煤气化已有100多年的发展历史，先后开发了200多种气化工艺或气化炉型，有工业化应用前景的十余种。煤气化可分为完全气化和不完全气化两大类：完全气化是指煤及其它固体原料与气化剂进行一步法化学反应，生成可燃气或合成气；不完全气化是指固体原料进行热加工时，除生成可燃气外还有含碳固体产物（如煤炼焦过程）。这些产物又可进行加工利用。 国外为了提高燃煤电厂热效率，减少环境污染，对煤气化联合循环发电技术作了大量工作，促进了煤气化技术的开发。目前已成功开发出了对煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、污染少的新一代煤气化工艺，主要有荷兰壳牌（Shell）的粉煤气化工艺、德国克鲁伯—考柏斯（Krupp—Koppers）的Prenflo工艺，美国德士古（Texaco）和Destec的水煤浆气化工艺以及德国黑水泵的GSP工艺等。本章着重介绍我厂油改煤改造工程所引进的Shell粉煤气化工艺技术。 第一节 煤气化技术分类及其发展
一、煤气化技术分类
最常用的气化分类方法是按煤和气化剂在气化炉内的相对运动来划分，大体可分成三种：
逆流：联合签名固定床、移动床。煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外；气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层（两者合称气化层）。代表炉型为常压UGI炉和加压Lurgi炉，主要用于制取城市煤气。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限制。育苗袋
并逆流或返混流：流化床、沸腾床。气化剂由炉底部吹入，使细粒煤（＜6mm）在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化或沸腾床气化。煤粒( 粉煤 )和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动。为了维持炉内的“沸腾”状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度（ST）以下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用粘结性煤。由于炉内反应温度低( 与气流床相比)，煤的停留时间短( 与固定床相比 )，并逆流气化对入炉煤的活性要求很高，只有高活性褐煤才适应。而炉温低、停留时间短带来的最大问题是碳转化率低，飞灰多，残碳高，且灰渣分离因难。其次是操作弹性小(控
制炉温不易)。代表炉型为常压Winkler炉和加压HTW炉，此外还有U-Gas、KRW等流化床气化炉也逐步走向工业化。
并流或活塞流：气流床、夹带床。粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应空间的限制，气化反应必须在瞬间完成，为弥补停留时间短的缺陷，必须严格控制入炉煤的粒度（＜0.1mm），以保证有足够的反应面积。在并流气化反应中，煤和气化剂的相对速度很低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行，碳的损失不可避免，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度，火焰中心温度在2000℃以上，采用液态排渣是并流气化的必然结果。代表炉型为常压气流床粉煤气化K-T炉，水煤浆加压气化Texaco炉，处于工业示范阶段的加压粉煤气化炉如SCGP、Prenflo等。各类气化方法主要特点见下表。
表2-1-1 各类气化方法主要特点
气化方法 | 固定床 | 流化床 | 气流床 |
典型工业炉 | UGI | Lurgi | Winkler | HTW | KT | Texaco |
灰排出状态 | 干灰 | 干灰 | 熔渣 |
原料煤特性 | 对小颗粒煤 对粘结性煤 对煤的变质程度 对灰熔点要求 | 受限 | 好 受限 褐煤 高 | 不受限 不受限 任何煤 低 |
受限 无烟煤 | 需搅拌 褐煤 |
|
高 |
操作特性 | 气化压力/MPa(a) 气化温度(出口)/℃ 炉内最高温度/℃ 耗氧量 耗蒸汽 煤在炉内停留时间 | 常压 | 2～3 | 常压1.0 850～900～1100 850～900～1100 低 高 15min | 常压4～6.5 1350～1600 > 2000 高 低 无 |
～400 < ST |
|
无 | 低 |
高 90min |
1S | 5S |
煤气成分％ | H2 CO H2＋CO CO2 CH4 N2 | ～40 ～32 ～70 ～8 0.8 ～20 | 37～39 20～23 ～60 27～30 10～12 0.5 | 34～36 30～40 65～75 13～15 1～2 | 31 58 ～90 10 | 35 45 ～80 15～20 |
< 0.1 |
挤压件煤气含焦油、烃类、酚 | 极少量 | 大量 | 极少量 | 无 |
| | | | | | | |
各类气化方法，其加煤和排渣都是两项最重要的课题。
目前工业化炉型有干法排灰和液态排渣两种排灰方式，灰的熔融行为包括灰熔点和熔渣粘度特性对气化过程有直接影响。固定床和流化床要求灰软化温度 ST大于1250℃，而气流床则要求有较低的灰渣流动温度 FT，一般应低于l350～1400℃（如Texaco炉要求低于1350℃）。气流床液态排渣炉的操作极限，应控制熔渣粘度在 25－40 Pa·S，粗略地估计，气化温度应高出灰渣流动温度FT 50～100℃。对于高灰熔点煤，可借助于添加助熔剂 (一般为CaCO3或Fe203) 来降低灰熔点和改善熔渣粘温特性。
二、煤气化技术进展
