50万吨年煤气化生产工艺

咸阳职业技术学院生化工程系毕业论文（设计）

50wt/年煤气化工艺设计

1.引言

煤是由古代植物转变而来的大分子有机化合物。我国煤炭储量丰富，分布面广，品种齐全。据中国第二次煤田预测资料，埋深在1000m以浅的煤炭总资源量为2.6万亿t。其中大别山—秦岭—昆仑山一线以北地区资源量约2.45万亿t，占全国总资源量的94%；其余的广大地区仅占6%左右。其中新疆、内蒙古、山西和陕西等四省区占全国资源总量的81.3%，东北三省占1.6%，华东七省占2.8%，江南九省占1.6%。

煤气化是煤炭的一个热化学加工过程，它是以煤或煤焦原料，以氧气（空气或富氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性的气体的过程。气化时所得的可燃性气体称为煤气，所用的设备称为煤气发生炉。

煤气化技术开发较早，在20世纪20年代，世界上就有了常压固定层煤气发生炉。20世纪30年代至50年代，用于煤气化的加压固定床鲁奇炉、常压温克勒沸腾炉和常压气流床K-T炉先后实现了工业化，这批煤气化炉型一般称为第一代煤气化技术。第二代煤气化技术开发始于20世纪60年代，由于当时国际上石油和天然气资源开采及利用于制取合成气技术进步很快，大大降低了制造合成

气的投资和生产成本，导致世界上制取合成气的原料转向了天然气和石油为主，使煤气化新技术开发的进程受阻，20世纪70年代全球出现石油危机后，又促进了煤气化新技术开发工作的进程，到20世纪80年代，开发的煤气化新技术，有的实现了工业化，有的完成了示范厂的试验，具有代表性的炉型有德士古加压水煤浆气化炉、熔渣鲁奇炉、高温温克勒炉（ETIW）及干粉煤加压气化炉等。

近年来国外煤气化技术的开发和发展，有倾向于以煤粉和水煤浆为原料、以高温高压操作的气流床和流化床炉型为主的趋势。

2.煤气化过程 2.1煤气化的定义

煤与氧气或（富氧空气）发生不完全燃烧反应，生成一氧化碳和氢气的过程称为煤气化。煤气化按气化剂可分为水蒸气气化、空气（富氧空气）气化、空气—水蒸气气化和氢气气化；按操作压力分为：常压气化和加压气化。由于加压气化具有生产强度高，对燃气输配和后续化学加工具有明显的经济性等优点。所以近代气化技术十分注重加压气化技术的开发。目前，将气化压力在P＞2MPa 情况下的气化，统称为加压气化技术；按残渣排出形式可分为固态排渣和液态排渣。气化残渣以固体形态排出气化炉外的称固态排渣。气化残渣以液态方式排出经急冷后变成熔渣排出气化炉外的称液态排渣；按加热方式、原料粒度、汽化程度等还有多种分类方法。常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有固定床气化、流化床气化、气流床气化和熔浴床床气化。

2.2 主要反应

煤的气化包括煤的热解和煤的气化反应两部分。煤在加热时会发生一系列的物理变化和化学变化。气化炉中的气化反应，是一个十分复杂的体系，这里所讨论的气化反应主要是指煤中的碳与气化剂中的氧气、水蒸汽和氢气的反应，也包括碳与反应产物之间进行的反应。

习惯上将气化反应分为三种类型：碳—氧之间的反应、水蒸汽分解反应和甲烷生产反应。

2.2.1碳—氧间的反应 碳与氧之间的反应有：

C+O2=CO2 （1）

2C+O2=2CO （2） C+CO2=2CO （3） 2CO+O2 =2CO2 （4）

上述反应中，（3）称为CO2还原反应，该反应是一个较强的吸热反应，需在高温条件下才能进行，其余三个反应均为放热反应。

2.2.2碳与水蒸汽的反应

在一定温度下，碳与水蒸汽之间发生下列反应：

C+H2O=CO+H2 （5） C+2H2O=CO2+2H2 （6）

这是制造水煤气的主要反应，也称为水蒸汽分解反应，两反应均为吸热反应。反应生成的CO可进一步和水蒸汽发生如下反应：

CO+H2O=CO2+H2 （7）

该反应称为一氧化碳变换反应,也称为均相水煤气反应或水煤气平衡反应，为一放热反应。在有关工艺过程中，为了把一氧化碳全部或部分转化为氢气，往往在气化炉外利用这个反应。

