第2章原料气制取（煤制气）ppt课件.ppt

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1、第二章 粗原料气制取,基本概念：水煤气、半水煤气、标煤、固体燃料气化气化原理半水煤气的生成过程间歇法制半水煤气为什么把一个制气循环分成若干步骤?煤气发生炉的结构水煤浆制气的特点,本章重点,第二节 固体燃料气化法,2.1 煤气化制取氨合成气的基本原理,原料气气柜,煤,煤气化过程的基本原理水分脱除热分解,空气煤气气体组成:,气化剂：用于和碳反应的介质。空气煤气 反 应：CO2+3.76N2=CO2+3.76N2 2CO2+3.76N2=2CO+3.76N2 C+CO22CO 2CO+O22CO2,1、概念 p45,与烟道气的区别？,低热值煤气,水煤气 气化剂：水蒸汽 主要反应 CH2O=CO+H2

2、 CH2O=CO2+H2,气体主要成分：,空气煤气水煤气 半水煤气,气体成分：,N,H,NH3,气化剂：空气+水蒸汽,半水煤气：以空气和水蒸气为气化剂 和碳反应生成的气体,气体成分特点：,那么，在工业上是否将空气和水蒸汽混合与煤反应就能制备半水煤气呢？,制约条件：1、合成氨需要的气体组成H2/N2=32、空气与碳反应的放热反应 水蒸汽与碳反应的吸热反应,CH2OO23.76N2,COH23.76N2,？,热平衡,2.2、气化反应的化学平衡 p47,2.2.1 以空气为气化剂的化学平衡,CO2+3.76N2=CO2+3.76N2(1)2CO2+3.76N2=2CO+3.76N2(2)C+CO22

3、CO(3)2CO+O22CO2(4),P47表1-2-16平衡常数,平衡常数kp1=pco2/po2;kp3=p2co/pc o2,主要反应,已知：反应压力为P，MPa；反应温度T,K;计算基准1mol氧气假设：C+O2CO2 碳全部转化生成二氧化碳，C+CO22CO 为可逆反应，CO2转化为co，平衡转化率为，空气中氮氧比3.76，C+CO2 2CO 1 0 平衡时 1-2,平衡组成计算：,反应前后的各组分间的数量关系,LnKp=-21000/T+21.4,将不同温度下的KP3值及总压P代入上式可求出，从而求得平衡组成，P48表1-2-17结论：1、CO平衡含量随温度升高而增加。二氧化碳平衡

4、含量随之下降。当温度高于900。碳与氧反应主要产物为CO,CO2含量很少。2、相同的温度条件下，随着压力的提高，CO 含量降低,CO2含量增加。,2.2.2、以水蒸汽为气化剂发生反应化学平衡,C+H2O（g）CO+H2（1）0R131.39KJ/mol C+2H2O（g）CO2+2H2（2）0R90.202KJ/mol CO+H2OCO2+H2（3）0R-41.19KJ/mol C+2H2CH4（4）0R-74.9KJ/mol,有6个组分，五个平衡分压为未知数，再需两个方程才能求解,1、总压等于各组分分压之和,2、利用水蒸气分解H和O的平衡,平衡关系式：,0.1MPa下，温度高于900，平衡产

5、物中氢气与一氧化碳的含量均接近50，其它组分的含量接近零。随着温度的降低，水蒸气、二氧化碳及甲烷等平衡含量逐渐增加。所以，在高温下进行水蒸汽与碳的反应，平衡时残余水蒸气量少，水煤气中氢气和一氧化碳的含量高。,温度压力已知，即可求得平衡组成,相同温度下增加压力，气相中H2O、CO2、CH4提高，H2、CO减少,2C+O22CO 0R-220.19 KJ/mol,碳与水蒸汽反应,放热,吸热,碳与空气反应,X（221.189/131.39）1.68,放热量与吸热量比值：,2。3、原料配比的确定 p57,C+H2O（g）CO+H2 0R131.39KJ/mol,以空气和水蒸汽为气化剂,满足热平衡时总热

