1、热动1201 张少豪煤气化研究背景我国是一个缺油少气煤炭资源相对丰富的国家，而煤气化技术则是现代煤化工的基础，煤气化是通过直接液化制取油品或在高温下气化制得合成气，再以合成气为原料制取甲醇、合成油、天然气等一级产品及以甲醇为原料制得乙烯、丙烯等二级化工产品的核心技术。目前国内外气化技术众多，自世纪中叶德国Siemen兄弟最早开发煤气发生炉至今，已有150余年历史!形成了固定床(移动床)、流化床和气流床三种技术工艺。各种技术都有其特点和特定的适用场合，它们的工业化应用程度及可靠性不同，选择与煤种及下游产品相适宜的煤气化工艺技术是煤化工产业发展中的重要决策。煤气化原理示意图气化的基本过程固体燃料的
2、气化过程是在气化炉（或称煤气发生炉）中进行的。气化炉由炉体、加料装置、炉栅（又称炉篦或炉条）、灰盘、气化剂入口和煤气出口等部分组成。固体燃料自上而下加入，在气化过程中逐步下移，变成炉渣后由下部导出，气化剂则由下部进入，通过炉栅自下而上，生成的煤气由燃料层上方引出，这样就形成了一个连续稳定的气化过程。灰层：分配气化剂、保护炉篦使其不受高温的影响，借灰渣显热预热气化剂氧化层：碳与气化剂中氧进行氧化反应，生成co2及co，放出热量，供还原层吸热反应所需热量还原层：co2还原成co，或水蒸气与碳分解为，所需热量为氧化层上来之热气体所带显热干馏层：燃料与热煤气换热进行热分解，析出干馏产物：水分、轻油、干
3、馏煤气干燥层：靠热煤气显热使原料煤得以干燥空气层：积聚所产煤气，沉降所携灰尘煤气化的化学反应(a)气相反应：2CO+O2 2CO2 2H2+O2 2H2O CH4+O2 2H2O+CO CO+H2O CO2+H2 CO+3H2 2H2O+CH4 CxHy(气态煤焦油)+（x+y/2）2O2 y/2H2O+xCO (b)气固反应：C+O2 CO2 2C+O2 2CO C+H2O CO+H2 C+CO2 2CO C+2H2CH4固定床气化技术工艺 定床气化技术也称移动床气化技术，是世界上最早开发和应用的气化技术。固定床一般以块煤或焦煤为原料，煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还
4、原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外，气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒（块）度（650mm）和均匀性。煤的机械强度、热稳定性、黏结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限制。大型固定床气化技术包括Lurgi气化技术、BGL气化技术和YM气化技术等。加压固定床气化技术是在常压固定床气化技术基础上发展起来的，主要解决常压固定床气化技术中气化强度低、单炉处理负荷小等缺点，最有代表性的是Lurgi加压气化炉。BGL气化技术是在Lurgi气化技术基础上发展起来的，该技术最大的改进是降低了蒸汽与氧
5、气的体积比，提高了气化反应区的温度，实现熔融态排渣，从而提高了生产能力，可更适合于灰熔点低的煤和对蒸汽反应活性较低的煤。气化过程计算 气化过程计算是发生炉制气工段工艺设计的基础。气化过程计算应确定：发生炉煤气组成、热值、产气率、蒸汽和空气耗率、其它副产品产率、气化效率、热效率等。发生炉煤气气化过程计算方法有两种：一是控制计算法；二是综合计算法。前者以实际测定的数据为计算依据，后者以一部分实测数据和一部分理论数据为计算依据。本文采用综合计算法。理想气化指标 燃料干馏过程的计算 煤中含碳量的平衡 煤气组成、热值和产率的确定 绘制物料平衡表 计算煤气发生炉的热平衡煤气产率/气化效率/热效率通过计算潞
6、安矿务局干煤气产率：3.38m3/kg湿煤气产率：3.58m3/kg气化效率：69.63%热效率：76.66%以上作为气化炉设计的基础参数 气化炉的设计 本设计选用常压固定床混合煤气发生炉。此炉型由上、中、下三部分组成。上部分包括加煤机、炉盖、探火孔等主要部件。中部包括炉体和蒸汽水套、碎渣圈等。下部包括炉篦、灰盘通风箱等。灰盘及通风箱均设有水封，以保证炉子的气密性，还起到防爆作用气化炉设计参数 设气化强度为850 Nm3/(m2h)炉膛内径为3000mm,则截面积A=9.78m2 炉膛净高为2200mm 煤气产量:8313 Nm3/h 耗煤量:3.58m3/kg 气化剂耗量:4644.13Nm
