、新技術(shù)和新型催化劑的開發(fā)成功、新一代煤化工技術(shù)的涌現(xiàn)，21 世紀(jì)現(xiàn)代煤化工將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。煤

2、氣化的應(yīng)用 大型加壓煤氣化技術(shù)、煤基合成液體燃料技術(shù)、大型流化床電站鍋爐、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（IGCC），煤、電、熱與化工產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，煤中硫、氮等污染物的脫除和控制技術(shù)、大型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、燃料電池技術(shù)等。加壓煤氣化工藝的簡(jiǎn)要介紹 煤氣化工藝分為固定床加壓氣化技術(shù)、濕法氣流床加壓氣化技術(shù)、干法氣流床加壓氣化技術(shù)。 固定床加壓氣化技術(shù)的主要代表有：德國(guó)魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)、BGL加壓氣化技術(shù) 濕法氣流床加壓氣化技術(shù)的典型代表有：GE的TEXACO、華東理工大學(xué)的四噴嘴、多元料漿。 干法氣流床加壓氣化技術(shù)的主要代表有：shell、西門子GSP、科林、北京航天、五環(huán)、華東理工也在水煤漿四噴嘴的

3、基礎(chǔ)上研究粉煤氣化工藝。碎煤加壓氣化工藝 早在1927 1928 年間，德國(guó)魯奇公司在德國(guó)東易河礦區(qū)利用褐煤在常壓下用氧氣作氣化劑來制取煤氣。煤氣經(jīng)加壓凈化后分離出二氧化碳可以使煤氣熱值提高。但在常壓下氣化爐產(chǎn)氣量有限，而且煤氣輸送的壓縮費(fèi)用較高，從而促使人們進(jìn)行加壓氣化工藝的研究。通過理論計(jì)算，在壓力為2.0MPa 和溫度為1000 K 的平衡氣中，甲烷含量可達(dá)20 以上，這將大大提高煤氣的熱值。隨后的小型試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了加壓氣化理論的正確性。由于這一切都是在魯奇公司進(jìn)行的，故將這種方法稱為魯奇式加壓氣化法。魯奇爐對(duì)氣化的煤質(zhì)要求 水分 魯奇爐入爐煤的水分可以較高，但有些褐煤水分過高時(shí)，會(huì)促

4、使褐煤塊受熱碎裂，造成氧耗增加，增加后系統(tǒng)的負(fù)荷及污水處理的投資，給原料預(yù)處理帶來困難。 根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)煤中水分高于20%時(shí)，水分含量每增加1%，氧耗增加1.5%，煤氣出爐溫度降低5，水汽含量增加3%。當(dāng)水分含量上升到30%時(shí)，氣化爐的生產(chǎn)能力下降10%。 灰分 原則上對(duì)煤的灰分無嚴(yán)格要求。但煤中灰分含量增加，將導(dǎo)致消耗定額增加；氣化強(qiáng)度低，煤氣產(chǎn)率降低，灰渣含碳量增加，煤氣的熱值降低。 從經(jīng)濟(jì)上考慮，控制煤灰分含量20%。 煤的粒度 褐煤640mm，煙煤525mm，焦炭和無煙煤520mm；要求最大粒徑與最小粒徑比為58；最小粒徑要在6mm以上，小于2mm的粉煤量控制在1.5%以內(nèi)，小于6m

5、m的細(xì)粒煤控制在5%以內(nèi)。 黏結(jié)性 能氣化坩堝膨脹序數(shù)7以下的強(qiáng)黏結(jié)性煤。但與褐煤相比，消耗指標(biāo)增加1015%，氣化爐的處理能力降低1520%，氣化效率下降5%。 反應(yīng)活性 反應(yīng)活性越高越好。 灰熔融溫度與結(jié)渣性 這是影響汽氧比和氣化強(qiáng)度的關(guān)鍵，通常要求ST1200，最好高于1400。 結(jié)渣性也影響操作溫度，結(jié)渣性強(qiáng)的煤操作溫度不宜過高。魯奇加壓氣化技術(shù)的發(fā)展 魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)的發(fā)展根據(jù)爐型的變化大致可劃分為三個(gè)發(fā)展階段。 第一階段（1930 1954 年）。1930 年在德國(guó)希爾士斐爾德建立了第一套加壓氣化試驗(yàn)裝置，1936 年設(shè)計(jì)了第一代工業(yè)化的魯奇爐，以褐煤為原料生產(chǎn)城市煤氣，氣化劑

6、為氧氣和水蒸氣，氣化劑通過爐箅的中空轉(zhuǎn)軸由爐底中心送入爐內(nèi)，出灰口設(shè)在爐底側(cè)面，爐內(nèi)壁有耐火襯里，只能氣化非黏結(jié)性煤，氣化強(qiáng)度較低。第一代魯奇氣化爐，內(nèi)徑2600mm1 烘箱 2 上部刮刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 煤氣出口管刮刀 4 噴冷器 5 爐體 6 爐箅 7 爐箅傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8 刮灰刀 9 下灰頸管 10 灰箱 11 裙板A 帶有內(nèi)部液壓傳動(dòng)裝置的煤箱上閥 B 外部液壓傳動(dòng)裝置 C煤箱下閥的液壓傳動(dòng)裝置 第二階段（1954 1965 年）。為了能夠氣化弱黏結(jié)性的煙煤，提高氣化強(qiáng)度， 聯(lián)邦德國(guó)魯爾煤氣公司與魯奇公司合作建立了一套試驗(yàn)裝置，對(duì)泥煤、褐煤、次煙煤、長(zhǎng)焰煤、貧煤和無煙煤進(jìn)行了氣化試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)

7、結(jié)果設(shè)計(jì)了第二代魯奇爐。該爐型在爐內(nèi)設(shè)置了攪拌裝置，起到了破黏作用，從而可以氣化弱黏結(jié)性煤，同時(shí)取消了爐內(nèi)的耐火襯里，設(shè)置了水夾套，排灰改為爐底中心排灰，氣化劑由爐底側(cè)向進(jìn)入爐箅下部。 第二代直徑2600 mm 中間除灰爐型 1 煤箱 2 上部傳動(dòng)裝置 3 布煤器 4 攪拌裝置 5 爐體 6 爐算 7 爐箅傳動(dòng)軸 8 氣化劑進(jìn)口管 9 灰箱 第三階段（1969 1980）。為了進(jìn)一步提高魯奇爐的生產(chǎn)能力， 擴(kuò)大煤種的應(yīng)用范圍，滿足現(xiàn)代化大型工廠的生產(chǎn)需要， 經(jīng)對(duì)第二代爐改進(jìn)， 開發(fā)了第三代魯奇爐，其內(nèi)徑增大到3.8 m ，采用雙層夾套外殼，爐內(nèi)裝有攪拌器和煤分布器， 轉(zhuǎn)動(dòng)爐算采用寶塔型結(jié)構(gòu)，多

8、層布?xì)猓瑔螤t產(chǎn)氣量提高到3500055000 m 3/h（干氣）， 同時(shí)第三代爐的結(jié)構(gòu)材料、制造方法、操作控制等均采用了現(xiàn)代技術(shù)， 自動(dòng)化程度較高。第三代加壓氣化爐，內(nèi)徑3800mm1煤箱 2上部傳動(dòng)裝置3噴冷器4裙板5布煤器6攪拌器7爐體 8爐箅 9爐箅傳動(dòng)裝置 10灰箱 11刮刀12保護(hù)板 1974 年，魯奇公司與南非薩索爾合作開發(fā)出直徑為5 m 的第四代加壓氣化爐， 該氣化爐幾乎能適應(yīng)各種煤種，其單爐產(chǎn)氣量可75000m3/h 比第三代爐能力提高50 。 此外，魯奇公司還開發(fā)研制了液態(tài)排渣氣化爐。可以大幅提高氣化爐內(nèi)燃燒區(qū)的反應(yīng)溫度，這樣不但減少了蒸汽消耗量，提高了蒸汽分解率，而且氣化爐

