流化床气化

第六节流化床气化小颗粒煤(＜8mm)+气化剂(空气或氧气+水蒸气)流化床气化气化煤气一、流化床气化的基本原理(一)流态化现象uC----临界流化速度；uE----固体颗粒极限（最大）沉降速度。uC＜u＜uE-----流化床气化速度范围。流化床气化/流化床气化的基本原理(二)实际流化现象•空穴---鼓泡流化床。•上部分为稀相段或稀相床；下部分为密相段或密相床。•（床径/床高）之比较小时---腾涌或节涌。•大直径床---沟流（或气流短路）(三)流化床气化过程煤气干馏煤气细颗粒煤高温热解气化煤气(＜8mm)焦炭+气化剂---气化反应灰渣流化床气化/流化床气化的基本原理(四)流化床气化的特点1.气化强度大常压流化床气化炉的生产能力大约是相同直径的常压移动床气化炉的3倍。2.整个床层温度比较均匀控制床层温度低于灰分的开始软化温度。3.煤中挥发物的分解完全粗煤气中基本上不含焦油、酚类，这使得后续净化工艺和设备简单。4.飞灰形式带出的未气化的燃料损失相对量大；出炉煤气带出的显热损失较大。*燃料回收回炉*废热锅炉回收煤气显热流化床气化方法流化床气化方法：1.温克勒法常压温克勒炉：T气化：950℃常压操作流化床气化方法加压温克勒炉：T气化：1000~1100℃P气化：1.0MPa流化床气化方法2.U-gas法美国煤气化工艺研究所(IGT)开发。T气化：1000℃，P气化：0.6MPa，灰熔聚技术。流化床气化方法2.KRW法（西渥法）美国KRW(KellRustWestinghouse)能源系统公司开发。T气化：1000℃，P气化：2.6MPa，灰熔聚技术。第七节气流床气化细煤粉(＜90μm占70~85%)或水煤浆+气化剂(氧气+水蒸气)气流床气化气化煤气一、气流床气化基本原理及其特点(一)气流床气化基本原理细煤粉(或水煤浆)气化剂夹带煤料(或水煤浆泵)喷嘴以约100m/s炉膛----瞬间(1秒钟内)着火燃烧及反应。火焰区~2000℃周围气化区1500~1650℃煤气成分H2、CO、CO2，及少量的H2S和N2煤灰:•多数煤灰----高温熔融----水淬冷----粒子排出;•其余呈细灰粒与未反应的碳微粒---煤气夹带----引出炉体。气流床气化(二)气流床气化的特点(1)对煤种适应性强，气化强度高。(2)高温下(＞1500℃)操作；灰渣以液态排出；一般用纯氧、水蒸气作气化剂；70%以上的煤粉通过200目(＜90μm)筛。(3)煤气中不含焦油，酚类等化合物---后续净化系统简单；煤气中CH4含量很低，一般在0.5%以下。(4)煤气由上部排出的温度高达1400℃以上，且夹带大量末燃尽的碳及下灰-----需设置废热回收装置及采取带出物循环回炉的方法，以提高气化过程的热量利用以及提高碳的转化率。气流床气化二、气流床气化方法(1)常压气流床气化K一T法(柯伯斯----托切克法,德国)：是以干煤粉进料的常压气流床气化工艺，属于第一代气化技术。产气量：双炉头四喷嘴2.5万m3/h；四炉头八喷嘴5万m3/h。气流床气化(二)加压气流床气化1.德士古法•美国Texaco公司开发---水煤浆(含水30~35%)进料的加压气流床气化方法，为第二代煤气化技术中最成熟、商业化装置最多的技术。•在山东鲁南、上海焦化、陕西渭河化肥厂及淮南化肥厂等单位运行。•炉内温度1350~1500℃，气化压力4.3~8.3MPa。•德士古气化炉分为急冷型和度热锅炉型两种。急冷型气化炉的下部为急冷室；废热锅炉型气化炉下部为辐射式废热锅炉。