化工工艺学第五章煤的气化资料

六阶段循环时间分配表
阶段名称
吹风阶段 蒸气吹净阶段 上吹制气阶段 下吹制气阶段 二次上吹阶段 空气吹净阶段
3 min循环/s
40～50 2
45～60 50～55 18～20
2
4 min循环/s
60～80 260ຫໍສະໝຸດ 70 70～90 18～202
在上吹制气阶段，让空气与水蒸气一起进入气化炉，这样不仅能制 得含氮的水煤气(半水煤气)，而且可适当提高炉温，提高生产能力。
发生炉结构组成： 炉体、加煤装置、 排灰装置
发 生 炉 中 各 层 特 点
煤气化的物理化学基础
气化反应化学平衡 煤气化就过程而言包括煤的干馏和干馏半焦与气化剂的气化反应。
煤的干馏反应相对较快，而干馏半焦的气化反应较慢。参与反应的 气体可能是最初的气化剂，也可能是气化过程的产物。煤中少量元 素 氮 和 硫 在 气 化 过 程 中 产 生 了 含 氮 和 含 硫 的 产 物 ， 主 要 是 NH3 、 HCN、NO、 H2S、COS、CS2等。煤干馏半焦中主要成分是碳，故 讨论平衡反应时通常只考虑元素碳的气化反应。
4） 压力对气化炉生产能力的影响 提高生产能力（气化强度提高，反应速率加快，碳的转化率较高）
5） 压力对煤气产率的影响 降低（气体体积减小，煤气中二氧化碳含量高）
6） 压力对煤气输送动力消耗的影响 节省煤气输送的动力消耗，减少煤的运输费用
固态排渣移动床加压气化炉
鲁奇炉(Lurgi) 采用氧气-水蒸气或空气-水蒸
水煤气
水煤气是由炽热的碳和水蒸气反应所生成的煤气，主要由 CO和H2组成。燃烧时呈蓝色，所以又称为蓝水煤气。
碳与水蒸气反应作为强吸热反应，需提供水蒸气分解所需的 热量，一般采用两种方法：
a. 交替用空气和水蒸气为气化剂的间歇气化法； b. 同时用氧和水蒸气为气化剂的连续气化法。
1） 理想水煤气
吹风阶段： 先通空气
流化床气化炉
② 流化床气化炉
原料：3-5 mm的煤粒 加料方式：上部加料 排灰方式：固态 灰渣和煤气出口温度：接近
炉温 炉内情况：悬浮沸腾，煤与
气化剂传热快，温度均匀
气流床气化炉
③ 气流床气化炉
原料：粉煤（70%以上通 过200目）
加料方式：下部与气化剂 并流加料（并流操作）
排灰方式：液态排渣 灰渣和煤气出口温度：接
液态排渣气化炉的基本 原理是，仅向气化炉内通 入适量的水蒸汽，控制炉 温在灰熔点以上，使灰渣 呈熔融状态自炉内排出。
2.2×1017 2.4×1015
1.04 0.577
4.4×1011 4.9×1010
0.333 1.77×10-4
➢ 温度高，气 化反应进行 比较完全。
➢ 压力高，生 成甲烷多， 因此高压气 化可以得到 含甲烷多、 热值较高的 煤气。
气化反应平衡组成与温度压力关系
气化反应动力学
第一步
气化剂向固体(碳)表面转移或扩散。
燃烧及气化反应热、平衡常数
反应
非均相反应 燃烧
部分燃烧 炭与水蒸气反应 Boudouard反应
加氢反应 均相反应
氢燃烧 CO燃烧 水煤气反应 甲烷化反应
反应式
反应热ΔHk kJ·mol-1
C+O2=CO2 2C+O2=CO C+H2O=CO+H2 C+CO2=2CO C+2H2=CH4
-406.4 -123.2 118.6 160.9 -83.8
加压移动床气化过程原理及影响因素 1） 压力对煤气组成的影响
C+2H2=CH4+84.3kJ mol
CO+3H2=CH4 +H2O+219.3kJ mol CO2+4H2=CH4+2H2O+162.8kJ mol 2CO+2H2=CO2+CH4+247.3kJ mol
在相同温度下，随着气化压力 提高，煤气中甲烷和二氧化碳含量 增加，一氧化碳和氢含量减少。
13.5 27.5 5.5 52.8 0.5 0.2 5000-5200
48.4 38.5 6.0 6.4 0.5 0.2 10000-11300
半水煤气 蒸气、空气 40.0 30.7 8.0 14.6 0.5 0.2 8800-9600
混合发生炉煤气
以空气和水蒸气为气化剂，制得的煤气为发生炉煤气。
气为气化剂，在2.0～3.0 MPa和 900～1100℃下进行连续气化。
双层壳体（内外两层厚刚 结 筒间形成水夹套，可引出
构
供气化炉使用）；
设有煤分布器和搅拌器
特 （破粘）；
点 塔节型炉箅且设有破渣装 置（气化剂均匀分布）；
