煤转化的化学基础3(煤气化)ppt课件.ppt
煤炭转化的化学基础III煤的气化,刘振宇,煤气化,CO+H2,-煤转化过程以煤气化为“龙头”，-煤气化构成了煤化工工艺的主要成本,固体煤,-与热解的差异？温度要求？-不同过程对气体组成的要求？,煤气化的历史,1857德国Siemens兄弟块煤生产煤气的炉子1883用于合成氨（机械炉排的发明，固定床移动床）1921固定床/移动床（德国Lurgi，鲁奇）工艺发展、应用至今：常压加压，固态排渣液态排渣,1926流化床（德国Winkler）工业应用发展、应用至今：常压加压U-Gas 美国IGT（1974）、中科院煤化所（1980）KRW 美国西屋（1975）,1950s气流床 德国Koppers-Totzek,KT炉，常压、干粉Texaco 美国，第一套中试装置（1948）Shell 荷兰，第一个实验装置（1976）Prenflo 德国Krupp-Uhde公司，加压KT炉（1985）GSP 原民主德国（1976）,煤气化的化学,煤,加热,其他：其它有机结构的反应、无机组分（S、N、灰分）的反应,理想过程得到气体，达到热平衡（放热吸热）C+H2O=CO+H2吸热（Hr=131 kJ/mol）2 C+O2=2 CO放热（Hr=-222 kJ/mol）,煤气化的化学,总反应：2.2 C+0.6 O2+H2O+2.3 N2=2.2 CO+H2+2.3 N2(空气气化),煤气化炉的基本原理,依据煤运动方式的不同，有多种气化方式：,郭树才煤化工工艺学2006,煤气化炉的基本原理,不同类型气化炉的压力损失和热传导行为,郭树才煤化工工艺学2006,固定床气化炉鲁奇（Lurgi）,小型炉都有类似的结构蜂窝煤炉也属于这个类型,煤分布器,搅拌器,1200oC,400oC,固定床气化炉鲁奇（Lurgi）,能量优化利用的典型进煤、排灰进气、出气煤中烃类挥发分,特点块煤(6-50 mm),节省磨煤成本高灰熔点煤气热值高焦油粘结焦油加工（CH4、焦油、酚）,400oC,煤分布器,搅拌器,1200oC,上部：气体热载体的热解炉整体：气化和热解的耦合,固定床气化炉 Lurgi炉中的反应行为,郭树才煤化工工艺学2006,温度（oC）恒量氮气下的气体组成（）,固定床气化炉特点,郭树才煤化工工艺学2006,煤或焦炭，粒径6-50 mm（强度）弱粘结性，搅拌破黏,煤0-10 mm,氧气+蒸气,后气化区,流化区,灰渣（30的灰）螺旋排灰机,煤气,能量利用?进煤、出渣进气、出气焦油？,特点高灰熔点、灰的碳含量处理量大于固定床气化温度低（渣与焦油？）,流化床气化炉温克勒（Winkler）,郭树才煤化工工艺学2006,温克勒流化床气化炉 工艺流程,操作温度900 oC煤褐煤、不黏煤、弱黏煤等，010 mm二次气化剂减少飞灰碳含量,流化床气化炉灰熔聚（U-Gas）,稀相段,浓相段,煤,气体分布板,特点：导入高速射流，使灰分在软化但未熔融的状态下熔聚成小球，而选择性排出。温度高于温克勒炉煤种适用性广,高速射流,排灰,1974 美国IGT建立炉径0.9 m炉1980s中科院山西煤化所研发 工业示范（100吨/日，2400mm）在陕西成功应用IGT在上海焦化厂建8台，未能成功,与Winkler相比 浓相段温度分布不均匀意义？操作难度？,流化床气化炉灰熔聚,山西煤化所灰熔聚流化床气化炉,煤气化工艺气流床,煤或煤浆与气化剂通过特殊喷嘴一起送入炉内，瞬间燃烧、气化，温度1700-2000oC。,KT气化炉,特点：温度高、气化强度大煤种适用性强（含意？）需庞大的磨粉、余热回收、除尘装置干粉进料（难度）,气流床Texaco（德士古）炉,喷嘴,O2入口,冷却水入口,冷却水出口,水入口,水出口,特点：水煤浆进料（煤60）先进行预热、水蒸发干馏、热解、气化液态排渣进料比干煤粉简单稳定湿法研磨节省动力煤浆需加稳定剂副产蒸气利用很重要O2耗较高、CO2较多,气流床Texaco（德士古）中国,国家九五攻关，水煤浆气化及煤化工国家工程中心华东理工由中心一个烧嘴变为四周四个对喷烧嘴通过撞击流强化传质过程，有效气提高2-3%，氧耗有所下降,对喷的操作性？