现代煤化工生产技术(三)新版

第三节 德士古水煤浆气化的基本原理
化学反应： 1、氧气充分燃烧时的完全燃烧反应： CmHnO+【（m-1）/2+n/4】O2 =mCO2+n/2H2O+Q CO+1/2O2 =CO2+Q C+O=CO2+Q H2+1/2O2=CO2+Q 1.1氧气不足时的部分氧化反应： CmHnO+（m-1）/2O2 =mCO+n/2H2+Q C+1/2O2 =CO+Q
5.5对煤种的要求
（1）总水分 总水：包括外在水分和内在水分 外在水分是煤粒表面附着的水分，来源于人为喷洒 和露天放置中的雨水，通过自然风干即可失去。外在 水分对德士古煤气化没有影响，但如果波动太大对煤 浆浓度有一定影响，而且会增加运输成本，应尽量降 低。 内在水分是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存 在于煤中，煤的内在水分高同样会增加运输费用，但 更重要的是内在水分是影响成浆性能的关键因素。内 在水分越高成浆性能越差，制Βιβλιοθήκη Baidu的煤浆浓度越低，对 气化时的有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利
第一章 德士古水煤浆气化技术
• 原料：水煤浆 • 气化剂：纯氧 • 原理：在高温高压的条件下，进行气化 反应，制得以H2+CO为主要成分的粗合成 气。
第一节 德士古气化主要技术优势
1、原料范围宽，除可气化从褐煤到无烟煤的大 部分煤种外，还可气化石油焦、煤液化残焦、 半焦、沥青等原料，后来又开发了气化可燃垃 圾、可燃废料（如废轮胎）的技术。 2、与干粉煤进料相比，更安全和容易控制。 3、工艺技术成熟，流程简单，设备布置紧凑， 运转率高；气化炉结构简单，炉内没有机械传 动装置，操作性能好，可靠程度高。
对煤种的要求
2）硫含量。 大部分生成硫化氢和硫氧化碳，其中硫化氢会对设 备和管道产生腐蚀。已有用户使用过含硫量达5%的煤 种，发现对气化装置影响不大。煤中含硫量的多少对 后续的酸性气体脱除和硫回收装置影响也较大，因此 要求煤中的可燃硫含量要相对稳定，以便选择正确的 脱硫方法。 3）氮含量。 煤中的氮含量决定着煤气中氨含量和冷凝液的PH值 。冷凝液中氨含量高，PH值高，可减轻腐蚀作用。但 生成过多的氨，在低温下会与二氧化碳反应而形成堵 塞。引起故障，同时PH值升高，极易引起碳酸钙结垢 ，因此应正确考虑氮含量的影响，以利用于合理选择 设备材质、平衡系统水量。
4、操作弹性大，碳转化率高，碳转化率一般可 达95%-99%，负荷调整范围为50%-105%。 5、粗煤气质量好，用途广。由于气化温度高， 粗煤气中有效成分（CO+H2）可达80%左右，除 含有少量甲烷外不含其他烃类、酚类和焦油等 物质，后续净化工艺简单。产生的粗煤气可用 于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋 酐及其他相关化学品，也可用于供应城市煤气 和联合循环发电（IGCC）装置。
（3）煤的灰份 灰份虽然不直接参与气化反应，但却要消耗 煤在氧化反应中所产生的反应热，用于灰份的 升温、熔化及转化。灰份含有率越高，煤的总 发热量就越低，浆化特性也较差。根据资料显 示，同样反应条件下，灰份含量每增加1%，氧 耗约增加0.7%-0.8%，煤耗约增加1.3%-1.5%。
对煤种的要求
（4）煤的灰熔点、灰渣黏温特性及助熔剂 1）、煤灰的熔融性习惯上用4个温度来衡量，即煤灰 的初始变形温度T1，软化温度T2，半球温度T3，和流 动温度T4，煤的灰熔点一般是指流动温度，它的高低 与灰的化学组成密切相关。 SiO2、Al2O3、CaO、和Fe2O3组分约占灰份组成的90%95%，它们的含量相对变化对灰熔点影响极大，一般认 为，灰份中Fe2O3、 CaO、MgO的含量越多，灰熔点越低 ； SiO2、Al2O3含量越高，灰熔点越高。
对煤种的要求
3）、助熔剂 由于材料耐热能力的限制，如果灰熔点高于1400℃ 的煤还要采用熔渣炉气化，建议使用助熔剂，以降低 煤的灰熔点。根据煤质中矿物质对灰熔点影响的有关 研究表明，添加适当助熔剂降低酸碱比，可有效降低 灰熔点。 一般选用氧化钙或氧化铁作为助熔剂。因为它们是 煤的常规矿物组成，几乎对系统没有什么影响，流动 性与一般的水煤浆相同，加入后又能有效改变熔渣的 矿物组成，降低灰熔点和黏度。加入量视灰渣成分不 同及向火面耐火材料的构成合理选择。 在选择煤种时，宜选择灰熔点较低的煤种，这可有 效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命，同时可以 降低氧耗、煤耗和助熔剂消耗。