9、出口煤氣有效成分增加，從而使煤氣質(zhì)量提高，單爐生產(chǎn)能力比固態(tài)排渣氣化爐提高3 4 倍。 魯奇公司還進(jìn)行了“魯爾100” 氣化爐的研究開發(fā),該氣化爐將氣化壓力提高到10MPa，隨著操作壓力的提高，氧耗量降低， 煤氣中甲烷含量提高，以替代天然氣。魯奇加壓氣化介紹 在實(shí)際的加壓氣化過程中，原料煤從氣化爐的上部加入，在爐內(nèi)從上至下依次經(jīng)過干燥、干餾、半焦氣化、殘焦燃燒、灰渣排出等物理化學(xué)過程。 加壓氣化爐是一種自熱式反應(yīng)爐，通過在燃燒層中的 CO2 CO2 這個(gè)主要反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，這些熱量提供給： 氣化層生成煤氣的各還原反應(yīng)所需的熱量； 煤的干餾與干燥所需熱量； 生成煤氣與排出灰渣帶出的顯熱； 煤

10、氣帶出物顯熱及氣化爐設(shè)備散失的熱量。 燃料床層的結(jié)構(gòu)及特性燃料床層的結(jié)構(gòu)及特性 在加壓氣化爐中，一般將床層按其反應(yīng)特性由下至上劃分為以下幾層： 灰渣層 燃燒層（氧化層） 氣化層（還原層） 干餾層 干燥層 灰渣層的主要功能是燃燒完畢的灰渣將氣化劑加熱，以回收灰渣的熱量，降低灰渣 溫度。 燃燒層主要是焦渣與氧氣的反應(yīng)即 CO2 CO2 ，它為其他各層的反應(yīng)提供了熱量。 氣化層（也稱還原層） 是煤氣產(chǎn)生的主要來源。 干餾層及干燥層是燃料的準(zhǔn)備階段，煤中的吸附氣體及有機(jī)物在干餾層析出。 加壓氣化的過程 煤的干燥與部分燃燒階段 煤的主要干燥階段發(fā)生在150以前，在此階段，煤失去大部分水分。 之后，煤發(fā)生

11、揮發(fā)反應(yīng)，開始釋放出揮發(fā)性物質(zhì)，它們主要是煤中可燃物熱解生成的氣體、焦油蒸汽和有機(jī)化合物，以及熱分解水所生成的水蒸汽。 隨溫度的升高，煤的干燥和氣化產(chǎn)物的釋放過程如下： 100200 放出水分及吸附的CO2 200300 放出CO2、CO和熱分解水 300400 放出焦油蒸汽、CO、氣態(tài) 碳?xì)浠衔?400500 焦油蒸汽產(chǎn)生達(dá)到最多，CO逸出減少直到終止 500600 放出H2、CH4和碳?xì)浠衔?600以上 碳?xì)浠衔锓纸鉃榧淄楹蜌涿旱臍饣A段及基本反應(yīng)過程 在煤的氣化階段，發(fā)生了下列反應(yīng)： 碳的氧化燃燒反應(yīng)： C+O2 CO2+394.55kJ/mol 2H2+O2 2H2O+21.8k

12、J/mol 氣化反應(yīng)： CO2+C 2CO-73.1kJ/mol C+H2O CO+H2-131.0kJ/mol C+2H2O CO2+2H2-88.9kJ/mol 甲烷化反應(yīng)： 爐內(nèi)溫度為700800時(shí) CO+H2 CH4+H2O+247.02kJ/mol 一般情況下，煤的氣化過程均設(shè)計(jì)成使氧化和揮發(fā)裂解過程放出的熱量與氣化反應(yīng)、還原反應(yīng)所需的熱量加上反應(yīng)物的顯熱相抵消?？偟臒崃科胶獠捎谜{(diào)整輸入反應(yīng)器中的氧氣量和蒸汽量來控制。加壓氣化原理 壓力下煤的氣化在高溫下受氧、水蒸氣、二氧化碳的作用，各種反應(yīng)如下： 碳與氧的反應(yīng)： C O2 CO2408.8 MJ 2CO2 2CO 246.4 MJ

13、CO2C 2CO162.4 MJ 2COO2 2CO257024 MJ 碳與水蒸氣的反應(yīng)： CH2O COH2118.8 MJ C 2H2O CO22H275.2 MJ COH2O CO2H242.9 MJ 甲烷生成反應(yīng)： C2H2 CH487.38 MJ CO3H2 CH4 H2O206.2 MJ 2CO2H2 CH4CO2247.4 MJ CO24H2 CH42H2O162.9 MJ 2C2H2O CH4CO2125.6 MJ 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)反應(yīng)平衡原則，提高反應(yīng)壓力有利于化學(xué)反應(yīng)向體積縮小的反應(yīng)方向移動(dòng)，提高反應(yīng)溫度，化學(xué)反應(yīng)則向吸熱的方向移動(dòng)，對(duì)加壓氣化可以得出以下結(jié)論： 提高

14、壓力，有利于煤氣中甲烷的生成，可提高煤氣的熱值； 提高氣化反應(yīng)溫度，有利于CO2C 2CO 向生成一氧化碳的方向進(jìn)行，也有利于 CH2O COH2 反應(yīng)，從而可提高煤氣中的有效成分。但提高溫度不利于生成甲烷的放熱反應(yīng)。 魯奇加壓氣化工藝的技術(shù)特點(diǎn) 氣化溫度10001250 氣化壓力2.54MPa，固態(tài)排渣 氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)設(shè)有攪拌裝置、煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，設(shè)備的損壞與檢修較為頻繁，運(yùn)行開工率較低，約為7580%，需設(shè)置備爐。 煤氣中含有焦油、酚等，煤氣的凈化、污水的處理、副產(chǎn)品回收工藝復(fù)雜，流程長(zhǎng) 蒸汽消耗量大，分解率低。 入爐煤為碎煤 煤氣中含有712%的甲烷及不飽和烴，單獨(dú)用于煤

15、氣及多聯(lián)產(chǎn)還可以，如若用于合成其它產(chǎn)品還需將甲烷分離或轉(zhuǎn)化魯奇加壓氣化操作條件 壓力對(duì)煤氣組成的影響 隨著氣化壓力的提高，有利于體積縮小的反應(yīng)進(jìn)行，煤氣中的CH4和CO2 含量增加，煤氣的熱量提高。粗煤氣組成隨氣化壓力的變化如下圖所示。 提高氣化壓力，可以提高煤氣熱值，這對(duì)生產(chǎn)城市煤氣是有利的，而對(duì)于生產(chǎn)合成原料氣則是不利的，故而氣化壓力的選擇要綜合考慮。 壓力對(duì)煤氣產(chǎn)率的影響隨著壓力升高，煤氣產(chǎn)率下降。下圖給出了褐煤氣化時(shí)煤氣產(chǎn)率與氣化壓力的關(guān)系，煤氣產(chǎn)率隨壓力升高而下降是由于生成氣中甲烷增多，從而使煤氣總體積減少。 粗煤氣組成與氣化壓力關(guān)系 煤氣產(chǎn)率與氣化壓力關(guān)系 1 粗煤氣；2 凈煤氣

16、壓力對(duì)氧氣和水蒸氣消耗量的影響 隨著壓力升高，生成甲烷反應(yīng)速度加快，反應(yīng)釋放出的熱量增加，從而減少了碳燃燒反應(yīng)的耗氧量。氧氣消耗量、利用率與氣化壓力的關(guān)系如圖所示。氧氣利用率是指消耗1m3氧所制得煤氣的化學(xué)熱。氣化壓力與氧氣耗量、氧氣利用率的關(guān)系 1 氧氣消耗量；2 氧氣利用率 水蒸氣消耗量與氣化壓力的關(guān)系如下圖所示。隨著壓力升高水蒸氣消耗量增多。因壓力升高，生成甲烷所耗氫量增加，則氣化系統(tǒng)需要水蒸氣分解的絕對(duì)量增加，而壓力增高卻使水蒸氣分解反應(yīng)向左進(jìn)行的速度增大，即水蒸氣分解率下降。如在常壓下水蒸氣的分解率約為65，而在2.0 MPa 下水蒸氣分解率降至36 左右。由于上述原因，加壓氣化比常