2.2.3甲烷生成反应

煤气中的甲烷，一部分来自煤中挥发物的热分解，另一部分则是气化炉内的碳与煤气中的氢反应以及气体产物之间的反应的结果。

C+2H2=CH4 （8） CO+3H2=CH4+H2O （9） 2CO+2H2=CH4+CO2 (10） CO2+4H2=CH4+2H2O （11）

上述生成甲烷的反应，均为放热反应。 2.2.4煤中其他元素与气化剂的反应

煤中还含有少量元素氮（N）和硫（S）。他们与气化剂O2、H2O、H2以及反应中生成的气态反应物之间可能进行的反应如下：

S+O2=SO2 （12） SO2+H2=H2S+2H2O （13） 2H2S+SO2 =3S+2H2O （14）

C+2S=CS2 （15） CO+S=COS （16） N2+3H2=2NH3 （17） N+H2O+2CO=2HCN+1.5O2 （18） N2+XO2=2NOX （19）

由此产生了煤气中的含硫和含氮产物。这些产物有可能产生腐蚀和污染，在气体净化时必须除去。其中含硫化合物主要是硫化氢。COS、CS2和别的含硫化合物仅占次要地位。在含氮化合物中，氨是主要产物，NOX和HCN为次要产物，上述反应对气化反应的化学平衡不起重要作用。 2.3 煤气化类型 2.3.1 固定床气化

在固定床气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。包括常压固定床气化和加压 固定床气化两类。

固定床气化炉有UGI炉、鲁奇（Lurgi）炉、和液态排渣鲁奇（BGL）炉等。 早期的煤气化技术多采用固定床，最有代表性的是1933年Lurgi开发的加压气化炉，几经修改完善，沿用至今。该炉型的生产强度较低（以炉截面计，仅为气流床的一半），尚末出现特大型的商业装置，但投资小、易操作，因而仍有一定的市场。 2.3.2 流化床气化

流化床气化炉始于1922年德国的温克勒（Winkler）气化炉，是最早的流化床气化方法。它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。流化床气化炉产生的气体含甲烷少，在中小型煤气化和部分化工原料气生产中，有一定优势。

流化床气化炉经过多年的发展，形成了多种炉型。美国开发的有U-Gas、KRW、HY-Gas、CO-Gas、Exxon催化气化等。德国开发的有温克勒（Winkler）、

高温温克勒（HTW）及鲁奇公司的循环流化床气化炉（CFBG）。日本开发的有旋流板式的JSW、喷射床气化炉。加拿大也有喷射床气化炉。我国开发的有灰熔聚气化、双器流化床、分区流化床、循环制气流化床水煤气炉和加压流化床等。 2.3.3 气流床气化

气流床气化一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。

气流床气化炉在技术上具有优势，其共同特点是加压（3—6.5MPa）、高温、细粒度，但在煤处理、进料形态与方式、实现混合、炉壳内衬、排渣、佘热回收等技术单元上又形成了不同风格的技术流派。比较有代表性的有：常压气流床煤粉气化有K-T炉（Koppers-Totzek）；以水煤浆加压气化的有德士古（Texaco）、Destec气化炉等；以干粉煤加压气化的有壳牌（Shell）炉、Prenflo（加压气流床）气化炉等，大多处于商业化示范和应用阶段。 2.4 典型气化工艺

2.4.1德士古（Texaco）水煤浆气化工艺

德士古水煤浆气化炉是1978年由美国德士古发展公司与联邦德国鲁尔公司合作推出的。其单炉生产能力大，碳转化率高达96％—98％，排水中不含焦油、酚等污染物，煤气质量好，有效气成分（CO＋H2）高达80％左右，甲烷含量低，适宜制合成气。

目前世界上有十几个企业采用德士古水煤浆气化工艺，大部分在我国。已建成的有鲁南、渭河、上海三联供、安徽淮化、浩良河化肥厂等。生产的合成气用于生产合成氨、甲醇、醋酸和发电等。 2.4.2壳牌（Shell）干粉煤气化工艺

该工艺于1972年开始研究，1976年阿姆斯特丹的壳牌实验室建立小型实验装置，1978年在德国汉堡建成中试装置，1987年在美国休斯敦建成投煤量250—400吨/天的示范装置，1993年12月首次使用SCGP工艺的大型煤气化联合循环发电装置在荷兰Buggenum投产。国内正在采用或打算采用壳牌粉煤气化工艺（SCGP）的有：湖北双环、广西柳州、中原大化公司、湖南洞庭化肥厂等十多家企业。

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