6、效应为零体系的总反应为：,3.68C+O2+1.68H2O+3.76N2=3.68CO+1.68H2 3.76 N2,此时，气体中（CO+H2）/N21.43，远远低于半水煤气制氨合成气的要求。那么，符合原料气的条件(COH2)/N2=3.13.2,空气中的氧氮比应是？即：(3.681.68)/x=3.13.2,x1.731.68,比较：空气中的N2/O2比:=0.79/0.21=3.76 1.73 1.68,因此，直接用空气和水蒸气的混和物与煤反应得不到符合氨合成要求的合成气,解决办法：1、制取富氧空气连续制气，气体中的氧含量应为 1/(1+1.68)=0.373；2、一部分空气首先与煤反应

7、，然后放空，只提供热量，另一部分空气和水蒸气与煤反应作为原料气，即间歇制气。3、外部提供热量的方法,本节课下面要讲的主要内容,2.3、煤气化的工业方法 p51,工业方法,蓄热法,富氧法,外热法,空气和水蒸气,氧气和水蒸气,水蒸气,空气中氧含量提高到37.3以上,核能、外热能,2.4、半水煤气的制取 p57,CO、CO2、N2、H2、CH4、H2S、H2O,焦油、CO、CO2、CH4、C2H6,CO+H2O=CO2+H2C+CO2=2COC+H2O=CO+H2CO+3H2=CH2+H2O,2.4.1、固定床气化炉燃料层的分区 p5859,灰渣,或蒸汽,灰渣,或蒸汽,灰渣,或蒸汽,2.4.2、间歇

8、制取半水煤气过程（工作循环）p59,合理的温度分布至关重要,间歇式固定床煤气化炉,在制气过程中，除考虑热平衡和组成要求外，工业上还要考虑安全因素：避免含有CO和H2可燃气体与空气的直接接触，以免发生爆炸。,灰渣,或蒸汽,在间歇制气过程中，一个制气工作循环一般包括以下几个步骤：1、吹风阶段 2、蒸汽一次上吹 3、蒸汽下吹 4、蒸汽二次上吹 5、空气吹净,下面分别介绍,1,2,4,5,3,间歇进行,本节重点,1吹风：吹入空气，提高燃料层温度，回收显热和潜热后吹风气放空。,工作循环：间歇式气化时，自上一次开始送入空气至下一次再送入空气止，称为一个工作循环。,1,空气,换热后去烟筒放空,C+O2CO2

9、 0R-393.770kJ/mol2C+O22CO 0R-220.19 KJ/mol,2蒸汽一次上吹制气：自下而上向造气炉内送入水蒸汽进行气化反应，生成的气体经除尘、回收显热和降低温度后送到气柜，此时燃料层上部温度升高，下部降低。,2,水蒸气,换热后去气柜,在一次上吹制气阶段制气过程中，由于水蒸汽温度较低，加上气化反应大量吸热，使气化区温度显著下降，而燃料层上部却因煤气的通过，温度有所上升，气化区上移，煤气带走的显热损失增加，因而在上吹制气进行一段时间后，应改变气体流向。,C+H2O（g）CO+H2 0R131.39kJ/mol,3,换热后去气柜,水蒸气,3蒸汽下吹：水蒸气从炉顶自上而下通过燃

10、料层，生成的煤气除尘、回收热量、降温后送入气柜。水蒸汽下行时，吸收炉面热量可降低炉顶温度，使气化区恢复到正常位置。同时，使灰层温度提高，有利于燃尽残碳。,稳定床层温度,C+H2O（g）CO+H2 0R131.39kJ/mol,有的企业采用加空气，与蒸汽混合，缩短吹风时间。,4、二次上吹制气：下吹制气后，如立即进行吹风，空气与下行煤气在炉底相遇，可能导致爆炸。所以，再作下一次吹风之前将炉底及下部管道中煤气排净，为吹风作准备。,C+H2O（g）CO+H2 0R131.39kJ/mol,安全考虑,4,水蒸气,换热后去气柜,5空气吹净：二次上吹后，煤气发生炉上部空间，出气管道及有关设备都充满了煤气。如

