第5章 煤炭氣化技術

第5章煤炭氣化5.1概述5.2煤氣化技術的分類5.3煤氣化基本原理5.4煤氣化過程的常用評價指標5.5影響煤氣化效率的主要因素5.6煤氣化工藝及設備5.7煤氣化技術發(fā)展的主要趨勢5.1概述煤炭氣化是指在特定的設備（氣化爐）內于一定溫度及壓力下使煤中的有機質與氣化劑發(fā)生一系列物理化學反應，將煤轉化為灰渣和可燃性氣體（煤氣）的過程。根據(jù)所采用的氣化劑的不同（空氣、純氧、富氧空氣、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、甲烷或混合氣化劑等）和氣化工藝的不同，能夠制得各種不同成分的煤氣，經(jīng)進一步的凈化與變換反應，可用于生產(chǎn)工業(yè)燃料氣、民用煤氣和化工原料氣（合成氣）。

5.1.1煤炭氣化的定義

5.1.2煤氣的種類煤氣成分取決于燃料、汽化劑的種類以及氣化過程的條件。根據(jù)汽化劑和煤氣成分分類煤氣種類汽化劑煤氣成分特點用途空氣煤氣空氣CO、CO2、N2熱值低燃燒發(fā)電水煤氣水蒸汽、氧氣H2、CO熱值高合成原料混合煤氣蒸汽、空氣CO、CO2、N2、H2熱值稍高于空氣煤氣作燃料氣、高熱值煤氣稀釋劑半水煤氣蒸汽、空氣或空氣煤氣和水煤氣混合CO、CO2、N2、H2V（CO+H2）/V(N2)=3.1~3.2合成氨的原料氣焦爐煤氣煤干餾CO、CH4、

H2、少量乙烯、N2、CO2也可直接作燃料合成氨的原料典型的幾類煤氣的組成和熱值煤氣名稱氣化劑煤氣組成（%）低位發(fā)熱量（KJ/m3）H2COCO2N2CH4O2空氣煤氣空氣2.61014.7720.50.23762～4598混合煤氣空氣、蒸汽13.527.55.552.80.50.25016～5225水煤氣蒸汽、氧氣48.438.566.40.50.210032～11286半水煤氣蒸汽、空氣4030.7814.60.50.28778～9614合成天然氣氧、蒸汽、氫1～1.50.021196～970.233440～37620根據(jù)煤氣熱值的高低分類煤氣種類熱值kJ/m3所屬種類用途低熱值煤氣3800~7600空氣煤氣、混合煤氣高熱值煤氣稀釋劑中熱值煤氣10000~20000水煤氣、焦爐煤氣民用、工業(yè)用、發(fā)電高熱值煤氣＞21000中熱值煤氣甲烷化所得合成天然氣(1)發(fā)生爐煤氣分為空氣煤氣和混合煤氣。發(fā)生爐煤氣是以空氣或空氣/水蒸氣為氣化劑使煤發(fā)生氣化反應制得的，由于混了大量的氮氣，所以其熱值很低，又稱貧煤氣。(2)水煤氣一般是氧氣和水蒸氣作為氣化劑，與熾熱的煙煤或焦炭作用制得的。因此氮氣含量較低，煤氣熱值高于發(fā)生爐煤氣。(3)城市煤氣通過干餾熱解得到的煤氣，用作民用燃料氣，我國城市煤氣要求熱值大于14.64MJ/m3，H2S含量少于20mg/m3，氧體積含量少于1％。按煤氣的組成和用途分類（4）替代天然氣氣體成分組成和熱值與天然氣類似的煤氣，一般要求CH4含量在75%以上，熱值在41.8MJ/m3左右，屬高熱值煤氣，可在工業(yè)應用中作為天然氣的替代品適用。（5）合成氣合成氣是經(jīng)變換和凈化后的水煤氣，具有特定組分要求，是合成某種化工產(chǎn)品原料煤氣。合成氣的組成與用途有關，如合成氨、合成甲醇、合成醋酸等都有不同的成分要求：

合成氨所用的合成氣必須是氮和氫的混合物，且H2/N2約等于3； 合成甲醇用合成氣要求CO含量較高，H2/N2約等于2.5。5.1.3煤氣的應用1)作為工業(yè)燃氣熱值為1100－1350大卡熱的煤氣，采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。2)作為民用煤氣熱值在3000－3500大卡，要求CO小于10％，除焦爐煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒，其含量應盡量低。3)作為化工合成和燃料油合成原料氣德國早在第二次世界大戰(zhàn)時期就采用費托工藝合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學技術的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。

化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。4)作為冶金還原氣煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。7)煤炭氣化制氫氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術，即可獲得氫氣。8)煤炭直接液化的氣源煤炭液化需要煤炭氣化制氫，而可選的煤炭氣化工藝同樣包括固定床加壓Lurgi氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床氣化工藝。5.2煤氣化技術的分類按氣化壓力分為：常壓氣化和加壓氣化低壓氣化（0~0.35MPa）、中壓氣化（0.7~3.5MPa）和高壓氣化（7MPa）按操作方式分為：間歇氣化和連續(xù)氣化按排渣方式分為：固態(tài)排渣和液態(tài)排渣按進煤狀態(tài)分為：塊煤氣化（6~50mm）細粒煤氣化（0.1~9mm）粉煤（<0.1mm）按入料煤的形態(tài)干法氣化；濕法氣化－－水煤漿、油煤漿氣化按氣化劑的種類分：空氣鼓風氣化（空氣煤氣）、空氣-水蒸氣氣化（發(fā)生爐煤氣）、氧-水蒸氣氣化（水煤氣）和加氫氣化（以氫氣為化劑）等。按煤與汽化劑在氣化爐內運動狀態(tài)分為：固定床氣化流化床氣化氣流床氣化熔融床氣化按氣化進行的場所常規(guī)氣化站和氣化地下氣化常規(guī)氣化站氣化地下氣化煤炭氣化技術的命名工業(yè)生產(chǎn)中氣化方法命名突出一兩個類別，冠以名稱。Lurgi氣化法：固定床塊煤加壓氣化法；Koppres-Totzek氣化法：常壓粉煤氣流夾帶床氣化法；Winkler氣化法：細顆粒煤流化床氣化法；Shell法：粉煤加壓液態(tài)排渣氣化法等。5.3煤氣化基本原理煤的氣化主要有以下幾個階段：煤炭干燥脫水熱解脫揮發(fā)分揮發(fā)分和熱解半焦的氣化反應Reactionwithsteam+H2OCOH2

+O2CO2燃燒

熱解

氣化+H2O煤揮發(fā)分半焦熱解H2OH2+CH4+COH2O還原COCO2反應O2燃燒氣化過程發(fā)生的反應包括煤的熱解、燃燒和氣化反應

（1）煤和氧的主要反應2C+O2=2CO+QC+O2=CO2+QC+CO2=2CO-Q2CO+O2=2CO2+Q

從化學平衡的角度來考慮，增加反應的溫度可以使反應向著CO生成的方向進行，降低反應的壓力，有利于CO的生成，所以在高溫低壓的條件下，產(chǎn)物中的CO的含量會升高。

5.3.1氣化反應主要類型（2）煤和水蒸氣的反應C+H2O=CO+H2-QC+2H2O=CO2+2H2-QCO+H2O=CO2+H2+Q

從化學平衡的角度來考慮,提高溫度有利于CO和H2的生成，同時也可以降低H2O的含量。（3）煤氣中的甲烷反應C+2H2==CH4+QCO+3H2==CH4+H2O+Q2CO+2H2==CH4+CO2+QCO2+4H2==CH4+2H2O+Q2C+2H2O(g)==CH4+CO2+Q

從化學平衡的角度來考慮,降低反應的溫度有使反應向著正反應的方向進行，煤氣中的甲烷含量增加，反之則減少；提高壓力有使反應向著正反應的方向進行。煤氣中的甲烷含量增加，反之則減少；所以說在高壓低溫的條件下，有利于甲烷的生成?！衩旱臒峤?coalpyrolysis):CoalCH4+CO+CO2+Oils+Tars+C(Char)●煤的燃燒(coalcombustion):C+O2CO2ΔH=–405.9kJ/mol●不完全燃燒:2C+O2

2COΔH=–123kJ/mol●CO2在半焦上的還原(Boudouardreaction):C+CO22COΔH=159.7kJ/mol●水煤氣反應(watergasreaction):C+H2OCO+H2ΔH=118.9kJ/mol●甲烷化反應(hydrogasificationreaction):C+2H2CH4ΔH=–87.4kJ/mol●水煤氣變換反應:CO+H2OH2+CO2ΔH=–40.9kJ/mol●甲烷化反應:CO+3H2CH4+H2OΔH=–206.3kJ/mol煤氣化主要化學反應熱效應●放熱反應●吸熱反應

