煤的氣化定義和綜合利用

1、煤的氣化定義和綜合利用定義： 煤的氣化是指氣化原料（煤或焦炭）與氣化劑（空氣、水蒸汽、氧氣等）接觸，在一定溫度壓力下，發(fā)生一系列復雜的熱化學反應，使原料最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)可燃物（煤氣）的工藝過程。煤氣的有效成分主要是H2、CO、和CH4等。煤氣化是煤與氣化劑作用生成氣體混合物的反應過程。目的是將煤轉(zhuǎn)化成可燃氣體。煤氣化過程包含煤的熱解、半焦的氣化等過程。煤氣的主要組成為CO,CO2,H2,CH4,H2O.一、煤炭氣化的意義1.煤氣是潔凈的燃料： 發(fā)電、工業(yè)鍋爐、窯爐、城市民用。2.煤氣是化學合成工業(yè)的原料： 合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸酐。二、煤的氣化方法與煤氣的種類 （一）煤的氣化方法1.按

2、原料在氣化爐中的運動狀態(tài)可分為：移動床（固定床）氣化、流化床（沸騰床）氣化、氣流床（懸浮床）氣化、熔融床氣化等；2.按氣化過程的操作方式可分為：連續(xù)式氣化、間歇式氣化、循環(huán)式氣化等；3.按壓力大小不同可分為：常壓氣化、加壓氣化（中壓0.73 .5MPa，高壓）。 1、氣化爐：進行煤炭氣化的設備叫氣化爐。 2、氣化爐分類按照燃料在氣化爐內(nèi)的運動狀況 移動床(又叫固定床) 沸騰床(又叫流化床) 氣流床熔融床 生產(chǎn)操作壓力常壓氣化爐 加壓氣化爐 排渣方式 固態(tài)排渣氣化爐 液態(tài)排渣氣化爐 1.空氣煤氣2.混合煤氣3.水煤氣4.半水煤氣 空氣煤氣 混合煤氣 水煤氣 半水煤氣 以空氣作為氣化劑生產(chǎn)的煤氣

3、以空氣(富氧空氣或純氧)和水蒸氣的混合物作為氣化劑，生產(chǎn)的煤氣 將空氣(富氧空氣或純氧)和水蒸氣分別交替送入氣化爐內(nèi)間歇進行生產(chǎn)的煤氣氣體成分經(jīng)過適當調(diào)整(主要是調(diào)整含氮氣的量)后，生產(chǎn)的符合合成氨原料氣的要求的煤氣 4、煤氣的種類(二)煤氣的種類根據(jù)煤氣組成不同可分為：發(fā)生爐煤氣和水煤氣、合成氣和還原氣、城市煤氣和焦爐煤氣、富氣和合成天然氣。(1) 水煤氣和發(fā)生爐煤氣交替吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱水煤氣。同時吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱發(fā)生爐煤氣。典型組成%： CO2 H2 CO N2 CH4 高熱值 MJ/m3水煤氣 發(fā)生爐煤氣 5.5 10.5 29.0 55.0 0

4、(2)合成氣與還原氣合成氣是根據(jù)不同用途控制煤氣化過程產(chǎn)生的，主要用作不同化工產(chǎn)品的加工。如合成氨的合成氣對H2N2要求很高，合成甲醇用氣CO含量較高等等。還原氣是指煉鐵過程中產(chǎn)生的可燃性氣體，要求其中水蒸氣和二氧化碳含量較少，較多時應將其除去。(3)城市煤氣城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提高熱值和減少城市空氣污染。三、煤氣化的化學反應1.燃燒反應 CO2CO22.發(fā)生爐煤氣反應 CCO22CO3.碳水蒸汽反應 CH2OCOH24.變換反應 COH2OCO2H25.碳加氫反應 C+2H2CH46.熱解或脫揮發(fā)分反應 CmHnn/4CH4+（mn）/4 C 或CmHn（4mn）/2H