17、壓氣化的水蒸氣耗量大大增加，如圖所示，20 大氣壓比常壓下水蒸氣耗量高一倍以上，由干水蒸氣分解率下降，使加壓氣化的熱效率有所降低。 水蒸氣耗量與氣化壓力關(guān)系 1 氫量；2 水蒸氣絕對(duì)分解量； 3 水蒸氣分解率氣化層溫度與氣化劑溫度對(duì)氣化的影響氣化層溫度與氣化劑溫度對(duì)氣化的影響 氣化層溫度對(duì)氣化的影響 氣化層溫度降低，有利于放熱反應(yīng)的行，也就是有利于甲烷的生成反應(yīng)，使煤氣熱值提高。但溫度降的太多，如在650 700 時(shí)，無論是甲烷生成反應(yīng)或其他氣化反應(yīng)的反應(yīng)速度都非常緩慢，在壓力為2.0 MPa 氣化褐煤時(shí)，氣化層溫度對(duì)粗煤氣組成的影響如下圖所示。 氣化層溫度對(duì)煤氣組成的影響 通常，生產(chǎn)城市煤氣

18、時(shí)，氣化層溫度一般在950 1050 ，生產(chǎn)合成原料氣時(shí)可以提高到1200 1300 ，氣化層溫度的提高主要受灰熔點(diǎn)的限制，當(dāng)溫度過高超過灰的軟化點(diǎn)時(shí)，灰將變?yōu)槿廴趹B(tài)，這在固態(tài)排渣爐是不允許的。 氣化層溫度過低不但降低反應(yīng)速度，也會(huì)使灰中殘余碳量增加，增大了原料損失，同時(shí)低溫還會(huì)使灰變細(xì)，增大了床層阻力，降低氣化爐的生產(chǎn)負(fù)荷。一般情況下在氣化原料煤種確定后，根據(jù)灰熔點(diǎn)來確定氣化層溫度。 氣化劑溫度是指氣化劑人爐前的溫度，提高氣化劑溫度可以減少用于預(yù)熱氣化劑的熱量消耗，從而減少氧氣消耗量，較高的氣化劑溫度有利于碳的燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使氧的利用率提高。氧氣消耗量及其利用率與氣化劑溫度的關(guān)系如下圖所示

19、。 氣化劑溫度與氧氣利用率的關(guān)系1 氧氣利用率；2 ，3 分別為粗煤氣和凈煤氣產(chǎn)率；4 凈煤氣發(fā)熱值汽氧比的選擇汽氧比的選擇 汽氧比是指氣化劑中水蒸氣與氧氣的組成比例， 即水蒸氣氧氣的比值kg/m3（標(biāo)）。在加壓氣化煤氣生產(chǎn)中，汽氧比是一個(gè)非常重要的操作條件，是影響氣化過程最活潑的因素。在一定的氣化溫度和煤氣組成變化條件下，同一煤種汽氧比有一個(gè)變動(dòng)的范圍。不同煤種的變動(dòng)范圍也不同。 隨著煤的碳化度加深，反應(yīng)活性變差，為提高生產(chǎn)能力，汽氧比應(yīng)適當(dāng)降低。在加壓氣化生中，各種煤種的汽氧比變動(dòng)范圍一般為：褐煤6 8 煙煤5 7， 無煙煤45 6 。 改變汽氧比，實(shí)際上是調(diào)整與控制氣化過程的溫度，在固態(tài)

20、排渣爐中，首先應(yīng)保證在燃燒過程中灰不熔融成渣，在此基礎(chǔ)上維持足夠高的溫度以保證煤完全氣化。在加壓氣化生產(chǎn)中，采用不同汽氧比，對(duì)煤氣生產(chǎn)的影響主要有以下幾個(gè)方面：在一定熱負(fù)荷條件下，水蒸氣的消耗量隨汽氧比的提高而增加，氧氣的消耗量隨汽氧比提高而相對(duì)減少。如下圖所示 汽氧比與蒸汽、氧氣消耗量的關(guān)系1 水蒸氣消耗量；2 氧氣消耗量 由圖可看出水蒸氣量的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣量的變化幅度。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，要兼顧氣化過程和消耗指標(biāo)來考慮，在不引起氣化爐產(chǎn)生結(jié)渣和氣質(zhì)變壞的情況下，盡可能采用較低的汽氧比。 汽氧比的提高，使水蒸氣的分解率顯著下降，這將加大煤氣廢水量。不但浪費(fèi)了水蒸氣，同時(shí)還加大了煤氣冷卻系

21、統(tǒng)的熱負(fù)荷，會(huì)使煤氣水廢水處理系統(tǒng)的負(fù)荷增加。 汽氧比的改變對(duì)煤氣組成影響較大。隨著汽氧比的增加，氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度降低，煤氣組成中一氧化碳含量減少，二氧化碳還原減少使煤氣中二氧化碳與氫含量高，粗煤氣組成與汽氧比的關(guān)系如下圖所示 粗煤氣組成與汽氧比的關(guān)系 汽氧比改變和爐內(nèi)溫度的變化對(duì)副產(chǎn)品焦油的性質(zhì)也有所影響。提高汽氧比以后，焦油中堿性組分下降，芳烴組分則顯著增加。 汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系由上述汽氧比對(duì)氣化過程的影響可知，降低汽氧比，有利于氣化生產(chǎn)，但汽氧比的降低也是有限度的，一般汽氧比的選擇條件是：在保證燃燒層最高溫度低于灰熔點(diǎn)的前提下，盡可能維持較低的汽氧比。汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系如

22、下圖 汽氧比與最高燃燒溫度的關(guān)系BGL液態(tài)排渣氣化爐 魯奇液態(tài)排渣氣化爐是傳統(tǒng)固態(tài)排渣氣化爐的進(jìn)一步發(fā)展，其特點(diǎn)是氣化溫度高，氣化后灰渣呈溶融態(tài)排出，因而使氣化爐的熱效率與單爐生產(chǎn)能力提高，煤氣的成本降低。液態(tài)排渣魯奇爐如下圖所示。 1 煤箱 2 上部傳動(dòng)裝置 3噴冷器 4布煤器 5 攪拌器 6 爐體 7 噴嘴 8 排渣口 9 熔渣急冷箱 10灰箱 該爐氣化壓力為2.0 3.0 M Pa ，氣化爐上部設(shè)有布煤攪拌器，可氣化較強(qiáng)黏結(jié)性的煙煤。氣化劑（水蒸氣十氧氣） 由氣化爐下部噴嘴噴入，氣化時(shí)，灰渣在高于煤灰融點(diǎn)（T2） 溫度下呈熔融狀態(tài)排出，熔渣快速通過氣化爐底部出渣口流人急冷器，在此被水急冷

23、而成固態(tài)爐渣，然后通過灰鎖排出。BGL液態(tài)排渣氣化爐技術(shù)特點(diǎn) 由于液態(tài)排渣氣化劑的汽氧比遠(yuǎn)低于固態(tài)排渣，所以氣化層的反應(yīng)溫度高，碳的轉(zhuǎn)化率增大，煤氣中的可燃成分增加，氣化效率高。煤氣中CO 含量較高，有利于生成合成氣。 水蒸氣耗量大為降低，且配入的水蒸汽僅滿足于氣化反應(yīng)，蒸汽分解率高，煤氣中的剩余水蒸汽很少，故而產(chǎn)生的廢水遠(yuǎn)小于固態(tài)排渣。 氣化強(qiáng)度大。由于液態(tài)排渣氣化煤氣中的水蒸汽量很少，氣化單位質(zhì)量的煤所生成的濕粗煤氣體積遠(yuǎn)小于固態(tài)排渣，因而煤氣氣流速度低，帶出物減少，因此在相同帶出物條件下，液態(tài)排渣氣化強(qiáng)度可以有較大提高。 液態(tài)排渣的氧氣消耗較固態(tài)排渣要高，生成煤氣中的甲烷含量少，不利于生

