气化技术原理及其应用

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弥散/雾化
多相湍流流动
气
流
高温高压
床 多相化学反应
气 水冷壁内
化 水动力与传热
熔渣流动 相变传热
原料输配
煤粉下料 煤粉浓相气力输送
浆态非牛 顿流体流动
含渣水处理
气液固三相 流动传递分离
气化技术原理及气其流应用床煤201气7.1化1 系Bei统jng及工艺研究
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3. 气化技术原理与开发放大方法
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气流床反应器基本结构
(1) 气化炉（反应）与喷嘴（进料） (2) 气化炉构成:承压外壳、耐温内衬
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气化炉整体
外壳
耐温内衬
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喷嘴
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3. 气化技术原理与开发放大方法
原料输配
气流床气化
合成气除灰 能量回收
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原始合成气
气化
成品合成气
净化 合成
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产品
甲醇 氨 醋酸 烯烃 氢气 液体燃料 发电 还原炼铁 燃料电池
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2. 气化技术分类
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2.气化技术分类
（一）根据反应器分类
燃料形态 固体燃料粒度 炉内平均停留时间 气化/出口温度,℃ 单炉能力,t/d
气液固三相流动、热质同时传递及其分离、
炉内高温辐射传热
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煤炭气化及其应用
煤气化技术是其清洁高效利用的龙头
中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议 能源发展战略行动计划2014-2020年（国务院(2014)31号文）
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煤基高效清洁灵活的多联产系统
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碳转化率较低 飞灰含量高 工程放大
气流床
固 态/液 态 <300μm 3—8 S 1300-1600 500-3000
碳转化率高 煤种适应性强 环境友好
投资较大
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2.气化技术分类
气流床
GE OMB
Siemens(GSP)
流化床
HTW
移动床
Lurgi
1500t/d
Shell
3000t/d
2000t/d
需要在高速气流（>100m/s）剪切作用下雾化成细小液滴
粉煤（高压密相气力输送）：
体积平均粒径为60~80μm，90%粒径小 于100μm。典型的粘附性粉体。
（小气速即可弥散）
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2.气化技术分类
（二）按照气化炉传热分类
(1) 绝热式——耐火砖内衬 (2) 移热式——水冷壁内衬
烯烃
江苏灵谷 2台4.0MPa-2000TPD
氨 扬子石化 2台4.0MPa-1000TPD
氢气
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华鲁恒生 1台6.5MPa-1000TPD
甲醇
江苏索普 3台6.5MPa-1500TPD
甲醇
上海焦化 2台4.1MPa-2200TPD
甲醇、CO
华电半山 1台3.5MPa-2200TPD
气化技术原理及其应用
报告人：龚 欣
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华东理工大学
洁净煤技术研究所 煤气化及能源化工教育部重点实验室
上海煤气化工程技术研究中心 中国石化-华东理工大学气化技术研究中心
国家能源煤气化技术研发中心（筹）
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试验16种煤（包括无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦等）
1993 2000 t 煤/d 250MW的 IGCC示范装置 (Buggenum)，
2013 与惠生合作建成首套下行激冷粉煤气化装置
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Shell 粉煤气化技术
粉煤原料、多喷嘴、水冷壁
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Shell 粉煤气化技术
1972 煤气化过程开发 1976 6 t 煤/d 试验装置（Amsterdam）
试验过30多种煤，累积运行1.3万小时
1977 150 t 煤/d 装置 (Hamburg)
累积运行6000小时
1987 250-400 t 煤/d 装置 (Houston)
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煤气化重大产业化科研成果
多喷嘴对置式水煤浆气化技术 粉煤加压气化技术
国际上唯一拥有水煤浆和粉煤气化 两类产业化技术的研发机构
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专利
授权100余项中国专利，授权3项美国专利
发明专利80余项
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工程问题 关键设备的工程放大
原料输配 系统的高效性与可靠性
超浓相
关 术 气固两相流动、 键 技 浆态非牛顿流体
喷嘴结构 气化炉结构与喷嘴配置 合成气初步净化与能量回收 高粘度熔融灰渣
流动与雾化、 粉体
沿壁流动相变与传热、
科 题 在湍流流场中的弥散、 多相多源撞击湍流流、
学 问 高温、加压条件下非均相化学反应、
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获奖
2016年国家科技进步二等奖 2007年国家科技进步二等奖
2015年上海市技术发明特等奖 2015年上海市科技进步一等奖 2015年山东省科技进步一等奖 2010年上海科技进步一等奖 1998年上海市科技进步一等奖
2013年中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖
2006年中国石油和化学工业协会科技进步特等奖两项
水煤浆气化技术特点
主要优点：
(1) 原料制备、输送与计量控制简单、安全可靠； (2) 操作压力高，可达6.5-8.5 MPa ；
(3) 世界商业化市场占有量大，技术最成熟;
(4) 投资较干煤粉原料低。
主要缺点：
(1) 冷煤气效率比干煤粉进料低5～6个百分点； (2) 碳转化率偏低，～95％ ； (3) 喷嘴寿命约2～3个月； (4) 耐火砖寿命约一年； (5) 单喷嘴设置，变负荷范围窄；不易大容量操作。 (6) 合成气洗涤系统易带水、带灰、堵渣。
Siemens(GSP) HT-L炉
清华炉 SE
两段炉