煤气化方法全世界已有200余种。各种技术的主要侧重点大多围绕如何适应不同原料的特性，提高碳的转化率及气化压力，生产连续化及长周期运转，废热利用及三废处理等方面。
固定床（移动床）是最早实现工业化的工艺技术，常压固定层间歇造气是世界上第一座合成氨厂所采用的供气方法。由于该方法对设备要求不高，不使用纯氧，因而具有很好的生
命力。固定层炉的连续气化在30年代初由鲁奇公司推出，虽然使用了氧气但由于解决了连续及加压两大难题，所以一直成为当时主要气化技术之一。学术界将固定床Lurgi炉、流化床的Winkler炉及气流床的K-T炉称为第一代煤气化技术，现在这些技术都已不再发展。
近年来，为了减少环境污染，提高煤炭的利用率，增加装置的生产能力，降低氧耗和煤耗，拓宽原料煤种的使用范围，充分利用煤炭资源，国外大公司开始竞相开发第二代先进的煤气化工艺技术。从进料方式来看，有干法、湿法两大流派，即欧洲的干法进料气化工艺（Shell、Prenflo）和美国的水煤浆湿法进料气化工艺（Texaco、Destec）。
第二代煤连续气化的技术核心是干粉煤的加压进料。如何实现在将粉状固体原料加入到加压气化系统的同时，又不使有压煤气自炉中逸出，这是个关键的难题。早在50年代初期就有人探索粉煤加压连续输送技术，但未取得实质性进展，直到1978年Shell-Koppers工艺问世，才开发出一种粉煤间断升压和加压下连续进料的半连续加煤工艺，以后开发的Prenflo、SCGP和GSP等气化炉都属此类。Texaco公司放弃了干法加料这一传统做法，成功地开发出水煤浆湿法气化工艺，因而独树一帜，最先实现了加压非固定床连续气化的工业化，在80年代开始推广。
目前，气流床气化炉中，采用湿法气化的Texaco、Destec和采用干法气化的Shell、Prenflo气化炉的单炉出力都达到了2000t/d～2500t/d等级，并都建立了250MW～300MW等级的IGCC示范厂。
Texaco气化炉的运行经验和已商业化的台数最多，用于IGCC发电，气化炉的可用率也可达到80％以上，但它的喷嘴和耐火衬里的寿命较短，冷煤气效率和组成IGCC的效率目前还较低。Destec气化炉虽然也是水煤浆进料，但它是两段气化，冷煤气效率比Texaco高，而且可省去辐射废锅，加之火管式的对流冷却器使造价大幅度降低。但与干法进料相比，其喷嘴和耐火砖寿命较短。
Shell气化炉的可用率已达95％，已经进入商业化运行，其喷嘴和水冷壁寿命都较长，冷煤气效率和组成IGCC效率与湿法进料气化工艺相比较高，但造价比Texaco、Destec大。
Prenflo气化炉与Shell气化炉基本相似，只是冷却器结构有所不同，由于西班牙usb flashPuertollano IGCC示范电站的运行时间不长，Prenflo气化炉的性能尚待时间检验。
莫氏变径套
三、干法加压气化的技术关键
阀门：密封料斗系统的各类阀门开闭频繁，磨损严重，要解决好阀门的结构及材质问题。一般用球阀、底板阀等，密封面有软硬和硬硬两种结构。
料斗煤位的测量：常压料斗、密封料斗和工作料斗的煤位测量有一定难度，特别在粉煤太湿易架桥的情况下会出现假料位，增加料位测量及输送的难度。目前大多采用Cs137或Co60同位素仪器测量。
粉煤密相输送：为减少煤气中N2量，要求提高粉煤输送的固气比，目前每立方米氮气可输送空烟卷50～500kg粉煤，载气和粉煤呈非连续相，即一股载气推动一股柱状粉煤直到气化炉燃烧器。粉煤的密相输送是本课题主要技术关键。
精确计量：气流床部分氧化反应要求入炉物料精确计量，水煤浆工艺很容易做到，而干法气化难以做到精确计量。
第二节 煤气化原理
煤的气化工艺是在一定温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧（纯氧）、水蒸汽、
二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其中所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程(参看图2-2-1)。
一、反应机理
固体原料气化是一种复杂的物理－化学过程，很难用一种简单的化学反应式来描述。固体原料气化的三种方法即固定床、流化床和气流床的反应机理基本相同。固定床气化炉的床层分界（干燥、干馏、还原、氧化、灰渣）比较明显；气流床气化的这几个主要反应过程并无明确的界限，干燥、干馏、还原和氧化几乎是同时进行的，统称为火焰型部分氧化反应；流化床反应机理介于固定床和气流床之间。
（一）三种典型气化过程
1. 固定床气化
固定床气化中煤的热解及半焦、碳的气化是两个最主要的反应过程。
煤的热解 典型的烟煤热解(隔绝空气加热)过程见图2-2-2。入炉煤在200℃以前主要是干燥，然后分解，褐煤、烟煤、无烟煤开始分解的温度，分别为230～260℃，300～390℃和390～400℃。
烟煤在固定床气化炉中，首先进行中温（600～800℃）干馏，焦油产率约6％～7％．干馏煤气产率约200 Nm3/t干煤，半焦产率约75％～77％，半焦中挥发分含量约8％～10％。无烟煤则主要成分为固定碳及灰分，其所含挥发分仅约1％，故可以不考虑这一过程。
半焦或碳的气化反应式 半焦(或碳)在气化层中发生以下反应（由于选用基准和实验所取条件不同．各文献提出的反应热值有所差异。）
C ＋ O2 ＝ CO2 ＋ 393.777 Kj/mol
C ＋ CO2 ＝ 2CO － 172.28 Kj/mol
2C ＋ O2 ＝ 2CO ＋ 221.19 Kj/mol
2CO ＋ O2 ＝ 2CO2 ＋ 563.37 Kj/mol
C ＋ H2O ＝ CO ＋ H2 － 131.39 Kj/mol
C ＋ 2H2O ＝ CO2＋ 2H2－ 90.196 Kj/mol
CO ＋ H2O ＝ CO2 ＋ H2 ＋ 41.194 Kj/mol
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议