煤气化

Shell（谢尔）气化炉
• 结构是气固上行并流，干粉煤进料 • 温度：火焰中心2000℃ • 出炉温度 1350~1600℃ • 煤气组成CO 60%，H2 30% • 出口循环冷煤气冷激至900℃/1100℃，再废热
锅炉冷至300℃回收热量，冷煤气效率最高 ~90%。 • 操作压力3.0~4.0MPa • 碳转化率98%以上 • 处理能力 2000t/d•台（煤基）。
（4）煤炭地下气化的过程
打孔 贯通 气化区域：
氧化层 还原层 干馏层 干燥层 灰渣层
气化剂 地表
煤气
盘区
灰渣层 氧化层，还原层，干馏层，干燥层，
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（5）煤炭地下气化适合的 煤种及煤层
煤层---
厚度：1.3——3.5米 倾向度：35℃
地下水： 煤种---褐煤
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（6）煤炭地下气化的特点
❖ 从根本上消除了煤炭地下作业。 ❖ 将传统的物理开采转化为化学采煤方法，集
煤气化
2020年5月26日星期二
4.3.1.8 煤气的净化
气化煤气的净化处理
脱硫 除焦油 除尘
• 除尘
• 热煤气工艺采用旋风除尘器干式除尘.
• 冷煤气净化冷却工艺中冷却和除尘是同时进 行的，常见的冷却洗涤塔既是冷却设备又是 湿法除尘设备。
• 干式除尘设备是在不降低煤气温度的前提下 ，分离气化煤气中的粉尘颗粒.
空塔
• 温度：一般发生炉煤气在空塔中的温度约降低 300oC ，甚至更高.
• 粉尘：粉尘、大颗粒焦油的去除量为50-60%. • 灰泥：空塔底部有清灰门，用来清除空塔底部积
沉的灰泥。
填料塔 填料塔也是一种直冷式煤气冷 却净化设备。 和空塔相比，洗涤塔作为二级 冷却净化设备。 煤气一级处理后气流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的杂质 细小，需要进一步的洗涤除尽 ，温度还要降低。为了实现这 两个目的，这通过加设填料来 实现。 特点：
• 它的意义在于不影响煤气热利用，而达到除 尘的目的。
• 干式除尘设备的原理: 有的是依靠离心力的作用，将煤气中的粉尘 分离；
有的是用过滤的方法，达到分离的目的；
有的是利用电场的电离作用，分离煤气中的 颗粒杂质。
煤气的净化工艺及主要设备
干法
• 气化煤气的除尘
湿法
A 干法---旋风除尘器
➢结构：旋风除尘器为一圆筒形 结构，由外筒和内筒组成，下部 为一锥形底。 ➢原理：煤气由除尘器的切线方 向进入，在旋风除尘器中作旋转 运动。 悬浮于煤气中的尘粒在离心力的 作用下被抛向器壁。 又在重力作用下落至分离器的锥 形底部，由排尘管排出。 净化煤气：经除尘分离后的煤气 在内外圆筒之间作旋转运动至圆 筒下部，然后沿内筒旋转上升而 引出。
③先进的煤气化技术在提高煤炭利用率、减少 环境污染方面的潜力很大，但技术开发时间长 、风险大，建设投资高、周期长，工程建设投 资大。目前国家对技术研发的资金投入不够， 尤其缺乏对大型示范工程的资金支持；对于工 程项目缺乏贷款利息、税收等经济激励政策方 面的必要优惠和扶持。
再见
4.3.1.10 煤炭地下气化
间冷器
如果煤气中不含焦油、粉尘 ，也经过初级除尘的话，间 接冷却作为二级冷却是理想 的选择。 因为煤气、冷却水直接接触 多少会影响循环水水质，溶 解在水中的酚极不利于环境 的保护。 水煤气净化工艺流程中，粗 煤气经档板式集尘器、洗气 箱初步分离粉尘后，较多采 用此冷却方法。
4.3.1.8 目前国内煤气化技术发展中主要存在的 问题如下。
①普遍采用传统的常压固定床气化工艺，技术 落后，气化效率低，污染严重。煤气生产规 模小，终端产品单一，企业经济效益差。急 需用现代技术对大部分煤气站进行技术改造 。