24、產(chǎn)城市煤氣，但有利于生產(chǎn)化工原料氣。 液態(tài)排渣氣化爐體材料在高溫下的耐磨、耐腐蝕性能要求高。在高溫、高壓下如何有效地控制熔渣的排出等問題是液態(tài)排渣的技術(shù)關(guān)鍵，尚需進(jìn)一步研究。濕法氣流床加壓氣化技術(shù) 濕法氣流床氣化是指煤或石油焦等固體碳?xì)浠衔镆运簼{或水炭漿的形式與氣化劑一起通過噴嘴，氣化劑高速噴出與料漿并流混合霧化，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行火焰型非催化部分氧化反應(yīng)的工藝過程。具有代表性的工藝技術(shù)有美國(guó)德士古發(fā)展公司開發(fā)的水煤漿加壓氣化技術(shù)、道化學(xué)公司開發(fā)的兩段式水煤漿氣化技術(shù)、中國(guó)自主開發(fā)的多噴嘴煤漿氣化技術(shù)，它們當(dāng)中以德士古發(fā)展公司水煤漿加壓氣化技術(shù)開發(fā)最早、在世界范圍內(nèi)的工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛。水煤漿

25、氣化的煤質(zhì)要求 總水分 總水包括外水和內(nèi)水。外水是煤粒表面附著的水分，來源于人為噴灑和露天放置中的雨水，通過自然風(fēng)干即可失去。外水對(duì)德士古煤氣化沒有影響，但如果波動(dòng)太大對(duì)煤漿濃度有一定影響，而且會(huì)增加運(yùn)輸成本，應(yīng)盡量降低。 煤的內(nèi)水是煤的結(jié)合水，以吸附態(tài)或化合態(tài)形式存在于煤中，煤的內(nèi)水高同樣會(huì)增加運(yùn)輸費(fèi)用，但更重要的是內(nèi)水是影響成漿性能的關(guān)鍵因素，內(nèi)水越高成漿性能越差，制備的煤漿濃度越低，對(duì)氣化有效氣體含量、氧氣消耗和高負(fù)荷運(yùn)行不利。 揮發(fā)分及固定碳 煤化程度增加，則可揮發(fā)物減少，固定碳增加。固定碳與可揮發(fā)物之比稱為燃料比，當(dāng)煤化程度增加時(shí)，它也顯著增加，因而成為顯示煤炭分類及特性的一個(gè)參數(shù)。

26、煤中揮發(fā)分高有利于煤的氣化和碳轉(zhuǎn)化率的提高，但是揮發(fā)分太高的煤種容易自燃，給儲(chǔ)煤帶來一定麻煩。 灰分 灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全反應(yīng)后其中的礦物質(zhì)在高溫下分解、化合所形成的惰性殘?jiān)墙饘俸头墙饘俚难趸锖望}類（碳酸鹽、硅鋁酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等） 的混合體。 灰分含有率越高，煤的總發(fā)熱量就越低，漿化特性也多半較差。根據(jù)資料介紹，同樣反應(yīng)條件下，灰分含量每增加1 ，氧耗約增加0.70.8 煤耗約增加1.31.5 。 灰分含量的增高，不僅會(huì)增加廢渣的外運(yùn)量，而且會(huì)增加渣對(duì)耐火磚的侵蝕和磨損，還會(huì)使運(yùn)行黑水中固含量增高，加重黑水對(duì)管道、閥門、設(shè)備的磨損，也容易造成結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，因此應(yīng)盡量選用低灰

27、分的煤種，以保證氣化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 灰熔點(diǎn) 煤灰的熔融性習(xí)慣上用四個(gè)溫度來衡量，即煤灰的初始變性溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度。煤的灰熔點(diǎn)一般是指流動(dòng)溫度，它的高低與灰的化學(xué)組成密切相關(guān)。 一般認(rèn)為，灰分中氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂的含量越多，灰熔點(diǎn)越低；氧化硅、氧化鋁含量越高，灰熔點(diǎn)愈高。但灰分不是以單獨(dú)的物理混合物形式存在，而是結(jié)晶成不同結(jié)構(gòu)的混合物，結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同灰熔點(diǎn)差異很大，不能以此作為惟一的判別標(biāo)準(zhǔn)。通常用下 來粗略判斷煤種灰分熔融的難易程度： 酸堿比SiO2Al2O3/Fe2O3CaOMgO 當(dāng)比值處于1 5 之間時(shí)易熔，大于5 時(shí)難熔?；以靥匦曰以靥匦允侵溉廴诨以酿ざ扰c

28、溫度的關(guān)系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤種（灰分組成） 確定，它只與實(shí)際操作溫度有關(guān)。水煤漿氣化采用液態(tài)排渣，操作溫度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流動(dòng)，但灰渣黏度太低，爐磚侵蝕剝落較快。根據(jù)有些廠家的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)操作溫度在1400 以上每增加20 ，耐火磚熔蝕速率將增加一倍。溫度偏低，灰渣黏度升高，渣流動(dòng)不暢，容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范圍內(nèi)操作才能在爐磚表面形成一定厚度的灰渣保護(hù)層，既延長(zhǎng)了爐磚壽命又不致堵塞渣口。液態(tài)排渣爐氣化最佳操作溫度視灰渣的黏溫特性而定，一般推薦高于煤灰熔點(diǎn)3050 。最佳灰渣流動(dòng)黏度對(duì)應(yīng)的溫度為最佳操作溫度，大多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為最佳黏度應(yīng)控制在15 40Pa

29、s 之間。助熔劑由于材料耐熱能力的限制，對(duì)灰熔點(diǎn)高于1400 的煤如果還要采用熔渣爐氣化，建議使用助熔劑，以降低煤的灰熔點(diǎn)。根據(jù)煤質(zhì)中礦物質(zhì)對(duì)灰熔點(diǎn)影響的有關(guān)研究表明，添加適當(dāng)助熔劑降低灰分組成的酸堿比，可有效降低灰熔點(diǎn)。助熔劑的種類及用量要根據(jù)煤種的特性確定，一般選用石灰石或氧化鐵作為助熔劑。石灰石及氧化鐵特別適宜作助熔劑的原因在于，它們是煤的常規(guī)礦物成分，幾乎對(duì)系統(tǒng)沒有影響，流動(dòng)性與一般的水煤漿相同，加入后又能有效地改變?nèi)墼牡V物組成，降低灰熔點(diǎn)和黏度。視煤種的不同，氧化鈣的最佳加入量約為灰分總量的2025左右，氧化鐵為15 左右即可對(duì)灰熔點(diǎn)降低起到明顯作用。但助熔劑的加入量過大也會(huì)適得其

30、反，另外灰渣成分不同對(duì)磚的侵蝕速率也會(huì)不同，因此還應(yīng)根據(jù)灰渣的組成和向火面耐火材料的構(gòu)成合理選擇助熔劑。加入助熔劑后氣化溫度的降低將使單位產(chǎn)氣量和冷煤氣效率提高、氧耗明顯降低，但同時(shí)也會(huì)使碳轉(zhuǎn)化率稍有降低、排渣量加大，過量加入石灰石還會(huì)使系統(tǒng)結(jié)垢加劇。在篩選煤種時(shí)，宜選擇灰熔點(diǎn)較低的煤種，這可有效地降低操作溫度，延長(zhǎng)爐磚的使用壽命，同時(shí)可以降低氧耗、煤耗和助熔劑消耗。 發(fā)熱量 發(fā)熱量即熱值，是煤的主要性能指一，其值與煤的可燃組分有關(guān)，熱值越高每千克煤產(chǎn)有效氣量就越大，要產(chǎn)相同數(shù)量的有效氣煤耗量就越低。 元素分析煤中有機(jī)質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫五種元素構(gòu)成，碳是其中的主要元素。煤中的含碳量隨煤

