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第六章 煤化工反应单元工艺
6.1 煤的干馏
6.2 煤的气化
6.3 煤制油技术
6.4 煤基化工产品
6.5 煤炭多联产技术
6.2 煤的气化
煤的气化
煤的气化过程是一个热化学过程。它是以煤或煤
焦(半焦)为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、
水蒸气或氢气等作气化剂(或称气化介质)，在高
温条件下通过化学反应把煤或煤焦中的可燃部分
转化为气体的过程。
气化时所得的气体称为煤气，其有效成分包括一
氧化碳、氢气和甲烷等。
在各种煤转化技术中，特别是开发洁净煤技术
中，煤的气化是最有应用前景的技术之一。
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（1）煤气化的过程
煤的气化过程是在煤气发生炉(又称气化炉)中进行的。发生炉是由炉体、加煤装置和排灰渣装置等三大部分构成的。
气化原料煤由上部加料装置装入炉膛，原料层及灰渣层由下部炉栅(又名炉箅)支撑，含有氧气与水蒸气的气化剂由下部送风口进入，经炉栅均匀分配入炉与原料层接触发生气化反应。
生成的煤气由原料层上方引出，气化反应后残存的炉渣由下部的灰盘排出。
发生炉用水夹套回收炉体散热。
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
发生炉与气化过程示意图
1.炉体；2.加料装置；3.炉栅；4.送风口； 5.灰盘料层：A.灰渣，B.氧化层，C.还原层；D.干馏层，E.干燥层
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
（2）煤气化的基本化学反应
煤是一种有复杂分子结构的物质，除碳之外还有氢、氧、硫、氮等元素，煤干馏后煤焦中主要成分是碳，故这里只考虑元素碳的气化反应。
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
气化过程由碳的基本反应 △H (298K,0.1MPa)
kJ/mol kcal/mol①
非均相反应(气/固) R1部分燃烧 C+0.5O2===CO －123 －29.4
R2燃烧 C+ O 2===CO2 －406 －97.0
R3碳与水蒸气反应 C+H2O===CO+H2 ＋119 ＋28.3
R4 Boudouard反应 C+ CO 2===2CO ＋162 ＋38.4
R5加氢气化 C+2H2===CH4 －87 －20.9
气相燃烧反应 R6 H2+0.5O2=== H2O －242.00 －57.80
R7 CO+ 0.5O 2===CO2 －283.2 －67.64
均相反应(气/气) R8均相水煤气反应 CO+H2O=== H2+CO2 －42 －10.1
R9甲烷化 CO+3H2=== CH4+H2O －206 －49.2
热裂解反应 R10 CHxOy==(1－ｙ)C＋yCO＋x/2H2 ＋17.4②
R11 CHxOy==(1-ｙ-x/8)C＋yCO＋x/4H2＋8CH4 8.1②
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——煤的气化
元素 反 应
S S+O2==SO2
SO2+3H2==H2S+2H2O
SO2+2CO==S+2CO2
2H2S+SO2==3S+2H2O
C+2S==CS2
CO+S==COS
N N2+3H2==2NH3
N2+H2O+2CO==2HCN+1.5O2
N2+xO2==2NOx
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
（3）煤气化的分类方法
煤气化有好几种分类方法，按制取煤气的热值分类有：
①制取低热值煤气方法，煤气热值低于8374 kJ/m3；
②制取中热值煤气方法，煤气热值167 47～334 94 kJ/m3；
③制取高热值煤气方法，煤气热值高于33 494 kJ/m3。
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——煤的气化
按气化过程供热方法分类又可分为：
①部分氧化方法，又称自热式气化方法。通过燃烧部分气化用煤来供热，一般需消耗气化用煤潜热的15％～35％，这种直接供热方法是目前最普遍采用的；
②间接供热，即外热式气化方法；
③利用气化反应释放热供热，例如利用放热的加氢反应供热。
目前最通用的分类方法是按反应器类型分类：①移动床(固定床)；②流化床；③气流床；④熔融床(熔浴床)。
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——煤的气化
