第四章移动床加压气化

第四章固定床加压气化第一节概论一碎煤加压气化特点•原料适应范围广。除黏结性强的烟煤外，从褐煤到无烟煤均可气化；•由于气化压力较高，气流速度低，可气化较小粒度的碎煤；•可气化水分、灰分较高的劣质煤。1原料适用性目前，在工业应用中较为成熟的技术为鲁奇碎煤加压气化工艺，其碎煤加压气化炉是由德国鲁奇公司所开发，称为鲁奇加压气化炉，简称鲁奇炉。一碎煤加压气化特点•单炉生产能力大，最高可达75000（标）/h（干基）；•气化过程是连续进行的，有利于实现自动控制；•气化压力高，可缩小设备和管道尺寸，利用气化后的余压可以进行长距离输送。•气化较年轻的煤时，可以得到各种有价值的焦油、轻质油及粗酚等多种副产品。•通过改变压力和后续工艺流程，可以制得各种不同比例的化工合成原料气，拓宽了加压气化的应用范围。缺点：•蒸汽分解率低。•需要配套相应的制氧装置，一次性投资较大。2生产过程3mCOH/2第二节加压气化原理及气化过程一加压气化原理压力下煤的气化在高温下受氧、水蒸气、二氧化碳的作用，各反应如下：•碳与氧的反应：•碳与水蒸气的反应：KmolMJCOOCOKmolMJCOCCOKmolMJCOOCKmolMJCOOC/24.57022/4.1622/4.23122/8.393222222KmolMJHCOgOHCOKmolMJHCOgOHCKmolMJHCOgOHC/5.41)(/0.902)(2/5.131)(22222222一加压气化原理•甲烷生成反应：•根据化学反应速度与化学反应平衡原则，提高反应压力有利于化学反应向体积缩小的反应方向移动，提高反应温度，化学反应则向吸热的方向移动，对加压气化可以得出以下结论：①提高压力，有利于煤气中甲烷的生成，可提高煤气的热值；②提高气化反应温度，有利于向生成一氧化碳的方向进行，也有利于反应，从而可提高煤气中的有效成分。但提高温度不利于生成甲烷的放热反应。KmolMJCOCHOHCKmolMJOHCHHCOKmolMJCOCHHCOKmolMJOHCHHCOKmolMJCHHC/6.12522/4.16524/4.24722/2.2063/9.742242242224224242COCCO2222HCOOHC二加压气化的实际过程1气化过程热工特性鲁奇加压气化炉内生产工况如图4-1所示。图4-1碎煤加压气化炉内生产工况二加压气化的实际过程•在加压气化的条件下，气化炉内进行的反应有碳的氧化反应、二氧化碳还原反应、水蒸气分解反应以及甲烷的生成反应等。它与常压气化炉的主要差别在于，加压煤气中含有较多的甲烷成分。一方面是由于具有较厚的干馏层，挥发分热解生成甲烷；同时，也由于在甲烷层碳的加氢生成甲烷。1加压气化的主要反应二加压气化的实际过程•1.二氧化碳还原反应1加压气化的主要反应图4-2平衡混合物组成与压力的关系molkJCOCOC/4.16222二加压气化的实际过程•2.水蒸气分解反应1加压气化的主要反应图4-3不同温度下水蒸气分解反应总速度与压力的关系1-6分别表示反应压力为0.098、0.98、1.96、4.9、6.86和9.8MPamolkJHCOgOHC/5.131)(22二加压气化的实际过程•3.甲烷生成反应1加压气化的主要反应molkJCHHC/9.74242图4-4甲烷的生成速度与温度、压力的关系1-0.098MPa；2-4.9MPa；3-9.8MPa图4-5石墨加氢气化的甲烷平衡含量曲线1Kcal/m3=4.1863KJ/m3二加压气化的实际过程•在实际的加压气化过程中，原料煤从气化炉的上部加入，在炉内从上至下依次经过干燥、干馏、半焦气化、残焦燃烧、灰渣排出等物理化学过程。•加压气化炉是一个自热式反应炉，通过在燃烧层中的这个主要反应，产生大量热量，这些热量提供给：①气化层生成煤气的各还原反应所需的热量；②煤的干馏与干燥所需热量；③生成煤气与排出灰渣带出的显热；④煤气带出物显热及气化炉设备散失的热量。•这种自热式过程热的利用效果好，热量损失小。