液态排渣移动床加压气化炉 BG/L熔渣气化炉
液态排渣气化炉操作温 度一般在1100～1500℃， 操作压力为2.35～3.04MPa。
因此水蒸气用量有一个最佳点， 即避免灰熔融结渣的最低限度。
5） 混合煤气发生炉 3M13型和W-G型炉
3M13型煤气发生炉 <特点> 炉内带有搅拌棒破粘 双滚筒连续进料 回转炉箅连续排灰 主要适用于长焰煤、气
煤等弱粘结性煤种
3M13型煤气发生炉
1．料斗； 2．煤斗闸门； 3．伸缩节； 4．计量锁煤器； 5．计量锁气器； 6．托板和三角架； 7．搅棒； 8．空心柱； 9．蜗杆减速机； 10．圆柱减速机； 11．四头蜗杆； 12．灰盘
聊城大学2013级化工工艺学讲义
➢ 概念：煤的气化（Coal gasification)是以煤或煤焦（半焦） 为原料，以氧气（空气、富氧空气或纯氧）、水蒸气或氢气 等为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应 把煤或煤焦中的有机质转化为煤气的过程。
O2、H2O、H2，根据产热 方式和煤气用途选择性供 入（ H2 很少用）
3） 常压水煤气发生炉
结构特点： 炉体用钢板卷焊而成； 炉顶及炉上部耐火材料； 下部装有水夹套。 炉顶有手动和半自动的加料器 炉下部偶偏心叠合炉箅—排渣； 可调节的灰梨—排灰。
主要组成：上锥体、水夹套、炉 箅传动装置、出灰机械、炉底壳
U.G.I水煤气发生炉
1.外壳；2.安全阀；3.保温材料；4.夹套 锅炉；5.炉篦；6.灰盘接触面；7.炉底；8. 保温砖；9.耐火砖；10.液位计；11.涡轮；
➢ 气化条件：气化炉、气化剂、供给能量（三者缺一不可）
➢ 气化产品：CO、H2、CH4
煤的气化是最有应用前景的技术之一
煤气化过程
CO2(g) + C(s) → 2CO(g)+161kJ/mol H2O(g) + C(s) → CO(g)+H2+119kJ/mol C(s) + O2(g) → 2CO2(g)-406kJ/mol
2H2+O2=2H2O 2CO+O2=2CO2 CO+H2O=CO2+H2 CO +3H2=CH4+H2O
-241.1 -283.6 -42.4 -206.7
平衡常数
800℃
1300℃
1.8×1017 1.4×1017
0.807 0.775 0.466
1.5×1013 4.56×1015 1.01×102 3.04×102 1.08×10-2
根据气化剂不同，移动床气化煤气可分为空气煤气、混合发生炉煤 气、水煤气和半水煤气等。
几种煤气组成
煤气名称
空气煤气 混合发生 炉煤气 水煤气
气化剂
空气 空气-蒸气
水蒸气
煤气组成/V％
热值
H2 CO CO2 N2 CH4 O2 （kJ/M3）
2.6 10 14.7 72.0 0.5 0.2 3800-4600
1实际水煤气h2间歇法制水煤气的工作循环吹空气吹风蓄热和吹水蒸气制气两个阶段吹风阶段水蒸气吹净阶段上吹制气阶段下吹制气阶段二次上吹制气阶段空气吹净阶段序号阶段名称吹风阶段蒸气吹净阶段上吹制气阶段下吹制气阶段二次上吹阶段空气吹净阶段4050456050551820607070901820六阶段循环时间分配表在上吹制气阶段让空气与水蒸气一起进入气化炉这样不仅能制得含氮的水煤气半水煤气而且可适当提高炉温提高生产能力
煤气组成与气化压力的关系
2） 压力对氧气耗量的影响
甲烷生成反应放热成为气化炉内除碳燃烧反应以外的第二热源， 可为水蒸气分解、二氧化碳还原等吸热反应提供热源从而减少了碳 燃烧反应中氧的消耗。故随气化反应压力提高，氧气的消耗量减少。
3） 压力对水蒸气耗量的影响 P↑ CH4↑ H2↑
水蒸气分解生成的氢气是甲烷生成反应中氢的重要来源。 提高气化压力，H2O分解率↓，只有增加水蒸气耗量，使得生成氢 气的绝对量增加。（为防止结渣和利于甲烷化的反应，加压时水蒸气总 耗量为常压时的2.5~3倍）
制气阶段： 再通水蒸气
C O2 3.76N2 =CO2 3.76N2 406.418kJ mol碳
3C.42HC2O=3C.4O2H H2O2=31.1482.C82O1kJ3m.4o2lH碳2 406.418kJ mol 碳
理想水煤气生产过程： 4.42C O2 3.76N2 3.42H2O=CO2 3.76N2 3.42CO3.42H2