②大型气化技术均靠引进。国家在加压固定床 、加压流化床水煤浆气化等方面已有工业示 范，煤气化成本已降低。但国产化大型气化 技术远不能满足市场需求，有的技术只能达 到跟踪国际发展趋势的水平，急需集中优势 力量联合攻关，开发并形成具有自主知识产 权，污染低、效率高的先进技术。
❖ 1987年首先在江苏徐州马庄矿进行了无井式空气 连续地下气化现场试验。
❖ 1994年3月在江苏徐州新河二号井煤炭地下气化 半工业性气化试验点火成功，正常运行连续产气 295天，完成了预订的试验目标。
❖ 黑龙江依兰矿区气化矿井技术试验，于1998年1 月通过技术鉴定。
❖ 1998年8月，河南义马利用该技术对高灰分（大 于40%）、低热值（小于11.29 MJ/kg，折合 2700 kcal/kg）煤生产出煤气。
行的热加工的过程，干馏的目的在于得到焦炭、焦油和其他若 干化学产品，同时也得到一定数量的煤气（焦炉煤气）。
煤的气化过程是利用气化剂与高温煤层或煤粒接触并相互作用
，使煤中的有机化合物在氧气不足的条件下进行不完全气氧化 ，尽可能完全地转化成含氢、甲烷和CO等可燃性气体。
二、煤炭气化工艺的原则流程
煤炭气化工艺的原则流程:包括原料准备、煤气的生产、净化 及脱硫、煤气变换、煤气精制以及甲烷合成等6个主要单元。
矿井、采煤、气化为一体。 ❖ 投资少。其投资为地面气化的1/2—1/3。 ❖ 有利于环境保护，把废液、废渣留在地下。
(7) 国外煤炭地下气化技术
1888年著名化学家门捷列夫在世界上首次提 出了煤炭地下气化的设想， 1908年英国曾于进行地下气化试验。 20世纪30年代开始，前苏联从在莫斯科近郊 建设试验区，1941年莫斯科近郊煤田从技术 上第一次解决了无井式地下气化问题。
煤炭地下气化是通过在地下煤层中直接构筑“气化 炉”，通过气化剂，有控制地使煤炭在地下进行气化 反应，使煤炭在原地自然状态下转化为可燃气体并 输送到地面的过程。 煤炭地下气化的设想，最早由俄国著名化学家门捷 列夫于１８８８年提出。 他认为，“采煤的目的应当说是提取煤中含能的成 分，而不是采煤本身”。
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煤炭气化工艺的原则流程
（9）煤炭地下气化主要存在的 问题如下：
❖ 煤气组成、热值及产气量不稳定，给后续 利用（如化工利用、发电等）带来一些问 题。
❖ 单台地下气化炉的产气量小，一般小于 2000m3/h。相当于一台Φ2.4 m水煤气炉的 气化量。
煤气与水接触面积大； 接触时间长； 冷却效果好。
2.间接冷却：采用冷却介质和煤气不直接接触 的间接冷却法. 优点：不会发生冷却介质循环水被污染的问题
. 缺点：当煤气中夹带大量的飞灰颗粒和焦油杂 质时，冷却设备中煤气流一侧的换热壁上煤尘 颗粒与焦油粘和。 造成设备换热热阻上升，影响传热。 严重时甚至会堵塞气流通道。
2 催化剂
元素周期表中第Ⅷ族的所有金属元素对CO加氢生成甲 烷具有不同程度的催化作用 ； 研究表明镍是良好的金属催化剂； 甲烷化催化剂常用的反应温度 280～500℃， 压力至少为 2～2.5 MPa ，有足够大而温度的比表面。
3 工艺流程
（1）选择反应条件时考虑的因素： 在 200℃ 以上，甲烷生成的催化反应能达到足够高的 反应速度；
当压力不变而反应温度升高时，甲烷含量将下降，为 达到CO完全加氢，反应宜分步进行；
在 450℃ 以上， CO分解会产生碳在催化剂上的沉积 ；
在原料气中加入蒸气使气体的温升减小； 当原料气的H2/CO 比值较小时，也需引入蒸气。 选择避免消耗能量的工艺步骤。
（2）工艺流程举例： 固定床催化剂多段绝热反应器的甲烷化反应流程
（1）煤炭地下气化的实质
把传统的物理开采方法变化为化学开采方法。 挖煤（物理方法）--地下气化（化学方法）
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（2）煤炭地下气化的原理
• 煤+气化剂------气体 气化剂为氧气、水蒸气等。
