1、企业生产实际教学案例库应用化工生产技术专业（煤化工方向）典型气流床气化炉及其工艺典型气流床气化炉及其工艺(2)(2)德士古气化法德士古气化法( (水煤浆加料气化工艺水煤浆加料气化工艺) ) 二、德士古气化炉结构目 录一、德士古气化工艺简介三、煤浆的制备和输送四、德士古气化工艺流程五、德士古气化工艺条件和气化指标 德士古德士古(TEXACO)(TEXACO)气化工艺最早开发于气化工艺最早开发于2020世纪世纪4040年代后期。开始的工作重点集中年代后期。开始的工作重点集中在开发一种天然气的重整工艺，以便为转在开发一种天然气的重整工艺，以便为转换成液态烃化合物制造合成气。不久后，换成液态烃化合物制
2、造合成气。不久后，重点转向为氨的生产制造合成气。重点转向为氨的生产制造合成气。 2020世纪世纪5050年代期间，研究扩大该工艺年代期间，研究扩大该工艺以气化石油及少量的煤。以气化石油及少量的煤。 目前，在我国运行的德士古气化炉有目前，在我国运行的德士古气化炉有1212台。兖矿鲁南化肥厂的德士古气化装置台。兖矿鲁南化肥厂的德士古气化装置，是我国从国外引进的第一套德士古煤炭，是我国从国外引进的第一套德士古煤炭气化装置，采用水煤浆进辩在加压下来生气化装置，采用水煤浆进辩在加压下来生产台成氨的原料气体。产台成氨的原料气体。一、一、德士古气化工艺简介德士古气化工艺简介德士古气化炉是一种以水煤浆进料的加
3、压德士古气化炉是一种以水煤浆进料的加压气流床气化装置，如气流床气化装置，如右右图所示。图所示。该炉有两种不同的炉型，根据粗煤气采用该炉有两种不同的炉型，根据粗煤气采用的冷却方法不同，可分为淬冷型，如的冷却方法不同，可分为淬冷型，如右右图图 (a)，和全热回收型，如，和全热回收型，如右右图图 (b)所示。所示。两种炉型的比较：两种炉型下部合成气的两种炉型的比较：两种炉型下部合成气的冷却方式不同，但炉子上部气化段的气化工冷却方式不同，但炉子上部气化段的气化工艺是相同的。艺是相同的。反应过程：德士古加压水煤浆气化过程是反应过程：德士古加压水煤浆气化过程是并流反应过程。合格的水煤浆原料同氧气从并流反应
4、过程。合格的水煤浆原料同氧气从气化炉顶部进入。煤浆由喷嘴导入，在高速气化炉顶部进入。煤浆由喷嘴导入，在高速氧气的作用下雾化。氧气和雾化后的水煤浆氧气的作用下雾化。氧气和雾化后的水煤浆在炉内受到高温衬里的辐射作用，迅速进行在炉内受到高温衬里的辐射作用，迅速进行着一系列的物理、化学变化：预热、水分蒸着一系列的物理、化学变化：预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等。气化后的煤气中主要是一氧化碳、气化等。气化后的煤气中主要是一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气。气体夹带灰分并氢气、二氧化碳和水蒸气。气体夹带灰分并流而下流而下，粗合成气在冷却后，从炉子
5、的底部粗合成气在冷却后，从炉子的底部排出。排出。分离回收：在淬冷型气化炉中。粗合成气体分离回收：在淬冷型气化炉中。粗合成气体经过淬冷管离开气化段底部，淬冷管底端浸没经过淬冷管离开气化段底部，淬冷管底端浸没在一水池中。粗气体经过急冷到水的饱和温度在一水池中。粗气体经过急冷到水的饱和温度，并将煤气中的灰渣分离下来，灰熔渣被淬冷，并将煤气中的灰渣分离下来，灰熔渣被淬冷后截留在水中，落人渣罐，经过排渣系统定时后截留在水中，落人渣罐，经过排渣系统定时排放。之后冷却了的煤气经过侧壁上的出口离排放。之后冷却了的煤气经过侧壁上的出口离开气化炉的淬冷段。然后按照用途和所用原料开气化炉的淬冷段。然后按照用途和所用