2气化过程热工特性22COOC二加压气化的实际过程•在加压气化炉内，根据不同的气化特性，可分为六层，依次是干燥层、干馏层、甲烷层、第二反应层、第一反应层和灰渣层。•表4-1气化炉内各层的高度及温度3燃料床层的结构及特性二加压气化的实际过程3燃料床层的结构及特性图4-6加压气化炉燃料床高度与温度的关系二加压气化的实际过程3燃料床层的结构及特性加压气化炉中各层的主要反应及产物见图4-7。图4-7加压气化炉过程简图三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（1）煤的粒度对加压气化的影响•煤的粒度越小，其表面积越大，在动力学控制区的吸附和扩散速度加快，有利气化反应的进行。•煤粒的大小也影响着煤准备阶段的加热速度，很显然粒度越大，传热速度越慢，煤粒内部与外表面的温度差也大，使颗粒内焦油蒸汽扩散阻力和停留时间延长，焦油的热分解增加。•煤粒的大小也对气化炉的生产能力影响很大，与常压气化相比，加压气化过程中气体的流速减慢，相同粒度情况下煤的带出物减少，故而可提高气流线速度，使气化炉的生产能力提高，但粒度过小将会造成气化炉床层阻力加大，煤气带出物增加，限制了气化炉的生产能力。•煤的粒度越小，水蒸气和氧气的消耗量增加，煤耗也会增加。三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（2）原料煤中水分对气化过程的影响•煤中所含水分随煤变质程度的加深而减少，水分较多的煤，挥发分往往较高，则进入气化层的半焦气孔率也大，反应气体通过内扩散进入固体内部时容易进行，从而使反应速度加快，生成的煤气质量较好。•煤中水分过高会给气化过程带来不良影响。•增加了干燥所需热量，从而增加了氧气消耗，降低了气化效率。•干燥不充分，导致干馏过程不能正常进行，进而会降低气化层温度，导致甲烷生成反应、二氧化碳及水蒸气的还原反应速率减小，煤气质量降低。三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（3）煤中灰分及灰熔点对气化过程的影响•随着灰分的增大，炉渣的排出量增加，随炉渣排出的碳损耗量也必然增加。另外，带出的显热增加，从而使气化过程的热损失增加，热效率降低。•随着煤灰分的增大，加压气化的各项消耗指标，如氧气消耗、蒸汽消耗、原料煤消耗等指标上升，而煤气产率下降。三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（4）煤的黏结性对气化过程的影响•黏结性煤在气化炉内进入干馏层时产生胶质体，这种胶质体黏性较高，将较小的煤块黏结成大块，使得干馏层的透气性变差，导致床层气流分布不均和阻碍料层的下移，使气化过程恶化。因此，黏结性煤对气化过程是一个极为不利的因素。三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（5）煤的机械强度和热稳定性的影响•易破碎的煤在筛分后的传送及气化炉加煤过程中必然产生很多煤屑，这样会增加入炉煤的粉煤含量，使煤气带出物增加。故加压气化应选用抗碎能力较高的煤种。•热稳定性差的煤在气化炉内容易粉化，给气化过程带来不利影响。另一方面由于热稳定性差，气化时煤块破碎却增加了反应表面积，从而增加了反应速度，提高了气化强度。三煤种及煤的性质对加压气化的影响1煤的理化性质对加压气化的影响（6）煤的化学活性的影响•煤种不同，其反应活性是不同。碳的组织及形态，特别是其气孔壁的微细组织的发达程度，对碳的反应性影响最大。一般煤的碳化程度越浅，焦炭的气孔率越大，即其内表面积越大，反应性越高，则发生反应的起始反应温度越低，气体温度也越低。气化温度低，有利于甲烷生成反应的进行，煤气热值相应提高。放热的甲烷反应又促进其他气化反应的进行，为气化层提供了部分热量，降低了氧气的消耗。•气化温度相同时，煤的反应活性越高，则气化反应速度越快，反应接近平衡的时间越短。•煤的反应活性对气化过程的影响在温度较低时较大，当温度升高时，温度对反应速度的影响显著加强，这时相应降低了反应活性的影响。三煤种及煤的性质对加压气化的影响2煤种对煤气组分和产率的影响2.1发热值与组成图4-8煤种与净煤气热值的关系1—褐煤；2—气煤；3—无烟煤图4-9粗煤气组成与气化原料的关系三煤种及煤的性质对加压气化的影响2煤种对煤气组分和产率的影响2.1发热值与组成图4-10净煤气组成与气化原料的关系三煤种及煤的性质对加压气化的影响表4-2我国太原市西山老年烟煤在鲁奇炉内所产生的干馏气、纯气化煤气及出炉煤气的体积百分组成：三煤种及煤的性质对加压气化的影响2.2煤气产率图4-11煤中挥发份与煤气产率、干馏煤气量之间的关系1—粗煤气产率；2—净气煤产率；3—干馏煤气占粗煤气热能百分比；4—干馏煤气占净煤气热能百分比三煤种及煤的性质对加压气化的影响表4-3褐煤与无烟煤气化指标对比三煤种及煤的性质对加压气化的影响3煤种对其他副产品的特性和产率的影响•硫化物：煤中的硫化物在加压气化时，一部分以硫化物和各种有机硫形式进入煤气中。煤气中的硫含量主要取决于原料煤中的硫含量。硫含量高的煤，气化生成的煤气中硫含量就高。一般煤气中的硫化物总量占原料煤中硫化物总量的70%~80%。•表4-4加压气化产物中硫的分布三煤种及煤的性质对加压气化的影响3煤种对其他副产品的特性和产率的影响•氨：煤气中氨的产生与原料煤的性质、操作条件及气化剂中的氮含量有关。在通常操作条件下，煤中的氮约有50%~60%转化为氨，气化剂中也约有10%的氮转化为氨，气化温度越高，煤气中氨含量就越高。三煤种及煤的性质对加压气化的影响3煤种对其他副产品的特性和产率的影响•焦油和轻油：原料煤的性质是影响焦油产率的主要因素。一般是变质程度浅的褐煤比变质程度深的气煤和长焰煤的焦油产率大，而变质程度更深的烟煤和无烟煤其焦油产率更低。煤种不同，所产生焦油的性质也不同，一般随着煤的变质程度增加，其焦油中的酸性油含量降低，沥青质增加，焦油的比重增加。三煤种及煤的性质对加压气化的影响4煤种对各项消耗指标的影响•由煤的生成原理可知，随着煤的变质程度加深，煤中C/H比则加大，煤气化转化成煤气的过程，是一个缩小C/H比的过程。在煤的气化过程中，主要通过入炉水蒸气与炽热的碳进行反应产生氢：•在炉内燃烧层碳和氧的反应给上述反应提供了热量。所以，随着煤的变质程度加深，气化所用的水蒸气、氧气量也相应增加。另外，由于年轻煤活性好，挥发份高，有利于的生成，这样就降低了氧气耗量。QHCOOHCQHCOOHC22222224CH第三节加压气化操作条件及主要气化指标一操作条件分析1气化压力•(1)压力对煤气组成的影响•提高气化炉操作压力，有利于下列各反应的进行：•提高气化压力，不利于下列诸反应的进行：OHCHHCOCOCHHCOOHCHHCOCHHC24224224242242232222222222COHOHCCOHOHCCOCCO一操作条件分析1气化压力24COCH和•随着气化压力的提高，有利于体积缩小的反应进行，煤气中的含量增加，煤气的热量提高。粗煤气组成随着气化压力的变化如图4-12所示。•提高气化压力，可以提高煤气热值，对生产城市煤气有利，对于生产合成气不利，故而需综合考虑。图4-12粗煤气组成与气化压力关系一操作条件分析1气化压力•（2）压力对煤气产率的影响：随着压力升高，煤气产率下降。图4-13示出了褐煤气化时煤气产率与气化压力的关系，煤气产率随压力升高而下降是由于生成气中甲烷增多，从而使煤气总体积减少。图4-13煤气产率与气化压力关系1-粗煤气；2-净煤气一操作条件分析1气化压力•（3）压力对氧气和水蒸气消耗量的影响：随着压力升高，生成甲烷反应速度加快，反应释放出的热量增加，从而减少了碳燃烧反应的耗氧量。氧气消耗量、利用率与气化压力的关系如图4-14所示。•水蒸气消耗量与气压关系如图4-15。随着压力升高水蒸气消耗量增多。因压力升高，生成甲烷所消耗氢量增加，则气化系统需要水蒸气分解的绝对量增加，而压力增高却使