31、化程度增加而增加。年輕的褐煤含碳量低，煙煤次之，無煙煤最高。氫和氧含量隨煤化學(xué)程度加深而減少，褐煤最高，無煙煤最低。氮在煤中的含量變化不大，硫則隨成煤植物的品種和成煤條件的不同而有較大的變化，與煤化程度關(guān)系不大。 氣化用煤希望有效元素碳和氫的含量越高越好，其他元素含量越低越好。 氧含量。一般在10 左右，對(duì)氣化過程沒有副作用。 硫含量。煤中硫組分除少量不可燃硫隨渣排出外，大部分在氣化反應(yīng)中生成硫化氫和微量硫氧化碳，其中硫化氫會(huì)對(duì)設(shè)備和管道產(chǎn)生腐蝕。已有用戶使用過含硫量達(dá)5 的煤種，發(fā)現(xiàn)對(duì)氣化裝置影響不大。煤中含硫量的多少對(duì)后續(xù)的酸性氣體脫除和硫回收裝置影響也較大，因此要求煤中的可燃硫含量要相對(duì)

32、穩(wěn)定，以便選擇正確的脫硫方法。 氮含量。煤中的氮含量決定著煤氣中氨含量和冷凝液的pH 值，冷凝液中氨含量高，pH 值高可減輕腐蝕作用。但生成過多的氨在低溫下會(huì)與二氧化碳反應(yīng)而形成堵塞引起故障，同時(shí)pH 值的升高，極易引起碳酸鈣結(jié)垢，因此應(yīng)正確考慮氮含量的影響，以利于合理選擇設(shè)備材質(zhì)、平衡系統(tǒng)水量。煤中氮含量達(dá)到10 時(shí)生產(chǎn)中已證實(shí)不是大問題。 氯含量。氣化反應(yīng)后氯有一部分隨固體渣排出裝置，另一部分溶滯于工藝循環(huán)水中。當(dāng)氯含量過高時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備和管道造成腐蝕，特別是對(duì)于不銹鋼材質(zhì)，工藝運(yùn)行中應(yīng)予以適當(dāng)控制。一般氣化循環(huán)灰水中氯離子濃度控制在120 106 150 106 之間。 砷含量。我國(guó)對(duì)188

33、 個(gè)煤樣抽查結(jié)果顯示煤中砷含量在0.5 106 176106 之間，雖然含量不高，隨煤種變化差異很大，但砷可以以揮發(fā)態(tài)單質(zhì)轉(zhuǎn)化到粗煤氣中，進(jìn)入催化劑床層后與活性組分Co 、Mo 形成比較穩(wěn)定的化合物，從而使催化劑失去活性，造成不可恢復(fù)的慢性中毒。研究表明當(dāng)變換催化劑中砷含量達(dá)到006 時(shí)，其反應(yīng)活性即開始下降，達(dá)到01 時(shí)基本失去全部反應(yīng)活性。因此煤中的砷含量越低越好。 可磨指數(shù) 一般多用哈氏可磨指數(shù)（Hardgrove Index ，簡(jiǎn)寫HGI） 表達(dá)煤的可磨性，它是指煤樣與美國(guó)一種粉碎性為100 的標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行比較而得到的相對(duì)粉碎性數(shù)值，指數(shù)越高越容易粉碎。煤的可磨指數(shù)決定于煤的巖相組成、礦

34、質(zhì)含量、礦質(zhì)分布及煤的變質(zhì)程度。易于破碎的煤容易制成漿，節(jié)省磨機(jī)功耗，一般要求煤種的哈氏可磨指數(shù)在50 60 以上。 綜上所述，從技術(shù)角度來看，水煤漿加壓氣化技術(shù)可以適用于大多數(shù)褐煤、煙煤及無煙煤的氣化，但從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度來看，在篩選煤種時(shí)可將以下指標(biāo)作為參照進(jìn)行比較：煤種的內(nèi)水以不大于8 為宜、灰分宜小于13 ；灰熔點(diǎn)以小于1300 的煤種為佳，但灰熔點(diǎn)太低對(duì)氣化采用廢鍋流程的不利，易使廢鍋結(jié)焦或積灰；發(fā)熱量參考指標(biāo)為25MJkg ，越高越好；盡可能選擇煤中有害物質(zhì)少、可磨性好、灰渣黏溫特性好的煤種；盡可能選擇服務(wù)年限長(zhǎng)、儲(chǔ)量大、地質(zhì)條件相對(duì)好、煤層厚的礦點(diǎn)，以保證供煤質(zhì)量的穩(wěn)定。水煤漿的特性

35、 流變特性 流體的流變特性是指流體受外力作用發(fā)生流動(dòng)與變形的特性。 煤漿黏度低是輸送的要求，也是煤漿通過噴嘴能充分霧化的需要。水煤漿能夠自由流動(dòng)或泵送的最高黏度約為2 3Pas 左右。 水煤漿在攪拌、泵送與管道輸送過程中受到了不同程度的剪切作用，這些都會(huì)或多或少地改變煤漿的流變特性及其穩(wěn)定性，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加以注意。 粒度分布 煤粉懸浮體系的特性除與原煤本身性質(zhì)有關(guān)外，其粒度組成即分布程度也將直接影響煤漿的物理和工藝特性。純粹的細(xì)粒子并不能制成高濃度的水煤漿，必須將粗細(xì)粒子適當(dāng)搭配，使體系具有足夠?qū)挼牧６确植己瓦m宜的分布結(jié)構(gòu)，造成溶液中不同粒子間的相互鑲嵌才有利于制備高濃度煤漿。 粒度分布狀況影

36、響水煤漿的黏度和穩(wěn)定性，也影響水煤漿的燃燒反應(yīng)。從氣化反應(yīng)考慮，煤粉粒度越細(xì)越好，這有利于獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率。但是， 細(xì)粒所占比率增加時(shí)，獲得同樣濃度的煤漿其制漿工藝要求將更高、粒級(jí)配比要求將更嚴(yán)，制漿成本相應(yīng)加大，這里需要綜合考慮。 目前氣化用水煤漿粒度分布狀況是：通過40（420m ） 的粒子為99 ，通過200目（74m） 的微粒粒子為30 50 ，到底粒度分布范圍多少合適，這要取決于原煤特性及成漿實(shí)驗(yàn)。 煤漿濃度 煤漿濃度高有利于提高氣化強(qiáng)度，并獲得較高的熱值。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考慮，般應(yīng)達(dá)到60 70 ，但濃度又受到黏度的限制，煤漿濃度越大黏度就越易升高，對(duì)泵送和霧化都不利。優(yōu)質(zhì)煤比劣質(zhì)煤黏

37、度增加的快，當(dāng)濃度超過50 時(shí)其黏度猛增。 煤漿濃度下降會(huì)使送入氣化爐的水量提高，蒸發(fā)水分所需消耗的熱量增多，有效氣體成分減少，降低了冷煤氣效率，增加了氧耗，對(duì)氣化運(yùn)行不利。 煤漿的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是表示煤粉在水中的懸浮能力，是指煤漿在儲(chǔ)存與運(yùn)輸期間保持均勻的特性。穩(wěn)定性與煤炭的性質(zhì)、顆粒的粒度分布、添加劑及水煤漿的流變特性等諸多因素有關(guān)。穩(wěn)定性越好越有利于煤漿的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存與遠(yuǎn)距離輸送。 水煤漿氣化反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程，水煤漿和氧氣噴入氣化爐后 瞬間經(jīng)歷煤漿升溫及水分蒸發(fā)、煤熱解揮發(fā)、殘?zhí)細(xì)饣蜌怏w間的化學(xué)反應(yīng)等過程，最終生成以CO、H2 為主要組分的粗煤氣（或稱合成氣、工藝氣）