6、原料，粗合成气在使用前进一步冷却或净化。在全，粗合成气在使用前进一步冷却或净化。在全热回收型炉中，粗合成气离开气化段后，在合热回收型炉中，粗合成气离开气化段后，在合成气冷却器中从成气冷却器中从1400被冷却到被冷却到700，回收，回收的热量用来生产高压蒸汽。熔渣向下流到冷却的热量用来生产高压蒸汽。熔渣向下流到冷却器被淬冷器被淬冷，再，再经过排渣系统排出。合成气由淬经过排渣系统排出。合成气由淬冷段底部送下一工序。冷段底部送下一工序。对于这两种工艺过程，目前大多数德士古气对于这两种工艺过程，目前大多数德士古气化炉采用淬冷型，优势在于它更廉价，可靠性化炉采用淬冷型，优势在于它更廉价，可靠性更高，劣势
7、是热效率较全热回收型的低。更高，劣势是热效率较全热回收型的低。气化炉为一直立圆筒形钢制耐压容器，内壁气化炉为一直立圆筒形钢制耐压容器，内壁衬衬以高质量的耐火材料，可以防止热渣和粗煤以高质量的耐火材料，可以防止热渣和粗煤气的侵蚀。气的侵蚀。二、二、德士古气化炉结构德士古气化炉结构基本部分包括煤浆的制备基本部分包括煤浆的制备和输送、气化和废热回收、和输送、气化和废热回收、煤气的冷却和净化等。煤气的冷却和净化等。煤浆的制备和输送煤浆的制备和输送合格煤浆的制备是德士古法合格煤浆的制备是德士古法应用的基本前提。煤浆的浓应用的基本前提。煤浆的浓度、黏度、稳定性等对气化度、黏度、稳定性等对气化过程和物料的输
8、送均有重要过程和物料的输送均有重要的影响，而这些指标与煤的的影响，而这些指标与煤的研磨又有着密切的关系。研磨又有着密切的关系。固体物料的研磨分为干法和固体物料的研磨分为干法和湿法两大类。制取水煤浆时湿法两大类。制取水煤浆时普遍采用的是湿法，这种方普遍采用的是湿法，这种方法又分为封闭式和非封闭式法又分为封闭式和非封闭式两种系统。两种系统。封闭式湿磨系统封闭式湿磨系统如如右上右上图所示。煤经过研磨图所示。煤经过研磨后送到分级机中进行分选，后送到分级机中进行分选，过大的颗粒再返回到磨机中过大的颗粒再返回到磨机中进一步研磨。这种方法的优进一步研磨。这种方法的优点是得到的煤浆粒度范围较点是得到的煤浆粒度
9、范围较窄，对磨机无特殊要求；缺窄，对磨机无特殊要求；缺点是需要分级设备。为了达点是需要分级设备。为了达到适当的分级，煤浆的黏度到适当的分级，煤浆的黏度就不能太大，这就意味着煤就不能太大，这就意味着煤浆中的固浆中的固体物体物含量不能太大含量不能太大，而水分含量相应的就高，而水分含量相应的就高，后系统需要增设稠化的专用后系统需要增设稠化的专用设备，以达到该法的煤浆浓设备，以达到该法的煤浆浓度要求。度要求。非封闭式湿磨系统非封闭式湿磨系统如如右下右下图所示。该法中，图所示。该法中，煤一次通过磨机，所制取煤一次通过磨机，所制取的煤浆同时能够满足粒度的煤浆同时能够满足粒度和浓度的要求。煤在磨机和浓度的要