,气流床Texaco（德士古）流程,气流床德士古商业装置（山东德州）,气流床Shell（壳牌）,外壁,熔灰,炉内,水冷,气流床Shell（壳牌）炉流程,特点：干煤粉进料、对喷烧嘴；1400-1700oC，煤转化率高耗氧较少、煤气有效成分较多水冷壁、液态排渣磨煤能耗、粉尘,气流床壳牌炉（Yueyang）,气流床壳牌炉（Yueyang）,煤气化工艺的特点对比,移动床（固定床）要求块煤，可处理水分、灰分高的劣质煤温度变化大，热量利用好，产焦油固态排渣耗水蒸气多，要求灰熔点高液态排渣可提高温度、压力，提高生产能力,流化床温度均匀，低于灰的软化点；煤转化率较低煤预处理、进料、焦粉回收等系统复杂庞大煤气粉尘含量高，后处理系统磨损、腐蚀较重,气流床温度高，碳转化率高，生产能力大，无焦油液态排渣，氧耗随灰含量和熔点的增高而增加备煤系统庞大，除尘系统庞大，废热回收昂贵,煤气化反应热力学C+CO2,许世森等大规模煤气化技术化学工业出版社，2006,C+CO2=2 CO Hr=173 kJ/mol（吸热反应）,煤气化反应动力学,煤气化过程宏观：气-固过程微观：气-固、气-气化学反应传递过程,气-固过程的步骤（与非均相气固催化反应类似）：1）气体反应物向固体表面的转移和扩散 2）气体反应物在固体表面的吸附 3）被吸附的气体反应物与固体表面反应生成中间产物 4）中间产物分解、与其他气体分子反应 5）反应产物从固体表面脱附,煤气化反应动力学,灰粒尺度不变？孔隙率改变？传热与传质的差异？煤的性质改变？,缩核模型,煤气化工艺地下气化,一方面：简单、优越深、薄、斜煤层瓦斯多、灰分高顶板状况险恶免去运输、废渣处理,另一方面：面临挑战顶板、底板构造（热、压）水多耗能、熄火污染物排放反应控制、煤炭利用率？灰层导致的传质阻力,约100年历史美国、前苏联中国矿大长通道、大断面、双火源、2阶段工艺小试工业性试验尚没有工业应用,灰化学,灰分不是“惰性”物质-消耗反应热（用于升温、熔化、转化）灰分增加1%氧耗增加0.7-0.8%、煤耗增加1.3-1.5%-影响成浆-增加对耐火砖的侵蚀和磨损，以及对阀门、管道、设备的磨损-造成堵塞，影响运行,灰熔点:关键性质，与灰的化学组成相关,典型灰渣组成（质量%）,酸性组分提高熔点,碱性组分降低熔点,灰化学,有若干预测灰熔点的方法，本质不同,为什么？,许世森等大规模煤气化技术化学工业出版社，2006,加助熔剂降熔点：Fe2O3或CaO 为什么不加K和Na的盐？,煤气化工艺固体热载体（CaO）,煤气化,煤,CaO，1000oC,C+CaCO3，850oC,H2O,无N2、低CO2的合成气或H2,O2,燃烧,排渣,CO2,问题：CaO与CO2的反应不易完全CaCO3与渣的分离高温固体输送污染物与Ca的作用,优点：合成气或H2不含N2、少含CO2、少含硫可得到高浓度CO2“零排放”？,煤气化反应与活性炭制备,活性炭制备工艺,炭化,活化,热解,煤,活性炭,美国“21世纪展望”多联产过程,虚拟工厂模拟,气化和燃烧,制氧,发电和供热,燃烧模拟,先进材料,系统模拟,发电,燃料,热和蒸汽,电,燃料和化学品,制氢,CO2固定,煤气化,煤,化学合成,气化,气体转化,尾气,电工业用气城市煤气甲醇系列化学品化肥,化肥合成,气体制备,系统特征从气化出发，发电、合成甲醇系列产品、化肥、气体制备,欧洲壳牌公司煤多联产,气化,燃气轮机燃料电池,净化,制氧,合成,日本新能源计划多联产过程,系统特征从气化出发，发电、合成燃料和化学品,煤气化,合成,燃气轮机燃料电池,电力、热,合成气,柴油、汽油、其他燃料,氨、甲醇、化学品,污染物及CO2,煤多联产技术的多样性 10亿吨级（中国）,焦炉气合成气,燃气发电燃料电池,焦 炭,液体燃料及化学品,焦 化,焦 油,煤多联产技术的多样性 1亿吨级（中国）,多联产优越性原理：在更大的尺度上解决问题,原料100%的转化目标产物100%的收率污染物排放控制最经济的转化过程,热力学限制动力学限制化学反应计量限制过程经济的限制,现有状况：单一过程，原料在单一过程中“吃干榨尽”各方面的限制，难以实现理想目标 多联产：多过程耦合、多产物制备，总体实现“吃干榨尽”在大尺度层面解决效率、环境、效益问题,理想：,实际：,煤多联产与单一过程的差异：过程设计的差异,煤反应性降低,高,低,单一煤转化过程装置设计点,条件苛刻成本较高,没有利用煤不同组分的差异（经济、环境）,多联产单元过程的装置设计点,条件温和成本较低,煤不同组分的分级转化和优化利用（经济、环境）,目的：单一过程优化,目的：整体过程优化,煤,燃烧发电,煤直接液化,气化（热解）,气体净化,IGCC发电,汽、柴油合成,甲醇合成,40%,55%,43%,54%,45%,多联产：60%,仅是热量转化 能源形式很重要,煤转化过程的热效率分析,作 业（4月10日交）,煤反应性的差异对哪种气化炉运行的影响大？为什么？为什么实验室的煤气化研究均采用焦炭，而不是煤？,预习煤直接液化,