•水煤浆进料形式，安全可靠，能耗减少。气流床气化/加压气流床气化2．普雷恩弗洛法(Prenflo法)该工艺是由谢尔(Shell)国际石油公司和德国克虏伯---柯柏斯(Krupp-Koppers)公司合作开发的加压气流床煤气化;实际上是K-T炉的加压气化形式。•干煤粉进料;操作压力为4.0MPa.第八节其他气化方法•熔融床气化•回转窑气化•催化气化•地下气化•核能气化其他气化方法/熔融床气化法一、熔融床气化法熔融床气化法：将煤粒和气化剂高速喷入高温的熔融浴中，产生高速旋转和涡流---气液固三相充分混合和接触，进行气化反应和热量交换---生成的煤气离开熔融浴，未反应的碳和灰浮在熔融浴表面，而后排出。熔融床的介质：熔融的盐---熔盐气化法;熔融的渣---熔渣气化法;熔融的铁---熔铁气化法。熔融床气化法/熔盐床气化法(一)熔盐床气化法洛克维尔(Rockwell)国际公司开发。炉内介质:熔融碳酸钠(980℃)。气化剂:空气(或氧气)加水蒸气。煤粒度:小于6mm。熔融床气化法/熔渣床气化法(二)熔渣床气化法德国萨尔堡—奥托(Saarberg—Otto)公司开发。炉内介质:熔融灰渣(1600~1700℃)。气化剂:氧气加水蒸气。气化压力：2.6MPa。熔渣也参与部分气化反应----起催化作用。如渣中铁的氧化物：熔融床气化法/熔铁床气化法(三)熔铁床气化法•德国和日本合作开发—称为“熔铁法纯煤气工艺(MoltenIronPuregas，简称MIP)。•粉煤与石灰、蒸汽和氧喷入高温的熔融铁床浴中----#气化煤气:CO60~65%H230~35%#煤中的硫和石灰石结合，生成渣层浮在铁浴表面上排出。•操作压力:2.96~9.87MPa气化温度:1400~1500℃其他气化方法/回转窑气化法二、回转窑气化法美国阿莱斯—卡玛(Allis—Chalmers)公司开发。•用空气和水蒸气作气化剂,在回转的气化炉内使煤转化为低热值煤气。•炉内最高温度1100℃；气化压力0.4~1.2MPa。其他气化方法/催化气化法三、催化气化法(一)催化气化原理•催化剂作用:#提高反应速度，降低操作温度和压力;#促进CO变换和CH4化反应。•常用催化剂:钾、钠的盐类和碱，铁、钙、镍、锌等金属或盐类。•以K2CO3为催化剂的催化气化反应机理:•KOH的催化机理:其他气化方法/催化气化法加压下,以水蒸气为气化剂的催化气化:气化温度700℃----水煤气反应、变换反应和甲烷化反应•气化炉反应的总热效应接近平衡，只须提供少许热量以维持炉料和气体的温度以及补偿炉体的热损失.•预热蒸汽，并将产品气中CO和H2预以循环和预热。所以它不需要氧气作为气化剂来提供热量。其他气化方法/催化气化法(二)埃克森(Exxon)催化气化法•催化剂:K2CO3或KOH----提高反应速率•气化炉:加压(3.5MPa)流化床----促进了甲烷化反应•炉内可以同时实现煤的气化，CO变换和甲烷化。其他气化方法/地下气化法四．地下气化煤的地下气化---煤层就地(地下)直接进行气化的工艺过程。•省却了煤的采掘工作;•适用煤种广泛，褐煤和各种烟煤都可进行气化。特别是对那些无法开采或开采价值不高的煤层。•气化后残余灰渣仍滞留地下。其他气化方法/地下气化法煤地下气化原理：•“气化炉”直接设在地下煤层；•地下煤层不移动，但其氧化层、还原层、干燥干馏层将横向缓慢移动，煤气化后的灰渣留在原处；•从地面鼓人的空气或富氧空气作为气化剂，煤层中水分被煤燃烧后产生的热量使其蒸发为蒸汽，参加水煤气反应；•煤气组成主要为H2、CO、N2、CO2，少量的CH4及H2S。