现代煤化工生产技术气化车间培训教材三序言 德士古气化炉 德士古气化炉如今已有五十多年的历史，是美国德士古公司的专利技术，采用水煤浆加压气化工艺。目前国内大化肥装置较多采用德士古气化炉，并且世界范围内IGCC电站多采用德士古式气化炉。 德士古气化炉图片德士古气化炉图片德士古气化炉烧嘴照片 第一章 德士古水煤浆气化技术原料：水煤浆气化剂：纯氧原理：在高温高压的条件下，进行气化反响，制得以H2+CO为主要成分的粗合成气。第一节 德士古气化主要技术优势1、原料范围宽，除可气化从褐煤到无烟煤的大局部煤种外，还可气化石油焦、煤液化残焦、半焦、沥青等原料，后来又开发了气化可燃垃圾、可燃废料如废轮胎的技术。2、与干粉煤进料相比，更平安和容易控制。3、工艺技术成熟，流程简单，设备布置紧凑，运转率高；气化炉结构简单，炉内没有机械传动装置，操作性能好，可靠程度高。4、操作弹性大，碳转化率高，碳转化率一般可达95%-99%，负荷调整范围为50%-105%。5、粗煤气质量好，用途广。由于气化温度高，粗煤气中有效成分CO+H2可达80%左右，除含有少量甲烷外不含其他烃类、酚类和焦油等物质，后续净化工艺简单。产生的粗煤气可用于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋酐及其他相关化学品，也可用于供给城市煤气和联合循环发电IGCC装置。6、可供选择的气化压力范围宽。气化压力可根据工艺需要进行选择，目前商业化装置的操作压力等级在，为满足多种下游工艺气体压力的需求提供了根底。7、单台气化炉的投煤量选择范围大，根据气化压力等级及炉径的不同，单炉投煤量一般在4001000t/d(干煤)左右。8、气化过程污染少，环保性能好。高温高压气化产生的废水所含有害物质极少，少量废水经简单生化处理后可直接排放；排出的粗、细渣既可作水泥掺料或建筑材料的原料，也可深埋于地下，对环境没有其他污染第二节 德士古煤气化突出问题1、炉内耐火砖寿命短，更换耐火砖费用大，增加了生产运行本钱。2、喷嘴使用周期短，一般在60-90d就需要更换的修复，停炉更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行有影响，一般需要备用炉，增加投资建设。3、考虑到喷嘴的雾化性能及气化反响过程对炉砖的损坏，气化炉不宜长时间在低负荷下运行，经济负荷应在70%以上。4、水煤浆含水量高，使冷煤气效率和煤气中的有效成分偏低，氧耗、煤耗均比干法气流床高5、对管道及设备的材料选择要求严格，一次性工程投资高。6、气化炉炉膛热电偶寿命短，有的只有一周左右，短的甚至刚开车即损坏，无法长期准确指示炉内温度，仅能用于指导开车。第三节 德士古水煤浆气化的根本原理化学反响：1、氧气充分燃烧时的完全燃烧反响：CmHnO+【m-1/2+n/4】O2 =mCO2+n/2H2O+QCO+1/2O2 =CO2+Q C+O=CO2+QH2+1/2O2=CO2+Q氧气缺乏时的局部氧化反响：CmHnO+m-1/2O2 =mCO+n/2H2+QC+1/2O2 =CO+Q 2、煤的热解反响：CmHnO =低链烃类气态+焦炭3、转化反响：CmHnO+m-1H2O=mCO+ m-1 +n/2H2-QCmHnO+2m-1H2O=mCO2+ 2m-1 +n/2H2-QCmHnO+m-1CO2=(2m-1)CO+n/2H2-Q4、甲烷转化：CH4+2H20=CO2+4H2-QCH4+H20=CO+3H2-QCH4+CO2=2CO+2H2-Q5、碳气化：C+H2O=CO+H2-QC+CO2=2CO-Q6、变换反响：CO+H2O=CO2+H2+Q7、氨生成反响：3H2+N2=2NH3+Q8、硫化氢生成反响：H2+S=H2S+Q9、COS生成反响：H2S+CO=H2+COS10、甲酸生成反响：CO+H2O=HCOOH 经过上述反响最终生成了以CO、H2、为主要成分，以CH4、CO2为次要成分，以H2S、COS、HCOOH、HCN等为微量有害成分的产品气体。