第二节 德士古煤气化突出问题
1、炉内耐火砖寿命短，更换耐火砖费用大，增加了生产运行 成本。 2、喷嘴使用周期短，一般在60-90d就需要更换的修复，停炉 更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行有影响，一般需要 备用炉，增加投资建设。 3、考虑到喷嘴的雾化性能及气化反应过程对炉砖的损坏，气 化炉不宜长时间在低负荷下运行，经济负荷应在70%以上。 4、水煤浆含水量高，使冷煤气效率和煤气中的有效成分偏低 ，氧耗、煤耗均比干法气流床高 5、对管道及设备的材料选择要求严格，一次性工程投资高。 6、气化炉炉膛热电偶寿命短，有的只有一周左右，短的甚至 刚开车即损坏，无法长期准确指示炉内温度，仅能用于指 导开车。
对煤种的要求
6）可磨指数 哈氏可磨指数表示煤的可磨性，是指煤样与美国一 种粉碎性为100的标准煤进行比较而得到的相对粉碎性 数值，指数越高越容易粉碎。煤的可磨指数决定于煤 的岩相组成、矿质含量、矿质分布及煤的变质程度。 易于破碎的煤容易制成浆，节省磨机功耗，一般要求 煤中的哈氏可磨指数在50-60以上。 7）煤的化学活性 煤的化学活性指煤在一定温度下与二氧化碳、水蒸 汽或氧反应的能力。我国采用二氧化碳介质与煤进行 反应，测定二氧化碳被还原成一氧化碳的能力，还原 率越高，活性越大，煤的反应活性越强，它与煤的炭 化程度、灰份组成、粒度大小以及反应温度等因素有 关。反应活性高，有利于气体质量、产气率和碳转化 率的提高。
6、可供选择的气化压力范围宽。气化压力可根据工艺需 要进行选择，目前商业化装置的操作压力等级在 2.6~6.5MPa，为满足多种下游工艺气体压力的需求提 供了基础。 7、单台气化炉的投煤量选择范围大，根据气化压力等级 及炉径的不同，单炉投煤量一般在400~1000t/d(干煤) 左右。 8、气化过程污染少，环保性能好。高温高压气化产生的 废水所含有害物质极少，少量废水经简单生化处理后 可直接排放；排出的粗、细渣既可作水泥掺料或建筑 材料的原料，也可深埋于地下，对环境没有其他污染
对煤种的要求
（5）、发热量 是煤的主要性能指标之一，其值与煤的可燃组分有关，热值越 高每千克煤产有效气量就越大，要产相同数量的有效气体煤耗量 就越低。 （6）、元素分析 煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其 中的主要元素。煤中的含碳量随煤化程度增加而增加，氢和氧含 量随煤化程度加深而减少，氮在煤中的含量变化不大，硫则随成 煤植物的品种和成煤条件的不同而有较大的变化，与煤化程度无 关。 气化用煤希望有效元素碳和氢的含量越高越好，其他元素含量 越低越好。 1）氧含量。一般在10%左右，对气化过程没有副作用。
对煤种的要求
（2）、挥发份及固定碳 煤化程度增加，则可挥发物减少，固定碳增 加。固定碳与可挥发份之比称为燃料比，当煤 化程度增加时，它也显著增加，因而成为显示 煤炭分类及特性的一个参数。 煤中的挥发份高，有利于煤的气化和碳转化 率的提高，但是挥发份太高的煤种容易自燃， 给储煤带来一定麻烦。
对煤种的要求
5.1煤浆浓度
煤浆浓度是德士古气化法独特的控制 指标，这也是一个极为重要的工艺参数 煤粒度越小，煤浆浓度越高，黏度愈 大。碳转化率或气化效率愈高，但是也 会引起煤浆黏度剧增，给气化炉加料带 来困难，因此不同的煤种都有一个最佳 的粒度和浓度。需预先进行试验选择。
5.2气化温度和气化压力
气化温度对于气化过程的影响是很显著的。为了提 高气化温度和气化效率，缩短反应时间，与其他气流 床气化方法一样，德士古炉的气化温度比较高，并且 采取液态排渣。故操作温度必须大于煤的灰熔点，考 虑到炉壁耐火材料的耐高温性和使用寿命，一般控制 在1000-1350℃，当煤的灰熔点高于此温度时，需加助 溶剂。 气化炉的生产能力与压力的开方成正比，升高压力 ，有利于提高气化炉的单炉生产能力，一般在10MPa以 下。炉内气化压力高低的确定还取决于产品煤气的用 途。生成合成氨一般为8.5-10MPa，如用于合成甲醇则 为6-7MPa为宜，这样后面的工序不需再增压。
第六节德士古水煤浆气化工艺流程
