【正文】 國內外對熔融床先后進行過大量的研究 ， 其中以熔渣床和熔鐵床的試驗規(guī)模最大 ， 達到 250t（ 煤 ） /d。 碳轉化率約 98％ ～ 99％ 。 （ 5） 疲勞設備多 ， 結構復雜 。 （ 2） 先進的控制系統(tǒng) 。 謝爾煤氣化法的典型流程示于圖 。 氧煤比 （ 氧碳比 ） 增加 ， 反應溫度增加 ， 有利于 CO2還原和 H2O分解反應 ， 提高碳轉化率 ， 但過高又增加了 CO2和 H2O的量 ， 故應有一個最佳的氧煤比 。 流化床氣化 60 氣流床氣化 氣流床煤氣化 ， 最具代表性的是常壓操作 、 干煤粉進料的 KoppersTotzek （ KT） 法 ， 加壓操作 、 干法進料的謝爾 （ Shell） 方法 ， 和加壓操作 、濕法進料的德士古 （ Texaco） 方法 。 其下段為圓錐形體的流化床 ， 上段的高度約為流化床高度的 6～ 10倍 ， 作為固體分離區(qū) 。 此外 ， 液態(tài)排渣氣化過程的氧耗較高 。 氣化爐內設有煤分布器及破粘的攪拌器 。 122112PPTTVV ?212 PVV ? 加壓移動床氣化 50 （ 5） 壓力對煤氣產(chǎn)率的影響 氣化壓力的提高 ， 使得甲烷的生成量增加 ， 氣體的總體積減小 ， 與常壓氣化相比 ， 加壓氣化時煤氣產(chǎn)率較低 。 故隨氣化反應壓力提高 ， 氧氣的消耗量減少 。 248。 爐直徑 3 m， 處理煤量 1800～2500kg/h， 產(chǎn)氣量 5000～ 7500 m3/h， 煤氣熱值 4605～ 5443 kJ／ m3。 氣化強度與爐內氣流速率相關 。水蒸氣用量隨飽和溫度增加而增加。 對有粘結性的原料煤需通過攪拌裝臵破粘 。 每千克煤氣化所得冷煤氣在完全燃燒時放出的熱量與氣化的每千克煤的發(fā)熱量之比 （ ％ ） 。 （ d）煤灰的粘溫特性 液態(tài)排渣氣化爐的操作實踐表明，為了正常排渣，灰渣粘度不宜超過 250 Pa〃s 。 較低溫度也易于避免結渣 。 燃燒反應速率比其他反應快得多 。煤干餾半焦中主要成分是碳 ， 故討論平衡反應時通常只考慮元素碳的氣化反應 。 煤氣的有效成分包括 CO、 H2和 CH4等 。 煤的干餾反應相對較快 ， 而干餾半焦的氣化反應較慢 。 （ 2） CO2還原反應 （ 54） 由此式可以看出，當 CO2濃度很高時，反應為零級反應，而 CO2濃度很低時則為一級反應，且 CO對反應有抑制作用。 煤性質對氣化的影響 14 4） 反應性 不論何種氣化工藝 ， 煤活性高總是有利的 。例如，在流化床中灰分被大量碳所稀釋，當床內溫度超過煤灰熔化溫度時，尚不致發(fā)生熔渣和結塊。 VR反應器體積， m3； ρ固體的密度， kg/m3； τ平均停留時間。 產(chǎn)物氣體的顯熱中的相當部分供給煤氣化前的干燥和干餾 ， 煤氣出口溫度低 ， 灰渣的顯熱又預熱了入爐的氣化劑 ， 因此氣化效率高 。 發(fā)生爐煤氣組成隨燃料層高度的變化曲線 移動床煤氣化 30 （ c）水蒸氣對氣化過程的影響 氣化劑中水蒸氣的作用： ? 水蒸氣分解生成 CO和 H2，可改善煤氣質量，使煤氣熱值提高； ? 同時水蒸氣分解吸收熱量，可降低爐溫，防止結渣； ? 水蒸氣氣量過大，爐溫太低， CO2還原反應速率降低， CO/CO2比降低； ? 未分解的水蒸氣量增加，熱效率下降。 強化的辦法包括： ①采用富氧空氣和水蒸氣的混合物或氧與水蒸氣的混合物為氣化劑 ， 例如氧氣濃度提高 50％ ， 生產(chǎn)能力增加一倍 ， 而且煤氣熱值由 4857 kJ／ m3 提高到7955 kJ／ m3； ② 提高鼓風速率 ， 提高爐內溫度 。國內常用不帶攪拌裝臵的 。 使用的氣化爐為 U． G． I型爐 ， 248。 因此 ， 在相同溫度下 ， 隨著氣化壓力提高 ， 煤氣中甲烷和二氧化碳含量增加 ， 一氧化碳和氫含量減少 。 