❖ 按化学计量方程供入空气和水蒸气且无过剩；
❖ 气化系统为孤立系统，系统内实现热平衡。
煤 CO 4.07 4.07 2.07 3.76100%=41.1%
气 组
H2
2.07 4.07 2.07 3.76100%=20.9%
成 N2 3.76 4.07 2.07 3.76100%=38.0%
2C+O2 +3.76N2 =2CO+3.76N2 246.435kJ mol碳
C2.+0H7C2O+=2.C0O7H+H2O2 =21.1087.C82O1+k2J.0m7oHl2碳 246.435kJ mol 碳
1）理想发生炉煤气 ❖ 气化纯碳，且碳全部转化为CO；
CO:H2:N2=4.07:2.07:3.76
12.涡杆；13.油箱
加压移动床气化 有利于CH4的生成，提高煤气的热值。
常压移动床气化的主要局限：煤气热值低，煤气中CO含量高，不能 满足城市煤气要求，气化强度低，生产能力有限，煤气不宜远距离输送。
加压气化炉与常压气化炉类似，原料自上而下，气化剂自下而上，逆 流接触，煤碳由固态向气态转化。
炉内料层：干燥层、干馏层、甲烷层、气化层、氧化层和灰渣层。
➢ 第二还原层：
C+CO2→2CO-Q CO+H2O→CO2+H2-Q （CO↗，H2↗）
➢ 气相：
CO+H2O→CO2+H2-Q （CO2↗，H2↗）
3） 水蒸气对气化过程的影响
水蒸气的作用—改善煤气质量， 提高煤气热值，同时分解时吸收热 量，可降低炉温，防止结渣。
水蒸气气量过大，导致炉温太低， CO2还原反应速率降低，且未分解 的水蒸气量增加，热效率下降。
2）沿气化炉料层高度煤气组成的变化
气相
燃料层厚度/cm
混合发生炉煤气组成随燃料层高度的变化曲线
➢ 炉渣层： 气化剂（O2 ，H2Ｏ）被预 热，气体组成不变；
➢ 氧化层： C+O2→CO2+Q(O2↘，CO2↗) ， C+0.5O2→CO+Q(O2耗尽，出现 CO，CO2↘)
➢ 第一还原层：
C+CO2→2CO-Q C+H2O→CO+H2-Q （CO↗，CO2↘ ，H2↗）
吹风气总量 理想水煤气中H2：CO=1:1 实际水煤气H2含量高于CO（ CO＋H2O＝ CO2 ＋H2）
水煤气总量
2） 间歇法制水煤气的工作循环 吹空气(吹风蓄热)和吹水蒸气(制气)两个阶段
吹风阶段
水蒸气吹净阶段
上吹制气阶段
空气吹净阶段
二次上吹制气阶段
下吹制气阶段
序号
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
高热值:>33494kJ/m3
部分氧化法（自热）
供热方法
间接供热（外热） 利用气化反应释放热供热
反应器
移动床 沸腾床 气流床 熔融床
移动床气化炉
① 移动床气化炉
原料：6-50 mm块煤或煤焦 加料方式：上部加料 排灰方式：固态或液态 灰渣和煤气出口温度：不高 炉内情况：煤焦与产生的煤
气、气化剂与灰渣都进行逆 向热交换（逆流操作）
近炉温 炉内情况：煤与气化剂在
高温火焰中反应
移动床气化
煤的移动床气化是以块煤为原料，煤由气化炉顶加 入，气化剂由炉底送入。气化剂与煤逆流接触，气化反 应进行得比较完全，灰渣中残碳少。产物气体的显热中 的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度 低，灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化效率 高。这是一种理想的完全气化方式。
威尔曼-格鲁夏(W-G)煤气发生炉
<两种形式> 其一：无搅拌装置的用于气化无 烟煤、焦炭等不粘结性燃料； 其二：有搅拌装置的用于气化弱 粘结性烟煤。 国内常用不带搅拌装置的。 <特点>： 液压加料，煤连续进入炉内，液 压干法除灰，全水夹套。
威尔曼-格鲁夏(W-G)煤气发生炉
1、山渣机 2、灰斗 3、炉栅 4、炉体 5、汽包 6、炉顶 7、双钟罩加烧煤箱 8、斜桥上煤装置
反
第二步
气化剂被吸附在固体(碳)表面。
应 历
第三步
被吸附的气化剂在固体(碳)表面起反应而 形成中间配合物。
程
第四步
中间配合物的分解或与气相中到达固体(碳) 表面的气体分子发生反应。
第五步
产物从固体(碳)表面解吸并扩散到气相。
煤气化炉原理和分类
煤气热值
低热值:<8374kJ/m3 中热值:16747-33494kJ/m3