5、2mCH43 氣化過程熱平衡由進出物料的相互轉(zhuǎn)化可建立物料平衡，通過物料平衡以及進出物料溫度即可進行熱平衡計算。煤氣化爐原理和分類煤氣化方法有多種，氣化爐也有多種?？煞譃楣潭ù?、沸騰床、氣流床三種形式。幾種氣化法和氣化爐簡圖如圖塊狀原料煤一般用固定床氣化爐。在上部加料，隨氣化過程進行料層慢慢下降，同時氣化劑由下向上逆流通過。優(yōu)點：操作費用低、爐總效率高。缺點：熱煤氣流經(jīng)煤層時容易將煤加熱使其干燥，產(chǎn)生焦油和酚混在煤氣中，使凈化困難；對于有粘性的煤，還需設置破粘裝置；需設置轉(zhuǎn)動爐箅；操作周期短、維修費用大。1. 固定床氣化爐固定床氣化法1. 常壓氣化用空氣和水蒸氣作氣化劑，生產(chǎn)低熱值的發(fā)生爐煤氣

6、作工業(yè)用煤氣。用塊狀煤，固態(tài)排渣。氣化爐常為圓形，下有轉(zhuǎn)動爐箅，燃料從上部加入，氣化劑由下向上逆流導出。爐內(nèi)從上到下分為煤干燥、干餾、氣化、燃燒層。2. 魯奇加壓氣化加壓氣化與常壓氣化的不同只是操作壓力不同，煤的適應范圍不同，操作過程和爐結(jié)構(gòu)都大同小異。加壓氣化優(yōu)點：能耗低、煤氣熱值高。過程：粒度530mm的煤間歇加入爐內(nèi)，但爐內(nèi)布料器上存煤多，煤進入爐膛燃燒區(qū)是連續(xù)的。爐內(nèi)設有破粘裝置。煤氣化壓力約3MPa,水蒸氣和氧氣由轉(zhuǎn)動爐箅進入氣化爐，生成的煤氣由上部引出，灰渣經(jīng)下部灰箱排出。煤粒在爐內(nèi)從上到下移動經(jīng)過干燥層、熱解層、氣化層、燃燒層。魯奇加壓氣化爐及魯奇加壓氣化流程如下圖：圖 圖 加壓

7、氣化主要操作過程氣化除塵除焦油變換洗滌變換目的：發(fā)生變換反應調(diào)節(jié)CO/H2、提高H2的比例、提高煤氣熱值。洗滌目的：除去H2S等有害氣體或惰性組分。脫酚：回收酚。 不同煤種的煤氣化產(chǎn)率煙煤：加壓對煤氣產(chǎn)率不利。原因：高壓時產(chǎn)生CH4多，CO、H2少。 泥炭和褐煤：低溫時加壓產(chǎn)率低，高溫時加壓產(chǎn)率高。原因：低級煤含C量少，加壓可使氣化更完全。圖 圖 煤反應能力一個典型煤反應速率常數(shù)與溫度關(guān)系如9.8.通常情況下隨溫度升高反應速率是上升的。但是在600700C 之間有異常。其加熱反應速率大約為恒溫600C的3倍，為700C的2倍。原因是反應溫度較高時熱解反應劇烈有中間產(chǎn)物和其它副反應發(fā)生，關(guān)系復雜

8、。圖 魯奇加壓氣化法特點優(yōu)點：物料逆流操作、氫耗低、C含量恒定，動力學條件好，氣體作合成氣時壓縮費用低。缺點：煤的粒度要求嚴格，粒度小的煤可使生產(chǎn)能力下降；需要處理產(chǎn)生的低溫干餾氣體；水蒸氣轉(zhuǎn)化率低，只有3040%.水蒸氣轉(zhuǎn)化率可采取液態(tài)排渣措施來提高。用出爐粗煤氣(含有水蒸氣)與熱粗煤氣發(fā)生變換反應，可以減少水蒸氣的消耗。魯奇加壓氣化法的消耗指標見表9.4.3. 液態(tài)排渣加壓氣化法爐的上部與魯奇法一樣，下部不同。結(jié)構(gòu)圖如圖9.9.特點：蒸汽用量少、氣化溫度高灰渣為液態(tài)。熔渣連續(xù)從下部排出后進入急冷室，冷成固體從灰箱排出。因此產(chǎn)生的廢水少、COH2可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，煤氣適宜作合成氣。物料平衡