（4）煤性质对气化的影响
①煤的反应活性
这是指在一定的条件下，煤炭与不同气化介质（如二氧化碳、氧、水蒸气和氢）相互作用的反应能力，反应活性又称为反应性。
②煤的黏结性 煤受热后会相互黏结在一起。
③结渣性
煤中矿物质，在气化和燃烧过程中，由于灰分软化熔融而变炉渣的性能称为结渣性。
④煤灰的黏温特性
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——煤的气化
⑤热稳定性 煤的热稳定性指煤在加热时，是否易于
破碎的性质。
⑥机械强度 煤的机械强度是指煤的抗碎强度、耐磨
强度和抗压强度等综合性的物理、机械
性能。
⑦粒度分布 不同的气化工艺对煤的粒度要求不同
⑧燃料的水分、灰分和硫分
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——煤的气化
（5）煤气化过程的指标
①煤气产率 每单位质量煤气化所得煤气的标准状况下体积数[m3／kg(煤)]。
②气化强度 气化炉每单位炉截面积在每小时气化的煤质量[kg(煤)／(m2·h)]，或气化炉每单位容积在每小时气化的煤质量[kg(煤)／(m3·h)]。
③气化效率 又称冷煤气效率。每千克煤气化所得冷煤气在完全燃烧时放出的热量与气化的每千克煤的发热量之比(％)。
④热效率 气化热效率表示所有直接加入到气化过程中热量的利用程度。
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——煤的气化
移动床煤气化
(1)混合发生炉煤气 采用水蒸气与空气的混合物为气化剂，制成的煤气称为混合发生炉煤气。
①理想发生炉煤气
②炉内状况分析与工艺条件控制
③实际生产指标
④煤气发生炉
⑤煤气站工艺流程
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——煤的气化
3M13型煤气发生炉。其特点是采用双滚筒连续进料方式，采用回转炉箅连续排灰.炉内带有搅拌棒破黏，适用于长焰煤、气煤等弱黏结性煤种。炉内径3 m，进风口直径500 mm，煤气出口直径900 mm，最大风压4 000～6000 Pa，耗煤1700～2500 kg/h，煤气产量5500～8000 m3／(h·台)，水蒸气和空气用量分别为0.3～0.5 kg(水蒸气)／kg(煤)和1.5～2.5 m3(空气)／kg(煤)。
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——煤的气化
图6-2-06 3M13型煤气发生炉总图
(2)水煤气 水煤气是炽热的碳与水蒸气反应生成的煤气，它主要由CO和H2组成，与发生炉煤气相比，含氮气很少，发热量高。燃烧时呈蓝色火焰，所以又称蓝水煤气。
①理想水煤气
②实际水煤气生产指标
③工作循环的构成
④间歇法制取半水煤气和水煤气的生产流程
⑤常压水煤气发生炉
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
③ 6个阶段的工作循环：
a. 吹风阶段；
b. 水蒸气吹净阶段；
c. 上吹制气阶段 ；
d. 下吹制气阶段；
e. 二次上吹制气阶段 ；
f. 空气吹净阶段。
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——煤的气化
U.G.I水煤气发生炉示意图
１.外壳；2.安全阀；3.保温材料；4.夹套锅炉；5.炉箅；6.灰盘接触面；7.炉底；8.保温砖；9.耐火砖；10.液位计；11.蜗轮；12.蜗杆；13.油箱
④间歇法制取半水煤气
和水煤气的生产流程
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
(3)移动床加压气化 移动床加压气化的最成熟炉型是鲁奇 (Lurgi)炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应器，所不同的是采用氧气－水蒸气或空气-水蒸气为气化剂，在2.0～3.0 MPa的压力和900～1100℃温度条件下进行的连续气化法。
①加压下床层的分布
②气化压力的影响与压力的选择
③操作温度与汽氧比
④鲁奇气化炉及工艺流程
⑤液态排渣鲁奇炉
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——煤的气化
第三代鲁奇加压气化炉示意图
1.煤箱；2.上部传动装置；3.喷冷器；4.裙板；5.布煤器；6.搅拌器；7.炉体；8.炉箅；9.炉箅传动装置；10.灰箱；1l.刮刀；12.保护板
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——煤的气化
碎煤流化床气化
