煤炭气化工艺学-第四章-气化炉

2019/8/15《煤炭气化工艺学》第四章气化炉第三节流化床气化炉第四节气流床气化炉第五节熔融床气化炉第六节工业上常用炉型的比较第一节气化炉概述第二节移动床气化炉2019/8/15《煤炭气化工艺学》掌握气化用煤的种类、气化炉的种类及结构、工艺流程、工艺参数等熟悉熔融床气化炉结构、气化工艺流程及工艺参数了解我国工业上常用的气化炉及各种气化炉的比较知识目标2019/8/15《煤炭气化工艺学》能掌握我国气化用煤的特性、常用的气化炉形式、用途等会判断实际用煤作为气化原料的优劣、会流利的讲述常用气化炉的工艺流程会解释一些实际操作过程常出现的问题及会分析影响操作的因素能力目标2019/8/15《煤炭气化工艺学》世界煤炭气化技术的发展趋势①增大气化炉规模，提高单炉制气能力。②提高气化炉的操作压力，降低压缩动力消耗，减少设备尺寸，降低氧耗，提高碳的转化率。③气流床和流化床技术日益发展，扩大了气化煤种的范围。④提高气化过程的环保技术，尽量减少环境污染。⑤将煤炭气化过程和发电联合起来的生产技术越来越受到各国的重视并巳建成不同规模的生产厂以K—T炉为例，20世纪50年代是双嘴炉，20世纪70年代采用了双嘴和四头八嘴，以及后来设计的六个头的气化炉等，使得单炉产气能力大幅度提高。2019/8/15《煤炭气化工艺学》4-1气化炉概述气化的几个重要过程煤炭气化过程的主要评价指标气化炉分类基本概念气固相反应2019/8/15《煤炭气化工艺学》一、基本概念1、气化炉：进行煤炭气化的设备叫气化炉。2、气化炉分类按照燃料在气化炉内的运动状况移动床(又叫固定床)沸腾床(又叫流化床)气流床熔融床生产操作压力常压气化炉加压气化炉排渣方式固态排渣气化炉液态排渣气化炉2019/8/15《煤炭气化工艺学》一、基本概念空气煤气混合煤气水煤气半水煤气以空气作为气化剂生产的煤气以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替送入气化炉内间歇进行生产的煤气气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的符合合成氨原料气的要求的煤气4、煤气的种类2019/8/15《煤炭气化工艺学》一、基本概念气化炉的组成加煤系统气化反应部分排灰系统要考虑煤入炉后的分布和加煤时的密封问题。①是煤炭气化的主要反应场所，首要考虑的问题是如何在低消耗的情况下，使煤最大限度地转化为符合用户要求的优质煤气。②由于煤炭气化过程是在非常高的温度下进行的，为了保护炉体而加设内璧衬里或加设水套也是非常必要的。水套一方面可以起到保护炉体(也包括炉内的布煤器或搅拌装置)的作用，同时可以吸收气化区的热量而生产蒸汽，该部分蒸汽可以作为气化时需用的蒸汽而进入气化炉内。①作用:保证了炉内料层高度的稳定，同时也保证了气化过程连续稳定地进行.②问题：对移动床而言，由于炉箅(气化剂的分布装置)和排灰系统结合在一起，气化剂的均匀分布和排灰操作是生产上较为重要的两个问题。2019/8/15《煤炭气化工艺学》二、气固相反应气固相反应在气化炉内，物质基本上以两种相态存在，一是气相即空气、氧气、水蒸气(称为气化剂)和气化时形成的煤气，另外是固相即燃料和燃料气化后形成的固体如灰渣等。工业上把这种反应称气固相反应。气化炉类型气化剂以较小的速度通过床层时．气体经过固体颗粒堆积时所形成的空隙，床内固体颗粒静止不动，这时的床层一般称固定床。对气化炉而言，由于气化过程是连续进行的，燃料连续从气化炉的上部加人、形成的灰擅从底部连续的排出，所以燃料是以缓慢的速度向下移动，故称为移动床较为合理。当气流速度继续增大，颗粒之间的空隙开始增大，床层膨胀，高度增加，床层上部的颗粒被气流托起，流体流速增加到一定限度时，颗粒被全部托起，颗粒运动剧烈，但仍然逗留在床层内而不被流体带出，床层的这种状态叫固体流态化，即固体颗粒具有了流体的特性，这时的床层称流化床。在流化床阶段，如果流速进一步增大，将会有部分粒度较小的颗粒被带出流化床，这时的床层相当于一个气流输送设备，因而被称为气流床。