第五节德士古水煤浆气化工艺条件1、煤浆浓度2、气化温度和气化压力3、气化时间4、氧碳比5、对煤种的要求1总水分2挥发份及固定碳3煤的灰份4煤的灰熔点5发热量6元素分析煤浆浓度 煤浆浓度是德士古气化法独特的控制指标，这也是一个极为重要的工艺参数 煤粒度越小，煤浆浓度越高，黏度愈大。碳转化率或气化效率愈高，但是也会引起煤浆黏度剧增，给气化炉加料带来困难，因此不同的煤种都有一个最正确的粒度和浓度。需预先进行试验选择。气化温度和气化压力 气化温度对于气化过程的影响是很显著的。为了提高气化温度和气化效率，缩短反响时间，与其他气流床气化方法一样，德士古炉的气化温度比较高，并且采取液态排渣。故操作温度必须大于煤的灰熔点，考虑到炉壁耐火材料的耐高温性和使用寿命，一般控制在1000-1350，当煤的灰熔点高于此温度时，需加助溶剂。 气化炉的生产能力与压力的开方成正比，升高压力，有利于提高气化炉的单炉生产能力，一般在10MPa以下。炉内气化压力上下确实定还取决于产品煤气的用途。生成合成氨一般为，如用于合成甲醇那么为6-7MPa为宜，这样后面的工序不需再增压。气化时间 固体的气化速率要比油气化慢的多，因此，煤气化所需时间比油气化长，为油气化的倍，煤浆在德士古炉内的气化时间一般为3-10s之间，它取决于煤的颗粒度、活性以及气化温度和压力。氧碳比 氧碳比是指气化过程中氧耗量与煤中碳消耗量的比值。它与煤的性质、煤浆浓度、煤浆粒度分布有关，其值一般在之间，显然，氧碳比愈高氧消耗量就愈大，这将影响经济指标。对煤种的要求1总水分 总水：包括外在水分和内在水分 外在水分是煤粒外表附着的水分，来源于人为喷洒和露天放置中的雨水，通过自然风干即可失去。外在水分对德士古煤气化没有影响，但如果波动太大对煤浆浓度有一定影响，而且会增加运输本钱，应尽量降低。 内在水分是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤中，煤的内在水分高同样会增加运输费用，但更重要的是内在水分是影响成浆性能的关键因素。内在水分越高成浆性能越差，制备的煤浆浓度越低，对气化时的有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利对煤种的要求2、挥发份及固定碳 煤化程度增加，那么可挥发物减少，固定碳增加。固定碳与可挥发份之比称为燃料比，当煤化程度增加时，它也显著增加，因而成为显示煤炭分类及特性的一个参数。 煤中的挥发份高，有利于煤的气化和碳转化率的提高，但是挥发份太高的煤种容易自燃，给储煤带来一定麻烦。对煤种的要求3煤的灰份 灰份虽然不直接参与气化反响，但却要消耗煤在氧化反响中所产生的反响热，用于灰份的升温、熔化及转化。灰份含有率越高，煤的总发热量就越低，浆化特性也较差。根据资料显示，同样反响条件下，灰份含量每增加1%，氧耗约增加0.7%-0.8%，煤耗约增加1.3%-1.5%。对煤种的要求4煤的灰熔点、灰渣黏温特性及助熔剂 1、煤灰的熔融性习惯上用4个温度来衡量，即煤灰的初始变形温度T1，软化温度T2，半球温度T3，和流动温度T4，煤的灰熔点一般是指流动温度，它的上下与灰的化学组成密切相关。 