7、3/h 蒸汽消耗量:696.62 m3/kg炉墙及探火孔在进行耐火材料的选择时，主要考虑耐火度和绝热性能两项指标。由于整个装置内部温度都在1000左右，故要求向火面的耐火材料有较高的耐火度。炉内温度900，由此选择耐火材料为粘土耐火砖，保温材料为水泥珍珠岩制品探火孔是发生炉的重要部件之一，8个探火孔均匀分布在炉盖的圆周上。其作用是：通过探火孔对燃料表层进行观察；调整炉况及对燃料层进行深层调整；用钎子探测炉内各层温度及分布情况，用以指导操作。探火孔由塞子、外壳、及喷嘴组成。蒸汽发生系统 水套产生的蒸汽和热水由上升管上升到蒸汽集气器中，在其中进行汽水分离，分离水经给水管流回水套，以形成水的自然循环
8、。集气器分离出的蒸汽供气化用。水套由20号钢板制成，作用是内壳形成的水冷壁可防止熔渣块粘在炉壁上，并产生0.07兆帕的蒸汽，供气化使用。右图为设计的炉底水封结构示意图灰盘 灰盘与大蜗轮固定在一起，下部以其环形导轨坐落在环形基座的钢球上，灰盘转动时钢球在上、下槽形导轨内转动，以减小摩擦力。灰盘内壁表面突出的斜筋帮助大排灰刀排灰。固定不动的大排灰刀下端插入灰盘水中，灰盘转动时，灰渣沿灰刀的斜面被排出。灰盘与碎渣圈的相对尺寸对灰渣的排出、煤气的产量等有直接的影响。对于炉体与灰盘之间的间隙h要有足够尺寸，若尺寸不够大，会造成灰渣对水套磨损的加剧，本设计h取350mm。固定床气化炉炉篦的设计与计算 在固
9、定床气化炉制气过程中，氧化层中的燃料碳表面积只有在与充分均匀的气化剂接触的条件下才能发生燃烧化学反应，直至以上各层化学反应的进行也都与气化剂的分布是否均匀有着直接的关系。要使煤气发生炉中送入的气化剂在氧化层以下就形成一个流量均匀的速度场，炉篦气化剂的分配及风口的结构设计是一个关键。据流体力学原理，有以下特点：1.各支管中阻力损失都相等，等于总阻力降：2.所有支管中的流量和等于总流量：HHHHHN321总QQQQQN321炉篦风口设计计算 炉篦风口位置的确定 炉篦的分层，一般随炉直径大小而定，并考虑排灰方式以及稳压室所需要的结构空间等因素。理论上分层越多越利于气化剂的均匀分布。本设计分4层。(2
10、)稳压室的设计：要达到气化剂分布均匀，要使气化剂在稳压室内形成一均匀静压场，应考虑：气化剂进入稳压室是逐级扩压，以动压力的降低使静压力均匀平稳。气化剂在稳压室内，对应各层炉篦风口处的静压力必须相等。空间允许时，稳压室越大，静压力越稳定，越有利于气化剂均匀分布。(3)稳压室风口所需直径的计算部分：各层炉篦送气化剂开孔数目通过上述公式得到以下计算结果：第一层炉篦风口截面，需5个40；第二层炉篦风口截面，需5个40；第三层炉篦风口截面，需7个40；第四层炉篦风口截面，需65个40气化炉进出管径的确定（1）上升管管径水套顶部有8个蒸汽上升管，产生0.07MPa的蒸汽，产量大小与煤种及操作工艺有关，每个
11、上升管流量为250m3/s，得经济流速为30m/s（2）给水管管径生产蒸汽所消耗的软化水由集汽器经给水管补充，其流量为11.3，得经济流速0.4m/s总 结本文以潞安矿务局煤为原料，选择固定床气化炉作为本设计的气化炉。通过对干馏过程与气化过程的物料衡算和元素平衡计算，得到了抚顺煤气化的工艺参数如下：干煤气高热值：1486kcal/m3；干煤气产率：3.38m3kg；气化效率：69.63%；热效率：76.66%；气化强度：850Nm3/(m2h)；煤气产量8313Nm3/h：，空气消耗量为：4644.13Nm3/h，蒸汽耗量：696.62kg/h。在此基础上，根据炉子的工艺要求，完成了炉墙耐火材料的选择与计算、水夹套的计算、炉篦的设计计算以及化炉进出管径的确定。根据计算结果，自主设计了一台常压固定床气化炉。其结构参数如下：炉膛内径：3000mm；炉膛截面积：9.78m2；炉膛净高2200mm；气化剂进口管径500mm；煤气出口管径：1000mm，水套高度1300mm；水套受热面积：27.86m2；灰盘水封高度：950mm；炉底水封高度：835mm。