水煤浆加压气化的工艺流程，按燃烧室排出的高温气体和熔 渣的冷却方式的不同，分为激冷流程和废热锅炉流程。 1、激冷流程 2、激冷流程特点： 激冷流程指出气化炉燃烧 气化炉的燃烧室和激冷室 室的高温热气流和熔渣经激 连为一体，设备结构紧凑， 冷环被水激冷后，沿下降管 粗煤气和熔渣所携带的显热 导入激冷室进行水浴，熔渣 直接被激冷水汽化所回收， 迅速固化，粗煤气被水饱和 同时熔渣被固化分离。具有 ，出气化炉的煤气，经炭黑 配置简单，便于操作管理， 洗涤塔除掉夹带的粉尘后， 粗煤气中的水蒸汽量能满足 制得洁净的粗煤气。 变换工段要求的特点。适合 于生产合成氨和制造纯氢的 生产，如用于生产城市煤气 ，需要进行部分变换及甲烷 化，以减少一氧化碳含量并 提高煤气热值。
2、煤的热解反应： CmHnO =低链烃类（气态）+焦炭 3、转化反应： CmHnO+（m-1）H2O=mCO+（ m-1 +n/2）H2-Q CmHnO+（2m-1）H2O=mCO2+（ 2m-1 +n/2）H2-Q CmHnO+（m-1）CO2=(2m-1)CO+n/2H2-Q 4、甲烷转化： CH4+2H20=CO2+4H2-Q CH4+H20=CO+3H2-Q CH4+CO2=2CO+2H2-Q
现代煤化工生产技术
气化车间培训教材（三）
序言 德士古气化炉
德士古气化炉如今已有五十多年的历 史，是美国德士古公司的专利技术，采 用水煤浆加压气化工艺。目前国内大化 肥装置较多采用德士古气化炉，并且世 界范围内IGCC电站多采用德士古式气化 炉。
德士古气化炉图片
德士古气化炉图片
德士古气化炉烧嘴照片
5、碳气化： C+H2O=CO+H2-Q C+CO2=2CO-Q 6、变换反应： CO+H2O=CO2+H2+Q 7、氨生成反应： 3H2+N2=2NH3+Q
8、硫化氢生成反应： H2+S=H2S+Q 9、COS生成反应： H2S+CO=H2+COS 10、甲酸生成反应： CO+H2O=HCOOH
对煤种的要求
2）、灰渣黏温特性是指熔融灰渣的黏度与温度的关系， 熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤种确定， 它只与实际操作温度有关，熔渣在气化内主要受自身 的重力作用向下流动，同时流动的气流也向其施加一 部分作用力，熔渣的流动特性可能是牛顿流体，也可 能是非牛顿流体，这主要取决于煤种和操作温度的高 低。为了顺畅排渣，专家认为熔渣行为处在牛顿流体 范围内操作比较合适，一旦进入非牛顿流体范围区， 气化炉内容易结渣。 水煤浆气化采用液态排渣，操作温度升高，灰渣黏 度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣黏度太低，炉砖 侵蚀剥落较快，液态排渣炉气化最佳操作温度以灰渣 的黏温特性而定，一般推荐高于煤灰熔点30-50℃。
对煤种的要求
4）砷含量 煤中砷含量在0.5-176μg/l范围。随煤种变化差异 很大。虽然煤中砷含量不高，但砷可以以挥发态单质 转化到粗煤气中，进入变换催化剂床层后与活性组分 Co、Mo形成比较稳定的化合物，使催化剂失去活性， 造成不可恢复的慢性中毒。 研究表明当变换催化剂中砷含量达到0.06%时，其 反应活性即开始下降，达到0.1%时基本失去全部反应 活性。因此煤中的砷含量越低越好。 5）氯含量 气化反应后氯有一部分随固体渣排出装置，另一部 分溶滞于工艺循环水中，当氯含量过高时会对设备和 管道造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，工艺运行中 应予以适当控制。
经过上述反应最终生成了以CO、H2、为主要成 分，以CH4、CO2为次要成分，以H2S、COS、 HCOOH、HCN等为微量有害成分的产品气体。
第五节德士古水煤浆气化工艺条件
1、煤浆浓度 2、气化温度和气化压力 3、气化时间 4、氧碳比 5、对煤种的要求 （1）总水分 （2）挥发份及固定碳 （3）煤的灰份 （4）煤的灰熔点 （5）发热量 （6）元素分析
5.3气化时间
固体的气化速率要比油气化慢的多， 因此，煤气化所需时间比油气化长，为 油气化的1.5-2倍，煤浆在德士古炉内的 气化时间一般为3-10s之间，它取决于煤 的颗粒度、活性以及气化温度和压力。
5.4氧碳比
氧碳比是指气化过程中氧耗量与煤中 碳消耗量的比值。它与煤的性质、煤浆 浓度、煤浆粒度分布有关，其值一般在 0.9-0.95之间，显然，氧碳比愈高氧消 耗量就愈大，这将影响经济指标。