煤气化

2. 1煤气化技术概述
2.1.1煤气化的含义
煤的气化过程是热化学过程，煤或煤焦与气化剂(如空气、氧气、水蒸汽、氢气等)
在高温下发生化学反应，将煤或煤焦中的有机物转变为煤气地过程(煤气是煤与气化剂在
一定条件下反应得倒的混合气体，即气化剂奖每种的碳转化成可燃性气体。

煤气的有效组成成分为一氧化碳、氢气和甲烷。

)。

煤气化过程是进行的一个复杂的多相物理及物理化
学过程，反应产生碳的氧化物、氢气、甲烷。

主要是固体燃料中的碳与气相中的氧气、水蒸汽、二氧化碳、氢气之间相互作用。

通过煤气化方法，几乎可以利用煤中所含的全部有机物质，因此，煤气化生产时或得基本有机化学工业原料的重要途径，也可以说，煤气化是将煤中无用固体脱除，转化为洁净煤气的过程，用于工业燃料、城市煤气和化工原料。

2.1.2煤气化技术的含义
煤气化技术即煤气化过程所采用的设备、方法。

煤气化是煤化工最重要的方法之一。

煤气化己经有150多年的历史，气化方法有
7080种。

开发、选定新型煤气化技术，不仅是经济、合理、有效地利用煤炭资源的重要
途径，也是发展煤化工的基础。

中国目前采用的煤气化技术除常压固定床煤气发生炉和水煤气发生炉外，开发和引进了水煤气两段炉、鲁奇加压气化炉和Texaco水煤浆气化技术、Shell气化技术。

目前，
新建厂多采用效率较高、制取煤气成分较好的加压Texaco水煤浆气化工艺、加压干粉煤Shell气化工艺和具有自主知识产权的多喷嘴技术。

(2)煤气化过程的主要工艺指标
煤气化技术的工艺指标是评价煤气化技术好坏的一个重要方面，只有指标优良的煤气化技术才能给企业带来良好的经济效益，并且节能环保。

通常选择合适的煤气化技术依据的工艺指标有煤气质量、有效气体含量及组成、碳转化率、冷煤气效率等。

1)煤气质量:煤气质量由煤气热值和煤气组成构成。

a.煤气热值:指一标准立方米的煤气在完全燃烧是所放出的热量。

相同所作条件
下，煤气热值与气化炉炉型、气化剂类型、操作压力以及煤的挥发分有关。

气
化后制得的煤气中甲烷含量越高，则热值越高;煤的挥发分越低，煤气的热值
越低;操作压力越大，煤气热值越大;气化剂中氮气含量越高，则煤气的热值
越低。

b.煤气质量:煤气质量通常是指产出的合成气中的有效气体成分，有效气体成分
越高，则煤气质量越好。

2)气化强度:指在单位时间内，单位气化炉截面积上处理原料煤的质量或产生的煤
气量。

即:
气化强度与气化炉炉型、气化剂供给量、气化操作条件以及煤的质量等有关。

气化强
度越大，炉子的生产能力越强。

3)煤气产率:指气化单位质量原料煤得到的标况下的煤气体积(m3/kg)。

原料煤的灰
分越大，煤气产率越低;原料煤含碳量越高，煤气产率越高。

4)灰渣含碳量(原料损失):灰渣含碳量用灰渣中碳所占的百分数表示。

一般情况下，
固定床和流化床气化炉排出的灰渣含碳量要求低于10%，最好在5%以下。

干法进料
气流床灰渣含碳量一般为1%一下，水煤浆进料一般在5%一10%0
飞灰含碳量(%):指煤气夹带着为反应的煤粒出路，造成原料煤能量转化的损
失。

气化过程中，气流速度越大，造成损失越大。

飞灰量越少，含碳量越低，
则气化效率越高。

b.灰渣含碳量(%):指由于为反应的原料被熔融的灰分包裹着而不能与气化剂接触而形成碳核，这些碳核随灰渣一起排出炉外造成原料煤能量的损失。

气化过
程的操作温度越高，灰渣含碳量越小。

5)碳转化率:指在气化过程中消耗的(参与反应的)碳量占进入气化炉内的原料煤中
总含碳量的百分数。

不同气化炉的谈转化率一般为90%}-99%，其中干粉煤进料气
流床气化炉的谈转化率最高。