SiO2、Al2O3、CaO、和Fe2O3组分约占灰份组成的90%-95%，它们的含量相对变化对灰熔点影响极大，一般认为，灰份中Fe2O3、 CaO、MgO的含量越多，灰熔点越低； SiO2、Al2O3含量越高，灰熔点越高。 对煤种的要求2、灰渣黏温特性是指熔融灰渣的黏度与温度的关系，熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤种确定，它只与实际操作温度有关，熔渣在气化内主要受自身的重力作用向下流动，同时流动的气流也向其施加一局部作用力，熔渣的流动特性可能是牛顿流体，也可能是非牛顿流体，这主要取决于煤种和操作温度的上下。为了顺畅排渣，专家认为熔渣行为处在牛顿流体范围内操作比较适宜，一旦进入非牛顿流体范围区，气化炉内容易结渣。 水煤浆气化采用液态排渣，操作温度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣黏度太低，炉砖侵蚀剥落较快，液态排渣炉气化最正确操作温度以灰渣的黏温特性而定，一般推荐高于煤灰熔点30-50。对煤种的要求3、助熔剂 由于材料耐热能力的限制，如果灰熔点高于1400的煤还要采用熔渣炉气化，建议使用助熔剂，以降低煤的灰熔点。根据煤质中矿物质对灰熔点影响的有关研究说明，添加适当助熔剂降低酸碱比，可有效降低灰熔点。 一般选用氧化钙或氧化铁作为助熔剂。因为它们是煤的常规矿物组成，几乎对系统没有什么影响，流动性与一般的水煤浆相同，参加后又能有效改变熔渣的矿物组成，降低灰熔点和黏度。参加量视灰渣成分不同及向火面耐火材料的构成合理选择。 在选择煤种时，宜选择灰熔点较低的煤种，这可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命，同时可以降低氧耗、煤耗和助熔剂消耗。对煤种的要求5、发热量 是煤的主要性能指标之一，其值与煤的可燃组分有关，热值越高每千克煤产有效气量就越大，要产相同数量的有效气体煤耗量就越低。6、元素分析 煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其中的主要元素。煤中的含碳量随煤化程度增加而增加，氢和氧含量随煤化程度加深而减少，氮在煤中的含量变化不大，硫那么随成煤植物的品种和成煤条件的不同而有较大的变化，与煤化程度无关。 气化用煤希望有效元素碳和氢的含量越高越好，其他元素含量越低越好。 1氧含量。一般在10%左右，对气化过程没有副作用。 对煤种的要求2硫含量。 大局部生成硫化氢和硫氧化碳，其中硫化氢会对设备和管道产生腐蚀。已有用户使用过含硫量达5%的煤种，发现对气化装置影响不大。煤中含硫量的多少对后续的酸性气体脱除和硫回收装置影响也较大，因此要求煤中的可燃硫含量要相对稳定，以便选择正确的脱硫方法。3氮含量。 煤中的氮含量决定着煤气中氨含量和冷凝液的PH值。冷凝液中氨含量高，PH值高，可减轻腐蚀作用。但生成过多的氨，在低温下会与二氧化碳反响而形成堵塞。引起故障，同时PH值升高，极易引起碳酸钙结垢，因此应正确考虑氮含量的影响，以利用于合理选择设备材质、平衡系统水量。对煤种的要求4砷含量 煤中砷含量在范围。随煤种变化差异很大。虽然煤中砷含量不高，但砷可以以挥发态单质转化到粗煤气中，进入变换催化剂床层后与活性组分Co、Mo形成比较稳定的化合物，使催化剂失去活性，造成不可恢复的慢性中毒。 研究说明当变换催化剂中砷含量到达0.06%时，其反响活性即开始下降，到达0.1%时根本失去全部反响活性。因此煤中的砷含量越低越好。5氯含量 气化反响后氯有一局部随固体渣排出装置，另一局部溶滞于工艺循环水中，当氯含量过高时会对设备和管道造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，工艺运行中应予以适当控制。