（3）煤炭地下气化的化学反应
C + O2 C + O2 C + H2O C + CO2
CO －110.4 kJ/mol CO2 －394.1 kJ/mol H2 + CO + 135.0 kJ/mol 2CO + 173.3 kJ/mol
❖ 到目前为止，项目实现了低热值煤气示范性发电， 至今500kW发电机一直稳定运行，每月发电量约11万 度。
再见
国际气流床气化技术
Texaco（德士古）气化炉
• 煤气成分CO+H2占80% • 碳转化率95%或更高，冷煤气
效率70.5% • 水煤浆进料
dp=0.1mm 煤浓度70% • 煤灰熔点，要求低于1350℃ ， CH4含量低 • 出口水冷激降温 • 生产规模大，2000t/d.台（煤 基）
1997年，澳大利亚在庆奇拉建成地 下气化炉，生产热值为5.0MJ/Nm3的空 气煤气，最大产量约8万m3/h，试验运 行了28个月。
(8) 国内煤炭地下气化技术
❖ 中国从20世纪50年代开始进行地下气化研究与试 验。从80年代中期开始，中国矿业大学地下气化 中心和煤炭加工利用公司分别提出了地下气化新 工艺，并进行工业试验。
B、湿法冷却除尘设备
气化煤气的湿法冷却有直接冷却和间接冷却. 1. 直接冷却：用水直接喷淋煤气 不但有显著的冷却效果. 而且可以冲刷煤气中的飞灰颗粒和焦油等杂质. 副作用:用于喷淋煤气的循环水直接和粗煤气接触 ，有害杂质可能溶于水中，恶化水质。
直接冷却设备
空塔 空塔是一种直冷式煤气冷却净化 设备。 冷却循环水喷淋洗涤煤气，煤气 增湿降温，同时净化除尘。 冷却水：空塔的上部煤气出口管 下方布置一个或若干个喷嘴，高 压循环水从喷嘴喷出，呈细小水 滴或雾化状. 煤气：从空塔下部进入，与自上 而下的喷淋水作逆向运动，发生 传热、传质过程。
GSP气化炉
• 结构为气固下行 并流干粉煤进料
• T=1300℃~1500℃ • 压力Pmax= 8 Mp • 煤种适应能力大
。 • 碳转化率99.5%
冷煤气效率
GSP气化工艺
再见
4.3.1.11 煤气的甲烷化
1 煤气甲烷化的基本原理
（1）基本反应：
CO + 3H2
CH4 + H2O
ΔH=－ 219.3 kJ/mol
CO + H2O
H2 + CO2
ΔH= － 38.4 kJ/mol
CO2 + 4H2 （2）副反应：
CH4 +2H2O ΔH= － 162.8 kJ/mol
2CO
CO2 + C
ΔH= － 173.3 kJ/mol
C+ 2H2
CH4
ΔH= － 84.3 kJ/mol
（3）合成气组成对甲烷化反应的影响： 随着CO2含量的增加，使达到平衡时CH4含量的降低， CO含量升高； 随着反应温度的升高，平衡时CH4含量的降低， CO、 CO2含量升高； 提高压力，使达到平衡时CH4含量增加。
❖ 在1998年9月完成的鹤壁一矿矿井气化工业试验 中，目前正进一步示范和推广。
❖ 2007年1月，新奥集团投资2亿多元组建乌兰察布新 奥气化采煤技术有限公司,与中国矿业大学共同开展 “无井式煤炭地下气化试验项目”研究。
❖ 2007年10月24日，我国首套日产15万方煤气的无井 式煤炭地下气化试验系统和生产系统一次点火成功 。
原料气的H2/CO 比值为 3/1； 反应前脱除原料气中的CO2 ； 催化剂床层内没有内部冷却装置。
液相甲烷化反应工艺流程
催化剂在浸没在轻油中； 甲烷化是进行强放热的反应； 具有较高的选择性和较大的灵活性。
煤的气化与煤的干馏过程和产物是有显著区别的：
煤的干馏过程是煤炭在隔绝空气的条件下，在一定的温度下进
美国地下气化试验始于1946年，1987年在洛 杉矶进行了扩展贯通井孔（ELW）和注入点控 制后退（CRIP）两种模式水蒸气/氧气鼓风试 验，获得了中热值煤气，但产气成本远高于 天然气。
英国、法国、西班牙和东欧国家也十分重视 煤炭地下气化，进行了实验室研究及建模工 作，其主要目标放在井下难以开采的千米以 下的深部煤层气化的研究上。