6)气化效率与气化热效率:衡量煤气化过程能量合理利用的重要指标。

a.气化效率:指所制得的煤气热值和所使用的燃料热值之比。

b.气化热效率:指煤中的能量有多少转移到煤气中。

7)单炉生产能力:指单位时间内，一台炉子能生产的煤气量，是企业综合经济效益中
的重要考核指标。

单炉生产能力主要与气化炉的内径、气化强度以及原料煤的煤气
产率有关。

8)消耗指标:
a.
水蒸汽消耗量:指气化lkg煤所消耗水蒸气的量，水蒸汽消耗量主要受原料煤
的理化性质影响。

分解率越高，蒸汽消耗量越低，气化效率越高，得到的煤气质量也就越高，即
粗煤气中水蒸汽的含量越低。

干粉进料引入炉水蒸汽量很少，其分解率大于
90%。

汽氧比:指气化时加入气化剂中的水蒸汽与氧气的的比(kg/mol)。

汽氧比是
一个经济指标，一般控制得越低越好。

氧煤比:也称氧碳比，指气化是单位干燥无灰基煤所消耗的氧气量。

降低氧煤
比，可减少氧耗，降低生产成本。

(1) Texaco煤气化技术分析
Texaco煤气化技术是一种水煤浆加压气化工艺，简称TCGP, 1948年起开始进入测试，
20世纪90年代，发展较为成熟的Texaco煤气化技术进入中国，并得以广泛使用。

使用Texaco煤气化技术，需将原料煤在称重给料机中进行计量，然后送入磨机;原
料煤在磨机中与水、添加剂、石灰石、氨水等物料混合，研磨成具有适当粒度分布的水煤
浆后，用泵将其送入气化炉顶部的单烧嘴，在气化炉顶部与高压氧气混合后开始进行一系
列复杂的气化反应。

由于在Texaco气化炉中产生的合成气混有较为大量的熔渣，因此，
合成气需进入碳洗塔进行进一步的冷却、除尘后，方可进入后续工序。

Texaco煤气化技术要求水煤浆具有稳定性高，流动性好，灰熔点低等特点，因此对
原料煤的要求较高。

加之Texaco气化炉受其耐火砖操作条件及使用寿命的限制，其气化
温度不高，仅为1300-1500摄氏度，，气化压力也仅为2. 7-6. 5Mpa，因此，其可气化的煤种较为有限。

但Texaco气化炉内无机械传动装置，操作性能高，操作弹性大，结构较为简单，且更为可靠。

(2) Shell煤气化技术分析
Shell煤气化技术的研究始于1972年，目前，全球己有超过150台Shell煤气化气
化炉投入生产能。

与多数煤气化技术相同，Shell煤气化技术的工艺流程也主要分为进料、气化、除尘、冷却及排放等部分。

Shell煤气化技术属于粉煤气化技术，原料煤在进入气化炉前需经过
磨机将其碾碎到适合于有效气化的微粒，然后经锁斗和高压料斗，在高压氮气的输送下进入气化炉;由于Shell气化炉采用的是干粉气化，其气化温度较Texaco水煤浆气化略高，
可达到1500摄氏度，炉内气化反应压力约为2-4Mpa;气化后得到的合成气伴有大量黑水
及粉尘，合成气需经一系列除尘、冷却处理，才能进入后续工序，投入生产。

与水煤浆气化技术相比，Shell煤气化技术对煤种的适应范围更广，多喷嘴设计使得
单炉生产能力提高，单炉日投煤量约为2000吨。

然而，由于Shell煤气化技术气化炉的
结构复杂，加工难度大，使得其投资成本也较高。

26氧煤比与冷煤气效率的关系
冷煤气效率是衡量气化炉工作性能好坏的重
要指标。

气化反应生成煤气的化学能与气化用煤
的化学能之比称为冷煤气效率，煤气、煤的化学能可
采用相应的低位发热量。

提高冷煤气效率，煤的化学
能可更多地转化为煤气的化学能，相应也提高了煤的
利用率。

氧煤比与冷煤气效率的关系见图10}Z}
1.6德士古气化技术
1.6.1水煤浆气化技术简介
碳转化气化效率高，碳转化率高，一般可达9093，灰渣中粗渣含碳量约5%，少量细渣含碳量约25%。

