第三章移动床常压气化

二 水蒸气加入量对气化过程的影响
• 1.水蒸气的作用和加入方式
• 混合发生炉煤气的制造是一种自热式气化过程，气化所 需热量来自氧化层中碳的完全燃烧。因此，在整个料层中 ，紧靠灰渣层的氧化层温度最高。为防止灰渣的熔结，必 须向气化炉内通入水蒸气，以降低和控制氧化层的温度。 同时，由于水蒸气参加了气化反应，生成CO、H2，可改 善煤气质量，充分利用煤气显热，降低煤气出口温度。 • 水蒸气的加入方法，通常是与空气混合均匀后，一起进 入炉内。
•
五 制气原理
2 混合煤气
• 为克服空气煤气的诸多缺点，在空气中混合一定量的水蒸气作 为气化剂，这样生成的煤气称混合发生炉煤气。此煤气的主要成分为 一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷等气体，其中的氢气和甲烷的热值 较高，因而和空气煤气相比热值大大提高。又因为水蒸气的分解需要 吸收热量，这样就可以降低气化层的温度，使灰渣维持在不熔融的状 态，因此采用固态排渣气化炉。这种煤气在工业上应用很广泛，主要 的气化反应如下：
C O2 CO2 394.1kJ / mol C CO2 2CO 173.3kJ / mol 2C O2 2CO 220.8kJ / mol C H 2O H 2 CO 135.0kJ / mol C 2 H 2O CO2 2 H 2 96.6kJ / mol CO H 2O H 2 CO 38.4kJ / mol
四 固定床气化对煤质量的要求
•挥发份：固定床气化制合成气时挥发分含量以不超过6%为 宜。因为挥发分高的煤种，生产的煤气中焦油的产率高，焦 油容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定困难。 • 表3-1 不同煤种的挥发分产率
四 固定床气化对煤质量的要求
• 化学活性：燃料的反应性就是燃料的化学活性，就指煤 与气化剂中氧、蒸汽、二氧化碳及氢的反应能力。化学活性 高有利于气化过程，可以提高气体质量和增加气化能力。由 于可以降Байду номын сангаас气化温度而降低氧耗，煤的活性对不同的气化剂 有一致的趋势。通常以 CO2 还原系数 dCO 表示。
3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8
五 制气原理
2 混合煤气
气化炉内热源主要依靠反应式（3-3）提供，气化反 应的主反应除式（3-3）和式（3-4）以外，还包括式（3-6） 和（3-7）。反应式（3-3）和（3-4）合并可用（3-5）表示， 是放热反应。式（3-6）是混合煤气制气的主要反应，而且 是主要的吸热反应。 • 实际的混合煤气发生炉内进行的气化过程与理想过程 是有差别的。首先，强化燃料不是纯炭，里面含挥发分、 灰分、水分等杂质，且气化过程也不可能达到平衡，碳不 能完全气化，二氧化碳不能完全还原，因而煤气中的一氧 化碳和氢气的含量比理想情况的数值低。再者，混合煤气 的组成和料层高度有关。
五 制气原理
3 水煤气
上述两个反应（3-6）及（3-7）均为吸热反应，提高 温度对反应有利，可增加生产气体中CO和氢的含量，当温 度高于900℃时，平衡产物气中二者均接近50%，而对于放 热反应（3-8）和（3-9）在900℃的高温下生成二氧化碳和 甲烷的量几乎为零。 • 高温对碳的气化有利。
•
第二节 发生炉煤气
•
五 制气原理
2 混合煤气
实际制得的混合煤气除有一氧化碳、氢气、二氧化碳 和氮气以外，还含有干馏产生的一定量的高热值甲烷及一 些其他碳氢化合物，以及一定量的硫化物、氨气极水蒸气 等。另外，进入气化炉内的水蒸气实际反应温度较低，蒸 汽的分解率较低，因此，蒸汽分解产生的氢气和一氧化碳 较理论值低，但由于干馏段生成部分氢气的补充，最终煤 气的组成视具体情况而定。对于实际煤气的热值而言，由 于干馏段生成的甲烷等化合物热值高，反而实际煤的热值 较理想煤气的热值高一些。
一 煤气化产物的种类
