第7讲 煤气化工艺的现状及发展趋势

第7讲 煤气化工艺的现状及发展趋势

一、煤气化工艺分类

煤炭气化技术已有悠久的历史，尤其是自20世纪70年代石油危机的出现，世界各国广泛开展了煤炭气化技术的研究。目前，正在应用和开发的煤气化炉有很多类型。所有这些气化炉都有一个共同的特征：煤在气化炉中，高温条件下与气化剂反应，使固体燃料转化成气体燃料，只剩下含灰的残渣。通常气化剂用水蒸气、氧（空气）和CO2。粗煤气中的产物是CO、H2和CH4，伴生气体是CO2、H2O等。此外，还有硫化物、烃类产物和其他微量成分。各种煤气组成取决于煤的种类、气化工艺、气化剂的组成，影响气化反应的热力学和动力学条件。气化方法的分类有多种方法，分述如下。

1、按制取煤气的热值分类

以下按制取煤气的标准状态下的热值把煤气化工艺分成3类：

? 制取低热值煤气方法，煤气热值低于8347 KJ/m3（2000 kcal/m3）；

? 制取中热值煤气方法，煤气热值16747～33494 KJ/m3（4000～8000 kcal/m3）； ?

制取高热值煤气方法，煤气热值高于33494 KJ/m3（8000 kcal/m3） 2、按供热方式分类

煤气化过程的整个热平衡表明，总的反应是吸热的，因此必须供给热量。各种过程需要的热量各不相同，这主要是由过程的设计和煤的性质决定的，一般需要消耗气化用煤发热量的15%～35%，顺流式气化取下限，逆流式气化取下限，其供热方式有几种途径。

? 自热式气化法

这是一种直接的供热方式，亦称部分气化方法，即气化过程中没有外界供热，煤与水蒸气气化反应所需要的热量，通过另一部分煤与气化剂中的氧气进行燃烧放热所提供。这是目前各种工业气化炉中最常用的供热方式。含氧气体可以是工业氧气或富氧空气，也可以是空气。气化过程可以是间歇蓄热或连续自热气化。

? 间接供热气化法

该法使煤仅与水蒸气进行气化反应，从气化炉外部通过管壁供给热量。因而这类过程亦称为外热式（或配热式）煤的水蒸气气化。此类技术，多是采用流化床和气流床气化手段。外热可采用电加热或核反应热，丰电地区的电力利用或充分利用核反应堆的余热时，才有经济性。

? 煤的水蒸气气化和加氢气化相结合法

煤与氢气在800～1800℃温度范围内和加压下反应生成CH4的反应是放热反应。可利用该反应直接供热，进行煤的水蒸气气化。该过程的原理在于煤首先加氢气化，加氢气化后的残焦再与水蒸气进行反应，产生的合成气为加氢阶段提供氢源。 ? 热载体供热

在一个单独的反应器内，用煤或焦炭和空气燃烧加热热载体供热，热载体可以是固体（如石灰石）、液体熔盐或熔渣。 3、按气化剂分类

气化方法按使用气化剂的不同可分为如下几种。 ① 空气蒸汽气化

以空气（或富氧空气）-蒸汽作为气化剂。其中又有空气-蒸汽内部蓄热的间歇制气和富氧空气-蒸汽自热式的连续制气方法两种。一般以空气为气化剂制得的煤气称空气煤气，主要成分为大量氮气、二氧化碳和一定量的一氧化碳和氧气。以水蒸气味气化剂制得的煤气称水煤气，主要成分为氢气、一氧化碳、二氧化碳及甲烷。以空气和水蒸气的混合物为气化剂制得的煤气称发生炉煤气。此外，合成氨工业中将（CO+H2）：N2≈3：1的煤气称为半水煤气。

