第五章流化床气化工艺介绍

二 常压流化床气化的特点


4.粘结煤需经预处理
措施举例：① 用流化床预氧化，破坏煤的粘结性。据 报道，可在725~750℃，0.098MPa下，用流化床预处理 煤，氧耗为0.062~0.093m3／kg。处理后煤中挥发分相应 降低，煤表面由于氧化而形成了反射率很高的表层，这类 表层还存在于煤粒的裂隙中和一些小气孔内部。粘结煤经 预氧化处理可破坏它们的粘结性，但约损失三分之一的挥 发分，固体减轻约50％，在经济上带来不利的结果。
二 常压流化床气化的特点



2.气化温度低 流化床的气化温度一般低于移动床气化炉。约控制在 850~950℃左右。其主要受限于原料的灰熔点。为了防止 原料灰分在高温床层中软化、结渣，以致破坏气化剂在床 层截面的均匀分布，产生沟流、气截等不良现象。这些条 件限制了流化床的最高床层温度也限制了产量和碳的转化 率。 由于流化床炉温较低，再加上流化床中碳的浓度相对较 低，只有活性好的煤，才能在流化床中制得质量较好的煤 气。否则，煤气中二氧化碳的含量上升，碳的转化率下降。 由于煤的干馏和气化在同一温度下进行，相对移动床干 馏区来说，其干馏温度高得多。所以煤气中几乎不存在焦 油。酚和甲烷的含量也很少，煤气的热值较低，但净化系 统简单，环境污染较小。

四 对原料的要求
流化床气化一般要求原煤破碎成<10mm粒径的煤， <1mm粒径细粉应控制10%以下，经过干燥除去大部分外 在水分，进气化炉的煤含水量<5%为宜。 试验证明流化床更适合活性高的褐煤、长焰煤和弱黏 烟煤，气化贫煤、无烟煤、焦粉时需提高气化温度和增加 煤粒在气化内的停留时间。 固体干法排渣，为防止炉内结渣除保持一定的流化速 度外，要求煤的灰熔点ST应大于1250℃，气化炉操作温度 （表温）一般选定在比ST温度低150~200℃的温度下操作 比较安全。

二 反应特性
（3）加压流化床与常压流化床相比，具有固体物料带出 量减少；氧耗降低，气化强度随着气化炉压力的提高而增加， 生产强度的增加，大约与气化压力增加值的平方根成正比。 同样生产能力下气化炉直径减少设备投资降低，使煤气利用 的后系统减少煤气压缩功耗，所以加压流化床是重要发展方 向。 （4）提高流化床煤气化炉的气化温度，可以提高碳转化 率和气化炉煤气产量，使煤气中甲烷下降，CO和 H 2 增加。


6.排出损失大
由于流化床的组成均匀，混合充分，故要选择性地排 除灰分困难很大。用传统的螺旋排灰机排出的干灰渣中含 碳量往往很高。所以，有时为了避免排出物中损失过多的 碳量，床层不得不在高灰浓度下操作以致煤气的产量和质 量均受到不良的影响。 7. 流化床中煤粒始终处于运动状态，并具有流体的特性， 所以，流化床特别适合于多器系统操作，可以方便地将固 体在各器之间转移，使气化条件的选择和产品分布上有很 大的灵活性。

二 常压流化床气化的特点


5.带出损失大
严重的带出损失是流化床的一大缺点。煤料中原有的 小颗粒组分以及在气化过程中，由于碳的消耗或热爆裂形 成的细小颗粒都有可能被煤气流所带出。带出物的碳含量 在40~60％，而且这部分飞灰的重新利用，在工艺上和设 备上均存在一定的困难。
二 常压流化床气化的特点
二 常压流化床气化的特点


4.粘结煤需经预处理
原因：②具有粘结性的煤粒，还容易发生爆裂。因为在 新鲜煤粒进入床层以后，辐射热几乎立即传递到每一颗新 的煤粒上，煤粒软化、熔融。与此同时，热解反应开始释 放挥发分，首先从煤粒表面释放，继续吸热，内部挥发分 析出。此时，坚固的半焦表层将对内部挥发分的析出造成 阻力。有一些颗粒可逐渐形成足够大的内部压力而炸裂成 许多小颗粒，产生煤粉，被气流带出而成为碳的损失。只 有当原料颗粒足够小，或粘结性足够低时，可避免热炸裂 的发生。
三 加压流化床气化的特点