9、、熱量平衡數(shù)據(jù)如圖9.10.4. 魯爾100加壓氣化爐特點：操作壓力更高10MPa.甲烷含量顯著增加，氫含量減少。耗氧量、氣化效率與壓力的關(guān)系如圖9.11.2. 沸騰床氣化爐細煤粉宜用沸騰床氣化。優(yōu)點：連續(xù)生產(chǎn)、溫度分布均勻、溫度調(diào)節(jié)快、爐子構(gòu)造簡單、投資少。缺點：有返混現(xiàn)象、反應溫度受原料灰熔點限制、不適宜于粘結(jié)性煤和好煤。9.2.5 沸騰床氣化法沸騰床氣化法也稱溫克勒(Winkler)氣化法，分為Winkler、HTW法兩種。氣化爐如圖9.12.優(yōu)點：煤氣生產(chǎn)能力彈性大、氧氣耗量低、開停操作簡單、運行可靠、原料煤處理費用低、粉煤可全部利用，即使灰分為40%的煤也能運行。缺點：比高壓法成本高

10、，不適宜粘結(jié)性煤，氣化溫度必須低于灰熔點，灰中含C量高。高溫法壓力提高到1MPa，溫度提高到1000C，夾帶粉粒再循環(huán)，可用軟褐煤生產(chǎn)合成氣。圖 (3)氣流床氣化爐很細的粉塵煤用氣流床氣化。通常煤與氣化劑并流進入氣化爐。優(yōu)點：用粉煤比用塊煤價格低、不受煤種限制、無焦油酚等副產(chǎn)物、廢水少、可以用加壓氣化法提高生產(chǎn)能力。高壓氣化缺點：對灰熔點高的原料煤排渣困難、氣化效率較低。因為必須采用很高溫度才能氣化。9.2.6 氣流床氣化法1. 考伯斯托茨克氣化法Koppers-Totzek法是用氧氣和水蒸氣作氣化劑的常壓氣化法，用細粉煤與氣化劑并流的氣流床產(chǎn)生煤氣的方法。粉煤粒度小于對于不同原料煤可以允許一

11、定數(shù)量的大粒煤。煤的灰分應小于 40%，褐煤水分應小于68%，煙煤水分小于12%。煤干燥和粉碎煤在同一工序進行。煤干燥用燃燒煤的熱煙氣，煙氣把煤粉輸送到煤槽，再用旋風分離器將煙氣和煤粉分離。煙氣除塵最后用電除塵器控制標準。氣化爐和流程如下圖 特點：從給料機吹氧氣和水蒸氣將煤送入反應器，氧氣、泄氣與原料煤粉比例由溫度確定，大部分灰分以液態(tài)排出。氣化溫度約15001600C，C的轉(zhuǎn)化率高。KT法主要用于生產(chǎn)合成氣。有機物全部轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的物質(zhì)如CO2、CO、H2、H2O等。氣化爐中部氧化熱量用于產(chǎn)生10MPa的高壓蒸汽。氣化爐本身也可用水間接冷卻產(chǎn)生低壓水蒸氣。但煤氣需經(jīng)二次水洗后再分離，經(jīng)電除塵后

