煤化工工艺学课件第五章

北京化工大学

化工资源有效利用国家重点实验室

5.6 气流床煤气化工艺

5.7 煤地下气化

重点：掌握煤气化的基本原理，认识煤气化固定床、流化床、气流床的特性，熟悉三种典型的气化工艺的特点。

5.1

z气化所得的可燃气体成为气化煤气，其中有效成分包括CO、H2、甲烷等。气化煤气可以用作城市煤气、工业燃气和化工原料气。

z煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量。

煤气化技术的应用领域

z冶金还原气：

z联合循环发电燃气：

z燃料油合成原料气和煤炭液化气源：直接、间接液化等z煤炭气化制氢：用于电子、冶金、玻璃、化工合成、航空

航天、氢能电池等

z煤炭气化燃料电池：燃料电池与高效煤气化结合发电技术等

煤气化技术的发展历史1857德国Siemens兄弟最早开发出用块煤生产煤气的炉子

z U-Gas美国IGT（1974

z KRW美国西屋（1975

z1950s气流床德国Koppers-Totzek

z Texaco美国，第一套中试装置（

z Shell荷兰，第一个实验装置（

z GSP原民主德国（1976

z Prenflo德国Krupp-Uhde

5.2 煤气化的基本原理

和均相反应

z非均相反应：气化剂或气态反应物与固体煤或煤焦的反应

z均相反应：气态反应物之间的相互作用或与气化剂的反应

(CH)n + O2+ H2O −−

煤

C + H 2O H 2+ CO C + CO 22CO C + 2H 2

CH 4

H 2+ O 2

H CO + O 2

CO CO + H 2O H 1

21

2CO + 3H 2

CH 煤= CH 4+ 气体烃+ 气体烃、焦油煤= C + CH z

产生的焦油和气态烃还可能进一步裂解或反应生成气态产物

煤气化的基本反应

C + 2S CS 22H 2S + 2SO 2CO + S COS N 2+ 3H 22NH N 2+ H 2O + 2CO

N 2+ xO 2

2NOx

气化反应的化学平衡

温度压力

K ∆H = 173.3 kJ/mol

CO 与CO 2的平衡组成与压力的关系

1.气体反应物向固体（碳）表面转移或者扩散

2.气体反应物被吸附在固体（碳）的表面上

3.被吸附的气体反应物在固体（碳）表面起反应而形成中间配合物

4.中间配合物的分解或与气相中达到固体（碳）表面的气体分子发生反应

5.

反应产物从固体（碳）表面解吸并扩散到气体主体

C 与H 2各反应的基元反应及动力学方程

气化反应动力学

气化反应动力学

¾混合模型

¾

收缩未反应核模型：随着反应进行，反应面逐渐向内推进，适用于化学反应速率K: 反应速率常数，Ψ：孔结构参数，与初始孔隙率和孔的长度有关X ：气化反应的碳转化率t ：气化反应的时间，气化反应动力学

未反应的煤粒

气化反应动力学

工业煤气的组成

混合煤气1127.5半水煤气

37

33.3

空气煤气：以空气作为气化剂生产的煤气

水煤气：将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替送入气化炉内间歇进行生产的煤气混合煤气：以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气

半水煤气：气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的符合合成氨原料气的要求的煤气

气化剂

固定床煤粒不动气体穿过煤粒：6-50 mm

气化剂

5.3 气化炉的基本原理

不同类型气化炉的压力损失和热传导行为

最小流化速度C.Y. Wen

颗粒带出速度

固定（移动）床气化炉

z

固定床气化炉一般使用块煤或煤焦为原料，颗粒大小为6~50mm

煤

煤

固定床（移动床）气化炉（非熔渣）及炉内温度分布图

灰煤气

水蒸气

氧气

床层高度

温度/o C

灰

气化剂

煤气

烧蜂窝煤的炉子里，蜂窝煤Æ渣固定、移动？

流化床气化炉

z

加入炉中的煤粒度一般为流化床气化炉示意图及炉内温度分布图

气流床气化炉

z

将粉煤（200目左右，≈0.08mm ）用气化剂输送入炉中，以并流方

式在高温火焰中进行反应，其中部分灰分可以以熔渣的方式分离出来，反应可在所提供的空间连续地进行，炉内的温度很高。因此反应速度很快。所产生的煤气和熔渣在接近炉温的条件下排出，煤气中不含焦油等物质。

气流床气化炉示意图及炉内温度分布图

特点：炭颗粒能各自被气流隔开，每个颗粒能单独膨胀、软化、烧尽、形成熔渣。炭颗粒不易在塑性阶段凝聚，使得原料的粘结性对气化过程没有太大的影响。

熔池气化炉

z 是一种气、液、固三相反应的气化炉。燃料和气化剂并流地导入炉中，熔池中是液态的熔灰、熔盐或熔融金属。

z

熔化物具有不同的作用：作为原料煤和气化剂之间的分散剂；作为热库以高的传热速率吸收和分配气化热；作为热源供煤中挥发物质的热解和干馏；与煤中的硫起化学反应而起到吸收硫的作用；提供了一个进行煤的气化的催化剂环境；煤中的灰分熔于其中。

图5-16 熔池气化炉示意图及炉内温度分布曲线

液态熔灰、熔盐或熔融金属