11、吹入空气立即放空或送往余热回收系统将造成很大浪费，且当这部分煤气排至烟囱和空气接触，遇到火星也可能引起爆炸。因此，在转入吹风阶段之前，从炉底部吹入空气，所产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜，加以回收。,5,空气,换热后去气柜,半水煤气中氮的主要来源。,间歇式制气工作循环中各阶段气体的流向,衡量气化过程好坏的参数(1)单炉发气量，即气化强度，以每小时、每m2截面生产的煤气Nm3数表示；(2)半水煤气质量，如C0、H2含量，(C0H2)N2以及微量O2等；(3)燃料及蒸汽的消耗.（4）气化效率：吹风效率=（Q反-Q气）/Q燃 制气效率=Q气/Q燃+Q蒸+Q利 气化效率=Q气/Q总燃+Q蒸

12、,2.4.3、煤气化过程的主要工艺条件 p60,温度,1)煤：煤的活性、粒度、灰熔点、机械强度、热稳定性,变形温度t1：试样加热至角锥尖峰变圆的温度。软化温度t2：对应于角锥上部变形，开始倒在试台上的温度。熔融温度t3：对应于灰渣呈熔融态，沿着试台流动的温度,主要工艺条件（影响因素）：p60,3）吹风速度：18000-32000nm3/h，过小，反应速度慢；过大，热损大4）蒸汽用量：5-7吨/h，蒸汽流速0.10.3m/s5）碳层高度：1.6-1.8m6）循环时间分配：2.5-3min,2）温度：从化学平衡角度看，高温反应煤气中CO和H2含量高，水蒸气含量低；从反应速度来看，提高温度反应速度加

13、快。蒸汽分解率高，煤气产量高，质量好。温度过高，会导致炉内结疤。1000-1200,6）系统阻力：1500-3000mmH2O7）气体组成：氧含量小于0.5，甲烷含量小于0.5-1.0，(H2+CO)/N2=3.1-3.28）燃料变化及工艺调整：原料：煤、焦炭、煤球 要求：有一定的机械强度和抗破坏能力；有一定的热 稳定性；粒度均匀；高灰熔点；含硫低。,2.5、煤气化工艺流程,余热回收系统,热源：煤气显热（350-450的煤气和吹风气）吹风气的潜热（氢气和一氧化碳）,持续热源：合成驰放气的潜热（氢气和甲烷）,吹风气,驰放气,分离器,燃烧炉,烟囱,蒸汽过热器,水加热器,引风机,空气预热器,空气,1

14、 炉顶；2 炉体；3 夹套4 炉篦；5 灰仓；6 灰盘7 底盘；8 炉条机,固定床造气炉结构,2.6 主要设备,大球滚动底盘总成,六边炉蓖,闭式传动总成,蒸汽聚集器,鼓风箱,拉杆式油压炉口,自动加煤,水夹套,灰仓总成,大容量灰渣箱,气柜,近代热能回收流程的优点,1、采用新型炉痹2、降低系统阻力3、上下吹加氮4、过热蒸汽制气5、集中废锅回收热量寿光化肥厂基本上实现了两煤变一煤,a)设备利用率和生产能力低,燃料耗量高。b）程控阀、程控机和工艺流程复杂,设备和阀门的事故率高,操作困难,气体成分不容易调节。c)炭层温度上下变化大,气体流向周期变化,对燃料粒度、热稳定性、灰熔点等要求高。d)吹风阶段燃烧

15、产生的气体排放到大气,燃料中40%的硫化物和大量的二氧化碳及部分一氧化碳、灰尘直接排放大气,对环境造成严重污染。其他的废气,如合成放空气、弛放气、精炼再生气;废水,如造气污水、工艺冷却水,造气炉渣。排放物对土壤及地下水都会造成不同程度的污染。)噪声,UGI造气炉存在的问题,思考题,(1)本工段主要任务是什么?(2)一个制气据环分为哪几个阶段?为何分段?(3)吹风阶段为何要尽量采用较高的空速?(4)各设备的主要功能与作用是什么？哪些属于换热设备?(5)煤气炉中的燃料分为几层?(6)本工段主要控制约工艺指标是什么(7)各个制气阶段的流程怎样？(8)煤气炉设置水夹套的作用是什么?(9)本工段主要的节