38、， 灰渣采用液態(tài)排渣。 水煤漿氣化工藝流程介紹 水煤漿氣化工藝過程包括水煤漿制備、水煤漿加壓氣化和灰水處理三部分。水煤漿的制備一般采用濕法棒磨或球磨，氣化流程可選擇激冷式或廢鍋式流程，灰水處理一般采用高壓閃蒸、真空閃蒸、灰水沉淀配細(xì)灰壓濾的流程。水煤漿的制備和灰水處理工藝比較簡(jiǎn)單，下面著重討論德士古水煤漿氣化的兩種典型流程。激冷流程激冷流程 從煤輸送系統(tǒng)送來原料煤， 經(jīng)過稱重后加入磨機(jī)，在磨機(jī)中與定量的水和添加劑混合制成一定濃度的煤漿。煤漿經(jīng)滾筒篩篩去大顆粒后流入磨機(jī)出口槽，然后用低壓煤漿泵送入煤漿槽，再經(jīng)高壓煤漿泵送入氣化噴嘴。通過噴嘴煤漿與空分裝置送來的氧氣一起混合霧化噴入氣化爐，在燃燒室

39、中發(fā)生氣化反應(yīng)。 氣化爐燃燒室排出的高溫氣體和熔渣經(jīng)激冷環(huán)被水激冷后，沿下降管導(dǎo)人激冷室進(jìn)行水浴，熔渣迅速固化，粗煤氣被水飽和。出氣化爐的粗煤氣再經(jīng)文丘里噴射器和炭黑洗滌塔用水進(jìn)一步潤(rùn)濕洗滌，除去殘余的飛灰。根據(jù)需要，將所產(chǎn)粗煤氣經(jīng)變換制氫或做它用。生成的灰渣留在水中，絕大部分迅速沉淀并通過鎖渣罐系統(tǒng)定期排出界外。激冷室和炭黑洗滌塔排出黑水中的細(xì)灰（包括未轉(zhuǎn)換的炭黑） 通過灰水處理系統(tǒng)經(jīng)沉降槽沉降除去，澄清的灰水返回工藝系統(tǒng)循環(huán)使用。為了保證系統(tǒng)水中的離子平衡，抽出小部分水送入生化處理裝置處理排放。廢鍋流程廢鍋流程 廢鍋流程氣化爐燃燒室排出物經(jīng)過緊連其下的輻射廢鍋間接換熱副產(chǎn)高壓蒸汽，高溫粗煤

40、氣被冷卻，熔渣開始凝固；含有少量飛灰的粗煤氣再經(jīng)過對(duì)流廢鍋進(jìn)一步冷卻回收熱量，絕大部分灰渣（約占95 ） 留在輻射廢鍋的底部水浴中。出對(duì)流廢鍋的粗煤氣用水進(jìn)行洗滌，除去殘余的飛灰，然后可送往下游工序進(jìn)一步處理；粗渣、細(xì)灰及灰水的處理方式與激冷流程的方法相同。水煤漿加壓氣化原理 反應(yīng)基本原理反應(yīng)基本原理 煤是一種復(fù)雜的有機(jī)化合物，可用通式C mH nO 來表示它的分子式。水煤漿噴入爐膛后在短短的5 7 秒內(nèi)就完成了煤漿水分的蒸發(fā)、煤的熱解揮發(fā)、燃燒和一系列轉(zhuǎn)化反應(yīng)。爐膛內(nèi)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有（式中Q 為反應(yīng)熱，放熱為正吸熱為負(fù)）： CmHnO+(m-1)/2+n/4O2完全氧化 mCO2+n/2

41、H2O+Q CO2完全氧化 CO2Q H2 1/2O2完全氧化 H2O Q CO 1/2O2完全氧化CO2 Q CmHnO(m-1)/2O2部分氧化 mCOn2H2Q C1/2O2部分氧化 CO Q C mHnO(煤) 煤熱解 低鏈烴類（氣態(tài)）+焦炭 CmHnO (m-1)H2O 煤轉(zhuǎn)化 mCO (m 1 n2)H2 Q CmHnO (2 m 1)H2O 煤轉(zhuǎn)化mCO2 (2m-1n2)H2 Q C mH nO (m 1)CO2煤轉(zhuǎn)化 (2 m 1) COn2H2 Q CH42H2O甲烷轉(zhuǎn)化CO24H2 Q CH4H2O甲烷轉(zhuǎn)化CO 3H2 Q CH4CO2甲烷轉(zhuǎn)化2CO2H2 Q CH2O碳

42、氣化 CO H2 Q CCO2碳?xì)饣?2CO Q COH2O變換反應(yīng)CO2H2Q 3H2N2氨生成反應(yīng)2NH3 Q H2S硫化氫生成H 2S Q H2SCOCOS生成H2 COS CO H2O甲酸生成HCOOH 上述反應(yīng)最終生成了以CO 、H2 、CO2 、H2O為主要成分，以CH4 、H2S 、N2 為次要成分，以 COS 、NH3 、HCOOH 、HCN 為微量成分的產(chǎn)品氣。對(duì)水煤漿在氣化爐中反應(yīng)的幾種認(rèn)知 燃燒反應(yīng)在先 氣化反應(yīng)過程分為兩步完成： 第一步主要進(jìn)行的是碳及其化合物被完全氧化的放熱反應(yīng)。 第二步進(jìn)行的是上述反應(yīng)產(chǎn)物、水蒸氣與煤的熱解產(chǎn)物、碳發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng) ，認(rèn)為出氣化爐的氣體

43、組成主要由變換反應(yīng)決定，并同反應(yīng)甲烷化反應(yīng)和硫化氫還原反應(yīng)一起達(dá)到反應(yīng)平衡。 該模型簡(jiǎn)單實(shí)用，給計(jì)算帶來了許多方便，但卻無法圓滿解釋生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象，例如渣口堵塞有效氣含量反而上升等現(xiàn)象。 二、部分氧化反應(yīng)在先 水煤漿部分氧化反應(yīng)生成的干氣中CO、CO2 和H2三組分總量占96 98 左右，基于這種狀況該模型將氣化反應(yīng)過程簡(jiǎn)化為三個(gè)主要反應(yīng)，即CO的氧化反應(yīng)、C的部分氧化反應(yīng)和變換反應(yīng)。認(rèn)為煤中的碳首先與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)全部生成CO ；CO2 產(chǎn)物則是由過量的氧與CO 發(fā)生進(jìn)一步的氧化反應(yīng)以及由CO和H2O 發(fā)生變換反應(yīng)形成的；H2O 量的增減則完全取決于變換反應(yīng)；H2 量則為水蒸氣的

44、增減量加上煤中帶入的氫量再扣除掉轉(zhuǎn)化為硫化氫時(shí)消耗掉的氫量，并認(rèn)為變換反應(yīng)在出口處達(dá)到了平衡。 根據(jù)以上假設(shè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物料和熱量平衡，列出過程模型進(jìn)行計(jì)算。同第一個(gè)模型一樣，這種簡(jiǎn)化給計(jì)算帶來方便，但同時(shí)又掩蓋了氣化過程中發(fā)生的許多現(xiàn)象。 三、區(qū)域反應(yīng)模型 華東理工大學(xué)對(duì)德士古氣化過程進(jìn)行了大量的冷模試驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)氣化裝置運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了氣化反應(yīng)區(qū)域模型。根據(jù)對(duì)流動(dòng)冷模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為氣化爐燃燒室內(nèi)存在三個(gè)流動(dòng)特征各異的區(qū)域，即射流區(qū)、回流區(qū)與管流區(qū)（見下圖）。射流區(qū)、回流區(qū)的存在使得氣化爐內(nèi)各物質(zhì)的停留時(shí)間出現(xiàn)差異，一般在02 30s 之間，分布較寬，而爐膛的平均停留時(shí)間為5 7