单位体积产气量大，粗煤气质量好，有效气成份高，产品气中(CO+H2)可达80%左右;气体中甲烷低、无焦油，可用来生产合成氨、煤的气化或称完全气化是用气化剂与煤中的可燃物其中主要是炭在高温下起
反应生成可燃气体的过程气化剂通常是空气或氧气作为放热反应的成份把水蒸汽
二氧化碳作为吸热反应的成份。

它是煤洁净利用技术的重要组成部分，也是碳化
学的基础。

水煤浆加压气化可广泛用于生产合成氨、甲醇、醋酸、醋醉等大宗化
学品，也可用于发电领域、城市煤气、人工天然气制备等方面[[26]。

水煤浆气化技
术涉及高温、高压、非均相、流动、传递与化学反应等复杂的化学物理过程，其
中最具有代表性的是美国德士古公司于70年代开发并推出的第二代煤气化技术，
即加压水煤浆气化工艺，简称TCGP。

经1}多年的运行实践探索，我国在水煤浆
气化技术方面积累了丰富的操作、运行、管理及制造经验。

经过多年科技攻关，在水煤浆气化领域，形成了完整的气化理论体系，并研究开发出拥有我国自主知识产权、达到国际领先水平的水煤浆气化技术。

①水煤浆气化技术的特点
德士古加压水煤浆气化工艺要求原料水煤浆要有良好的稳定性、流动性，较低的灰熔点及泵易输送等特点;
气化炉内结构简单，炉内无机械传动装置，操作性能好，操作弹性大，可靠程度高; 高温加压气化，气化采用130015000C的高温，气化压力达2.7一6. SMPa，己
工业化水煤浆气化炉气化压力有3.0, 4.0, 6.SMPa几种。

气化炉能力与压力成正
比，气化压力高，能增加反应的速度及增加反应物在气化炉内的停留时间，增加
碳的转化率，增加单台气化炉的生产能力，同时可节省后工序气体压缩功，但压
力过高工程设计和设备制造难度也就更大。

如产品气用作燃料，气化压力不宜太
高;如用作合成氨或甲醇原料气，可以选用4. 0}6. SMPa，应根据工程规模合理选
定[27]。

甲醇、制氢、轻基合成原料气，用途广泛;
灰渣含碳量低;水煤浆进料与干粉进料比较，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的问题，具有安全并容易控制的特点，取消了气化前的干燥，节约能量;采用半封闭供煤、湿法磨煤以及气流床气化，全过程污染轻微，无焦油等污染物，
是一种先进、可靠的气化工艺，世界各国基本公认该技术为环境友好型工艺。

②德士古加压水煤浆气化工艺对煤质的要求
目前适宜于水煤浆加压气化的是气化反应活性较高的年轻烟煤，而烟煤中最适宜的是长焰煤、气煤等。

从经济运行角度来考虑，对原料煤的具体要求为: .发热量:大于25MJ/Kg，越高越好;
.灰分:灰分含量低于15}(包括加入助熔剂Ca0后)，最好低于12};
.挥发分:大于25 } (wt)，挥发份高的煤活性好，才能获得较高的碳转化率，节省氧耗;
.水分:内水<8%，总水份含量越低越好;
灰熔点:13 00 0C以下，如灰熔点较高，可采取加助熔剂如石灰石粉，将灰
熔点降下来;
可磨性好。

1.6.2水煤浆气化技术的工艺流程
水煤浆气化工艺过程口‘}包括水煤浆制备、水煤浆加压气化、和灰水处理三部分。

水煤浆制备一般采用湿法棒磨或球磨，合成氨厂气化流程选择激冷式流程，
灰水处理一般采用高压闪蒸、真空闪蒸、灰水沉淀配细灰压滤的流程。

德士古加
压水煤浆气化工艺主要设备有煤称量给料机、磨煤机、煤浆振动筛、低压(高压)
煤浆泵、工艺喷嘴、气化炉、破渣机、锁渣罐、文丘里喷嘴洗涤塔、洗涤塔、高
压(低压)闪蒸塔，配套空分制氧装置。