除了以上反應外，煤中存在的少量的雜質元素如硫、氮等，也會與氣化劑或氣化產(chǎn)物發(fā)生反應，在還原性氣氛下生成H2S、COS、N2、NH3以及HCN等物質，具體反應如下：S+O2—SO2SO2+3H2—H2S+2H2OSO2+2CO—S+2CO22H2S+SO2—3S+2H2OS+2C—CS2S+CO—COSN2+3H2—2NH3N2+H2O+2CO—2HCN+1.5O2N2+xO2—2NOx5.3.2煤氣化反應一般歷程煤的氣化過程是一個復雜的物理化學過程，在氣化爐中所進行的反應，除部分為氣相均相反應外，大多數(shù)屬于氣固非均相反應過程，所以氣化反應過程速度同化學反應速度和擴散傳質速度有關，其反應機理符合非均相無催化反應的一般歷程，煤或煤焦的氣化反應一般經(jīng)歷七個相繼發(fā)生的步驟：（1）反應氣體從氣相擴散到固體碳表面（外擴散）；（2）反應氣體再通過顆粒的孔道進入小孔的內表面（內擴散）；（3）反應氣體分子吸附在固體表面上，形成中間絡合物；（4）吸附的中間絡合物之間，或中間絡合物和氣相分子之間發(fā)生反應，屬于表面反應步驟；（5）吸附態(tài)的產(chǎn)物從固體表面脫附；（6）產(chǎn)物分子通過固體的內部孔道擴散出來（內擴散）；（7）產(chǎn)物分子從顆粒表面擴散到氣相中（外擴散）?？偡磻俣瓤梢杂赏鈹U散過程、內擴散過程或表面反應過程控制。大量實驗研究表明，低溫時表面反應過程是氣化反應的控制步驟，高溫條件下，擴散或傳質過程逐步變?yōu)榭刂撇襟E。氣化效率：用于衡量原料中的化學能轉化成可回收的能量的效率；氣化效率=（產(chǎn)品煤氣的熱值+可回收的熱量）/原料的熱值氣效率：用于衡量原料中的化學能轉化成產(chǎn)品化學能的效率；冷煤氣效率=產(chǎn)品氣體的熱值/原料的熱值熱煤氣效率=(粗煤氣熱值+粗煤氣顯熱)/原料煤熱值碳轉化效率：用于衡量原料中的碳轉化成煤氣中的碳的效率；碳轉化率=1-殘渣中的碳/原料中的碳有效氣體產(chǎn)率：用于衡量單位原料可以產(chǎn)生的有效氣體量有效氣體產(chǎn)率=（制得的CO+H2量）/原料煤量氣化強度是指氣化爐單位面積每小時所能氣化的原料煤質量，單位是t/(m2·h)，它反映了氣化過程的生產(chǎn)能力。

5.4煤氣化過程的常用評價指標5.5影響煤氣化效率的主要因素

原料煤性質反應活性粘結性結渣性與灰熔點熱穩(wěn)定性機械強度粒度分布煤中的水分與灰分揮發(fā)分固定碳操作條件氣化溫度壓力原料配比水蒸氣/煤比氧/煤比反應活性反應活性是指在一定條件下，煤炭與不同的氣體介質，如CO2、O2、H2O

、H2，相互作用的反應能力。煤炭反應活性通常以被還原為CO的CO2

量占通入CO2總量的體積百分數(shù)，即CO2的還原率，作為反應活性的指標。反應活性的強弱直接影響到產(chǎn)氣率、耗氧量、煤氣成分、灰渣或飛灰的含碳量及熱效率等。首先反應活性強的煤，在氣化和燃燒過程中反應速度快，效率高，其起始氣化的溫度就越低，而低溫條件對生成CH4有利，也能減少氧耗。其次與同樣灰熔點的低反應活性煤相比，使用較少的水蒸氣就可以控制反應溫度不超過灰熔點，減少了水蒸氣的消耗量。粘結性煤的粘結性是指煤被加熱到一定溫度時，煤受熱分解并產(chǎn)生膠質體，最后粘結成塊狀焦炭的能力。煤的粘結性不利于氣化過程的進行，破壞料層中氣流的均勻分布，并阻礙料層的正常下移，使氣化過程惡化。嚴重粘結時，會使氣化過程無法進行。一般移動床煤氣化爐要求氣化用煤是不粘結性的，或者只有很弱的粘結性。使用粘結性的煤，需在氣化爐內粘結區(qū)部位增設攪拌裝置進行破粘處理。結渣性與灰熔點煤中的礦物質，在高溫和活性氣體介質的作用下，轉變?yōu)槔喂痰恼辰Y物或熔融爐渣的能力稱為結渣性。影響什么？

煤的灰熔點。固態(tài)排灰的氣化爐，要求煤灰熔點ST大于1250℃，否則在氣化過程中容易結渣，形成風洞；液態(tài)排渣的氣化爐，可以用低灰熔點的煤，但難于用灰熔點ST超過1470℃的煤，否則排渣困難?；页煞种械乃嵝匝趸?SiO2和A12O3)含量越高，灰熔點越高，灰渣粘度越大；而當堿性氧化物(CaO、MgO和Na2O)含量高時，灰熔點低，灰渣粘度小。