2019/8/15《煤炭气化工艺学》二、气固相反应三种床层中的压降和传热固定床的压力降主要是由于流体和固体颗粒之间的摩擦，以及流体流过床层时，流道的突然增大和收缩而引起的，随流速的增大而成比例地增大，经过一个极大值后．床层进入流态化阶段。流化床：在流态化阶段，床层的压降保持不变，基本等于床层的重量，把这个极大值称临界流化速度。气流床：进入气流床时，由于大量颗粒被带出床外，床层压降急剧下降。2019/8/15《煤炭气化工艺学》二、气固相反应均相反应与非均相反应均相反应：气相中的反应。如CO与H2O的反应等。非均相反应：气固相的反应。如碳的燃烧反应、水蒸气与炽热的碳之间的反应等。控制步骤①气化剂向燃料颗粒表面的外扩散过程；②气化剂被燃料颗粒的表面吸附；③吸附的气化剂和燃料颗粒表面上的碳进行表面化学反应；④生成的产物分子从颗粒表面脱附下来；⑤产物分子从颗粒的表面通过气膜扩散到气流主体。2019/8/15《煤炭气化工艺学》二、气固相反应化学平衡定义：正逆反应速度相等时，化学反应就达到动态平衡。例如对如下吸热反应C+O2→CO2平衡常数kp如下：Kp=(Pco*PH2)/PH2O影响因素：1、T--吸热反应，提高温度有利于化学反应向生成产物的方向进行；对于放热反应，则降低温度有利于向生成产物的方向进行。影响因素：2、P--对反应后体积增加(即分子数增加)的反应，随着压力的增加，产物的平衡含量是减少的；反之，对于体积减少的反应加压有利于产物的生成。2019/8/15《煤炭气化工艺学》三、气化的几个重要过程煤的干燥煤的热解煤的反应2019/8/15《煤炭气化工艺学》三、气化的几个重要过程煤的干燥煤的干燥过程，实质上是水分从微孔中蒸发的过程。煤的干燥过程：理论上应在接近水的沸点下进行，但实际生产中，和具体的气化工艺过程及其操作条件又有很大的关系一般地，增加气体流速，提高气体温度都可以增加干燥速度。煤中水分含量低、干燥温度高、气流速度大，则干燥时间短；反之，煤的干燥时间就长。从能量消耗的角度来看，以机械形式和煤结合的外在水分，在蒸发时需要消耗的能量相对较少；而以吸附方式存在于煤微孔内的内在水分，蒸发时消耗的能量相对较多。煤干燥过程的主要产物是水蒸气．以及被煤吸附的少量的一氧化碳和二氧化碳等。例如，对于移动床气化而言，由于煤不断向高温区缓慢移动，且水分蒸发需要一定的时间，因此水分全部蒸发的温度稍大于l00℃，当气化煤中水分含量较大时，干燥期间，煤料温度在一定时间内处于不变的100℃左右。而在其他的一些气化工艺过程当中，例如，气流床化时，由于粉煤是直接被喷入高温区内，几乎是在2000°C左右的高温条件下被瞬间干燥。2019/8/15《煤炭气化工艺学》三、气化的几个重要过程煤的干馏就移动床来说，基本接近于低温干馏（500-600℃)。从还原层上来的气体基本不含氧气，而且温度较高，可以视为隔绝空气加热即干馏。而对于沸腾床和气流床气化工艺，由于不存在移动床的分层问题，因而情况稍微复杂，尤其对于气流床来讲．煤的几个主要变化过程几乎是瞬间同时进行。无烟煤中的氢和氧元素含量较低，加热分解仅放出少量的挥发分；烟煤加热时经历软化为类原生质的过程。在煤颗粒中心达到软化温度以前，开始分解出挥发物，同时其本身发生膨胀。煤的加热分解除了和煤的品位有关系，还与煤的颗粒粒径、加热速度、分解温度、压力和周围气体介质有关系。煤颗粒粒径小于50μm时，热解过程将为挥发形成的化学反应控制，热解与颗粒大小基本没有关系。当颗粒粒径大于100μm后，热解速度取决于挥发分从固定碳中的扩散逸出速度。压力对热解有重要影响，随压力的升高，液体碳氢化合物相对减少，而气体碳氢化合物相对增加。一般来说，在200℃以前，并不发生热解作用，只是放出吸附的气体．如水等。在大于200℃后，才开始发生煤的热分解，放出大量的水蒸气和二氧化碳，同时，有少量的硫生成二氧化硫等气体。2019/8/15《煤炭气化工艺学》三、气化的几个重要过程煤的干馏煤的热解结果生成三类分子：小分子(气体)、中等分子(焦油)、大分子(半焦)。就单纯热解作用的气态而言．煤气热值随煤中挥发分的增加而增加；随煤的变质程度的加深氢气含量增加而烃类和二氧化碳含量减少。