45、s 。 水煤漿在這些不同的區(qū)域中分別完成極為復(fù)雜的物理過程和化學(xué)過程?；瘜W(xué)反應(yīng)按照特征可分為燃燒反應(yīng)，又稱一次反應(yīng)，主要反應(yīng)產(chǎn)物為CO2和H2O ；以及二次反應(yīng)，又稱轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要反應(yīng)產(chǎn)物為CO和H2 。 蒸發(fā)干燥等物理過程和燃燒反應(yīng)基本上在射流區(qū)中進(jìn)行主要是煤、C、H2的完全氧化反應(yīng)。 二次反應(yīng)主要發(fā)生在回流區(qū)與管流區(qū)，其中CO、H2 大都來自回流流股，主要是煤的熱解、煤的轉(zhuǎn)化反應(yīng)、甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)、變換反應(yīng)。 二次反應(yīng)也會(huì)在射流區(qū)內(nèi)發(fā)生；同樣，在回流區(qū)由于湍流的隨機(jī)性也會(huì)有H2、CO的燃燒反應(yīng)發(fā)生，可見圖中流體流動(dòng)區(qū)域與氣化反應(yīng)區(qū)域并不完全重合。爐膛內(nèi)流動(dòng)區(qū)域的存在以及各區(qū)內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)各不相同

46、，導(dǎo)致爐膛內(nèi)存在著一定的溫度分布，火焰區(qū)溫度最高，管流區(qū)次之，回流區(qū)最低。水煤漿氣化技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 可用于氣化的原料范圍比較寬。幾乎從褐煤到無煙煤的大部分煤種都可采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行氣化，還可氣化石油焦、煤液化殘?jiān)虢?、瀝青等原料，1987 年以后又開發(fā)了氣化可燃垃圾、可燃廢料（如廢輪胎） 的技術(shù)。 工藝技術(shù)成熟，流程簡(jiǎn)單，過程控制安全可靠，設(shè)備布置緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)率高。氣化爐內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，爐內(nèi)沒有機(jī)械傳動(dòng)裝置，操作性能好，可靠程度高。 操作彈性大，氣化過程碳轉(zhuǎn)化率比較高。碳轉(zhuǎn)化率一般可達(dá)95 99 ，負(fù)荷調(diào)整范圍為50105 。 粗煤氣質(zhì)量好，用途廣。由于采用高純氧氣進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，粗煤氣中有效

47、成分（COH2）可達(dá)80 左右，除含少量甲烷外不含其他烴類、酚類和焦油等物質(zhì)，粗煤氣后續(xù)過程無須特殊處理而可采用傳統(tǒng)氣體凈化技術(shù)。產(chǎn)生的粗煤氣可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、羰基化學(xué)品、醋酸、醋酐及其他相關(guān)化學(xué)品，還可用于供應(yīng)城市煤氣，也可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC） 裝置。 可供選擇的氣化壓力范圍寬。氣化壓力可根據(jù)工藝需要進(jìn)行選擇，目前商業(yè)化裝置的操作壓力等級(jí)在2.6 6.5 MPa 之間，中試裝置的操作壓力最高已達(dá)8.5 M Pa ，這為滿足多種下游工藝氣體壓力的需求提供了基礎(chǔ)。6.5Mpa高壓氣化為等壓合成其他碳一類化工產(chǎn)品如甲醇、醋酸等提供了條件，既節(jié)省了中間壓縮工序，也降低了能耗。 單臺(tái)氣化

48、爐的投煤量選擇范圍大。根據(jù)氣化壓力等級(jí)及爐徑的不同，單爐投煤量一般在400 1000td （干煤） 左右，但在美國(guó)Tampa 氣化裝置最大氣化能力達(dá)2200td（干煤）。 氣化過程污染少，環(huán)保性能好。高溫高壓氣化產(chǎn)生的廢水所含有害物極少，少量廢水經(jīng)簡(jiǎn)單生化處理后可直接排放；排出的粗、細(xì)渣既可做水泥摻料或建筑材料的原料也可深埋于地下，對(duì)環(huán)境沒有其他污染。干法氣流床加壓氣化技術(shù) 氣流床氣化是煤炭氣化的一種重要形式。原料煤是以粉狀入爐，粉煤和氣化劑經(jīng)由燒嘴或燃燒器一起夾帶、并流送入氣化爐，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行充分的混合、燃燒和氣化反應(yīng)。由于在氣化爐內(nèi)氣固相對(duì)速度很低，氣體夾帶固體幾乎是以相同的速度向相同的

49、方向運(yùn)動(dòng)，因此稱為氣流床氣化或夾帶床氣化。粉煤氣化的特點(diǎn) 粉煤進(jìn)料 煤的氣化反應(yīng)是非均相反應(yīng)，又是劇烈的熱交換反應(yīng)，影響煤氣化反應(yīng)的主要因素除氣化溫度外，氣固間的熱量傳遞、固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)速率及氣化劑向固體內(nèi)部的擴(kuò)散速率是控制氣化反應(yīng)的主要因素。氣流床氣化是氣固并流，氣體與固體在爐內(nèi)的停留時(shí)間幾乎相同，都比較短，一般在1 10s 。煤粉氣化的目的是想通過增大煤的比表面積來提高氣化反應(yīng)速度，從而提高氣化爐的生產(chǎn)能力和碳的轉(zhuǎn)化率。 在流化床氣化過程中，氣體和固體的流動(dòng)是并流和逆流共存，要保證氣化爐的正常操作，對(duì)入爐原料中粉煤的含量也要求控制在一定的比例。而氣流床氣化入爐原料的粒度越細(xì)對(duì)氣化反應(yīng)越有

50、利。煤的顆粒直徑從10cm 降到0.01 m m（10m），煤的比表面積約擴(kuò)大104 倍，這樣可以有效地提高氣化反應(yīng)速率，從而提高氣化爐的生產(chǎn)能力和碳的轉(zhuǎn)化率。因此，粉煤氣化通過降低入爐原料粒度來提高固體原料的比表面對(duì)氣化反應(yīng)就更有其特殊意義。隨著采煤技術(shù)自動(dòng)化程度的提高，商品煤中粉煤含量越來越多，因此采用粉煤氣化就顯得日趨重要。 高溫氣化 氣流床煤氣化反應(yīng)溫度比較高，氣化爐內(nèi)火焰中心溫度一般可高達(dá)2000 以上，出氣化爐氣固夾帶流的溫度也高達(dá)1400 1700，參加反應(yīng)的各種物質(zhì)的高溫化學(xué)活性充分顯示出來，因而碳轉(zhuǎn)化率特別高。高溫下煤中的揮發(fā)分如焦油、氮、硫化物、氰化物也可得到充分的轉(zhuǎn)化。其

51、他組分也通過徹底的“內(nèi)部燃燒” 得到鈍化。因此，得到的產(chǎn)品煤氣比較純凈，煤氣洗滌污水比較容易處理。對(duì)非燃料用氣如合成氨或甲醇的原料氣來說，甲烷是不受歡迎的，隨著氣化溫度的升高其所產(chǎn)生的氣體中甲烷含量顯著降低，因此氣流床煤氣化特別適合于生產(chǎn)高CO H 2 含量的合成氣。高溫氣化生產(chǎn)合成氣的顯熱可通過廢熱鍋爐回收，生產(chǎn)蒸汽。在某些情況下，所生產(chǎn)的蒸汽除自身生產(chǎn)應(yīng)用外，還可以和其他的化工企業(yè)或發(fā)電企業(yè)聯(lián)合一起利用。 液態(tài)排渣 在氣流床氣化過程中，夾帶大量灰分的氣流，通過熔融灰分顆粒間的相互碰撞，逐漸結(jié)團(tuán)、長(zhǎng)大，從氣流中得到分離或黏結(jié)在氣化爐壁上，并沿爐壁向下流動(dòng)，以熔融狀態(tài)排出氣化爐。經(jīng)過高溫的爐渣