2.压力对流化床气化过程的影响
表5-1 流化床加压气化与常压气化的比较

第三节 工艺过程特性
一 过程特点
流化床（或称沸腾床）煤气化过程是碎煤在反应器内 呈流化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成 煤气。主要优点是床层温度均匀，传热传质效率高，气化 强度大，使用粉煤，原料价格便宜，且煤种适应范围宽， 产品煤气中基本不含焦油和酚类物质。主要缺点是气体中 带出细粉过多而影响了碳转化率，但通过采用细煤粉循环 技术此缺点可得到一定程度的克服。

三 加压流化床气化的特点
1.压力对流化床的流体力学影响 （1）对阻力的影响 流化床的阻力降等于单位截面上床层的重力。 当加入的固体原料数量恒定，且他们的膨胀度相 同时，压力的变化，对流化床的阻力没有影响。

三 加压流化床气化的特点
1.压力对流化床的流体力学影响 （2）床层膨胀度的影响
二 常压流化床气化的特点


4.粘结煤需经预处理
措施举例：② 将原料煤与半焦预混合后，再进入流化 床层。当预混合比(半焦／原料煤)在2以上时，其压力为 3.4MPa，温度为538℃的流化床氢气氛下，可维持正常操 作；若使用更大的预混比，操作就会更安全。 若不作事先混合，也可将新鲜煤粉进入床层后与半焦相 混，但这种混合必须是迅速且彻底的，才能防止粘结。也 就是，床层中必须有足够数量半焦和足够大流化床容积。
二 反应特性
（1）流化床煤气化的主要反应包括：煤热解反应、热解气体二次反 应、煤焦与二氧化碳及水蒸气反应、水蒸气变换反应和甲烷化反应。

图5-2 无烟煤在流化床气化炉气化中气体组成及温度分布

（2）
二 反应特性
（2）流化床煤气化炉通过的气体流量，一方面受使床层煤粒流化的 最低流化速度—临界流化速度的限制，另一方面受煤粒的最大流化速 度—终端流化速度（吹出速度）的限制，在两者之间寻求最佳流化速度。 如果流化速度低于临界流速，床层煤粒不能流化而容易造成结渣， 操作恶化甚至停炉。如果流化速度高于终端流速，床层煤粒将被煤气大 量夹带冲出炉外，破坏床层温度，使操作无法进行。 临界流化速度与固体粒度和流体的物理性质有密切关系，可以用实 验方法准确求得，也可以通过实际生产中总结出的经验公式进行计算。 流化床气化炉的操作速度和临界速度之比称为流化数，试验得出在 最佳流化速度下，对应的流化数为1.4~2.0，床层的膨胀比为1.5~2.0，颗 粒的 dmax / dmin =5~6。可以用流化数评价流化床操作状态。
三 流体力学条件
3 夹带分离高度
流化床内在床层料面以上，相当数量的固体颗粒被气体 带出。气体出口越高，夹带量越小，最后，在某一高度上夹 带量趋近于常数。夹带接近常数的气体出口处距床层料面的 高度称为输送分离高度TDH。对给定的颗粒和反应器，夹带 2 4 u ~ u 量对气速非常敏感，约为 的关系变化。但TDH对气速 不敏感，对给定的气速TDH随反应器直径增大而增加。


当气流的重量流量不变时，随着压力的提高床层膨胀 度α 急剧下降。为了使α 达到保证正规流化所必需的值， 则须提高气体的线速度即增加鼓风量。同时也使气体在床 层中的停留时间相应增加，从而为强化气化过程创造了条 件。而且，一般情况下加压流化床的工作状态比常压下稳 定。
三 加压流化床气化的特点
1.压力对流化床的流体力学影响 （3）对带出物带出条件的影响



随流化床反应器中压力的升高，由于气流密度增大， 气流速度减小，床层结构的改善以及反应区流体力学状态 的变化，这些都为减少气流从粒度组成较宽的床层中带出 粉末创造了有利的条件。此时，不仅带出量下降，而且， 带出物的颗粒尺寸也减少了。 所以当床层膨胀度不变时，压力升高将使带出量大大 减小。
三 加压流化床气化的特点

三 流体力学条件
1 极限临界速率
当气体流速高于临界流化速度 umf 而低于其对应的极限 沉降速度 u t 时，呈流化状态。当气速大于 u t 时，颗粒将被 气流夹带出床层。

2 流化床床层的膨胀和颗粒运动
• 流化床床层的膨胀是相对固定床而言的。流化床床层的体积比固定 床大，其体积比称为流化床的膨胀比。 • 流化床的相对密度：流化床与固定床床层密度之比。 • 颗粒在流化床内剧烈运动是流化床的标志。由气化炉炉身和炉栅结 构决定，可分为有规则运动和无规则运动。当炉栅直径等于炉身直径时， 颗粒运动是不规则的；当炉栅直径小于炉身直径时，颗粒呈有规则流化， 颗粒被吹到炉栅上部中央，然后从四周下降，形成内部循环。
第五章 流化床煤气化工艺
第一节 概述
已工业应用的主要气化炉类型简介