16、能设备是哪几个?(10)本工段主要利用了哪些除尘方法?,常压连续富氧气化技术,常压连续富氧气化技术是蒸汽和富氧空气连续进入炉中，焦炭和富氧空气进行不完全燃烧产生大量的热量，温度升高，供蒸汽在炽热的炭中分解，制得半水煤气。变压吸附制氧技术的问世，降低了制氧设备造价，使纯氧、富氧成本降低，这给中小型氮肥厂用连续富氧气化技术提供了可能性,1998年黑龙江化工厂年产18万吨合成氨装置。焦炭为原料，7台3m富氧连续气化炉，配12000Nm3/h制氧设备。,固定床连续气化工艺流程,1 自动加焦机 2 煤气发生炉 3 鼓风机 4 混合器 5 灰斗 6 废锅 7 汽包 8 蒸汽过热器 9 洗气箱 10 洗气塔

17、 11 水封,氧气,空气,煤炭原料,低压蒸汽,锅炉给水,中压蒸汽,半水煤气,冷却水,循环水,循环水,20世纪80年代引进10套德士古水煤浆气化装置,第三节、水煤浆加压气化制气技术 p69,水煤浆加压气化制合成气应用厂家,专利许可费:按每天的有效气来计算 处理煤量1500吨/天,600万美元,山东华鲁恒升化工股份有限公司-工业装置华东理工大学、水煤浆气化与煤化工国家工程中心-软件包中国华陆工程公司-工程设计哈尔滨锅炉厂-气化炉设备新乡耐火材料厂-气化炉燃烧室耐火衬里,九五期间，水煤浆气化与煤化工国家中心、华东理工大学、中国天辰化学工程公司承担国家重点科技项目-新型水煤浆气化炉开发,水煤浆主要技术

18、指标,一、水煤浆加压气化制合成气原理,基本原理：以高浓度煤水浆（煤浓度达70%）进料、液态排渣的加压纯氧气流床气化炉。反应温度13501500，压力2.8MPa，能气化多种劣质煤，炭转化率可达96%以上，有效气（CO+H2）80%，CH4低于0.1%的原料气，适于合成氨、合成甲醇等使用。,反应及区域划分,水蒸汽反应：C+H2OCO+H2CO+H2OCO2+H2,C+2H2CH4C+CO22CO2C+O22COC+O2CO,裂解及挥发分燃烧区 裂解反应：CmHnSx=(n/4-x/2)CH4+(m-n/4-/2)CxH2S燃烧和气化区：完全燃烧反应：C+O2=CO2 气化区反应：,二、工艺条件,

19、1、水煤浆制备：水煤浆浓度:70%，含水过多，耗大量蒸发热，导致炉温过低，降低(CO+H2)含量，过少，流动性差，粘度大。2、氧煤比:炉温主要是靠调节氧煤比来控制。氧气含量高，气化反应温度和碳转化率随之增高。当氧煤比为1m3/kg，碳的转化率可达96%以上，产气量可达最大。3、气化反应温度:1300-1500oC,高于煤的灰熔点，过低，转化率低，过高，耗氧量高，对炉体材质及保温要求增高。4、气化压力:分为中压(4.0MPa)和高压(8.5MPa),节省煤气的压缩费用。同时加压可以提高转化率99%，常压94%。5、烧嘴技术：关键技术，特殊材质的特种钢制成，耐磨，耐高温，雾化性好，保障氧气与水煤浆