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Texaco 水煤浆气化技术
1952 年开发成功渣油气化炉 1975—1978年Montebello进行中试装置研究（激冷流程） 1978年西德建示范装置（废锅流程，150t煤/d，4.0MPa） 1982年建成180t煤/d，3.6MPa装置 1983年建成820t煤/d，6.5MPa装置 1984年在日本建成1500t煤/d，3.6MPa UBE装置、
FT
青海盐湖 3台6.5MPa-2200TPD
甲醇
神华宁煤 3台4.0MPa-2000TPD
甲醇
兖矿鲁化 1台4.0MPa-1150TPD
甲醇
兖矿国泰 1台4.0MPa-1150TPD
甲醇、电力
烟台万华 3台4.0MPa-1500TPD
甲醇
新能凤凰 3台6.5MPa-1500TPD
甲醇
盛大宁东 2台6.5MPa-2000TPD
内壁挂渣
上部
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下部及锥底
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2.气化技术分类
（三）按照气化产物的物流流向分类
气化产物：夹带少量细灰的高温合成气、液态熔渣
GE
OMB
Shell
GSP HTL SE
气-渣并流式 气-渣分流式
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气化及其产物
气化与燃烧的区别 （部分氧化/完全氧化）
气化主要产物
燃烧主要产物
CO
C
CO2
H2
H
H2O
N2
N
NOx
H2S
S
SOx
O
O2
气化过程无SOx、NOx排放
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气化原料与产品的多样性
原料
多样性
煤 天然气 石油焦
石油 生物质 回收产物 低品质物
（1）耐火砖内衬气化炉特点
热损失小，能量利用率高
气化反应温度< 1300 ℃， 不适合高灰熔点煤种
耐火砖需定期更换 气化炉启动升温过程较长运行
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高铬砖 铬刚玉砖
氧化铝 空心球砖
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2.气化技术分类
(2)移热式——水冷壁内衬
适应气化反应温度：1300~1600℃
1000t/d
1500t/d
高压 高温 大规模 高效
代表煤气化技术发展方向
大型现代煤化工系统均采用气流床气化技术
3000t/d
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2.气化技术分类
（二）根据气化原料形态分类
水煤浆（高压泵送）：
煤、水、表面活性剂组成含水~40%的浆体 ——非牛顿流体
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粉煤气化技术优势
（干煤粉气化 与 水煤浆气化技术比较）：
1. 原料消耗降低：比氧耗量降低～20％，比煤耗量降低～7％； 2. 碳转化率高达99％（水煤浆约为95％）, 3. 原料煤种适应性广； 4. 调节负荷方便； 5. 设备使用寿命长：气化炉寿命20年、喷嘴寿命1年。
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兖矿内蒙 3台6.5MPa-2500TPD
甲醇
兖矿新疆 3台6.5MPa-1500TPD
甲醇
泛海能源 3台6.5MPa-1500TPD
甲醇
内蒙天野 2台4.0MPa-1000TPD
甲醇
山东海力 2台6.5MPa-2000TPD
氨
五原金牛 2台6.5MPa-1300TPD
合成氨
未来能源 8台4.0MPa-2000TPD
甲醇
国内外48家
山东久泰 6台6.5MPa-2000TPD
137台气化炉
甲醇、二甲醚
河南心连心
3台6.5MPa-1200TPD
盈德安阳
合成氨
2台4.2MPa-2200TPD
合成氨
安徽华谊 3台6.5MPa-1500TPD
甲醇
贵州开阳 2台4.0MPa-1000TPD
合成氨
中安联合 7台4.0MPa-1500TPD
电力
宁波万华 3台6.5MPa-1200TPD
甲醇、氨
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讲座主要内容
1.煤气化及其应用 2.气化技术分类 3.气化技术原理与开发放大方法 4.OMB水煤浆气化技术及
SE粉煤气化技术
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1.煤气化及其应用
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主要优点
移动床
固态 15—30mm 15-30 min
800-1000 / 350-400 500—1500
原料消耗较低 甲烷含量高 投资较低
流化床
固态 0.5-5mm
5-50 S 900-1000 600-1000
原料消耗较低 煤种适应性较好
主要问题
煤种适应性差 污水处理难
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以渣抗渣原理图
渣钉/SiC
沿壁面径向温度分布
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2.气化技术分类
水冷壁内衬气化炉特点:
反应温度高，煤种适应性强 生产周期长，气化炉寿命长 气化炉启动运行迅速 气化炉热损失相对偏大（比热壁炉高~1.5个百分点） 气化炉操作系统相对复杂
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气化及其产物
气化过程
原料+氧+气化剂
CHSNOAsh + O2 + H2O
高温、高压条件
主产物
CO 、H2 、CO2 、H2O
少量： H2S N2 CH4 微量： NH3 COS HCN
灰渣
SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3 等
气化原料种类多、高碳转化率、环境友好
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2.气化技术分类
（四）按照热量回收方式分类
激冷流程
废锅流程
半废锅流程
工艺简单，投资低；耗 水量大，热回收效率低， 更适用全变换工艺
热效率高，水耗少， 适合发电；设备投资 高资高
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各类工业应用气流床反应器
水
GE
煤
浆
气
化
炉
OMB
Shell
粉 煤 气 化 炉
2015年中国石化科技进步一等奖
2006年全国高校十大科技进展
2006年中国高校－企业合作创新十大案例
2004年煤炭工业十大科技成果
2002年中国电力科技进步二等奖
2001年“九五”科技攻关优秀成果奖
气化技术原理及 其…应…用 2017.11 Beijng
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煤气化技术国内外应用（水煤浆/粉煤）
美国CoolWaterIGCC电站（910t煤/d，二台炉，4.0MPa） 1996年7月投运：2000t煤/d，2.8MPa，IGCC Tampa电站。
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Texaco水煤浆气化技术
气化技术原理及其应用 2017.11 Beijng
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