10、求。煤在磨机中的停留时问相对长一些中的停留时问相对长一些，这样可以保证较大的颗，这样可以保证较大的颗粒尽可能不太多。要达到粒尽可能不太多。要达到合格的研磨，选择适当的合格的研磨，选择适当的磨机就变得很重要，最合磨机就变得很重要，最合适的是用充填球或棒的滚适的是用充填球或棒的滚筒磨机，妥善选择磨机长筒磨机，妥善选择磨机长度、球径及球数，使得煤度、球径及球数，使得煤通过磨机时一次即能达到通过磨机时一次即能达到高浓度的煤浆，并具有所高浓度的煤浆，并具有所需要的粒度。需要的粒度。需要指出的是不管是哪一种需要指出的是不管是哪一种制浆工艺，都是耗能大户。制浆工艺，都是耗能大户。为了减少磨矿功耗，磨矿前为了
11、减少磨矿功耗，磨矿前，除特殊情况，除特殊情况(如用粉煤或如用粉煤或煤泥制浆煤泥制浆)外外，都必须经过都必须经过破碎，预先破碎到粒度小于破碎，预先破碎到粒度小于30mm，然后经过带称送，然后经过带称送入入磨粉机。研磨好的煤浆首先磨粉机。研磨好的煤浆首先要进入一均化罐要进入一均化罐，然后用泵然后用泵送到气化炉。煤浆是否能够送到气化炉。煤浆是否能够顺利进入气化炉，在泵功率顺利进入气化炉，在泵功率确定的前提下，取决于煤浆确定的前提下，取决于煤浆的浓度和颗粒的粒度的浓度和颗粒的粒度，这又这又集中体现在煤浆的黏度上，集中体现在煤浆的黏度上，为降低黏度可采用加入添加为降低黏度可采用加入添加剂的方法以降低黏度
12、。剂的方法以降低黏度。三、煤浆的制备和输送三、煤浆的制备和输送四、德士古气化工艺流程四、德士古气化工艺流程气化炉是气化过程的核心，而喷嘴又是气化炉的关气化炉是气化过程的核心，而喷嘴又是气化炉的关键设备。键设备。合格的合格的水水煤浆在进煤浆在进入入气化炉时，首先要被喷嘴雾化气化炉时，首先要被喷嘴雾化，使煤粒均匀地分散在气化剂中，从而保证高的气化，使煤粒均匀地分散在气化剂中，从而保证高的气化效率。良好的喷嘴设计可以保证煤浆和氧气的均匀混效率。良好的喷嘴设计可以保证煤浆和氧气的均匀混台。台。满足实际生产要求的喷嘴满足实际生产要求的喷嘴，应该具有以较应该具有以较少少的雾化的雾化剂和较少的能量达到较好雾
13、化效果的能力，而且结构剂和较少的能量达到较好雾化效果的能力，而且结构要简单，加工要方便使用寿命长等性能。要简单，加工要方便使用寿命长等性能。国外使用的喷嘴结构多用三套管式，中心管导入国外使用的喷嘴结构多用三套管式，中心管导入15的氧气，内环隙导入煤浆，外环隙导人的氧气，内环隙导入煤浆，外环隙导人85%的氧气的氧气，并根据煤浆的性质可调节两股氧气的比例，以促使，并根据煤浆的性质可调节两股氧气的比例，以促使氧气和碳的反应。氧气和碳的反应。气化炉内进行的反应主要有：气化炉内进行的反应主要有：C+OC+O2 2 COCO2 2 -394.1 kJ -394.1 kJmolmolC+COC+CO2 2
14、2CO +173 2CO +1733kJ3kJmotmotC+2HC+2H2 2 CH CH4 4 -84.3kJ -84.3kJmolmolCO+HCO+H2 20 H0 H2 2+C0+C02 2 -38.4kJ -38.4kJmolmolCO+3HCO+3H2 2 CH CH4 4+H+H2 20 -2190 -2193kJ3kJmolmol还进行以下反应；还进行以下反应；C Cm mH Hn n (m-1)C+CH (m-1)C+CH4 4+0.5(n+0.5(n一一4)H4)H2 2C Cm mH Hn n+(m+0.25n)0+(m+0.25n)02 2 mCO mCO2 2+0.
