【正文】 盡直至形成熔渣 ， 因此煤粘結(jié)性對煤氣化過程沒有影響 。 煤中灰分以熔渣形式排出爐外 。 61 1） 氣流床氣化原理 煤氣組成 在部分氧化條件下 ， 煤燃燒生成 CO2和 H2O之外還生成 CO和 H2[通過部分氧化反應(yīng) Cm Hn＋ （ m／ 2） O2 == mCO＋ （ n /2） H2]， 粉煤中剩余的碳與 CO 水蒸氣進行氣化反應(yīng) ， 生成 CO和 H2， 所以氣化所得的煤氣中含有CO， H2， CO2， H2O四個組分 ， 而且在高溫下 （ 1500℃ 以上 ） 由反應(yīng) （ CO＋ H2O==CO2＋ H2） 的平衡確定煤氣組成 。 氣流床氣化 62 1） 氣流床氣化原理 – 參數(shù)控制 粉煤和氣化劑進行并流氣化 ， 反應(yīng)物之間的相對速率小 ， 接觸時間短 ，為了提高反應(yīng)速率 ， 強化生產(chǎn) ， 除了采用很高的反應(yīng)溫度外 ， 還用純氧 水蒸氣為氣化劑 ， 而且粉煤磨得很細(xì) ， 以增加反應(yīng)表面積 ， 一般要求 70％ 以上的粉煤通過小于 75181。m(200目 ） 的篩孔 。 氣流床氣化重要的反應(yīng)條件是 氧煤比 和 反應(yīng)溫度 。 反應(yīng)溫度一般取決于煤灰分的粘溫性質(zhì) 。 通常用改變氧煤比或水蒸氣煤比的方法來調(diào)節(jié)氣化爐溫度 。 氧煤比既是重要的反應(yīng)條件 ， 又涉及氧耗等經(jīng)濟指標(biāo) 。 按照上述部分氧化反應(yīng)方程式 ， 氧的理論用量應(yīng)和煤中碳原子數(shù)相等 ， 并全部轉(zhuǎn)變成煤氣中CO， 若氧的用量超過理論用量 ， 一部分碳將轉(zhuǎn)變成 CO2。 所以氧碳比最高不超過 1。 考慮到氣化劑水蒸氣中的氧也參與反應(yīng) ， 因而氧氣的用量可以小于理論用量 。 氧煤比 （ 氧碳比 ） 增加 ， 反應(yīng)溫度增加 ， 有利于 CO2還原和 H2O分解反應(yīng) ， 提高碳轉(zhuǎn)化率 ， 但過高又增加了 CO2和 H2O的量 ， 故應(yīng)有一個最佳的氧煤比 。 氣流床氣化 63 2） KT爐氣化方法 KT（ KoppersTotzek） 型氣化爐主要用于生產(chǎn)合成氣 ， 其結(jié)構(gòu)示于圖 。兩爐頭氣化爐的外形是水平橢球體 ， 兩端的兩個爐頭各裝有相鄰的兩個噴嘴 ，相對處于同一條直線上 ， 以使火焰噴不到對面的爐壁 ， 噴出的煤粉在自己的火焰區(qū)尚未燃盡時 ， 可進入對方的火焰中氣化 。 設(shè)臵兩個噴嘴還可改善湍流狀態(tài) 。 火焰溫度 2023℃ ， 火焰末端即爐中部溫度為 1500～ 1600℃ 。 進料煤中有 70％ 粒度小于 75181。m， 煤中大部分灰分在火焰區(qū)被熔化 ， 以熔渣形式進人熔渣激冷槽成粒狀 ， 由出灰機移走 ， 其余灰分被氣體帶走 。 爐溫一般比灰熔點高 100— 150℃ ， 熔渣粘度控制在 150 Pa〃s 左右 。 后來設(shè)計的四爐頭八噴嘴型氣化爐 ， 四個爐頭呈十字形排列 ， 能氣化煤 470 t/d， 產(chǎn)氣 35000 m3/h。 爐上部的廢熱鍋爐回收出爐熱煤氣 （ 1400～ 1500℃ ） 的顯熱 ， 煤氣先在輻射段被冷到 1100℃ 以下 ， 然后在上部對流段冷到低于 300℃ ， 廢熱鍋爐產(chǎn)生 10 MPa高壓水蒸氣 。 