原料準備工段中設法向煤中加一些添加劑，以降低或提高煤灰熔點，以適應氣化操作條件的要求。熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指煤在高溫下燃燒或氣化過程中，對溫度劇烈變化的穩(wěn)定程度，也就是塊煤在溫度急劇變化時，保持原來粒度的性能。煤的熱穩(wěn)定性與煤的變質程度、成煤條件、煤中的礦物組成以及加熱條件有關。一般煙煤的熱穩(wěn)定性較好，褐煤、無煙煤和貧煤的熱穩(wěn)定性較差。無煙煤則因其結構致密，受熱后內外溫差大，膨脹不均產(chǎn)生應力，使塊煤碎裂。貧煤急劇受熱也容易爆裂，即熱穩(wěn)定性也較差。熱穩(wěn)定性是如何影響氣化過程的？機械強度、粒度分布機械強度：煤的機械強度，是指塊煤的抗碎強度、耐磨強度和抗壓強度等綜合性物理和機械性能。機械強度高低與氣化過程效率關系？粒度分布：不同的氣化方式對原料煤的粒度要求不同。固定床氣化爐，要求使用5~50mm的塊煤，粒度應均勻合理。大塊燃料滾向爐膛壁，小顆粒和粉末落在燃料層中心，從而造成爐壁附近阻力較小，大部分空氣從這里穿過，使這里的燃燒層上移，嚴重時可使燃料層燒穿。均勻的爐料可使爐內料層有很好的均勻的透氣性，獲得較好的煤氣質量和較高的氣化效率。塊煤低缺時，可將細粒煤制成型煤進行造氣。水分與灰分煤的水分、灰分對氣化過程有重要影響，水分過高，會增加氣化過程中的熱能消耗，降低氣化反應的溫度，超過一定限度時，須在入爐前進行干燥(水煤漿氣化法例外)。

灰分過高，會增加熱量損失和碳的不完全反應等。因此，在選擇氣化用煤時需要綜合考慮。揮發(fā)分和固定碳揮發(fā)分：指煤在與空氣隔絕的容器中加熱一定時間以后，從煤中分解出來的液體(蒸汽狀態(tài))和氣體產(chǎn)物（焦油、酚及甲烷等）。揮發(fā)分析出的現(xiàn)象，只有在固定床氣化時才會出現(xiàn)。在流化床和氣流床氣化中，因氣化反應溫度高，煤中揮發(fā)分經(jīng)高溫裂解，生成氣態(tài)產(chǎn)物直接轉入煤氣中。固定碳：氣化用煤的固定碳含量高，則煤氣產(chǎn)率高，氣化效率和熱效率都高，相應地，單位質量煤的空氣消耗、蒸汽消耗亦高。因煤的變質程度不同，煤的固定碳含量亦不同，在工業(yè)生產(chǎn)或設計中針對不同變質程度的煤種，應采用不同的氧氣和水蒸氣的理論消耗值。氣化爐操作條件氣化溫度對于固態(tài)排渣的氣化方法，為防止結渣，應將溫度控制在煤的灰熔點以下，但同時溫度增高有利于提高煤的反應活性和碳的轉化率，同時不同的操作溫度還會影響到產(chǎn)物的生成，如低溫條件有利于CH4的生成。壓力壓力不僅能直接影響化學反應的進行，還會對煤的性質產(chǎn)生影響從而間接影響氣化效果。在加壓的情況下，氣體密度增大，化學反應速度加快，有利于單爐生產(chǎn)能力的提高；從氣化反應平衡來講，加壓有利于甲烷的形成，不利于二氧化碳的還原和水蒸氣的分解，從而導致水耗量增大，煤氣中二氧化碳濃度有所增加。生產(chǎn)原料氣宜低壓，生產(chǎn)燃料氣宜高壓。？甲烷生成反應為放熱反應－其反應熱可作為水蒸氣分解、二氧化碳等吸熱反應熱源。隨著壓力的增加，氣化反應中氧氣消耗量減少；加壓可阻止氣化時上升氣體中所帶出物料的量，有效提高鼓風速度，增大其生產(chǎn)能力。煤的粘結性隨壓力的增加而增加。弱粘結性煤，粘結指數(shù)都隨壓力的增加而上升，而且在壓力增加到0.5~1MPa以前時，粘結性增加較快。粘結性煤，粘結指數(shù)也隨壓力的增加而增加，并且隨壓力的增加開始增加較快，然后逐漸減慢。結渣率隨系統(tǒng)壓力的增加而減少。為什么？5.6煤炭氣化工藝及裝備

煤氣化的方法固定（移動）床氣化法流化床氣化法氣流床氣化法其他氣化方法熔融床氣化法煤的地下氣化法塊煤或煤焦原料爐內各反應層高度基本維持不變床層特點煤由氣化爐頂部加入，汽化劑由爐底送入入爐方式流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發(fā)生變化即固體顆粒處于相對固定狀態(tài)運動狀態(tài)