20、充分接触。,三、工艺特点,（1）煤种适应性强：（2）合成气质量好。有效气(CO+H2)80%，煤气中CH40.1%，可作为生产氨、甲醇等产品的原料气，也可用于联合循环发电等；（3）在加压和高温（13001500）下操作，煤灰呈液态排出，炭转化率达9699%以上，气化效率高，产生的高温煤气可以采用直接或间接回收热能的方法；（4）气化压力高，单炉产量高。（5）工艺操作比较灵活，负荷适应性广，可在（70100%）负荷范围内正常操作；（6）三废污染少。由于炉温高，煤气中氰化物等有毒物质产生少，几乎无废气排放，废水中不含酚和焦油，一部分含H2S、HCN、NH3的污水采用生化处理达标后排放或回收利用。（7

21、）废热回收：直接激冷法、间接冷却法、间冷和直接淬冷,Texaco德士古炉-水煤浆气化法,以高浓度水煤浆(煤浓度达70)进料、液态排渣的加压纯氧气流床气化。由美国德士古公司开发德士古气化炉为直立圆筒形结构，分为上、中、下三部分，上部为反应宝，中部为激冷室或废热锅炉，下部为灰渣锁斗。,四、德士古水煤浆气化工艺流程,气体组成：,单喷嘴，物料停留时间分布宽，碳转化率低，流场为受限射流，射流以较大速度冲刷耐火砖；,采用撞击流，旨在加强混合，强化热质传递。,预混式喷嘴,预膜式喷嘴，属高效、节能型，氧气压降低,洗涤冷却室结构为上升管-下降管套筒式，粗合成气易带水带灰；,复合床洗涤冷却室，消除带水带灰问题，洗

22、涤冷却室液位可控。,文氏管与筛板塔组合初步净化煤气方案,混合器、分离器、水洗塔组合方案，采用“分级”净化，属高效、节能型净化工艺。,间接换热方案回收黑水余热,直接换热方案回收黑水热量，专利费用低,引进水煤浆气化技术,多喷嘴对置式水煤浆气化技术,第四节 灰熔聚流化床制气技术,一、概述灰熔聚流化床煤气化是新一代流态化气化技术。煤灰的熔聚是指其在加热过程中烧结成块的现象，在干法排渣的流化态燃烧和气化过程中，煤灰不发生熔融，而熔聚成为球状或块状灰渣排除。,二、基本原理,借助气化剂（氧气或富氧）和蒸汽的吹入，使床层中的煤粒(小于6mm)沸腾起来，整个床层温度和组分均一，使气固两相流态化，煤和气化剂在一定

23、温度和压力条件下反应生成煤气。在射流高温区域内煤中的灰分在软化而未熔融的状态下，相互碰撞粘结成灰渣球排出体外。流化床反应器的混合特性有利于传热传质和粉状原料的使用，但混合也造成了排灰和飞灰中碳损失较高，根据射流原理，在流化床底部设计了灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰渣团聚成球，借助重量的差距达到灰球与煤粒的分离，提高了碳利用率。,流化床煤制气技术发展的原因,生产强度比固定床大以小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术的发展对煤种适应性强，可利用褐煤等高挥发份煤灰渣中的残碳小于固定排渣，小于液体排渣带出的显热损失气化过程碳的利用率高,三、灰熔聚制气炉技术,气固流态化传热传质速率高，气化强度高，可用

24、碎煤为原料,中心射流形成局部高温区 提高气化强度 促使灰渣团聚,灰渣团聚重力分离选择性排出低碳含量灰渣炉料碳含量高，结渣风险小炉温提高煤种适应性拓宽,陕西省汉中城固化肥厂 天津碱厂（天津渤海化工有限公司）,制气工艺条件,原料：6mm粒径，灰熔点1250，水分小于5%,灰 分小于40%，气化剂：用空气或富氧、水蒸气作气化剂进料部位：粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入操作温度：10501100压力：常压或加压（0.05-0.08,1.0MPa）除尘：两级旋风分离器，再返回炉内进行气化残碳：低于10%,1皮带输送机；2振筛机；3破碎机；4除尘器；5干燥器；6斗式提升机；7煤仓；8给料器；9斗式提升机；