•常压固定床煤气化技术是以空气、空气—水蒸汽、 水蒸气等为气化剂，将固体燃料转化成煤气的过程。 • 常压固定床气化生成煤气的有效成分主要有 H 2 、 CO和少量 CH 4 ，用于合成氨生产的半水煤气中的氮 也是有效成分。 工艺煤气一般分为空气煤气、混合 煤气（发生炉煤气）、水煤气、半水煤气等。
四 固定床气化对煤质量的要求
硫分：气化时硫变成硫化氢和有机硫存在于煤气中，对 设备产生腐蚀。作为合成气硫化物会引起合成催化剂中毒。 所以要求煤中硫越低越好。 • 热稳定性：指在高温下燃料保持原来粒度大小的性质， 对气化工艺影响很大。热稳定性差的煤，在气化过程易破碎， 煤气中带出物增加。热稳定性≧70%为宜。 • 机械强度：机械强度差的煤在运输和破碎中易于生成碎 屑。不仅增加成本，且不利于气化过程。要求煤的抗碎强度 ≧65%。 • 黏结性：煤气对煤的黏结性很敏感。黏结性强的煤在干 馏层能形成一种黏性胶状流动物，破坏气化层中气体的分布， 以至于使气化过程无法进行。 •
五 制气原理
1 空气煤气
上述分析结果是在理想条件下得出的，气化的是纯碳， 反应完全，即使在理想条件下，转入煤气中的热能也不会 超过碳所提供的热能的69.3%。实际生产中由于煤料的夹 带损失，实际气化效率达不到上述计算指标，但可以反映 实际气化过程和理想过程之间的差距。 • 空气气化过程中放出大量的热量，而吸收热量的反 应主要是二氧化碳的还原反应，此外还有气化过程的散热 损耗，这会使得炉内热量积聚，料层和煤气温度升得较高， 存在易结渣而适宜采用液态排渣的气化炉、煤气热值低、 出口温度高、气化效率低等问题，大大限制了工业上的应 用。
•
四 固定床气化对煤质量的要求
粒度：（粒度与比表面积和传热的关系） 煤的比表面积和煤的粒径有关，煤的粒径越小，其比表 面积越大。 煤和灰都是热的不良导体，导热系数小，传热速度慢， 因此粒度的大小对传热过程的影响显著，进而影响焦油的产 率。
四 固定床气化对煤质量的要求
粒度：（粒度与生产能力的关系） 对于固定床而言，粒度范围一般在6-50mm之间，一般大 于6mm。粒度小有利于气化反应，但会增大气化剂通过燃料 层的阻力，粒度太小，会增加带出物的损失。反之，大块燃 料会增加灰渣中可燃组分的含量。 除颗粒的粒径大小外，颗粒的粒径分布也是生产上比较 重要的问题，一般固定床发生炉所用的原料要进行过筛分级， 最大粒度与最小粒度的比例要适宜，一般为5左右，低生产 负荷下可放宽到8左右。粒度范围大，容易造成炉内局部气 流短路或沟流，也可能出现偏析现象，即颗粒大的煤落向炉 壁，而较小的颗粒和粉末落在炉子的中间，造成同一截面上 不同部位的流体阻力不均。
C O2 CO2 394.4kJ / mol
C 1 2 O2 CO 110.4kJ / mol
• 由此可见，空气煤气的主要有效成分是一氧化碳。即使在理想 3 条件下，制取空气煤气的气化效率也只有69.3%，煤气热值4409kJ/ m , 而理想空气煤气的有效成分一氧化碳只有34.7%，其余是65.3%的氮气。
•
一 发生炉煤气
•
•
图3-4 燃料层高度 混合煤气组成随燃料层高度的变化曲线 1-灰分区 2-氧化区 3-第一还原区 4-第二还原区 5-煤气空间
表3-2 各种煤在机械化发生炉中的实际气化指标示例
一 发生炉煤气
• 造成实际指标差于理想指标的主要原因有：
• ⑴气化原料并非纯碳，由于挥发分、灰分的存在，其固 定碳含量远小于100%，所以，煤气产率和空气耗量等均 低于理想情况。 • ⑵由于各种副反应的存在，碳并非完全转化为CO，水 蒸气也不可能完全分解成CO、H2，因而使产品中含有 CO2和未分解的蒸气，从而使煤气的有效成分和煤气的热 值均低于理想情况。 • ⑶由于各种热损失的存在，如带出物及灰渣等带出的热 量，炉体的散热，使放热反应释放的反应热并不能全部用 于气化，而转入煤气中，故冷煤气效率亦低于理想情况。
四 固定床气化对煤质量的要求
综上所述，固定床气化对原料的要求是低水、 低灰、低硫、高活性、高灰熔性、热稳定性好、机 械强度高、不黏结、粒度均匀适中的燃料。
五 制气原理
1 空气煤气
• 空气煤气是发生炉煤气最简单的生产工艺。它以空气作为气化燃 料，主要的化学反应如下：
3-1 3-2 C CO2 2CO 173.3kJ / mol • 从发生炉底部通入的空气气化剂中的氧在炉内氧化层与炽热的 炭作用，理想情况下只生成二氧化碳，并放出大量的热。二氧化碳热 气体上升到还原层，继续与碳作用发生还原作用，生成一氧化碳，并 吸收热量。一氧化碳是空气煤气的主要可燃成分。 • 将上述反应相加得气化区总反应：
第三章 移动床常压气化工艺
第一节
概论
常压固定床气化炉是目前在中国使用量最多的 气化炉炉型， 总量约万台， 在替代直接燃煤、 燃 油、减少污染物排放等方面发挥了积极作用， 因此 在一些煤气用量较少而又能确保块煤供应的情况下 是可以使用的。常压水煤气气化主要在中小化肥厂 使用， 约生产中国合成氨产量的 6 0 ％以上， 但 这种炉型已被发改委列为非鼓励技术，其出路是提 高效率、 减少污染， 如连续富氧或纯氧鼓风气化。 本章将重点介绍移动床常压气化工艺中的发生炉煤 气、水煤气和两段炉煤气等。
2
dCO2
100bCO aCO2 200 bCO
（3-2）
式中： aCO —还原反应前二氧化碳体积分数，v% bCO —还原反应后一氧化碳体积分数，v%
2
•
四 固定床气化对煤质量的要求
•灰分及灰熔点： 煤中的灰分高，不仅增加了运输的费用，而且对气化过程有很多不利 的影响。气化用煤灰分越低越好，一般控制在16%以下。 气化炉的氧化层，由于温度较高，灰分可能熔融成粘稠性物质并结成 大块，这就是通常讲的结渣性。其危害有下面几点： ①影响气化剂的均匀分布，增加排灰的困难。 ② 为防止结渣采用较低的操作温度从而影响了煤气的产量和质量。 ③气化炉的内壁由于结渣而缩短了寿命。 煤的结渣性与灰熔点有一定的关系。一般地，对于灰熔点低的煤在 气化时容易结渣，为防止结渣，就要加大水蒸气的用量，使氧化层的温 度维持在灰熔点以下。对于固定床固态排渣，一般要求灰熔点 在1250℃ 以上。 • 固定碳：气体燃料的有效成分。一般要求固定碳在60%以上。
•
五 制气原理
3 水煤气
• 典型的制取水煤气的方法是煤的燃烧和水蒸气的分解分开交替进 行，可制得ψ（ H 2 +CO）与ψ（ N 2）之比在15.8~23.1左右的水煤气， 在合成氨工业上需配入适量的氮气使得ψ（ H 2 +CO）与ψ（N 2）之比 约为3.2左右，称为半水煤气。 • 以水蒸汽作为气化剂，在炉内主要进行的气化反应如下：
C H 2O CO H 2 135.0kJ / mol C H 2O CO2 2H 2 96.6kJ / mol
3-6 3-7 3-8 3-9
•
生成的产物可进行如下反应：
CO H 2O CO2 H 2 38.4kJ / mol C 2H 2 CH 4 84.3kJ / mol
原料煤的性质对气化过程影响很大。固定床气化对煤的选 择尤为严格。 • 水分：随煤的碳化度而异。无烟煤和烟煤的含水量多在 5%以下。次烟煤和褐煤含水量约10%-30%。煤种水分和挥 发份含量有关，随挥发份含量降低而降低。气化用煤含水量 越低越好，一般要求不超过8%。 煤中水分高会增加气化过程的热损失，降低煤气产率和 气化效率，使消耗定额增加。 •
一 发生炉煤气
以空气和水蒸气为气化剂与原料煤或焦炭反应制得的煤气 称为混合煤气（发生炉煤气）。由于气化剂中水蒸气的加入， 克服了空气煤气热值低、炉温高、气化效率低等缺点，获得 了较好的经济指标，成为移动床常压气化工艺中重要的气化 方法之一。 • 煤气组成中无效气体约占60%左右，热值约为5.025.86 MJ / m3 。由于其热值低，主要用作工业燃料气。亦可以 作为燃气的掺混气。由于可燃组分为30%左右的CO，一般不 单独作为民用煤气使用。
表3-1 工业煤气组成
二 气固相反应
•
•
图3-1 气固反应器的类型 1-反应物 ；2-产物气
三 煤气发生炉内的燃料分布情况
固定床实际上是移 动床。只是床层各层面 的参数基本恒定，床层 无明显位移。固定床的 气化过程如图3-2。
图3-2 固定床气化过程简图
•
图3-3 移动床及其炉内料层温度分布
四 固定床气化对煤质量的要求