煤地下气化方法：•有井式----需要进行地下作业，挖竖井和平巷;•无进式----只需从地面钻孔，不必进行井下作业，但它对地质条件有一定要求。其他气化方法/地下气化法(一)有井式地下气化以空气为气化剂煤气组成(体积百分数/%)：H214~17；CO15~19；CH41.4~1.5；CO29~11；N253~55；O20.2~0.3煤气的热值：3.8~4.2MJ/Nm3有井式缺点:地下作业量大；气化过程中，平巷空间愈来愈大，容易造成顶板崩塌，堵塞燃烧空间。其他气化方法/地下气化法(二)无井式地下气化从地面向煤层钻一定数量内孔，孔间距20~40m，孔的布置可以呈同心圆式，并使成对之间的煤层相互渗透。•对透气性好的浅变质程度煤层(如褐煤)，不需要进行专门处理就能渗透。•对透气性差的年老煤层，两孔之间进行贯通-----即沿着两钻孔底部建立气化通道，形成一个U形炉.贯通方法:火力渗透法(煤层渗透性差的不宜用)水力破碎法(虽较简单，但不易控制)电力贯通法(合适的导电率)定向钻孔法(与煤的性质关系不大技术要求较高)其他气化方法/核能煤气化五、核能煤气化核能煤气化----气化反应所需要的热量由核热能提供，煤全部用于气化制取煤气.----属于外热式气化.核能煤气化的气化工艺:核能煤蒸汽气化工艺核能煤加氢气化工艺其他气化方法/核能煤气化(一)核能煤蒸汽气化工艺•He/He热交热器----将反应堆的热量送到气化炉;•流化床气化炉•粘结性煤先用热生成气脱去挥发分，生成的半焦送入气化炉;非粘结性煤可直接加入气化炉。其他气化方法/核能煤气化(二)核能煤加氢气化煤的加氢气化是放热反应，不需要热量;但是加氢所需要的氢气制造是需要热量---核能供给.)(/2.20532.24吸热kmolMJHCOOHCHCat)(/3.4122.2放热kmolMJHCOOHCOCat温度850~900℃压力6~12MPa第九节煤气的改制煤气的改制包括CO变换和甲烷化。一、CO变换煤气化制煤气和部分氧化法油制燃气等均含有较高的CO，不同用途的煤气对于其中CO的含量和CO与H2的比例有不同的要求。•城市煤气限制CO的含量低于10%;•合成氨的原料气要求其中CO的含量在0.3%以下;•合成甲烷及甲醇的原料气要求其中H2/CO的比值高于3。设置CO变换工序的目的:满足不同用途的煤气对CO含量的要求。煤气的改制/CO变换CO变换反应：催化剂：（1）铁-铬系催化剂：以氧化铁为主催化剂，以氧化铬为促进剂，以及用碳酸钾、硫酸铜、氧化镁等为助催化剂所组成。适用于含硫很低的煤气；适宜温度：350~600℃（2）钴-铝系催化剂：含氧化钴1%~10%(最佳2%~5%)和氧化铝5%~25%(最佳为7.5%~15%)，以氧化铝为载体。适用于高硫煤气---催化剂以CoS和MoS形式，活性高；适宜温度：250~400℃)(/3.4122.2放热kmolMJHCOOHCOCat煤气的改制/甲烷化二、甲烷化含H2和CO较高的煤气，通过合成甲烷反应转化为甲烷含量高的煤气。•完全甲烷化CO完全转化为CH4----得到以CH4为主的代用天然气(SubstituteNaturalGas)，即SNG。•部分甲烷化一部分CO转化为CH4----使CO含量较高的低热值煤气转化为符合质量要求的城市煤气。煤气的改制/甲烷化甲烷化反应•甲烷化反应-----体积缩小的强放热反应。提高压力有利于反应向正方向进行，提高反应的平衡转化率。•甲烷化反应的主要金属催化剂，按照活性顺序是: