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OHOHSHHHHH2CH2OOHH4.现代煤化工工艺和原理（2）——煤炭气化与多联产4.2煤气化技术及多联产¾前言¾煤炭气化原理¾先进煤炭气化技术先进煤炭气化技术¾煤气化/发电/化工产品联产系统421引言煤：含能；有用元素/成分/组分4.2.1引言煤：含能；有用元素/成分/组分原料（非燃料利用）燃料煤炭气化的意义煤炭：固体、处理困难；杂质多、污染大煤炭：固体、处理困难；杂质多、污染大煤气：气体便于净化(除尘、脱硫)，污染轻运输方便(管道)、燃烧时容易调节，热效率高年青煤的气化过程可回收化产，实现煤的综合利用年青煤的气化过程可回收化产，实现煤的综合利用4.2.2煤炭气化原理气化的概念广义的煤气化煤不完全氧化－气化煤气煤干馏(高、中、低温干馏)－干馏煤气煤干馏(高、中、低温干馏)－干馏煤气气化：用气化剂将煤和/或煤的干馏产物(半焦、焦炭)的有机物最大限度地转变为煤气的过程or煤的气化就是在氧气不足的条件下，进行不完全氧化产生可燃气体的过程气化剂(氧化剂)-水蒸汽、空气(氧气)、H2及其混合物煤气化过程的主要化学反应燃烧反应燃烧反应C＋O2→CO2＋Q氧化反应2C＋O2→2CO＋Q2C＋O22CO＋QCO2的还原反应CO2＋C→2CO－Q水蒸汽分解反应水蒸汽分解反应C＋H2O→CO＋H2－QC＋2H2O→CO2＋2H2－Q水煤气反应(CO的变换反应)水煤气反应(的变换反应)O2＋H2O→CO2＋H2＋Q甲烷化反应C＋2H2→CH4＋QCO＋3H2→CH4＋H2O＋Q2CO＋2H2→CH4＋CO2＋QCO2＋4H2→CH4＋2H2O煤气化的基本过程气化过程的强化4.2.4气化过程的强化煤炭气化固体原料煤（焦）与气化剂之间的多相化学反应G-S多相反应外扩散-内扩散-吸附-表面反应-脱附-内扩散-外扩散提高G-S多相反应速度的途径A提高气化反应温度（化学反应的基本原理）；提高气化反应温度（化学反应的基本原理）；B增大压力（提高单位体积内气体物质的分子数）；C提高气化剂中氧含量；减小原料煤粒度（提高固体颗粒与气相物质的接触面积）；D减小原料煤粒度（提高固体颗粒与气相物质的接触面积）；E增大气化剂与煤粒的相对运动；F使用催化剂（改变反应的路径）；……比如加压流化床气化：比如加压流化床气化：全面符合煤炭气化强度提高的要求，代表了现代煤炭气化技术的发展方向。（1）加压气化（1）加压气化生产能力提高－0.1MPa~ 4MPa ，投煤量比提高到10倍高压气化制合成气－大大减少气体净化投资节省压缩功，降低产品能耗节省压缩功，降低产品能耗（2）高温气化碳转化率高碳转化率高煤气纯净－挥发分（焦油、氮、硫化物、氰化物）等转化充分，三废问题轻合成气显热可利用合成气显热可利用（3）纯氧气化降低惰性气体升/降温带来的热损失降低惰性气体升/降温带来的热损失有效减少气化剂压缩的能耗，有效提高气化效率实现加压、高温、熔渣气化的经济可行实现气化过程的大型化及规模化实现气化过程的大型化及规模化（4）粉煤气化煤粉－煤表面积增大－气化能力提高，煤粉－煤表面积增大－气化能力提高，非均相反应－物料导热能力与比表面热交换成正比（5）液态排渣惰性物质组成的灰渣以高温熔融状态排出，污染轻液态排渣，气化炉操作温度灰流动温度（FT）气化操作温度高不同气化方法的主要特点固定床流化床气流床灰排出状态干灰干灰熔渣灰排出状态干灰干灰熔渣原料煤对小颗粒煤对粘结性煤对煤的变质程度受限受限/需搅拌无烟煤，褐煤好受限褐煤不受限不受限任何煤特性对煤的变质程度对灰熔点要求无烟煤，褐煤高褐煤高任何煤低操气化压力MPa（A）气化温度（出口）℃常压2～3～400常压，1.0850～900～1100常压，4～6.51350～1600操作特性气化温度（出口）℃炉内最高温度℃耗氧量耗蒸汽～400ST无低高850～900～1100850～900～1100低高1350～1600≥2000高低，无耗蒸汽高煤气成分H2COCO2CH～4037～39～3220～23～827～30～34～3630～4013～15～313558451015～2001分%CH4N20.810～12～200.51～20.1煤气含焦油、烃类、酚少量大量极少量无烃类、酚423主要煤气化炉4.2.3主要煤气化炉气流床-Texaco炉气流床-Texaco炉Texaco水煤浆加压气化的流程：Texaco水煤浆加压气化的流程：制浆系统： 6mm的洗煤粉+水+添加剂+石灰+氨水混合磨成一定粒度分 6mm的洗煤粉+水+添加剂+石灰+氨水混合磨成一定粒度分布，浓度为60~65%的水煤浆合成气系统：水煤浆+高压纯氧（98%）, 1350~1450℃合成气系统：水煤浆高压纯氧（%）,烧嘴冷却系统锁斗系统锁斗系统：排渣时，锁斗和气化炉隔离，完成减压、清洗、排渣和充压循环闪蒸及水处理系统闪蒸及水处理系统水的回收系统气流床-Texaco炉气流床-Texaco炉工艺运行中存在的突出问题：工艺运行中存在的突出问题：1.气化炉耐火材料使用寿命短：2.气化炉炉膛热电偶寿命短：有的1周3.烧嘴使用周期短：50天左右检查烧嘴使用周期4.黑水管线容易堵塞、结垢、腐蚀：2/3的水需要自身循环激冷环问题：12个月更换或修补5.激冷环问题：12个月更换或修补6.激冷室结构问题：结构雷同，激冷室的水大量带到后系统气化方法和气化生产效果的评价－气化指标气化方法和气化生产效果的评价－气化指标1)煤气的热值Q：每标准立方米煤气(Nm3)完全燃烧所放出的热量，kJ/Nm32)煤气的组成(%)：煤气中各组分所占的体积百分数CH4－39938kJ/Nm3，H2－12770kJ/Nm3，CO－12707kJ/Nm3煤气产率：3)煤气产率V：单位质量煤气化后可得煤气的标准立方米数，Nm3/kg或Nm3/t4)气化效率η气：气化制得煤气的热值与所用燃料热值之比，％4)气化效率η气：气化制得煤气的热值与所用燃料热值之比，％即η气＝Q气/Q燃×100％＝(QV)/Q燃×100％5)气化热效率η热：直接加入气化过程中热量的利用程度以供给的热量和生成的热量之比计算η热＝Q生成/Q供给×100％＝(Q气＋Q焦油)/(Q煤＋Q气化剂)×100％6）气化强度q：单位时间、单位炉体截面积上所气化的原料量，kg/m2hr煤炭气化过程的主要评价指标煤炭气化过程的主要评价指标热效率是评价整个煤炭气化过程常用的经济技术指标。气化效率偏重热效率计算公式：用的经济技术指标。气化效率偏重于评价能量的转移程度，即煤中的能量有多少转移到煤气中；而热效热效率计算公式：∑∑∑−=入热损失入QQ'Qη率则侧重于反映能量的利用程度。∑∑∑+=热损失煤气入入QQQQ热效率进入气化炉的热量有:气化过程的热损失主要进入气化炉的热量有:燃料带入热、水蒸气和空气等的显热。有:通过炉壁散失到大气中的热量、高温煤气的热损失、灰渣热损失、热损失、灰渣热损失、煤气泄露热损失等。煤炭气化过程的主要评价指标煤炭气化过程的主要评价指标气化强度的两种表示方法如下：实际的气化生产过程实际的气化生产过程中，要结合气化的煤种和气化炉确定合理的气化强度。产生煤气量积单位时间、单位炉截面消耗原料量=1q气化强度。积单位时间、单位炉截面产生煤气量=2q9对于烟煤炭气化时，可以适当采用较高的气化强度，因其在干馏段挥发物较多，所以形成的半焦化学气化强度挥发物较多，所以形成的半焦化学反应性较好，同时进入气化段的固体物料也较少。9气化无烟煤时，因其结构致密，气化强度越大，炉子的生产能挥发分少，气化强度就不能太大9对于较高灰熔点的煤炭气化时，可以适当提高气化温度，相应也力越大。气化强度与煤的性质、气化剂供给量、气化炉炉型结构及气化操作条件有关。提高了气化强度。煤炭气化过程的主要评价指标煤炭气化过程的主要评价指标煤炭气化过程经济性的重要指标．它关系到:z水蒸汽的消耗量:气化1kg煤所水蒸汽消耗量与蒸汽分解率1.气化炉是否能正常运行，2.是否能够将煤最大限度地转化为煤气消耗蒸汽的量．