15、5nH+0.5nH2 2O O当煤浆进入气化炉被雾化后，部分煤燃烧而使气化炉温当煤浆进入气化炉被雾化后，部分煤燃烧而使气化炉温度很快达到度很快达到13001300以上的高温，由于高温气化在很高的速以上的高温，由于高温气化在很高的速度下进行度下进行，平均停留时间仅几秒钟平均停留时间仅几秒钟，高级烃完全分解，甲高级烃完全分解，甲烷的含量也很低，不会产生焦油类物质。由于温度在灰熔烷的含量也很低，不会产生焦油类物质。由于温度在灰熔点以上，灰分熔融并呈微细熔滴被气流夹带出，离开气化点以上，灰分熔融并呈微细熔滴被气流夹带出，离开气化炉的粗煤气可用各种方法处理炉的粗煤气可用各种方法处理。水煤浆水煤浆浓度浓度
16、 粉煤的粉煤的粒度粒度 氧煤比氧煤比气化气化压力压力 煤种煤种五、德士古气化工艺条件和气化指标五、德士古气化工艺条件和气化指标所谓水煤浆的浓度是指煤浆中煤所谓水煤浆的浓度是指煤浆中煤的质量分数，该浓度与煤炭的质量的质量分数，该浓度与煤炭的质量、制浆的技术密切相关。、制浆的技术密切相关。需要说明的是，水煤浆中的水分需要说明的是，水煤浆中的水分含量是指全水分，包括煤的内在水含量是指全水分，包括煤的内在水分。通常使用的煤也并不是完全干分。通常使用的煤也并不是完全干的，一般含有的，一般含有5%8%甚至更多的甚至更多的水分在内。水分在内。水煤浆浓度对气化过程的影响基水煤浆浓度对气化过程的影响基本表现在几
17、个方面。一般地，随着本表现在几个方面。一般地，随着水煤浆浓度的提高，煤气中的有效水煤浆浓度的提高，煤气中的有效成分增加，气化效率提高，氧气的成分增加，气化效率提高，氧气的消耗量下降，如图所示。消耗量下降，如图所示。水煤浆水煤浆浓度浓度 粉煤的粒度对炭的转化率有很大影响。较大的颗粒离开喷嘴粉煤的粒度对炭的转化率有很大影响。较大的颗粒离开喷嘴后，在反应区的停留时间比小颗粒的停留时间短，而且，颗粒后，在反应区的停留时间比小颗粒的停留时间短，而且，颗粒越大气固相的接触面积减小。这双重的影响结果是，使大颗粒越大气固相的接触面积减小。这双重的影响结果是，使大颗粒煤的转化率降低，导致灰渣中的含碳量增大。煤的
18、转化率降低，导致灰渣中的含碳量增大。结合上面关于水煤浆浓度和煤粉粒度的讨论，就单纯的气化结合上面关于水煤浆浓度和煤粉粒度的讨论，就单纯的气化过程而言，似乎过程而言，似乎水水煤浆的浓度越高、煤粉的粒度越小，越有利煤浆的浓度越高、煤粉的粒度越小，越有利于气化。于气化。但实际生产过程中，不得不考虑煤浆的泵送和煤浆在气化炉但实际生产过程中，不得不考虑煤浆的泵送和煤浆在气化炉中的雾化，而这两个生产环节又极大地受水煤浆黏度的限制。中的雾化，而这两个生产环节又极大地受水煤浆黏度的限制。煤的粒度越小，煤浆浓度越大，则煤浆的黏度越大。为了便于煤的粒度越小，煤浆浓度越大，则煤浆的黏度越大。为了便于使用使用，水煤浆
19、应具有较好的流动性，黏度不能太大，以利于泵水煤浆应具有较好的流动性，黏度不能太大，以利于泵送和雾化。送和雾化。粉煤的粉煤的粒度粒度 德士古法的收益明显受到煤浆浓度的影响。德士古法的收益明显受到煤浆浓度的影响。在工业规模的条件下，煤浆黏度是一限制因素。为在工业规模的条件下，煤浆黏度是一限制因素。为使煤使煤浆浆易于泵送和提高其浓度，工业上采用添加表面易于泵送和提高其浓度，工业上采用添加表面活性剂来降低其黏度。活性剂来降低其黏度。表面活性剂是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两表面活性剂是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两部分组成。在水煤浆中部分组成。在水煤浆中，表面活性剂的亲水基伸入水表面活性剂的亲水基
