煤的气流床气化 气流床气化炉，最为成熟的是常压操作 Koppers-Totzek(K-T) 法，后来又开发成功加压的 shell 法以及 Prenflo 法，这些气化炉都是干煤粉进料的。湿法进料的有属于第二代煤气化技术的德士古（ Texaco ）方法和 Destec 煤气化方法。 1 气流床气化原理 所谓气流床，就是气化剂（蒸气与氧）将粉煤夹带入气化炉进行并流气化。煤粉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 ℃ 。煤粉和气化剂在火焰中作并流流动，煤粉急速燃烧和气化，反应时间只有几秒种，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(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，因此煤粘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。 在部分氧化条件下，煤燃烧生成 CO2 和 H2O 之外还生成 CO 和 H2 （通过部分氧化反应 CmHn ＋ m/2O2=mCO+n/2H2 ），粉煤中剩余的碳与 CO2 、水蒸气进行气化反应，生成 CO 和 H2 ，所以气化所得的煤气中含有 CO 、 H2 、 CO2 、 H2O 四个组分，而且在高温下（ 1500 ℃ 以上）由反应（ CO ＋ H2O→CO2 ＋ H2 ）的平衡确定煤气组成。 煤粉和气化剂进行并流气化，反应物之间的相对速度小，接触时间短，为了提高反应速度，强化生产，除了采用很高的反应温度外，还用纯氧 - 蒸气为气化剂，而且粉煤磨得很细，增加反应表面积，一般要求 70 ％以上的煤粉通过小于 75μm （ 200 目）筛孔。 气流床气化是粉煤部分氧化法，其最重要的反应条件是氧煤比和反应温度。反应温度一般取决于煤灰分的粘温性质。通常用改变氧煤比或蒸气煤比的方法来调节气化炉温度。 氧煤比既是重要的反应条件，又涉及氧耗等经济指标。按照上述部分氧化反应方程式，氧的理论用量应和煤中碳原子数相等，并全部转变成煤气中 CO ，若氧的用量超过理论用量，一部分碳将转变成 CO2 。所以氧碳比最高不超过 1 。考虑到气化剂水蒸气中的氧也参与反应，实际的 O/C 比大于 1 ，而氧气的用量可以小于理论用量。氧煤比增加，反应温度增加，有利于 CO2 还原和 H2O 分解反应，提高碳转化率，但过高又增加了 CO2 和 H2O 的量，故应有一个最佳的氧煤比。 2 干法进料的气流床气化方法 ① K-T 气化炉 以前国外用煤为原料生产合成氨原料气时，大多用 K-T 炉生产原料气。其结构示意 图 如下 。 file:///C:/temp/msohtml1/01/clip_image002.jpg 两炉头气化炉的外形是水平椭球体，两端的两个炉头象截去了头的锥体。每个炉头装有相邻的两个喷嘴，并与对面的炉头的喷嘴处于同一条直线上，以使火焰喷不到对面的炉壁，喷出的煤粉在自己的火焰区尚未燃尽时，可进入对方的火焰中气化。设置两个喷嘴还可改善湍流状态，即使一只喷嘴堵塞仍可保持继续操作。火焰温度 2000 ℃ ，火焰末端即炉中部温度为 1500 ～ 1600 ℃ 。煤中大部分灰分在火焰区被熔化，以熔渣形式进入熔渣激冷槽成粒状，由出灰机移走。其余灰分被气体带走。炉温一般比灰熔点高 100 ～ 150 ℃ ，熔渣粘度控制在 150Pa·S 左右。后来设计的四炉头八喷嘴气化炉，四个炉头呈十字形排列，能气化煤 470t/d ，产气 35000m3/h 。炉上部的
废热锅炉回收出炉热煤气的显热（ 1400 ～ 1500 ℃ ），煤气先在辐射段被冷到 1100 ℃ 以下，然后在上部对流段冷到低于 300 ℃ ，废热锅炉产 10MPa 高压蒸气。 K-T 炉的主要缺点是氧耗高，而且在常压下操作，要达到高转化率是有困难的。为此谢尔石油公司和柯柏斯公司合作开发了加压的谢尔 - 柯柏斯法，它组合了前者在高压油气化的经验以及柯柏斯公司在煤气化方面的经验。后来两家公司又独家进行开发，从而产生了二种干煤粉进料的加压下操作的煤气化方法： ① 谢尔法（ shell ）； ② 普伦弗洛法（ prenflo ），两种方法基本相似。 ② shell 法 shell 公司先建立了一座 400t/d 的示范装置，定名为 SCGP-1 。后来荷兰电力部门选用此法在 Buggenum 建立一套净发电 25 万 KW 的 IGCC 装置，处理煤量达 2000t/d ，操作压力 2.8MPa ，气化温度 1500 ℃ ，冷煤气效率 80 ～ 83 ％，热效率达 94 ％，碳效率 97 ～ 98 ％，发电效率 43 ％，投入运行后煤气化部分，未发现什么问题。 谢尔煤气化的典型流程示于 图 6-2-18 。 file:///C:/temp/msohtml1/01/clip_image004.jpg 原煤经粉碎干燥至含水低于 2 ％，粒度 90 ％通过 90μm （ 170 目）筛孔。煤由常压煤仓进加压煤仓，粉煤用氮气浓相输送（ 400kg/m3 ）入气化炉。气化温度超过 1370 ℃ 。熔化煤灰沿炉壁流入水浴固化，通过锁斗而排出。