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② 氧气-蒸汽气化

以工业氧和水蒸气作为气化剂。现代气化技术，几乎都是以工业氧和高压蒸汽作为气化剂的。 ③ 氢气气化

煤气化过程中用H2或富含H2的气体作为气化剂可生成富含CH4的煤气，该法亦称加氢气化法。 4、按固体燃料的运动状态分类

气化方法按固体燃料的运动状态可分为： ① 移动床（固定床）气化法； ② 流化床气化法； ③ 气流床气化法。

三种气化方式示意如图3-1所示.显然移动床属于逆流操作，气流床属于顺流操作，流化床介于上述两种情况之间。

图3-1 3种气化方式示意

二、煤气化技术发展概述及煤气热值和计算方法

通常的煤气化系统包括备煤给料系统、气化炉、除尘和脱硫。本章主要叙述备煤给料系统和气化炉。

备煤供料系统将原煤干燥并磨碎到各种气化所要求的粒度。供料的方式有两种：一种是干煤（或干煤粉）压力锁斗供料；另一种是水煤浆供料（一般要求谁与煤混合被磨制成水煤浆，然后用高压泵送入气化炉）。 与煤同时喷入气化炉的还有气化剂，即空气或氧气及水蒸气，按气化工艺的要求选择氧化剂。在反应器的高温条件下同时进行煤的热解、部分氧化、水煤气反应及其他反应，煤气的成分主要是H2和CO，还有部分CO2、CH4和没有反应的水蒸气。

对于空气气化煤气中还会有一定量的N2。从气化炉出来的煤气温度较高，一般要经过煤气冷却器冷却至200℃左右，煤气冷却器通常有辐射式冷却器和对流式冷却器，有的工艺以冷煤气激冷代替辐射式煤气冷却器，有的工艺采用直接水激冷工艺。

从煤气冷却器出来的粗煤气含有许多灰粒和未反应的焦炭，还有H2S、NH3等一些污染物，固体颗粒必须在除尘系统中除去，除尘系统通常包括旋风分离器或过滤器以及水洗涤除尘器等。煤气中含有较高的含碳量，所以，在设计除尘系统时，必须考虑将飞灰再循环至气化炉的工艺流程。在有些气化工艺中煤气中的焦油等杂质也随飞灰再除尘系统中被收集，与飞灰一起被送到气化炉内再循环。

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不含灰尘的煤气进入脱硫系统。目前只有湿法洗涤脱硫工艺比较成熟。在湿法脱硫系统中脱除H2S，同时NH3也溶解于脱硫液中被脱除。脱硫后的净煤气被重新加热，在有些工艺中，净煤气还被蒸汽饱和，然后进入燃气轮机中燃烧。在煤气进入燃气轮机之前通常要调节煤气的温度，因此在煤气冷却、除尘和脱硫工艺之间还有许多煤气的换热器。

（一）、煤气化技术发展历史

1、早期的煤气化技术

1857年，德国Siemens兄弟最早开发出了用块煤生产煤气的炉子。这项工艺经过以后许多开发商的开发，到1883年应用于生产NH3。这期间最重大的发展是机械炉排的发明，使固定床变为移动床。

1921年，内燃机已发展到一定阶段，利用合成气来发电在当时属于高效的发电方式，于是在英国成立了一个能源气体公司。后来由于凝汽式蒸汽循环发电的迅速发展，其发电效率超过了内燃机，逐渐成为主要的发电方式。尽管如此，移动床气化技术由于其他用途仍然得到了持续发展，在这一时期出现了Lugri气化工艺。此时的煤气主要用来提供城市煤气或给化工合成过程提供了原料气。

随着工业的需求和技术的发展，移动床气化工艺面临许多难题有待解决：

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如何扩大煤种的适应性；

如何减少煤气中的惰性气体（如N2）； 如何提高单炉的出力；

如何使供料和除尘系统简化； ? 如何提高运行的灵活性。

这些问题在今天看来仍有研究的必要。移动床气化最大的问题是如何更好地适应细煤的气化，流化床气化工艺的出现，使这一问题迎刃而解。最著名的流化床气化炉就是德国的Winkler。这种气化炉起初主要是用来利用廉价的细煤，它出现后大量用于合成氨工业。

直接用氧气作气化剂使煤气化炉产生的煤气不含N2，提高煤气的热值，并且使气化炉的运行易于控制。在高温和高压下运行那个气化炉，使煤气产量得到很大的提高，这一点至今仍有很大的实用价值。