12、才到后續(xù)工序繼續(xù)加工。 （3）主要優(yōu)缺點：K一T氣化法的技術(shù)成熟，有多年這行經(jīng)驗；氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，單爐生產(chǎn)能力大；煤種適應性廣，更換燒嘴還可氣化液體燃料和氣體燃料，蒸汽用量低；煤氣中不含焦油和煙塵，甲烷含量很少（約），有效成份（CO+H2）可達8590%：不產(chǎn)生含酚廢水，大大簡化了煤氣凈化工藝，生產(chǎn)靈活性大，開，停車容易，負荷調(diào)節(jié)方便，碳轉(zhuǎn)化率高于流化床。 主要缺點：是為制煤粉需娶龐大的制粉設備，耗電量高；氣化過程中耗氧最較大，需設空分裝置，又需消耗大量電力；為將煤氣中含塵量降至以下。需有高效除塵設備。在制煤粉過程中，為防止粉塵污染環(huán)境，也需設置高效除塵裝置，故操作能耗大，建廠投資高

13、為進一步提高氣化強度和生產(chǎn)能力，在K-T爐的基礎上，后發(fā)展了謝爾-考伯斯（Shell-Koppers）爐，即由原來的常壓操作改進為加壓下氣化，使生產(chǎn)能力大為提高。2. 德士古氣化法德士古氣化法是一種粉煤加壓液態(tài)排渣方法。要求原料煤粒度小于制成水煤漿，煤濃度70%。用泵將煤漿加入氣化爐，在1400C和下與氧氣反應，生成熔融灰渣排出。用廢熱鍋爐回收熱量產(chǎn)生蒸汽，粗煤氣冷卻到200C后冷卻并洗滌。流程如圖9.15.圖 廢熱鍋爐(waste heat boiler ); 又稱余熱鍋爐，利用生產(chǎn)過程中的高溫物流作為熱源來生產(chǎn)蒸汽的換熱器，它既是工藝流程中高溫物流的冷卻器,又是利用余熱提供蒸汽的動力裝置。

14、 如在乙烯裝置中，將從管式爐出來的裂解氣(溫度高達800900)直接送入急冷廢熱鍋爐，在內(nèi)溫度降到350600，這樣既可以防止因過度裂解而降低乙烯收率，又可生產(chǎn)10MPa以上的高壓蒸汽,對提高整個工廠的熱效率和經(jīng)濟效益起著重要作用。目前，在硝酸、硫酸、合成氨及石油煉制工業(yè)等許多生產(chǎn)過程中都普遍使用廢熱鍋爐，使生產(chǎn)過程所需的動力和熱能得以全部或部分自給。 2. 原料煤的組成和性質(zhì)對氣化的影響水分：水分較高時只適宜用固定床加壓氣化法，因為這種方法床內(nèi)溫度高。灰分和灰熔點：灰分越低越好，固態(tài)排渣爐要求灰熔點高，氣化溫度不能超過灰熔點；而液態(tài)排渣則需要灰熔點低，氣化溫度必須超過灰熔點。揮發(fā)組分：容易揮

15、發(fā)組分首先反應或者混入產(chǎn)生的煤氣中，影響煤氣化過程和氣化結(jié)果?？偟膩碚f，揮發(fā)組分多，固定C就低，煤的熱值低。粘結(jié)性：粘結(jié)性煤在加熱到350450C時就形成膠質(zhì)體，發(fā)生軟化、熔融，有液相產(chǎn)物與煤粘在一起，析出揮發(fā)物固化后形成塊狀焦炭。這種煤氣化時需要破粘措施。由于有粘結(jié)性，所以用它作焦化原料特別好，一般不用于氣化。粒度:煤的粒度可分為小于6mm的粉煤、小塊和中塊，機械化采煤粉煤含量高。褐煤易風化裂碎,粉煤量較大。氣流床用細粉煤；流化床氣化可用粒度小于6mm的煤；固定床用塊煤。 （一）移動床氣化法對煤質(zhì)的要求1移動床常壓氣化法對煤質(zhì)的要求（1）水分 Mt6%。（2）揮發(fā)分 Vdaf 10%.（3）