粗煤气用循环冷煤气激冷到 900 ～ 1100 ℃ ，以避免粘性灰渣进入废热锅炉，煤气通过废热锅炉被冷到 300 ℃ ，然后进入除尘和水洗系统。 ③ Prenflo 法 用此法在西班牙 Puertollano 已建 IGCC 示范装置，发电量 30 万 Kw 气化炉容量 2600t/d ，产煤气 18 万 m3/h ，见煤气应用节。 表 6-2-09 Prenflo 与 K-T 炉比较 K-T 法 Prenflo 原煤 氧气（ 98 ％） 粗煤气 CO+H2 ， m3/kg 煤 冷煤气效率，（％）（高热值） 1.13 1.24 1.03 0.91 73.4 1 1 1 1 80.8 给出了与 K-T 方法的比较，可见加压操作比常压在各种指标方面均好。 Prenflo 法与 Shell 法两者在煤气组成，氧耗，（ CO+H2 ）产率及碳转化率等指标均相近。 3 湿法进料的气流床气化方法 德士古气化炉是最成熟的第二代气流床气化炉，其后又开发成功的 Destec 气化方法，其单炉生产能力达 2500t/d 。 ① 德士古煤气化方法 它是由美国德士古公司开发的，并已在美国、欧洲、日本和中国建立了许多套商业化装置。目前最大的单炉容量达 2660t/d ，用在联合循环发电。 德士古气化流程有激冷流程和废锅流程。 file:///C:/temp/msohtml1/01/clip_image006.jpg 6-2-19 是激冷式流程。煤经湿磨后，与水制成水煤浆，典型的煤浆浓度为 60 ％左右。煤浆中煤粒最大粒径不超过 1mm ，大于 90μm 的不超过 30 ％。用高压煤浆泵送到气化炉。德士古炉是液态排渣炉，操作温度必须大于煤的灰熔点 T3 ，一般在 1300 ～ 1500 ℃ 。当灰熔点高于 1500 ℃ 时，需添加助溶剂。气化压力可达到 8.0MPa ，煤在炉内气化时间约在 3 ～ 10 秒之间。氧碳比约在 0.9 ～ 0.95 之间。碳转化率约 98 ～ 99 ％。冷煤气效率为 70 ％左右。 激冷流程适用于制 NH3 和 H2 ，因为这种流程易于和变换反应器配套，激冷产生蒸气可满足变换的需要。对于生产燃料煤气或用于联合循环发电，应选择废锅流程。激冷流程的投资比废锅流程要少得多。 图 6-2-20 是用于两种流程的气化炉简图。 file:///C:/temp/msohtml1/01/clip_image008.jpg 德士古气化方法的特点是： a. 采用水煤浆进料，没有干法磨煤、煤锁进料等问题，比干法加料安全可靠，容易在高压下操作； b. 在高温、高压下气化，碳转化率高达 98 ～ 99 ％，可以使用各种煤； c. 负荷适应性强，在 50 ％负荷下，仍能正常操作； d. 从环境保护上讲，德士古煤气化方法优于其它气化方法，不但无废水生成，还可添加其它有机废水制煤浆，气化炉起焚烧作用。排出灰渣呈玻璃光泽状，不会产生公害。德士古方法的主要问题是因煤浆中水分高，因而氧耗高。但因它具有种种优点，已为国内外很多工厂采用，是开发煤气化技术成功的范例。 ② Destec 煤气化法（原称 Dow 法） 它是在德士古煤气化工艺基础上发展的二段式煤气化工艺。具有生产能力大，氧耗低及产率高等优点。而且已通过较长时间的工业化运行。 file:///C:/temp/msohtml1/01/clip_image010.jpg 图 6-2-21 是 Destec 两段气化炉的剖面图。第一段称为部分氧化段，它在 1316 ～ 1427 ℃ 的熔渣温度下运行。这段可看成一个水平圆筒，筒的两端相对地装有供煤浆和氧气的进料喷嘴，圆筒中部的下方有一个排放孔，熔渣由此排入激冷区。中部的上方有一个出口孔，煤气经此孔进入第二段。圆筒内衬有耐熔渣的高温砖。第二段是一个内衬耐火材料垂直于第一段的直立圆筒，因而是向上气流床形式。另外有一路煤浆通过喷嘴把煤浆很好地均匀分布到第一段来的热煤气中。因此第二段是利用一段煤气的显热来气化二段喷入的煤浆。二段喷入水煤浆量为总量的 10 ～ 15 ％。二段煤浆的热裂解和气化，使混合气体温度降到 1038 ℃ ，以保证热回收系统正常工作。气化炉出来的粗煤气中夹带的半焦颗粒由
旋风分离器分出，再用水激冷制成 15 ～ 25 ％半焦浆液，掺入一段进料煤浆中。热煤气从旋风分离器出来先进入高温热回收系统，再经文丘里洗涤除尘、脱硫等处理后，进联合循环发电系统中的燃气轮机燃烧发电。 此法使用的水煤浆浓度为 52 ～ 54 ％，气化压力 2.1MPa ，用次烟煤气化时，处理能力为 1433 （干基） t/d ，冷煤气效率 77 ％，用褐煤时分别为 1832 （干基） t/d 和 69 ％。在一段反应器中碳转化率 >98 ％，二段的碳转化率一般是 80 ％，因半焦回用，二段的转化率对总工艺效率并不重要。此法实现工业化已十余年，取得的业绩表明比传统的燃煤 - 蒸气轮机发电效率高，热耗比传统法低 1046kJ/Kwh 。与德士古炉相比，其氧耗低些，效率略高一些。 Destec 法用过的煤种较少，工业化的厂也少，期待使用更多的煤种试验。美国正用此法建设 IGCC 示范厂，气化炉容量达 2500t/d ，净发电能力 26.5 万 KW 。