氣化過程中，煤粒在爐內緩慢下移，因而也稱移動床氣化5.6.1固定床氣化移動床氣化

常壓

加壓操作壓力煤氣發(fā)生爐氣化法水煤氣氣化法兩段爐氣化法間歇式連續(xù)式運行方式～450oC煤分布器攪拌器～1500oC常壓移動床氣化法類型：主要包括煤氣發(fā)生爐氣化法、水煤氣氣化法和相應的兩段爐氣化法。原理與特點：在常壓條件下運行，采用自供熱和干法排灰的方式；氣化爐內，固體原料煤從爐頂加入，在向下移動的過程中與從爐底通入的氣化劑逆流接觸（好處？？），自上至下可分為預熱干燥層、干餾層、氣化層（還原層）、燃燒層（氧化層）以及灰渣層。移動床氣化爐內固體床層溫度區(qū)域分布氣體組成沿料層高度變化化區(qū)域區(qū)域名稱進行過程及用途主要化學反應1灰渣區(qū)分配氣化劑，防止爐箅過熱，預熱氣化劑約400℃2氧化區(qū)(燃燒區(qū))碳與氣化劑中的氧進行反應生成一氧化碳及二氧化碳并放出熱量約1300℃C+O2→CO2C+O2→2CO3還原區(qū)二氧化碳還原成一氧化碳，水蒸氣分解成氫，熱量由氧化層上升之熱氣體供給約1100℃CO2+C2→COH2O+C→CO+H22H2O+C→CO2

+2H2CO+H2O→CO2+H2

4干餾區(qū)燃料與上升的熱煤氣換熱進行熱解，煤干餾成半焦或熟煤，釋放出揮發(fā)分、水分、輕油、焦油、苯酚、硫化氫、甲烷、氨等500~600℃5干燥區(qū)依靠氣體顯熱蒸發(fā)煤中水分約350℃6氣相(自由)空間積聚煤氣，沉降部分夾帶炭塵，有時伴有部分水煤氣變換反應CO+H2O→CO2

+H2移動床氣化爐燃料層各區(qū)域特性

1-加煤機2-爐蓋3-探火孔4-爐襯5-煤氣出口6-蒸汽水套7-爐算8-碎渣圈

9-灰盤10-通風箱11-傳動裝置12-支柱W-G型煤氣發(fā)生爐1－料倉；2－料管；3－加料控制系統(tǒng)；4－飽和空氣管；5－上爐體；6－爐箅；7－下爐體；8－灰斗；9－探火孔威爾曼一格魯夏Wellman—Galusha型常壓煤氣發(fā)生爐，其最大的特點是：水夾套非滿水設計，氣化劑中的水蒸氣不采用外來蒸汽直接摻混飽和空氣的方法，而是將空氣首先鼓入爐體水夾套水面上空層，夾套中的水受爐箅傳熱，水蒸發(fā)增濕空氣，飽和后的空氣再倒入氣化爐爐底進入爐內。

熱煤氣工藝流程

飽和空氣經(jīng)與煤氣爐的碳反應生成500℃左右的粗煤氣經(jīng)旋風除塵器除去帶出物以后（煤粉粒、焦油等），通過煤氣管道直接送往用戶。煤氣的顯熱得到利用，但煤氣含焦油和煤粉量較多對后工序不利。

焦炭（無煙煤）冷煤氣流程

500℃35℃80℃煙煤氣化冷煤氣流程

UGI型水煤氣爐水煤氣工藝流程半水煤氣工藝流程加長了干餾段（水套以上）下段煤500－600oC

基本沒有焦油上段煤氣100－150oC

產(chǎn)生輕質焦油。水套上段煤氣出口

100-150oC下段煤氣出口

500-600oC空氣、蒸氣入口煤斗爐箅灰盤加煤機放散管兩段式固定床氣化爐兩段爐下段煤氣出口經(jīng)旋風除塵器出爐，故稱為下段煤氣或氣化煤氣；另一部分向上經(jīng)中心管與干餾煤氣混合形成混合氣從爐頂引出，稱為上段煤氣或爐頂煤氣加壓移動床氣化法加壓移動床氣化法是一種在高于大氣壓力（1.0~2.0MPa或更高壓力）的條件下進行煤的氣化操作，通常以氧氣和水蒸氣作為氣化介質，以褐煤、長焰煤或不粘煤為原料的氣化爐，煤氣熱值高。降常壓條件下的反應外，主要是發(fā)生了一系列甲烷生成的反應，而這些反應在常壓下是需要催化劑參與才能發(fā)生的。主要有固態(tài)排灰和液態(tài)排渣的魯奇爐加壓氣化爐中各層的主要反應及產(chǎn)物（a）干法排灰（b）液態(tài)排渣干法排灰水蒸氣和氧氣的比例一般為（4:1）~（5:1），液態(tài)排渣爐中則為0.5:1。液態(tài)排渣爐內最高溫度一般在1300℃以上，出口粗煤氣的溫度為550℃左右。使得氣化強度和生產(chǎn)能力有了顯著的提高，約為干法排灰式的3倍多。同時灰渣中含碳量有所下降，碳利用率一般在92%以上。此外，水蒸氣利用率高是其另一個顯著的優(yōu)點。干法排灰相比，液態(tài)排渣爐液態(tài)排渣爐粗煤氣中CH4含量下降，CO和H2組分之和約提高25%，同時CO/H2比上升，而CO2則由30%降到了6~5%。加壓移動床氣化工藝流程圖