20、伸入水中，而疏水端却被煤粒的表面吸引，对煤粒起到很好中，而疏水端却被煤粒的表面吸引，对煤粒起到很好的分散作用。水煤浆用的表面活性剂多选择芳烃类中的分散作用。水煤浆用的表面活性剂多选择芳烃类中与煤结构相近的物质，这样可以在煤的表面更好地吸与煤结构相近的物质，这样可以在煤的表面更好地吸附。附。粉煤的粉煤的粒度粒度 氧煤比是德士古气化法的重要指标。在其他条件不变时，氧煤比决定了气化炉的操作温氧煤比是德士古气化法的重要指标。在其他条件不变时，氧煤比决定了气化炉的操作温度，如左图所示。同时氧煤比增大，碳的转化率也增大，如右图所示。度，如左图所示。同时氧煤比增大，碳的转化率也增大，如右图所示。虽然，氧气比
21、例增大可以提高气化温度，有利于碳的转化，降低灰渣含碳量。但氧气过虽然，氧气比例增大可以提高气化温度，有利于碳的转化，降低灰渣含碳量。但氧气过量会使二氧化碳的含量增加，从而造成煤气中的有效成分降低，气化效率下降。适当提量会使二氧化碳的含量增加，从而造成煤气中的有效成分降低，气化效率下降。适当提高氧气的消耗量，可以相应提高炉温，高氧气的消耗量，可以相应提高炉温， 降低生产成本，但提高炉温还要考降低生产成本，但提高炉温还要考虑耐火砖和喷嘴等的寿命。虑耐火砖和喷嘴等的寿命。氧煤比氧煤比 德士古工艺的气化压力最高可达德士古工艺的气化压力最高可达8.0MPa，通常根据煤气的最终用途，经过经济核算，通常根据
22、煤气的最终用途，经过经济核算，选择合适的气化压力。选择合适的气化压力。 提高气化压力，可以增加反应物的浓度，加提高气化压力，可以增加反应物的浓度，加快反应速度；同时由于煤粒在炉内的停留时快反应速度；同时由于煤粒在炉内的停留时间延长，碳的转化率提高。其结果是气化炉间延长，碳的转化率提高。其结果是气化炉的气化强度提高，后续工段压缩煤气的动力的气化强度提高，后续工段压缩煤气的动力消耗相应减少。消耗相应减少。气化压力气化压力 德士古气化的煤种范围较宽，一般情况下不适宜气化褐煤，由于褐煤的内在水分德士古气化的煤种范围较宽，一般情况下不适宜气化褐煤，由于褐煤的内在水分含量高，内孔表面大，吸水能力强，在成浆
23、时，煤粒上吸附的水量多。因此，相同含量高，内孔表面大，吸水能力强，在成浆时，煤粒上吸附的水量多。因此，相同的浓度下自由流动的水相对减少，煤浆的黏度大，成浆困难。的浓度下自由流动的水相对减少，煤浆的黏度大，成浆困难。灰分含量是影响气化的一个重要因素。德士古法是在煤的灰熔点以上的温度操作灰分含量是影响气化的一个重要因素。德士古法是在煤的灰熔点以上的温度操作，炉内灰分的熔融所需要的热量需燃烧部分煤来提供，因而煤灰分含量增大，炉内灰分的熔融所需要的热量需燃烧部分煤来提供，因而煤灰分含量增大，氧消氧消耗量会增大，同理煤的消耗量亦增大，如耗量会增大，同理煤的消耗量亦增大，如上上图所示。图所示。在选择煤种时，应选择活性好，灰熔点低在选择煤种时，应选择活性好，灰熔点低(小于小于1300)的煤。对于灰分含量，一的煤。对于灰分含量，一般应低于般应低于1015，否则需加，否则需加入入助熔剂助熔剂(CaO或或Fe203)，这又会增加运行成本，这又会增加运行成本，这一点特别不利于中国煤种的使用。这一点特别不利于中国煤种的使用。煤煤种种 煤炭气化工艺感谢收看感谢收看再见！再见！