52、，大多為惰性物質(zhì)，無毒、無害。由于是液態(tài)排渣，要保證氣化爐的穩(wěn)定操作，氣化爐的操作溫度一般在灰的流動(dòng)溫度（FT）以上，原料煤的灰熔點(diǎn)越高，要求氣化操作溫度也就越高，這樣勢(shì)必會(huì)造成氣化氧氣的消耗量增加，影響氣化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，因此，使用低灰熔點(diǎn)煤是有利的。對(duì)于高灰熔點(diǎn)煤，可以通過添加助熔劑，降低灰熔點(diǎn)和灰的黏度，從而提高氣化的可操作性。幾種氣化爐的結(jié)構(gòu) 航天爐GSP 粉 煤 氣 化 爐Shell 粉 煤 氣 化 爐 科 林 爐粉煤氣化對(duì)煤質(zhì)的要求 通過與各設(shè)計(jì)院交流及實(shí)際考察航天爐在臨泉的應(yīng)用，粉煤氣化并不是所有的煤都能夠氣化，煤的組成、灰的組成、灰分的粘溫特性決定煤能否適用于粉煤氣化。水分 煤中

53、水分為內(nèi)水與外水，外在水分是在采煤過程中加入的水或空氣狀態(tài)下煤吸收空氣中的水分，內(nèi)水是水以絡(luò)合態(tài)存在于煤中。外在水通過干燥可以去除，內(nèi)水則只能在高溫氣化過程中通過水的熱解將水轉(zhuǎn)變?yōu)镠2。 內(nèi)水含量的高低直接影響粉煤的輸送。目前為止無論Shell、GSP、航天爐的氣化用煤，其內(nèi)水含量均未超過8%。 選用粉煤氣化考慮煤粉輸送以水分保證粉煤在輸送過程中不結(jié)團(tuán)，保證粉煤能夠連續(xù)輸送。高于8%內(nèi)水的煤的輸送要通過煤輸送實(shí)驗(yàn)確定。灰分灰分 灰分是煤中的惰性物質(zhì)，其含量的高低對(duì)氣化反應(yīng)影響不大，但對(duì)輸煤，氣化爐及灰處理系統(tǒng)影響較大?；曳衷礁?，氣化煤耗、氧耗越高，氣化爐及灰渣處理系統(tǒng)負(fù)擔(dān)也就越重，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響

54、氣化爐的正常運(yùn)行。由于粉煤氣化爐是采用冷壁結(jié)構(gòu)，以渣抗渣，如果灰分含量太低，氣化爐的熱損大，且不利于爐壁的抗渣保護(hù)，影響氣化爐的使用壽命。煤粉粒度、揮發(fā)分及反應(yīng)活性煤粉粒度、揮發(fā)分及反應(yīng)活性 揮發(fā)分是煤加熱后揮發(fā)出的有機(jī)質(zhì)（如焦油） 及其分解產(chǎn)物。它是反映煤的變質(zhì)程度的重要標(biāo)志，能夠大致地代表煤的變質(zhì)程度。一般而言， 揮發(fā)分越高，煤化程度越淺，煤質(zhì)越年輕，反應(yīng)活性越好，對(duì)氣化反應(yīng)越有利。由于粉煤氣化爐采用的是高溫氣化，氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間比較短，這時(shí)氣固之間的擴(kuò)散反應(yīng)是控制碳的轉(zhuǎn)化的重要因素，因此對(duì)煤粉粒度要求比較細(xì)，而對(duì)揮發(fā)分及反應(yīng)活性的要求不像固定床那樣嚴(yán)格。由于煤粉粒度的粗細(xì)直接影響了制

55、粉的電耗和成本，因此在保證碳的轉(zhuǎn)化前提下，對(duì)揮發(fā)分含量高、反應(yīng)活性好的煤可適當(dāng)放寬煤粉粒度，對(duì)于低揮發(fā)分、反應(yīng)活性差的煤（如：無煙煤） 煤粉粒度應(yīng)越細(xì)越好?？偭蚩偭?煤中硫的存在，在氣化環(huán)境中形成H2S 和COS 。硫含量過高，會(huì)給后系統(tǒng)煤氣的凈化及脫硫帶來負(fù)擔(dān)，并直接影響煤氣凈化系統(tǒng)的投資及運(yùn)行成本。對(duì)煤中硫含量的選擇，應(yīng)結(jié)合凈化裝置的設(shè)計(jì)及投資綜合考慮?；胰埸c(diǎn)及灰組成灰熔點(diǎn)及灰組成 粉煤氣化屬熔渣、氣流床氣化，為保證氣化爐能順利排渣，氣化操作溫度要高于灰熔點(diǎn)FT （流動(dòng)溫度） 約100 150 。如灰熔點(diǎn)過高，勢(shì)必要求提高氣化操作溫度，從而影響氣化爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此FT 溫度低對(duì)氣化排渣

56、有利。對(duì)高灰熔點(diǎn)煤，一般可以通過添加助熔劑來改變煤灰的熔融特性，以保證氣化爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 煤灰主要是由SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 、CaO 、MgO 、TiO2 及Na2O 、K2O 等組成。一般而言，煤灰中酸性組分SiO2 、Al2O3 、TiO2 和堿性組分Fe2O3 、CaO 、MgO 、Na2O 等的比值越大，灰熔點(diǎn)越高。煤灰組成一般對(duì)氣化反應(yīng)無多大影響，但其中某些組分含量過高會(huì)影響煤灰的熔融特性，造成氣化爐渣口排渣不暢或渣口堵塞（主要是Fe2O3 和CaO ）。對(duì)助熔劑及加入量的選擇，應(yīng)結(jié)合煤灰組成，通過添加某些組分（一般選用堿性組分），調(diào)整煤灰的相對(duì)組成，以改善灰的熔融特

57、性。添加助熔劑將或多或少地增加運(yùn)行成本和建設(shè)投資。這些費(fèi)用的增加可以通過降低氣化操作溫度，節(jié)約氧耗和煤耗來補(bǔ)償。 綜合來看，粉煤氣化適應(yīng)相對(duì)低的灰熔點(diǎn)（13001400）；灰分10%，以保證灰渣的形成與流動(dòng)有一個(gè)平衡，能夠保證氣化爐內(nèi)壁的灰渣層均勻，減少熱損失，主要的是能真正做到“以渣抗渣”和灰渣的粘溫特性能夠保證氣化操作的穩(wěn)定 。如果灰分含量低，可通過添加適當(dāng)?shù)幕一蛲ㄟ^配煤方式來改變灰含量，但同時(shí)要兼顧氣化溫度、灰渣的形成與流動(dòng)平衡來保證氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。粉煤氣化工藝流程的描述Shell粉煤氣化工藝流程 來自制粉系統(tǒng)的干燥粉煤由氮?dú)饣蚨趸細(xì)饨?jīng)濃相輸送至爐前煤粉儲(chǔ)倉(cāng)及煤鎖斗，再經(jīng)由加壓氮?dú)?/p>

58、或二氧化碳?xì)饧訅簩⒓?xì)煤粒由煤鎖斗送入周向相對(duì)布置的氣化燒嘴。氣化需要的氧氣和水蒸氣也送入燒嘴。通過控制加煤量，調(diào)節(jié)氧量和蒸汽量，使氣化爐在1400 1700 范圍內(nèi)運(yùn)行。氣化爐操作壓力為2 4 MPa 。在氣化爐內(nèi)煤中的灰分以熔渣形式排出。絕大部分熔渣從爐底離開氣化爐，用水激冷，再經(jīng)破渣機(jī)進(jìn)入渣鎖系統(tǒng)，最終泄壓排出系統(tǒng)。熔渣為一種惰性玻璃狀物質(zhì)。 出氣化爐的粗煤氣挾帶著飛散的熔渣粒子被循環(huán)冷卻煤氣激冷，使熔渣固化而不致粘在合成氣冷卻器壁上，然后再?gòu)拿簹庵忻摮?。合成氣冷卻器采用水管式廢熱鍋爐，用來產(chǎn)生中壓飽和蒸汽或過熱蒸汽。粗煤氣經(jīng)省煤器進(jìn)一步回收熱量后進(jìn)入陶瓷過濾器除去細(xì)灰（20mgm3）。部分煤氣加壓循環(huán)用于出爐煤