工艺流程见图1.2所示
①制浆系统
由原料煤贮运系统来的小于6mm的洗粉煤进入料仓后，经圆盘给料机给料
到称重胶带输送机上，计量送人煤磨机.与一定量的水混合磨成一定粒度分布的(约65%)水煤浆。

煤浆出煤磨机前由煤磨机出口处配带的滚筒筛预筛，将煤浆中
大粒煤筛除后，煤浆进入煤磨机出料槽，经煤磨机出料槽泵输送至煤浆振动筛再
次筛除大颗粒煤及杂物等，合格的煤浆自流至煤浆槽，再经煤浆给料泵送至气化
炉使用。

为改善煤浆的成浆性，系统中设置了添加剂槽、搅拌器和添加剂泵。

磨
煤时按一定比例将添加剂由泵加入煤磨机中，以改善煤粒表面性能，使煤粒在水
中均匀分散，从而提高煤种的成浆性能。

②合成气系统
水煤浆经高压煤浆泵加压后与高压氧气经喷嘴充分混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室，在燃烧室中进行气化反应，生成的煤气(称为合成气)和熔渣经激冷环及
下降管进入气化炉激冷室冷却，冷却后的合成气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔，熔碴
落入激冷室底部冷却、固化，定期排出。

在碳洗塔中，合成气进一步冷却、除尘，并控制水气比(即水气与干气的摩尔比，然后合成气出碳洗塔进入后工序。

③喷嘴冷却系统
喷嘴是气化装置的关键设备[}s2}，有三流道外混式，也有内旋式和预膜式。

在喷嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化，以利于气化反应。

由于喷嘴插入气化炉燃烧
室中，要承受1400 0C左右的高温，为了防止喷嘴损坏，在喷嘴外侧设置了冷却盘管，在喷嘴头部设置了水夹套，并由一套单独的系统向喷嘴供应冷却水。

④锁斗系统
落入激冷室底部的固态熔渣，经破渣机破碎后进人锁斗系统。

锁斗系统设置了一套复杂的自动循环控制系统，用于定期收集炉渣。

在排渣时锁斗和气化炉隔
离。

锁斗循环分减压、清洗、排渣、充压四个部分，每个循环约3 Omin，保证在
不中断气化炉运行的情况下定期排渣。

⑤闪蒸及水处理系统
气化炉和碳洗塔排出的含固量较高的黑水，送往水处理系统处理后循环使用。

首先黑水送人高压、真空闪蒸系统，进行减压闪蒸，以降低黑水温度，释放不溶
性气体及浓缩黑水，经闪蒸后的黑水含固量进一步提高，送往沉降槽澄清，澄清
后的水循环使用。

1.6.3煤炭气化的经济性
据美国能源部能源信息委员会在内的许多美国能源机构专家分析，现在煤炭气化制合成气己可与价格为3.54.0美元/百万BTU的天然气相竞争，据预计，在
2010年前的几年内，天然气价格将保持高于5美元/百万BTU，煤炭气化将具有
更大的吸引力。

美国天然气价格2004年约为5美元/百万英热单位，相比之下，
煤炭价格1.5美元/百万英热单位，加上2.53.0美元/百万英热单位的气化费用，
则可生产4}4. 5美元的合成气。

煤炭IGCC设施投资约比粉煤燃烧设施高
20%}25%。

据美国电力研究院的分析数据表明[ys}，大规模煤炭IGCC装置建设费用可以低达1300美元/Mw。

采用气化技术利于环保己被实践证明，美国Wabash河煤炭气化项目的SOZ 排放平均约为0.1磅/百万英热单位，远低于允许限值1.2磅/百万英热单位;NOx排
放为0.15磅/百万英热单位，可达到燃煤电厂现在的指标要求;颗粒排放则大大
低于可检测限值。