z水蒸汽消耗量的差异主要由于限度地转化为煤气的差异主要由于原料煤的理化性质不同而引起的z蒸汽分解率:被分解掉的蒸汽与入炉水蒸汽总量之比。总量之比。z蒸汽分解率高，得到的煤气质量好，粗煤气中水蒸汽含量低；反之，煤气质量差，粗煤气中水蒸汽含量高。煤炭气化过程的主要评价指标煤炭气化过程的主要评价指标气化炉单台生产能力是指计算公式如下：炉单台产力指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量。式中V——单炉生产能力gVDqV214π=单炉生产能力式中V单炉生产能力，m3／h；D——气化炉内径，m；Vg——煤气产率,3／煤煤气单耗，定义为每生产单位体积的煤气单炉生产能力m3／kg(煤)：q1——气化强度，kg／(m2．h)生产单位体积的煤气需要消耗的燃料质量，以kg／m3计它主要与炉子的直径煤气产率是指每千克它主要与炉子的直径大小、气化强度和原料煤的产气率有关煤气产率是指每千克燃料(煤或焦炭)在气化后转化为煤气的体积4.3煤气化/发电/化产联产系统多联产：碳质原料气化或液化后形成的化工电能综合企业煤化工多联产系统的特点：多联产：碳质原料气化或液化后形成的化工电能综合企业9以煤基清洁燃料和化工产品为主9通过单元技术耦合简化流程9通过单元技术耦合简化流程9通过资源优化配置、公用工程共享减少建设投入9通过调整合成气循环比提高单元设备的效率9灵活调整产品品种和产量9尾气、废渣循环利用9以减少投入（降低折旧）、提高效率（单台设备产量提高）、废弃物利用达到经济效益最优化多联产优越性的原理：在更大的尺度上解决问题原料100%的转化目标产物100%的收率污染物排放控制产品理想污染物排放控制最经济的转化过程化工过程原料产品原料副产品热力学限制动力学限制化学反应计量限制副产品污染实际过程经济的限制•现有状况：单一过程，原料在单一过程中“吃干榨尽”现有状况：单一过程，原料在单一过程中“吃干榨尽”各方面的限制，难以实现理想目标•多联产：多过程耦合、多产物制备，总体实现“吃干榨尽”在大尺度层面解决效率、环境、效益问题在大尺度层面解决效率、环境、效益问题可操作性？煤联产的优越性：经济效益、环境效益整体技术的发明与革新，同时满足效率、环境、效益（3E)要求整体技术的发明与革新，同时满足效率、环境、效益（3E)要求单产与四联产（电、热、气、甲醇）对比基本投资（M$）1257783联产投资减少37%单位电价（c/kwh）7833.32.4联产单位能价下降27%耗煤（TJ/h）2.49.284联产煤耗下降9.1%（TJ/h）8.4联产煤耗下降9.1%(R.Willams,WorldEnergyAssessment,2000)国际发展趋势国际发展趋势—燃料和化学品合成为主要内容日本新能源计划EAGLE多联产过程示意图CoalEnergyApplicationforGas,Liquid&Electricity制氧气化煤电净化蒸汽轮机燃料电池电合成气液体燃料合成系统特征：气化为中心，发电、合成燃料和化学品为重要内容国际发展趋势－美国近期多联产过程（EECP）示意图国际发展趋势－美国近期多联产过程（EECP）示意图EarlyEntranceCoproductionPlant制氧气化蒸汽轮机制氧气化蒸汽轮机燃气轮机合成气尾气煤电液体燃料净化燃料合成合成气尾气化学品系统特征:气化为中心，发电、合成燃料为重要内容系统特征:气化为中心，发电、合成燃料为重要内容国内发展状况－热解-燃烧国内多联产过程示意图国内发展状况－热解燃烧国内多联产过程示意图电燃烧热解半焦煤电蒸汽城市煤气煤城市煤气焦油系统特征：从热解出发，发电、蒸汽、煤气、焦油系统特征：从热解出发，发电、蒸汽、煤气、焦油未来中国的煤多联产宏观系统－举例城市煤气未来中国的煤多联产宏观系统－氢分燃料电池电氢CO2吸收净分离燃蒸气汽电热气化煤化气汽轮轮机机尾气O化热解合成煤马达燃料等分精焦油机机O2成污染控制马达燃料等分精离制调配集成优化马达燃料化学品化学品未来中国的煤多联产宏观系统－举例NewP