16、灰分 Ad 24%.（4）煤灰熔融性 ST1250。（5）固定碳 w (FC)daf65%。（6）粒度。粒度13100（7）抗碎強度抗碎強度（25） 65%。（8）熱穩(wěn)定性。TS+670 70%。（9）反應性。無煙煤的化學反應性較差，但通過提高反 應溫度可增 加反應性。（10）硫分。St,d 1.5%。四、氣化用煤對煤質(zhì)的要求2.移動床加壓氣化對煤質(zhì)的要求 移動床加壓氣化典型的氣化爐是德國魯奇公司發(fā)明的魯奇爐，它采用蒸氣一氧（高氧空氣）作氣化劑，氣化壓力為23MPa，在壓力高而溫度不很高的條件下，可促進甲烷的生成反應；同時由于加壓氣化使反應物濃度增高，反應速度加快。 由于氣化溫度低，魯奇爐加壓

17、氣化法可采用灰熔性低的煤氣化、對煤的抗碎強度和熱穩(wěn)定性要求較低，可氣化褐煤，其粒度下限達5，能采用高水分（Mt=20%30%）和高灰分（Ad=30%）的劣質(zhì)煤，對黏結(jié)性稍強的煙煤也能氣化。（二）沸騰床氣化法及其煤質(zhì)的要求 沸騰床氣化又稱流化床氣化。 1.對原料煤的要求是活性愈大愈好，所以 用褐煤最好，要求Mar12%,Ad1250,硫分St,d2%。（三）氣流床氣化法及其對煤質(zhì)的要求 氣流床氣化過程是氣體介質(zhì)夾帶煤粉并使其處于懸浮狀態(tài)的氣化過程。又稱為懸浮床氣化。懸浮床氣化爐是一種粉煤氣化爐，氣化溫度高達14001500,常壓下連續(xù)運轉(zhuǎn)高速氣化，對煤種要求不嚴，可以使用各種煤，包括黏結(jié)、膨脹、

18、易碎、高灰、高硫、低灰熔融性的各種褐煤、煙煤、載煙煤。對料度要求較嚴格，要求煤粉愈細愈好。小于200目的粉煤占85%（褐煤可降到80%）。水分一般在1%5%。（四）熔融床氣化法及其對煤質(zhì)的要求 熔融床氣化是一種入爐煤與高溫的熔浴相接觸而氣化。 按熔浴情況分為熔渣床、熔鹽床和熔鐵床三種。 采用的液體熱載體有熔融煤灰渣、熔融Na2CO3和熔融鐵水。 由于熔融的高溫鐵水對煤粉具有良好的熔解能力，煤中硫和鐵水具有強烈的親和性，在氣化用煤方面，也可選用高硫煤，對煤種有較寬的適用范圍。兩個關(guān)鍵：1、煤的氣化反應性差異褐煤、煙煤、無煙煤；或不同煙煤的差異2、不同氣化爐的運行條件不同氣化爐的差別很大，對“煤”

19、反應速率影響最大的操作條件是什么？從不同溫度下反應速率的差別來分析反應溫度越高，反應物性質(zhì)的差異越?。ㄅc傳質(zhì)/傳熱對比）一、煤反應性的差異對哪種氣化爐運行的影響大？為什么？2、為什么實驗室的煤氣化研究均采用焦炭，而不是煤？關(guān)鍵：實驗是研究實際過程的，不是研究“不存在”過程的氣化的定義？實際氣化爐中煤發(fā)生什么變化？地下氣化煤炭地下氣化，就是將埋藏在地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學反應而產(chǎn)生可燃氣體的過程。其過程集建井、采煤、氣化工藝合二為一，將傳統(tǒng)的物理采煤方法轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人無設備的化學采煤方法，省去了傳統(tǒng)的采煤機械設備和地面氣化爐笨重復雜設施。其生產(chǎn)煤氣具有安全性好、投資少、見效