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 一般称为固定床。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，即团体颗粒具有了流体的特性， 这时的床层称流化床。 流化床气化炉是用流态化技术来生产煤气的一种气化装 置，也称沸腾床气化炉。气化剂通过粉煤层，使燃料处于 悬浮状态，团体颗粒的运动如沸腾的液体一样。气化用煤 的粒度一般较小，比表面积大，气固相运动剧烈，整个床 层温度和组成一致，所产生的煤气和灰渣都在炉温下排出， 因而，导出的煤气中基本不含焦油类物质。
第二节 流化床气化的基本原理


一 常压流化床的成气过程 在流化床气化炉内，主要进行的反应有：碳的燃烧反应、 二氧化碳还原反应、水蒸气分解反应以及水煤气变换反应等。
图5-1 无烟煤在流化床气化炉气化中气体组成及温度分布
二 常压流化床气化的特点
1.气化强度高 流化床气化采用的原料颗粒较细，气化剂的流速很高， 并在剧烈的搅动和反混状态下，气固接触好，传热强度大， 有利于非均相反应速度的提高。所以，流化床的气化强度 大大高于移动床。直径4m的常压流化床气化炉，操作温 度为1000℃时，单炉产气量可达5万m3/h。
炉型：德国有高温温克勒HTW及Lurgi公司的 CFB；美国有U-gas、KRW气化炉等；中国有ICC灰 熔聚气化、灰黏聚多元气化恩德炉流化床等。


流化床气化工艺的反应动力学条件好，气固两相间扰 动强烈，气化强度较大。适合于活性较高的年轻煤及褐煤 半焦的气化。对原料的粒度一般要求为0.5~6mm，还适合 于含灰较高的劣质煤。炉内温度不高，煤气出口为900℃， 材料的选择容易。可用空气、氧或富氧气化，煤气热值较 低，煤气中的焦油和酚类含量少，净化系统简单，污染少。 可以进行炉内脱硫，环保性能好，总的造价较低。
第二节 流化床气化的基本原理


一 常压流化床的成气过程 流化床气化采用0.5-6mm的小颗粒煤作为气化原料。气 化剂同时作为流化介质，通过流化床的气体分布板自下而上 经过床层。根据所用原料的粒度分布和性质，控制气化剂的 流速使床内的原料煤全部处于流化状态，在剧烈的搅动和回 混中，煤粒和气化剂充分接触同时进行着化学反应和热量传 递。利用碳燃烧放出的热量进行着煤粒的干燥、干馏和气化。 生成的煤气在离开流化床床层时，夹带着大量细小颗粒（包 括70％的灰粒和部分未完全气化的碳粒)由炉顶离开气化炉。 部分密度增重后的渣粒由炉底排灰机构排出。
二 常压流化床气化的特点
3.热损失大 在流化床内，整个床层的温度分布均匀，其波动 范围不超过5℃，故不会产生局部过热现象。但煤 气的炉出温度很高，热量损失较大，为此，需设 置规模较大的废热回收系统。

二 常压流化床气化的特点


4.粘结煤需经预处理wenku.baidu.com
原因：①流化床在使用具有膨胀或粘结性能的原料煤时， 会遇到较大困难。因新鲜的煤料突然注入运行中的流化床 气化炉时，煤粒几乎立即升温到床层的温度。此时，煤粒 发生吸热反应(煤的热解及水蒸气分解反应等)的速度较慢， 颗粒将由于剧烈升温而软化，生产胶质体，并与其它同类 颗粒粘结成更大的颗粒。而且，很快发展成坚硬的半焦， 致使床的流态化停滞或塌陷，而无法操作。

2.压力对流化床气化过程的影响
（1） 加压流化床与常压流化床相比，压力对气 化过程最大的影响是使气化炉的生产能力得到了很 大的提高。
三 加压流化床气化的特点

2.压力对流化床气化过程的影响
（2）加压气化有利于提高煤气组成中的有效成分。压力 的提高，有利于甲烷的生成反应，故在压力煤气中，甲烷 含量均高于常压煤气，使煤气热值得到相应提高。甲烷生 成热的释放，降低了气化的氧耗。如若氧气用量不变，则 炉温可得到相应提高，在灰熔点允许的范围内，炉温的适 当提高则有利于一氧化碳和氢气的生成，并可部分抵消因 压力增加，对该两反应造成的不利影响。