氣流床氣化 64 2） KT爐氣化方法 圖 512 K－ T型氣化爐及廢熱回收示意圖 氣流床氣化 65 2） KT爐氣化方法 KT氣化技術(shù)的優(yōu)越性突出體現(xiàn)為特別適應(yīng)于合成氣的生產(chǎn)要求；對煤種的適應(yīng)性強；產(chǎn)氣強度大；生產(chǎn)中無化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境造成污染；生產(chǎn)的調(diào)度啟動關(guān)閉靈活等 。 KT氣化技術(shù)的缺點在于：粉煤粒度要求過細(xì) ， 備料的機械功耗和工序較多；生產(chǎn)過程中對細(xì)粉煤的生產(chǎn)要加強防火和防爆的安全措施 。 KT爐常壓下操作 ， 氧耗高 ， 要達到高轉(zhuǎn)化率有困難 。 為進一步提高碳轉(zhuǎn)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 。 氣流床氣化 66 3） 謝爾 （ Shell） 氣化方法 Shell公司首先建立了一座 400t(煤 )/d的干煤粉進料加壓氣流床氣化示范裝臵 ， 定名為 SCGP1型 。 后來荷蘭電力部門選用此法在 Buggenum建立一套凈發(fā)電 25萬千瓦的 IGCC示范裝臵 ， 處理煤量達 2023 t(煤 )/d， 操作壓力 MPa，氣化溫度 1500℃ ， 冷煤氣效率 80％ ～ 83％ ， 熱效率達 94％ ， 碳效率 97％ ～ 98％ ， 發(fā)電效率 43％ 。 謝爾煤氣化法的典型流程示于圖 。 原煤經(jīng)粉碎干燥至含水＜ 2％ ， 粒度90％ 通過 90μm（ 170目 ） 篩孔 。 煤由常壓煤倉進加壓煤倉 ， 粉煤用氮氣濃相輸送 [400 kg煤 /m3（ 氮氣 ） ]入氣化爐 。 氣化溫度超過 1370℃ 。 熔化煤灰沿爐壁流入水浴固化 ， 通過鎖斗排出 。 粗煤氣用循環(huán)冷煤氣激冷到 900～ 1100℃ ，以避免粘性灰渣進入廢熱鍋爐 ， 煤氣通過廢熱鍋爐被冷到 300℃ ， 然后進入除塵和水洗系統(tǒng) 。 氣流床氣化 67 3）謝爾（ Shell）氣化方法 謝爾氣化法典型工藝流程圖 氣流床氣化 68 3）謝爾（ Shell）氣化方法 謝爾氣化法典型工藝流程圖 氣流床氣化 69 3） 謝爾 （ Shell） 氣化方法 氣化爐 Shell氣化爐主要由內(nèi)筒和外筒兩部分組成 ， 外筒只承受靜壓而不承受高溫 ， 內(nèi)筒形成氣化空間 、 爐渣收集空間 、 氣體輸送空間 。 煤粉和氧氣在氣化爐上部燃燒室中反應(yīng) ， 下部激冷室溫度較低 。 其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ， 制造難度大 。 膜式水冷壁 ： Shell在阿姆斯特丹的實驗氣化爐內(nèi)都有耐火襯里 ， 但根據(jù)實際操作經(jīng)驗 ， Shell認(rèn)為即使最先進的耐火磚 ， 在高溫 、 高熱負(fù)荷和熔渣不斷侵蝕的環(huán)境下 ， 也難以保證高強度和長壽命運行 。 所以 ， 確定在氣化爐的高壓殼體中安裝用沸水冷卻的膜式水冷壁 ， 使工藝過程即氧化反應(yīng)在有膜式壁圍成的空腔內(nèi)進行 。 氣化壓力由外部的高壓殼體承受 ， 內(nèi)件只承受壓差 ，屬低壓設(shè)備 。 膜式壁一方面提高了 Shell煤氣化技術(shù)的效率 ， 不需要外加蒸汽 ，并可副產(chǎn)中 、 高壓蒸汽；同時也增大了工藝操作強度 ， 膜式壁增加了工程設(shè)計的難度和制造的復(fù)雜程度 。 另一方面 ， 膜式壁作為懸掛系統(tǒng)放在氣化爐內(nèi) ，很好地解決了熱補償問題 。 氣流床氣化 70 3） 謝爾 （ Shell） 氣化方法 工藝特點 （ 1） 高的熱效率 。 