据美国能源部公布的数据，美国拥有2750亿吨可采煤炭储量，
相当于沙特阿拉伯石油储量的4倍、相当于世界全部的石油探明储量。

美国拥有世界煤炭储量的25%、天然气仅占2%，燃用天然气的发电装置正在受到制约，将燃气设施切换为煤炭IGCC设施在经济上、环保上均为有利，既可减小对天然
气供应和其价格的压力，又可简化CO:捕集系统，环境保护将推进美国煤炭气化
IGCC系统替代常规燃煤或常规燃用天然气的发电设施。

为此，发展煤炭气化制
合成气在美国拥有广阔的发展前景[[33]
煤气化炉气化系统的建模与模拟
数学建模的方法主要有两种:机理法和测试法。

机理法[[34]是根据基本的物理定律从系统内部工作过程的机理出发建立数学模型的方法，它具有较严密的理论依据。

建模时，首先对系统进行分析和类比，再做一些合理的假设，以简化系统
并为建模提供一定的理论依据，然后再根据物理定律建立相应的数学模型。

对己有的系统进行研究时，也可以采用试验的方法建立数学模型。

在机组某一稳定工况下，根据实验要求，加入一定形式的扰动，再测量某个或某些状态变
量的变化，得到变化过程的“响应曲线”。

动态试验的结果可用传递函数或其它数
学形式表示。

常用的实验建模方法有阶跃响应、矩形响应等方法。

这种依据试验
数据建模的方法通常称为测试法。

这种方法不涉及系统内部的工作机理，完全依
据实测数据间的定量关系，所以需要大量的试验数据。

所建模型的精度主要取决
于原始数据的测量精度、广泛程度和数据处理的方法。

对于气化床冷态流动模型，国内外研究人员通过研究提出了两类模型:第一类为采用质量一动量一能量守恒方程的联立来求解流场即采用双流体模型;另一类为考虑床中根据床内流动状态的不同将气化炉分为几个部分即流动区域模型。

对于气化炉内气化过程，国内外己经有不少学者作了大量的研究工作，Peter 等人对水煤浆气化炉建立了热力学模型;王辅臣[[35]等人对气化炉结构、喷嘴结构
及射流特性对流场混合特性的影响作了考察，提出水煤浆气化过程三区模型。

指
出各区的反应即不受热力学限制，也不为动力学控制，反应结果完全依赖于喷嘴
与炉体匹配形成的流场。

Watkinson等[36]对Texac。

炉、Lurgi炉、KRW和UGas
炉建立了反应动力学模型，首先计算出反应速率，进一步求出各气体组分的分布
情况，预测结果与试验结果较相符。

李政在Wen等的基础上，对Texaco气化炉
建立了完整的小室模型，与工业数据进行了对比，并考察了煤浆浓度、氧煤比、
气化压力、煤颗粒粒径等参数变化对气化过程的影响。