气化炉在高温下运行使气化技术得到进一步提高。由于气化炉运行温度高，煤灰被熔化以液态方式排出，使碳的转化率大大提高。在高温、氧气气化和液态排渣的经验上，气流床气化炉应运而生。最早的气流床气化炉是德国的Koppers-Totzek（简称K-T炉），它于20世纪50年代出现。K-T炉石常压、高温干煤粉气流床气化炉，其操作温度在灰熔点以上。它的出现，使气化炉的出力和煤气质量大大提高。

上述三种气化炉都在工业中得到不同程度的应用，例如：管道煤气、合成氨、合成甲醇以及其他用途。这时的煤气化工艺称之为第一代煤气化。

2、近期的煤气化技术

随着煤气化工艺在工业中的广泛应用，煤气化技术也得到了不断的发展，气化效率。气化炉的出力和环保性能都得到了长足的发展。为此，新的设计和大的改进层出不穷。新的设计和重大的改革标志着煤气化技术已进入第二发展阶段。其中最具代表性的新设计和改进就是流化床和气流床气化在高压下进行，移动床采用高温液态排渣系统。这些新设计都已付诸工业应用，除了在合成氨、合成甲醇等化工行业得到应用外，也在IGCC中得到应用。表3-1列出了第二代具有代表性的气化炉。

表3-1 具有代表性的第二代气化炉

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熔融床气化炉作为第二代煤气化工艺的代表之一，在1956年，由德国的Otto-Rummel开发。它之所以被称为熔融床气化炉，是因为细煤粉被吹入一个熔融的渣池中，与蒸汽发生气化反应。美国、英国、日本曾研究和开发熔融床气化炉，但至今尚未进入商业应用，与其说它属于第二代煤气化技术，倒不如说它属于第三代煤气化技术。、 熔融床气化炉的特点：

? 可气化粒径较大的粉煤；

? 可以使粉煤中的可燃组分全部气化，气化效率高；

? 利用碱性熔融介质所具有的脱除酸性气体的特点，可以脱除大部分甚至全部H2S和其他含

硫物质； ? 熔融介质延长了粉煤在熔池内停留的时间，加之反应温度高，可使焦油和酚充分分 解，煤

气洁净、净化简单； ? 生产操作可调性较大，甚至可以短时间不进原料，具有最大的调节用气负荷的能力。 熔融床气化工艺中最具代表性的有：常压的罗米尔熔渣池气化工艺、加压的沙尔堡-奥托熔渣池气化工艺、加压的Kellogg熔盐池气化和ATGAS熔铁浴气化工艺。

（二）、煤气的热值及计算方法

1、煤气的热值

煤气的热值是指煤气完全燃烧，生成最稳定的燃烧产物（H2O、CO2）时所产生的热量（燃烧反应热效应值）。由于计算得物态基准和温度基准值不同，热值有两个表述值，即低热值（Qe）和高热值（Qh）。其区别在于高热值是计入了所生成水汽及硫化物的凝结热（相变热）的，所以数值大于低热值。一般情况下，应用部门多采用低热值作工程设计计算，研究部门和国际商贸谈判中多采用高热值。在有的文献上低热值也称净热值，普通工具书上，热值的温度基准是按20℃记载的。

单一可燃气体的热值可由单一可燃气体的燃烧特性表（表3-2）中查得，

表3-2 单一可燃气体的燃烧特性数据

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2、煤气热值的计算方法

1) 混合气体的热值

由可燃气体混合组成的煤气，其混合气体的热值可按下式计算。 为简化计算，煤气中种类众多而含量甚微的小分子烃类通常不做分析测试，只作为一个概括量，表达为CmHn。在热值计算中，其组成为加和总量，热值取丙烷的数据进行计算。按煤气组成的分子分布和计算结果统计，误差是工程计算所允许的。

2) 干煤气和湿煤气的热值计算

干煤气和湿煤气的低热值可按下式进行换算。

干煤气和湿煤气的高热值可按下式进行换算。

（三）、移动床煤气化工艺的现状及趋势

煤炭在固定床气化炉中的气化，也称为块煤气化。包括常压固定床气化和加压固定床气化两类。

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