進氣化爐的煤中約 83％ 的熱能被利用為轉(zhuǎn)化合成氣 ，約 15％ 的熱能被回收為高壓或中壓蒸汽 ， 總的熱效率為 98％ 左右 。 （ 2） 先進的控制系統(tǒng) 。 氣化操作采用先進的控制系統(tǒng) ， 其中包括 Shell公司專有的工藝計算機技術(shù) 。 （ 3） 對環(huán)境污染小 。 工藝的碳轉(zhuǎn)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?zé)N等物質(zhì) ， 甲烷含量很少 。氣化爐高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成玻璃狀顆粒 ， 性質(zhì)穩(wěn)定 ， 對環(huán)境影響小 。另外 ， 氣化污水含氰化物少 ， 容易處理 。 氣流床氣化 71 3） 謝爾 （ Shell） 氣化方法 工藝不足 （ 1） 系統(tǒng)復(fù)雜 。 輸送 、 計量系統(tǒng)復(fù)雜 ， 容易發(fā)生故障；需要專門設(shè)臵高純度 N2的制造和增壓系統(tǒng) ， 耗電增多 ， 并使空分系統(tǒng)復(fù)雜化；密相輸送煤粉所帶入的 N2影響后續(xù)化工過程 。 （ 2） 設(shè)備成本高 。 該工藝關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)件在國外制造 ， 工期較長；燒嘴 、煤粉閥 、 渣閥 、 灰閥等完全依賴進口；大型設(shè)備運輸安裝也比較困難 。 （ 3） 耦合性差 。 氣化爐的壓力低于 ， 不能與后續(xù)過程相銜接（ 如等壓合成甲醇 ） 。 （ 4） 技術(shù)不夠成熟 。 目前世界上沒有工業(yè)化應(yīng)用的 Shell法合成氣生產(chǎn)氨 、 甲醇 、 氫氣和合成油的裝臵 。 因為化工裝臵如合成氨廠或甲醇廠等都要求氣化爐安全 、 穩(wěn)定 、 滿負(fù)荷 。 長周期運行 ， 技術(shù)要求比較嚴(yán)格 。 （ 5） 疲勞設(shè)備多 ， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 （ 6） 項目建設(shè)周期長和投資較高 。 我國第 1批 5套 Shell煤氣化裝臵先后投產(chǎn) ， 各套裝臵在試車和運行過程中都或多或少出現(xiàn)了一些問題 。 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 。 在美國 、 歐洲 、 日本和中國建立了多套商業(yè)化裝臵 。 目前最大的單爐容量達 2660 t（ 煤 ） /d， 用在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 。 德士古氣化流程有激冷流程和廢鍋流程 。 圖示是激冷式流程 。 煤經(jīng)濕磨后 ， 與水制成水煤漿 ， 典型的煤漿中煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60％ 左右 。 煤漿中煤粒最大粒徑不超過 l mm， 粒度大于 90181。m的不超過 30％ 。 用高壓煤漿泵送到氣化爐 。 德士古爐是液態(tài)排渣爐 ， 操作溫度必須大于煤的灰熔點 T3， 一般在1300～ 1500℃ 。 當(dāng)灰熔點高于 1500℃ 時 ， 需添加助溶劑 。 氣化壓力可達到， 煤在爐內(nèi)氣化時間約在 3～ 10s之間 。 氧碳比約在 ～ 。 碳轉(zhuǎn)化率約 98％ ～ 99％ 。 冷煤氣效率為 70％ 左右 。 激冷流程適用于制 NH3和 H2， 因為這種流程易于和變換反應(yīng)器配套 ， 激冷產(chǎn)生水蒸氣可滿足變換的需要 。 