(1)流化床煤气化过程 流化床与移动床不同，但仍有氧化层和还原层，氧化层高度约为80～100 mm，还原层在氧化层的上面且一直延伸到全料层的上部界限。
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——煤的气化
图6-2-12 以无烟煤为原料，流化床中气化过程和温度分布
(2)温克勒(Winkler)煤气 它是一个内衬耐火材料的立式圆筒形炉体，下部为圆锥形状。水蒸气和氧气(或空气)通过位于流化床不同高度上的几排喷嘴加入。其下段为圆锥形体的流化床，上段的高度约为流化床高度的6～10倍，作为固体分离区。
温克勒气化炉工艺流程图
1.料斗；2.气化炉，3.废热锅炉；4,5.旋风除尘器；6.洗涤塔；7.煤气净化装置；8.焦油水分离器；9.泵
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——煤的气化
(3)高温温克勒(HTW)法 针对温克勒炉的缺点，HTW炉主要进行的改进：
①提高气化压力到1 MPa
②提高气化温度
③流化床粗粉带出物循环回到流化床气化，从而提高了碳的转化率
煤化工反应单元工艺
——煤的气化
灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置工艺流程简图
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(4)灰团聚流化床煤气化法
煤的气流床气化
(1)气流床气化原理 所谓气流床，就是气化剂(水蒸气与氧)将粉煤夹带入气化炉进行并流气化。
粉煤被气化剂夹带通过特殊的喷嘴进入反应器，瞬时着火，形成火焰，温度高达2000℃。粉煤和气化剂在火焰中作并流流动，粉煤急速燃烧和气化，反应时间只有几秒钟，可以认为放热与吸热反应差不多是同时进行的，在火焰端部，即煤气离开气化炉之前，碳已全部耗尽。在高温下，所有的干馏产物都被分解，只含有很少量的CH4[φ(CH4)＝0.02％]而且煤颗粒各自被气流隔开，单独地裂解、膨胀、软化、烧尽直到形成熔渣，因此煤黏结性对煤气化过程没有什么影响。煤中灰分以熔渣形式排出炉外。
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——煤的气化
(2)干法进料的气流床气化方法
① K-T型气化炉
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——煤的气化
图6-2-16 K-T型气化炉及废热回收示意图
② Shell法
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——煤的气化
图6-2-17 Shell气化法的典型流程图
③Prenflo法 用此法在西班牙Puertollano已建IGCC示范装置，发电量30万kW.h气化炉容量2600 t/d，产煤气18万m3/h，见煤炭多联产部分。
④GSP气化炉 GSP气化法是1976年由东德VEB Gaskombiant的黑水泵公司开发的一下喷式加压气流床液态排渣气化炉，操作压力2.5~3.0 MPa，用粉煤、氧气鼓风，其结构及工作原理兼备德士古和Shell气化炉两者的特点。
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——煤的气化
(3)湿法进料的气流床气化方法
①德士古煤气化方法
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图6-2-18 Texaco气化法（激冷）流程图
②Destec煤气化法(原称DOW法)
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图6-2-20 Destec两段气化示意图
③多喷嘴对置式气化法
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图6-2-21多喷嘴对置式气化炉示意图
其他煤气化方法概要
①熔融床煤气化方法 熔融床气化又分熔渣床、熔盐床和熔铁床三种。
②煤的催化气化法 在气化过程中添加催化剂，加快气化反应，可以在较低温度下进行气化。
③煤的加氢气化方法 其目的是为了制取天然气，如美国的 Hygas法[80 t(煤)/h]和德国的HKV法[4～10 t(煤)/h]。它们均达到中试规模。
④煤的地下气化法 是对地下煤层就地直接进行气化生产煤气的方法。
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——煤的气化

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