25、10煤锁系统；11旋转给料机；12气化炉；13灰锁系统；14炉顶换热器；15一级旋风器；16二级旋风器；17细粉收集及输送系统；18高温细粉再气化炉；19细粉仓；20蒸汽/氧气分气缸；21供氧系统；22废热锅炉；23蒸汽/软化水预热器；24水洗塔；25脱硫塔；26煤气焚烧炉；27软化水系统；28循环水净化系统,加压灰熔聚流化床粉煤气化技术研发及半工业示范装置,主要设备,山西煤化所加压灰熔聚流化床粉煤气化技术取得重大突破,原料:晋城无烟煤处理量:60吨/天，操作温度:1020-1050，试验结果：碳转化率87%，煤气产率1.8Nm3干煤气/kg煤，有效气体(CO+H2)含量:65%-66%，表明

26、：1.0MPa工业气化装置(2.4m)处理能力将可达到600吨煤/日，单台炉可配套12万吨甲醇(或氨)/年系统。,1)煤种适应性宽，可实现气化原料本地化。2)操作温度适中，氧耗低、干法排渣。无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高。3)工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低。4)灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效分离，排灰碳含量低(10%)。5)炉内形成一局部高温区（12001300），可处理高灰、高灰熔点煤、气化强度高。6)飞灰经旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高。7)产品气中不含焦油，洗涤废水含酚量低，净化简单。8)设备投资低，气化条件温和，消耗指标低

27、，煤气成本低。9)中国自主专利,同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。,灰熔聚流化床粉煤气化工艺特点：,航天炉简介 GSP中国航天科技集团公司下属北京航天石化技术装备工程公司开发,生产能力：安徽临泉的航天炉日处理粉煤800t，气化压力3.5 Mpa，产气量（干基）：45000 Nm3/h，气体成分CO60，H232%。工艺：SHELL的头，德士古的尾，不用耐火砖，用水冷壁。运行情况：1、粉煤气化，煤种适应性更广，更有潜力。2、河南濮阳和安徽临泉的两套示范装置运行较好，特别是临泉，各项运行参数都较好，连续运行时间已达140天以上，年运转率90%以上，实实在在降低了成本；吨醇耗原煤1.35

28、左右 3、投资和水煤浆差别不大，大部分设备国产化，维护费用较低。存在问题：,主要反应条件：物料粒度：粒度要求：大于90微米 不超10%大于5微米 不小于90%堆积密度 550千克/立方 颗粒密度 1400千克/立方 水分 1.5-2%,反应温度、压力、水氧比、和碳氧比,HT-L粉煤加压气化工艺主要技术特点,1、以干煤粉为原料，用高压二氧化碳（或氮气）送入气化炉，对煤种适应范围宽;2、该工艺过程对煤的特性，例如煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量及灰份含量均不敏感，对于灰熔点较高的煤，可加入助溶剂(石灰石)，改变溶渣性能；3、气化炉为水冷壁结构，可对粉煤进行高温气化，气化温度为约140016

29、00，最高能到1800，碳转化率高达99%以上，冷煤气效率可达到7883%,产品气体洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体（CO+H2）达到90%左右;4氧耗低，与水煤浆气化相比，氧耗低1525%，因而为之配套的空分装置投资可减少;5、采用激冷流程除灰，同时冷却合成气，气体中汽/气比较高；6、一次投资较少，运行维护成本也较低。,河南濮阳化肥厂航天炉渣样,谢尔粉煤气化技术-荷兰壳牌制气技术 p72,原料：纯氧、蒸汽、干粉煤主要条件：煤粒径：小于100微米 炉温：1500 压力：2.83.0MPa工艺流程：主要设备:空分、转化炉、废热锅炉、鼓风机,河南开祥化工有限公司30万吨甲醇装置，是国内引进“壳牌”粉煤气化工艺,间歇式,加压连续,固定床气化炉,UGI炉,K-T,温克勒炉,流化床气化炉,鲁奇炉,德士古,气流床气化炉55,水煤浆气化炉,山西化肥厂,鲁南化肥厂淮南化肥厂,气化炉类型,炉型比较 p53,