常壓氣化爐和加壓氣化爐的氣化溫度之比 T1／ T2≈ ～ 。 存在的主要問題 是： ① 高壓操作設備復雜； ② 水蒸氣分解率低 ， 消耗量大； ③ 后處理系統(tǒng)龐大； ④ 需要制氧裝臵；不能氣化粉煤 。 ⑤ 改善了環(huán)境 。第一套裝臵于 1926年投入運行 。 如使用含堿性灰的萊茵褐煤 ， 加入石灰提高灰熔點 ， 可提高氣化溫度到 1000℃ ； 流化床粗粒帶出物循環(huán)回到流化床氣化 ， 從而提高了碳的轉化率 。 按照上述部分氧化反應方程式 ， 氧的理論用量應和煤中碳原子數(shù)相等 ， 并全部轉變成煤氣中CO， 若氧的用量超過理論用量 ， 一部分碳將轉變成 CO2。 為進一步提高碳轉化率 、 生產(chǎn)強度和熱利用效率 ， 改善氣體有效成分 ， 降低系統(tǒng)壓縮功耗 ， 開發(fā)了干煤粉進料的加壓氣流床氣化工藝 ， 如謝爾 （ Shell） 法和普倫弗洛 （ Prenflo） 法等 。 另一方面 ， 膜式壁作為懸掛系統(tǒng)放在氣化爐內 ，很好地解決了熱補償問題 。 目前世界上沒有工業(yè)化應用的 Shell法合成氣生產(chǎn)氨 、 甲醇 、 氫氣和合成油的裝臵 。 當灰熔點高于 1500℃ 時 ， 需添加助溶劑 。 ③ 燒嘴使用壽命短 。 目前均已停止試驗； ④ 地下氣化 ：煤的地下氣化法是對地下煤層就地直接進行氣化生產(chǎn)煤氣的方法 ， 國內外曾進行了大量的研究 。 對于生產(chǎn)燃料煤氣或用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 ，應選擇廢鍋流程 。 氣流床氣化 72 4） 德士古 （ Texaco） 氣化方法 德士古氣化法是水煤漿進料的加壓煤氣化工藝 。 工藝的碳轉化率可以達到 99％ 以上 ， 產(chǎn)品氣體相對潔凈 ， 高溫氣化不產(chǎn)生焦油 、 酚等凝聚物 、 重烴等物質 ， 甲烷含量很少 。 氣化溫度超過 1370℃ 。 設臵兩個噴嘴還可改善湍流狀態(tài) 。 粉煤和氣化劑在火焰中作并流流動 ， 粉煤急速燃燒和氣化 ，反應時間只有幾秒鐘 ， 可以認為放熱與吸熱反應差不多是同時進行的 ， 在火焰端部 ， 即煤氣離開氣化爐之前 ， 碳已耗盡 。 使用低活性煤時 ， 二次氣化可顯著改善碳的轉化率 。 根據(jù)所用原料的粒度分布和性質 ， 控制氣化劑的流速 ， 使床內的原料煤全部處于流化狀態(tài) ， 在劇烈的攪動和返混中 ， 煤粒和氣化劑充分接觸 ， 同時進行著化學反應和熱量傳遞 。 由于爐溫較低 ，反應不夠完全 ， 灰渣中殘?zhí)己枯^高 ， 氣化能力受到限制 。 （ 6） 加壓氣化對煤氣輸送動力消耗的影響 加壓氣化可以大大節(jié)省煤氣輸送的動力消耗 。 但加壓不利于水蒸汽分解反應進行 ， 在加壓下 ， 水蒸汽分解率下降 。 加壓移動床氣化特點： ① 煤氣熱值高： 23MPa下氣化過程甲烷生成量提高，使煤氣熱值達到 20 MJ／ m3（ 5000 kcal/m3）或更高，可用于民用煤氣和化工原料氣； ② 系統(tǒng)能耗下降：加壓下氧和蒸汽的量相對于煤氣僅是煤氣有效成分量的一半，也就是加壓于 1份的氣化劑，即得到雙倍的高壓煤氣； ③ 裝臵內氣流線速度大幅度降低，使爐內帶出物明顯減少，氣固反應時間延長并強化，使碳轉化率和利用率明顯提高； ④ 有益于煤氣的凈化處理和遠程運輸。 碳與水蒸氣反應是強吸熱反應 ， 需提供水蒸氣分解所需的熱量 ， 一般采用兩種方法： ① 交替用空氣和水蒸氣為氣化劑的間歇氣化法； ② 同時用氧和水蒸氣為氣化劑的連續(xù)氣化法 。 移動床煤氣化 34 氣化強度與原料種類有關，原料中水分與揮發(fā)分在干餾層和干躁層從原料中逸出，實際進入氣化層的只是焦炭。 