煤中的氧含量增加时，煤气中二氧化碳和水含量增加。煤气的平均分子量则随热解的温度升高而下降．即随温度的升高大分子变小，煤气数量增加。2019/8/15《煤炭气化工艺学》三、气化的几个重要过程煤的反应煤炭气化过程的两类主要反应：燃烧反应和还原反应煤的燃烧反应，通过燃烧一部分燃料来维持气化工艺过程中的热量平衡。不论采用哪一种具体的气化工艺，产生的热量基本上都消耗在如下几个方面：灰渣带出的热量、水蒸气和碳的还原反应需要的热量、煤气带走的热量以及传给水夹套和周围环境的热量。煤的燃烧是指在空气、富氧空气或氧气中，当煤的温度达到者火点时剧烈氧化，放出大量热量的过程，完全燃烧时生成二氧化碳，而不完全燃烧时则生成一氧化碳。还原反应，包括碳和二氧化碳的反应，以及水蒸气和碳之间的反应是制气的主要反应，主要生成一氧化碳和氢气。2019/8/15《煤炭气化工艺学》四、煤炭气化过程的主要评价指标主要评价指标气化强度蒸汽消耗量、蒸汽分解率气化效率热效率单炉生产能力2019/8/15《煤炭气化工艺学》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反应性较好，同时进人气化段的固体物料也较少。而在气化无烟煤时，因其结构致密，挥发分少，气化强度就不能太大。对于较高灰熔点的煤炭气化时，可以适当提高气化温度，相应也提高了气化强度。四、煤炭气化过程的主要评价指标气化强度所谓气化强度，即单位时间、单位气化炉截面积上处理的原料煤质量或产生的煤气量。气化强度的两种表示方法如下：气化强度越大，炉子的生产能力越大。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。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。积单位时间、单位炉截面产生煤气量积单位时间、单位炉截面消耗原料量21qq2019/8/15《煤炭气化工艺学》四、煤炭气化过程的主要评价指标单炉生产能力气化炉单台生产能力是指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量。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计算公式如下：式中V——单炉生产能力，m3／h；D——气化炉内径，m；Vg——煤气产率,m3／kg(煤)：q1——气化强度，kg／(m2．h)。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煤气单耗，定义为每生产单位体积的煤气需要消耗的燃料质量，以kg／m3计。gVDqV2142019/8/15《煤炭气化工艺学》四、煤炭气化过程的主要评价指标气化效率煤炭气化过程实质是燃料形态的转变过程，即从固态的煤通过一定的工艺方法转化为气态的煤气。这一转化过程伴随着能量的转化和转移，通常是首先燃烧部分煤提供热量(化学能转化为热能)，然后在高温条件下，气化剂和炽热的煤进行气化反应，消耗了燃烧过程提供的能量，生成可燃性的一氧化碳、氢气或甲烷等(这实际上是能量的一个转移过程)。计算公式如下：式中η——气化效率，％；Q`——lkg煤所制得煤气的热值，kJ/kg；Q——1kg煤所提供的热值．kJ/kg；所谓的气化效率是指所制得的煤气热值和所使用的燃料热值之比．%100'QQ2019/8/15《煤炭气化工艺学》四、煤炭气化过程的主要评价指标热效率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；而热效率则侧重于反映能量的利用程度。进入气化炉的热量有燃料带入热、水蒸气和空气等的显热。热效率计算公式如下：式中L一热效率，％；Q煤气——煤气的热值，MJ；∑Q入——进入气化炉的总热量，MJ：∑Q热损失——气化过程的各项热损失之和．MJ。气化过程的热损失主要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、煤气泄