流化床氣化技術主要類型溫克勒（Winkler）灰熔聚（U-Gas和ICC）循環(huán)流化床（CFB,circulatingfluidizedgasifier）加壓流化床（PFB）5.6.2流化床氣化方法定義：煤和氣化劑在流態(tài)化狀態(tài)下發(fā)生氣化反應的方法。

或采用流態(tài)化技術使煤炭與氣化劑反應轉化為灰渣和

煤氣的過程。（fluidizedgasification),流態(tài)化技術是一種強化流體(氣體或液體)與固體顆粒間相互作用的操作。

流化床氣化方法的特點小顆粒煤，一般在0.1~6mm左右。原料床層溫度和組成均一。床層特點煤由氣化爐頂部加入，汽化劑由爐底送入。入爐方式連續(xù)、無序的沸騰和懸浮狀態(tài)運動，最佳流化速度。運動狀態(tài)CO2含量較高。熱解產(chǎn)物含量很少，幾乎不含焦油。產(chǎn)物特點缺點：70％的灰及部分未燃盡碳被煤氣夾帶出氣化爐，即增加了煤氣凈化的難度，也造成了很大程度的熱損。同時另外的灰分通過黏結落入灰斗，灰渣和飛灰的含碳量均較高。（15%~20%）溫克勒氣化爐示意圖氣化溫度控制在950℃移動床（1）流化床（2）溫度分布比較流化床沿床層高度的氣體組分分布

操作氣速

煤粒度氣化爐內分區(qū)影響因素

結渣性氧化區(qū)還原區(qū)HTW煤氣化示范裝置工藝流程圖，氣化壓力和溫度：0.9～1.0MPa，1100℃左右HTW氣化爐物料平衡及主要輸入輸出能量分布

灰團聚流化床煤氣化技術在流化床層形成局部高溫區(qū)(爐底有倒錐形分布板，分布板中央有一噴嘴，可造成局部高溫，灰顆粒由于高溫發(fā)生熔化，團聚成大顆粒），使煤中的灰分在軟化而未熔融的狀態(tài)下，相互團聚而黏結成含碳量較低的灰渣，結球長大到一定程度時靠其重量與煤粒分離下落到爐底灰渣斗，從而有選擇性地將灰球排出爐外，降低了灰渣的含碳量（5%~10%）美國U－gas流化床煤氣化技術中國ICC灰熔聚流化床煤氣化技術灰溶劑流化床與傳統(tǒng)流化床相比：傳統(tǒng)流化床：爐內的強烈混合狀態(tài)導致了爐頂帶出飛灰和爐底排渣中的碳損失較高。傳統(tǒng)流化床為降低碳含量，維持穩(wěn)定的不結渣操作，不得不采用較低的操作溫度（＜950℃

），所以傳統(tǒng)的流化床氣化爐只適用于高活性的褐煤或次煙煤。灰溶劑流化床：根據(jù)射流原理，設計了獨特的氣體分布器和灰團聚分離裝置，中心射流形成床內局部高溫區(qū)（1200~1300℃