水蒸氣耗量不僅與原料灰分有關，也與原料的水分和揮發(fā)分有關？ 對每 1kg真正在氣化層消耗的碳而言，水蒸氣耗量大致相同，最低 ，最高 。 加壓方法是常壓方法的改進和提高 。 還應考慮氣化過程中吹入空氣和水蒸氣所帶入的熱量 。 7） 機械強度 煤的機械強度是指煤的抗碎強度 、 耐磨強度和抗壓強度等 。 故原料中灰分愈多 ， 隨灰渣而損失的碳量就愈多 。 這是因為 C－ CO2和 C－ H2O反應在高壓下反應對壓力來說趨于零級 ，而 C－ H2反應與壓力呈 1～ 2級關系 。 8 氣化反應平衡組成與溫度壓力關系 由熱力學平衡關系可以從理論上計算氣化氣體組成與平衡溫度 、壓力的關系：溫度高 ， 氣化反應進行比較完全 。 3 煤氣化原理 煤氣化過程 （ 以移動床氣化為例 ） 發(fā)生爐由爐體 、 加煤裝臵和排灰裝臵等三大部分構成 。 制造煤氣的反應主要發(fā)生在氧化層和還原層中 ， 所以稱氧化層和還原層為氣化區(qū)； 干燥層 和 干餾層 進行原料的預熱 、 干燥和干餾 。整個反應中，氣化劑的吸附、活性部位的表面反應以及產(chǎn)物的解吸構成了氣化反應的基本步驟。 對于移動床煤氣化 ， 若煤料在氣化爐上部粘結成大塊 ， 將破壞料層中氣流的分布 ， 嚴重時會使氣化過程不能進行；對流化床氣化法 ， 若煤粒粘結成大顆?；驂K ， 則會破壞正常的流化狀態(tài) 。 灰熔點對氣化爐的排渣形式有指導作用。 煤性質對氣化的影響 18 （ 1） 煤氣產(chǎn)率 每單位質量煤氣化所得煤氣的體積數(shù) ［ Nm3/kg(煤 )］ 。 23 氣化爐原理和分類 氣化爐類型及爐溫分布 反應物和產(chǎn)物在反應器內流動情況以及床內反應溫度的分布：移動床屬于逆流操作，氣流床屬于并流操作，流化床介于上述兩種情況之間。 移動床煤氣化 27 為了達到上述條件 ， 每 2 kmol碳與空氣反應 ， 則與水蒸氣反應的碳應為： 246435 kJ〃kmol 1(碳 )/118821 kJ〃kmol 1(碳 )= kmol(碳 )/2 kmol(碳 ) 所以 ， kmol（ 碳 ） 與水蒸氣一空氣混合物相互作用 ， 在理論上 ， 產(chǎn)生的煤氣量為： kmol＋ kmol＋ kmol＝ kmol 煤氣組成為： CO kmol／ kmol 100％ ＝ ％ H2 kmol／ kmol 100％ ＝ ％ N2 kmol／ kmol 100 ％ ＝ ％ 移動床煤氣化 28 在標準狀態(tài)下煤氣的產(chǎn)率： =（碳） 在標準狀態(tài)下煤氣的熱值： Q＝ =7450kJ/Nm3 氣化效率為： ＝ 100% 實際上制取混合發(fā)生爐煤氣 ， 氣化非純碳 ， 不可避免有許多熱損失 （ 如煤氣帶走的顯熱 ， 留在灰渣中的殘?zhí)嫉?） ， 水蒸氣分解和 CO2還原進行不完全 ， 使實際的煤氣組成 、 氣化效率與理論計算值有顯著差異 。 在擴散控制區(qū) ， 一切可提高擴散速率的措施都可使反應總速率增大 ， 如提高鼓風速率 ， 使氣化反應處于擴散控制區(qū) ， 是強化氣化過程的必要條件 。 爐內徑 3 m，進風口直徑 500 mm， 煤氣出口直徑 900 mm， 最大風壓 40006000 Pa。 （ c） 工作循環(huán)的構成 間歇法制水煤氣 ， 主要由吹空氣 （ 蓄熱 ） 、 吹水蒸氣 （ 制氣 ） 兩個階段組成 ， 但為了節(jié)約原料 ， 保證水煤氣質量 ， 正常安全生產(chǎn) ， 還需要一些輔助階段 ， 實際共有 6個階段 （ 圖 ） ： 移動床煤氣化 41 ① 吹風階段 吹入空氣 ， 使部分燃料燃燒 ， 將熱能積蓄在料層中 ， 廢氣經(jīng)回收熱量后排入大氣； ② 水蒸氣吹凈階段 由爐底吹入水蒸氣 ， 把爐上部及管道中殘存的吹風廢氣排出 ， 避免影響水煤氣的質量；