20、快、污染少、效益高等顯著優(yōu)點，深受世界各國的重視，被譽為第二代采煤方法。建地下氣化爐的兩種技術(shù)途徑巷道式建地下氣化爐技術(shù)在正開采或廢棄的煤礦井中可啟建地下氣化爐，由人工掘進的方式在煤層中建立起氣化巷道，并在進氣孔底部巷道壁筑起一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），便可將密閉墻前面的煤炭點燃。單套爐由氣化通道進氣孔、輔助孔和出氣孔組成，氣化通道于同一煤層內(nèi)連通各孔。建地下氣化爐的兩種技術(shù)途徑鉆井式建地下氣化爐技術(shù)即采用常規(guī)的油氣井鉆井技術(shù)，鉆一口一般的水平井段，與另外的二口直井于同一煤層內(nèi)以洞穴式相連通。單套地下氣化爐仍由氣化通道、進氣孔、輔助孔和出氣孔等組成。將進氣孔底部的氣化穴煤炭點燃，鼓入汽化劑

21、促使連續(xù)氣化煤炭，由輔助孔鼓入氫氣，氣化通道內(nèi)仍有氧化帶、還原帶和干餾干燥帶出現(xiàn)。此種建地下氣化爐技術(shù)于國外多采用，但國內(nèi)的遼河油田于2005年內(nèi)成功建起了首座鉆井式地下氣化爐，開創(chuàng)了國內(nèi)建地下氣化爐新階段。但因鉆井井徑受限，制約著單套爐規(guī)?；_采煤炭地下氣化原理煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 煤直接燃燒發(fā)電污染大，如將煤氣化與發(fā)電結(jié)合，用凈化煤氣發(fā)電，可以減少向大氣排放硫和氮的氧化物和粉塵等污染物，還可提高發(fā)電效率。 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電原理：用一燃氣輪機帶動一發(fā)電機，利用煙氣顯熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽機帶動另一個與之相連的發(fā)電機。 優(yōu)點：排放煙氣中不含粉塵，固體殘渣易處理，利用現(xiàn)代技術(shù)可回收硫，煙氣中硫氧化物和氮

22、氧化物含量低，可以達到排放標準。特點：在煤氣化過程中加入石灰脫硫，脫硫率高，且煤氣在高溫下送去燃氣輪機，提高了能量利用率。用余焦燃燒的煙氣產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動蒸汽機發(fā)電。圖 圖 第二節(jié) 煤的液化定義： 煤的液化是指經(jīng)過一定的加工工藝，將固體煤炭轉(zhuǎn)變成液體燃料或原料的過程。一、煤炭液化的意義1.煤的液化用于生產(chǎn)石油的代用品，可以緩解石油資源緊張的局面。從全世界能源消耗組成看，可燃礦物（煤、石油、天燃氣）占92%左右，其中石油44%，煤30%，天燃氣18%。2.通過液化，將難處理的固體燃料轉(zhuǎn)變成便于運輸、貯存的液體燃料，減少了煤中含硫、氮化物和粉塵、煤灰渣對環(huán)境的污染。3.煤的液化還可用于制取碳素材料、電

23、極材料、碳素纖維、針狀焦，還可制取有機化工產(chǎn)品等，以煤化工代替部分石油化工，擴大煤的綜合利用范圍。二、煤炭液化的方法及對煤質(zhì)的要求（一）煤炭液化的方法：（1） 煤的直接加氫液化法，如高壓加氫法、溶劑精煉煤法、水煤漿生產(chǎn)法等；（2）煤的間接液化法，即水煤氣合成法；（3）煤的部分液化法，即低溫干餾法。（二）煤直接加氫液化法及對煤質(zhì)的要求1.定義：煤直接加氫液化是在高溫、高壓、氫氣（或CO+H2，CO+H2O等）、催化劑和溶劑的作用下進行裂解、加氫等反應，將煤直接轉(zhuǎn)化成分子量較小的燃料油和化工原料的加工過程。 2.條件：煤加氫液化一般在180450加壓下分段進行。 氫的來源可以是氫氣或能提供氫原子的溶劑（稱為供氫溶劑）。 催化劑：鈷、釕、鈀、鉑、銠等過渡金屬配合物。 載在多孔氧化鋁表面上用硫化物處理過的鉬酸鈷。3.煤質(zhì)要求：