對于生產(chǎn)燃料煤氣或用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 ，應(yīng)選擇廢鍋流程 。 激冷流程的投資比廢鍋流程要少得多 。 圖示是用于兩種流程的氣化爐簡圖 。 氣流床氣化 73 4）德士古（ Texaco）氣化方法 德士古氣化法（急冷式）流程圖 氣流床氣化 74 4）德士古（ Texaco）氣化方法 德士古氣化爐示意圖 氣流床氣化 75 4） 德士古 （ Texaco） 氣化方法特點 ① 采用水煤漿進料 ， 沒有干法磨煤 、 煤鎖進料等問題 ， 比干法加料安全可靠 ， 容易在高壓 （ 可達 ） 下操作； ② 在高溫 、 高壓下氣化 ， 碳轉(zhuǎn)化率高達 98％ ～ 99％ ， 可以使用各種煤； ③ 氣化爐結(jié)構(gòu)簡單 ， 氣化強度高 。 負(fù)荷適應(yīng)性強 ， 在 50％ 負(fù)荷下 ， 仍能正常操作； ④ 從環(huán)境保護上講 ， 德士古煤氣化方法優(yōu)于其他氣化方法 ， 不但無廢水生成 ， 還可添加其他有機廢水制煤漿 ， 氣化爐起焚燒爐的作用 ， 排出的灰渣呈玻璃光澤狀 ， 不會產(chǎn)生公害 。 德士古方法的主要問題 ： ① 煤漿中水分高 ， 因而氧耗高 。 難以制漿的煤如含水高的褐煤不能用 。 ② 氣化爐耐火材料使用壽命短 。 熔融煤灰的沖刷及侵蝕問題嚴(yán)重 ， 使得耐火磚的壽命大大縮短 。 一般一年半左右 ， 必須局部或全部更換 。 ③ 燒嘴使用壽命短 。 一般在 60～ 90天就要定期對燒嘴進行檢查 ， 對有龜裂 、 燒蝕 、 磨蝕現(xiàn)象的燒嘴必須進行修復(fù) 、 更換 ， 再使用 。 氣流床氣化 76 其他煤氣化方法 ① 熔融床煤氣化 法：熔融床氣化又分熔渣床 、 熔鹽床和熔鐵床三種 。 國內(nèi)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。 因為種種技術(shù)和經(jīng)濟問題 ， 這些試驗大多已停止； ② 催化氣化 法：煤的催化氣化方法是在氣化過程中添加催化劑 ， 加快氣化反應(yīng) ， 可以在較低溫度下進行氣化 。 煤的催化氣化方法以 Exxon方法為代表 ， 用 K2CO3為催化劑 ， 但其規(guī)模僅 1t（ 煤 ） /d； ③ 加氫氣化 法：加氫氣化法的目的是為了制取天然氣 ， 如美國的 Hygas法 ［ 80 t（ 煤 ） /h］ 和德國的 HKV法 [4～ 10 t（ 煤 ） /h]。 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(nèi)外曾進行了大量的研究 。 但由于地下煤層的構(gòu)成及其走向變化多端 ， 至今尚未形成一種技術(shù)成熟的 ， 能推廣使用的方法 。 77 煤氣化方法的評價與選擇 選擇煤氣化方法應(yīng)該以可選用煤種和煤氣的用途為出發(fā)點 ， 結(jié)合過程的總熱效率和環(huán)保要求加以考慮和比較 ， 以實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一 。 原料煤的性質(zhì) 不但是選擇氣化方法的根據(jù) ， 同時又是影響氣化過程技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)及能否順利操作的關(guān)鍵 。 原料煤的粘結(jié)性 、 反應(yīng)活性 、 灰渣特性等是首先需要考慮的因素 。 氣化過程產(chǎn)生的 煤氣的品位應(yīng)與煤氣的