吴玉新等人对Texaco气化炉的不同湍流模型作了比较，讨论了网格质量和网格类型、边界条件对气相流场的影响Texaco水煤浆气化炉进行了三维数值模拟。

编制了UDF函数建立了焦炭
和O2. HZO. CO:以及H:的颗粒异相反应模型。

于海龙等人采用简化PDF模型
建立了气化炉的二维模型。

模拟了水煤浆气化过程中氧碳原子比和水煤浆质量分
数对气化过程和出口煤气成分以及碳转化率的影响规律。

总结了在具有复杂化学反应的高温、高压容器中，对水煤浆气化过程的数值模拟时经常遇到的问题和解决方法。

1.7.1气化炉建模技术的学术和实用意义
由于燃烧、气化过程的复杂性，现在还没有对气化炉建立简单、可靠的非稳态的数学模型。

另外由于气化炉喷嘴附近属于高速射流区，是影响气化炉的气体
组分的关键区域。

为更好的考察气化炉内不同流动区域的速度、温度以及组份的
分布特性，考察气化参数改变后，气体组分、温度等的动态响应，为工业运行及
优化提供参考。

建立气化炉流动区域的动态数学模型成为必然。

1.7.2建模方法
根据Texaco气化炉系统的特点，进行适当的假设和简化，针对气化炉内气固流动过程及煤气化反应过程建立气化炉过程模型和CFD模型。

研究表明，炉内存在流体力学特征各异的三个区【s}}，即射流区、回流区与管流
区。

与射流区、回流区与管流区相应，也存在化学反应特征各异的三个区，即一次反应区(燃烧区)、二次反应区和一、二次反应共存区。

炉内冷态流场的研究
[38, 39]还表明，回流量约为射流量的3.5倍宏观混合的影响(卷吸、湍流扩散)、富
含CO和H:的回流气体将进入射流区中，因此燃烧区中的燃烧反应是以燃料的
挥发分和残炭的燃烧为主，还是以回流气体与射流区混合后的CO和H:的燃烧
为主，将视宏观混合与燃烧挥发的时间尺度而定。

其它各区的反应特征也将由混
合(微观或宏观)时间尺度与反应时间尺度的相对大小而定。

1.7.3本文的主要研究内容
为更为详细、准确的描述气化炉燃烧室内的温度、气体组分的变化情况，本文以Texaco气化炉为建模对象，分别建立气化炉气化过程的过程模型和CFD模型。

过程模型主要根据对气化炉内流动、燃烧和气化反应的特性分析，将Texaco 气化炉膛分成三个模拟区域，即燃烧区、回流区和管流区，分别对各区运用质量、能量守恒方程，建立气化炉的过程仿真模型。

该模型考虑了气固两相流动、煤热
解、挥发份的燃烧、对流换热、辐射换热及包括均相和异相在内的气化反应过程。

在模型基础上进行动态与静态仿真，研究气化炉运行条件及气化参数的变化对气
化炉动态与静态特性的影响。

运用Fluent软件，建立Texaco气化炉的CFD模型，对气化炉系统内部流动，换热、化学反应过程进行进行仿真研究，分析在不同的水煤浆流量、氧化剂进口
速率影响下，气化炉内流场、温度场、气体浓度的变化趋势。

同时对仿真结果进
行理论分析，论证仿真结果的合理性。

利用文献数据对模型进行验证，基本证明了模型的有效性。

2 TEXACO气化炉的建模与仿真建模
本章将建立Texaco气化炉不同工况下系统内各种化学反应、气固两相的流动以及对流、辐射换热的动态数学模型，根据炉内发生的气相、异相反应，在气化
炉中建立煤气组分的质量和能量守恒;考虑了反应系统中煤气温度、反应物浓度、
氧碳原子比等具体环境条件计算反应速率、反映出各工况的气体组分、温度等情
况。

2.1气化炉本体系统
气化炉本体系统壳体、风室、喷嘴组成，如图2.1所示。

Texaco气化技术属于加压气流床并流气化工艺。

气化炉为一圆柱形加压容器，内衬耐火材料，它由两部分组成，上部为燃烧室，下部为激冷室。

煤、石灰石(助熔剂)、添加剂和NaOH经称量后同时加入到磨煤机中，磨制成浓度大约为
65%的水煤浆，通过滚筒筛滤去较大颗粒后，进入磨煤机出口槽，最后经过磨煤
机出口槽泵和振动筛送进煤浆槽中。

煤浆槽中的煤浆经由煤浆给料泵送入气化炉
顶部的Texaco烧嘴的内环隙，来自空分的O:进入烧嘴的中心管和外环隙在温度
1800 0C，压力4.083MPa的条件下，煤浆与氧气在气化炉燃烧室内发生部分氧化
反应，生成粗煤气。

由燃烧室出来的煤气，通过下降管进入下部的激冷室中。

下
降管上端有激冷环，下部浸入水中，煤气经激冷环和下部水层被激冷至露点，且
为水蒸汽饱和以满足一氧化碳变换的反应需要。

同时，大部分煤灰及少量未反应
碳以灰渣的形式从煤气中被水洗涤除去。

根据粒度大小渣以两种方式排放:粗渣在激冷室中沉降，经破渣机破碎后，通过锁渣罐定期排放;细渣以黑水的形式从。