）促使灰渣團聚成球，借助密度差異，達到灰團與半焦的分離，在非結渣情況下連續(xù)有選擇地排出低碳含量的灰渣，提高了床內碳含量和操作溫度，從而使其適用煤種拓寬到低活性的煙煤乃至無煙煤。U－gas氣化爐U－gas氣化工業(yè)裝置流程簡圖1－煤干燥粉碎部分；2－干煤倉；3－密相輸送系統(tǒng)；4－稱量斗；5－鎖斗；6－進料斗；7-U－gas氣化爐；8－灰冷；9－排灰裝置；10－第一級旋風分離器；11－第二級旋風分離器；12－第三級旋風分離器；13－灰冷器；14－排粉裝置；15－廢熱鍋爐；16－蒸氣過熱器；17－蒸氣預熱器；18－脫氧水加熱器；19－文丘里洗滌器；20－洗滌器；21－空氣壓縮機部分；22－廢水循環(huán)處理部分中國ICC灰熔聚流化床煤氣化技術ICC灰熔聚流化床粉煤氣化爐1－氣化爐；2－螺旋給煤機；3－第一旋風分離器；4－第二旋風分離器；5－溫球閥灰熔聚流化床粉煤氣化工藝流程簡圖1－煤鎖；2－中間料倉；3－氣體冷卻器；4－氣化爐；5－灰鎖；6－一級旋風；7－二級旋風；8－二旋下灰頭；9－廢熱回收器；10－汽包；11－蒸汽過熱器；12－脫氧水預熱器；13－洗氣塔循環(huán)流化床（CFB）煤氣化技術特點：克服了鼓泡流化床中存在大量氣泡造成氣固接觸不良的缺點，同時可避免氣流床所需過高的氣化溫度；克服了大量煤轉化為熱能而不是化學能的缺點，綜合了氣流床和鼓泡床的優(yōu)點；CFB的操作氣速介于鼓泡床和氣流床之間，煤顆粒與氣體之間有很高的滑移速度，使氣固兩相之間具有更高的傳熱傳質速率。整個反應器系統(tǒng)和產(chǎn)品氣的溫度均一，不會出現(xiàn)鼓泡床中局部高溫造成結渣。魯奇CFB氣化爐簡圖CFB循環(huán)流化床粉煤氣化工藝流程

技術現(xiàn)狀：

溫克勒氣化爐：已有用于合成氨生產(chǎn)案例，但對粒度、煤種要求較為嚴格，煤氣中甲烷含量高（0.7~2.5%）。而且設備生產(chǎn)強度較低，已不代表發(fā)展方向。

U-Gas氣化爐：在上海焦化廠1994年11月開車，長期運轉不正常，于2002年停運。循環(huán)流化床和加壓流化床可以生產(chǎn)燃料氣，但國際上尚無生產(chǎn)合成氣先例。

中科院山西煤化開發(fā)的ICC灰熔聚氣化爐，已通過工業(yè)示范裝置試運行階段，在多家合成氨廠開始推廣使用。6.3.3氣流床氣化法20世紀50年代初發(fā)展起來的新一代煤氣技術，最初代表爐型為K-T爐。其后隨著Shell、Texaco等一批新型工藝的開發(fā)，氣流床氣化技術因其出色的生產(chǎn)能力和氣化效率，在世界范圍內得到了廣泛的應用，尤其是在燃氣聯(lián)合循環(huán)中。氣流床氣化是一種并流式氣化，對煤種、粒度含硫、含灰都具有較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當今技術發(fā)展潮流。氣流床氣化的類型按進料狀態(tài)分為：干粉進料和水煤漿進料兩種：干粉進料的主要有K-T（Koppres-Totzek）爐、Shell氣化爐、Prenflo爐、Shell-Koppres爐、GSP氣化爐和ABB-CE爐水煤漿進料的主要有德士古（Texaco）氣化爐、Destec（Global-Gas）氣化爐。氣流床氣化特點煤粉，煤種適應性強----單獨進行熱解、氣化和形成熔渣的過程原料床層溫度和組成均一。氣化反應區(qū)溫度可高達2000℃床層特點汽化劑（蒸汽、氧氣）將煤粉夾帶由爐底送入，屬并流式氣化。入爐方式汽化劑、熱解揮發(fā)物、燃燒產(chǎn)物裹挾著煤焦粒子高速運動。運動狀態(tài)CO含量可高達58％~62％，其次為H2、CO2等，CH4含量很低。不含焦油、酚及烴類液體等，其主要雜質為H2S和少量COS。粗煤氣溫度特別高，一般都在1400左右℃左右煤氣組成氣流床氣化法原理氣流床氣化法是用極細的粉煤為原料，被氧氣和水蒸氣組成的氣化劑高速氣流攜帶進入并在氣化爐進行充分的混合、燃燒和氣化反應。氣流床氣化是氣固并流，氣體與固體在爐內的停留時間幾乎相同，都比較短，一般在1~10s。煤粉氣化的目的是想通過增大煤的比表面積來提高氣化反應速度，從而提高氣化爐的生產(chǎn)能力和碳的轉化率。常壓干法粉煤氣流床粉煤氣化據(jù)統(tǒng)計，20世紀80年代國外利用K-T常壓氣化爐技術生產(chǎn)合成氨的工廠，其產(chǎn)量占煤基合成氨生產(chǎn)的90％。K-T爐常壓氣流床粉煤氣化的一般工藝流程見圖9-19所示，原料煤經(jīng)干燥、并粉碎至通過200目篩孔，以氮氣為介質作氣動輸送。整個進料系統(tǒng)用氮氣充壓，以防止氧氣倒灌引起爆炸。然后氧氣和水蒸氣組成的氣化劑與煤粉混合，由燃燒器噴嘴高速噴入爐內。氣化爐襯有耐火材料，爐壁為水夾套，用來回收爐壁散失的熱量，產(chǎn)生的低壓蒸氣可作氣化劑使用。K-T爐常壓粉煤氣化工藝流程圖

德士古（Texaco）氣化爐：將煤加水磨成濃度為60%~65%的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進行氣化反應，氣化壓力在3.0~8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態(tài)排渣，煤氣成份CO+H2為80%左右，不含焦油、酚等有機物質，對環(huán)境無污染，，碳轉化率96%~99%，氣化強度大，爐子結構簡單，能耗低，運轉率高，而且煤適應范圍較寬。濕法氣流床加壓氣化組成：噴嘴、氣化室、激冷室（或廢熱鍋爐）組成。其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。優(yōu)點：水煤漿制備輸送、計量控制簡單、安全、可靠；設備國產(chǎn)化率高，投資省。缺點：水煤漿氣化噴嘴經(jīng)常面臨噴口磨損問題，主要是水煤漿在較高線速下（約30m/s）對金屬材質的沖刷腐蝕。激冷環(huán)和耐火磚壽命僅一年。汽化水煤漿中的水要耗去煤的8%，比干煤粉為原料氧耗高12-20%，效率低。關鍵技術：噴嘴、氣化爐、激冷環(huán)。Texaco淬冷型氣化爐Texaco廢鍋型氣化爐德士古氣化激冷流程示意圖德士古氣化廢鍋流程示意圖E-Gas濕法兩段氣流床加壓氣化E-Gas氣化爐主要特點為水煤漿進料和兩段氣流床加壓氣化。在美國wabashIGCC示范項目中選擇了E-Gas氣化技術。目前新建的氣化爐單臺生產(chǎn)能力可達2500t/d。E-Gas兩段式氣化爐的煤漿制備和輸送過程與德士古氣化爐類似，經(jīng)過燃燒器噴嘴后進入第一段的煤漿進料氣流床氣化反應器，其爐體與結構同K-T常壓氣化爐相似，爐內溫度在1320~1420℃左右。E-Gas兩段式氣化爐結構簡圖1-水煤漿；2-氧氣；3-灰渣激冷水；4-灰渣或水漿；5-第一段；6-第二段；7-煤氣干法粉煤加壓氣流床氣化

Destec（Global-Gas）氣化爐工藝介紹（兩套在美國，1987年和1995年投運）：組成：兩個噴嘴對置，分第一段（水平段）與第二段（垂直段）。優(yōu)點：借助撞擊流以強化混合，克服了Texaco爐型的速度成鐘形（正態(tài)）分布的缺陷。缺點：二次水煤漿停留時間短，碳轉化率低，設有一個龐大的分離器，以分離一次煤氣中攜帶的灰渣和二次煤漿的灰渣和殘?zhí)肌ｊP鍵點：適合于生產(chǎn)燃料氣，不適合生產(chǎn)合成氣。Shell氣化爐（荷蘭IGCC電站，1993年開車）：組成：四個噴嘴沿圓周分布，分第一段（水平段）與第二段（垂直段）；爐襯為水冷壁。優(yōu)點：1、單爐日處理煤量（2000t）;

2、采用干煤粉進料，氧耗比水煤漿低15%；碳轉化率高，可達99%，煤耗比水煤漿低8%，調節(jié)負荷方便;3、水冷壁壽命據(jù)稱為20年，噴嘴壽命為一年。缺點：設備投資大于水煤漿氣化技術，氣化爐及廢熱鍋爐結構過于復雜，加工難度大。Shell煤氣化工藝（SCGP）流程示意圖GSP氣化爐（黑水泵氣化技術，1956年德國西門子公司開發(fā)；我國寧煤集團引進）：特點：煤炭加入方式類似于Shell爐，爐子結構類似與德士古爐。

1、單爐日處理煤量（720t）。

2、下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐。項目K-T氣化爐Shell氣化爐Prenflo氣化爐Texaco氣化爐E-Gas氣化爐供料方式干煤粉干煤粉干煤粉水煤漿水煤漿氣化壓力/MPa0.14.52.14氣化溫度/℃1500~160014001320~1420氧氣消耗量／（kg／kg煤）0.73——0.930.8煤氣組成/%CO64.365.163.949.338.5H227.125.624.436.041.4CH40.10.01—0.40.11CO26.90.84.412.818.46N2

0.98.036.570.91.48熱值/（KJ/m3）11.041110.811.2410.21煤氣產(chǎn)率/（m3/kg煤）1.57——1.52.35碳轉化率/%