对煤种的要求6可磨指数 哈氏可磨指数表示煤的可磨性，是指煤样与美国一种粉碎性为100的标准煤进行比较而得到的相对粉碎性数值，指数越高越容易粉碎。煤的可磨指数决定于煤的岩相组成、矿质含量、矿质分布及煤的变质程度。易于破碎的煤容易制成浆，节省磨机功耗，一般要求煤中的哈氏可磨指数在50-60以上。7煤的化学活性 煤的化学活性指煤在一定温度下与二氧化碳、水蒸汽或氧反响的能力。我国采用二氧化碳介质与煤进行反响，测定二氧化碳被复原成一氧化碳的能力，复原率越高，活性越大，煤的反响活性越强，它与煤的炭化程度、灰份组成、粒度大小以及反响温度等因素有关。反响活性高，有利于气体质量、产气率和碳转化率的提高。第六节德士古水煤浆气化工艺流程1、激冷流程 激冷流程指出气化炉燃烧室的高温热气流和熔渣经激冷环被水激冷后，沿下降管导入激冷室进行水浴，熔渣迅速固化，粗煤气被水饱和，出气化炉的煤气，经炭黑洗涤塔除掉夹带的粉尘后，制得洁净的粗煤气。 2、激冷流程特点： 气化炉的燃烧室和激冷室连为一体，设备结构紧凑，粗煤气和熔渣所携带的显热直接被激冷水汽化所回收，同时熔渣被固化别离。具有配置简单，便于操作管理，粗煤气中的水蒸汽量能满足变换工段要求的特点。适合于生产合成氨和制造纯氢的生产，如用于生产城市煤气，需要进行局部变换及甲烷化，以减少一氧化碳含量并提高煤气热值。 水煤浆加压气化的工艺流程，按燃烧室排出的高温气体和熔渣的冷却方式的不同，分为激冷流程和废热锅炉流程。激冷流程煤及石灰石水及添加剂煤浆槽磨煤机M煤浆泵渣池锁渣罐气化炉补充水细渣废水激冷水泵洗涤塔洗涤水粗煤气氧气粗渣灰水处理废热锅炉流程 废热锅炉流程指气化炉燃烧室排出的高温热气流和熔渣，经过紧连其下的辐射废热锅炉间接换热副产高压蒸汽，高温粗煤气被冷却，熔渣凝固，绝大局部灰渣95%留在辐射废热锅炉的底部水浴中。含有少量飞灰的粗煤气，经对流废热锅炉进一步冷却回收热量，然后用水洗涤，除去剩余的飞灰，制得洁净的煤气 废热锅炉流程将粗煤气和熔渣所携带的高位热能得以充分回收，而且粗煤气中所含水蒸汽极少，特别适合于后面不需要变换或只需局部变换的场合。由废热锅炉副产的高压蒸汽既可以用来驱动透平电机，也可以并入蒸汽管网用作他用。 废热锅炉流程比激冷流程具有更高的热效率，但由于增加了结构庞大而复杂的废热锅炉，流程长、一次性投资高。 其流程如以下图：德士古气化废热锅炉流程示意粗煤气渣池锁渣罐粗渣细渣废水激冷水泵洗涤塔洗涤水灰水处理补充水煤及石灰石水及添加剂煤浆槽磨煤机M煤浆泵气化炉氧气辐射锅炉锅炉给水对流锅炉蒸汽第七节德士古煤气化流程简介 原煤经湿磨制浆后成为63wt左右的水煤浆，经过高压煤浆泵送入工艺烧嘴，同时来自空分的氧气纯氧98以上也进入工艺烧嘴，在三流式中心为氧气，其次为煤浆，最外又为氧气工艺烧嘴内混合后经喷嘴喷入气化炉。在1380左右的高温下发生局部氧化反响产生煤气。煤气中的无机物在高温下迅速被熔化产生熔渣，与反响生成的粗煤气并流渣口和下降管进入到激冷室，下降管的底部插入激冷室液面以下。来自洗涤塔循环泵的激冷水通过激冷环均匀分布使下降管壁上形成一层水膜，激冷水与水煤气、熔渣并进入激冷室液相，经初步洗涤的煤气出下降管沿上升管进入激冷室上部的别离空间，气、水别离后出激冷室流程简介 水煤气经文丘里时与高压灰水泵来的灰水直接接触形成雾化，在文丘里内气体进一步增湿，增湿后的水煤气进入洗涤塔塔板上液层，然后沿升气管出来经转向帽进入洗涤塔的中局部离空间，别离后的气体进入两块冲击式洗涤塔板。每层板上有带盖板的冲击孔，洗涤塔上塔板的液体经溢流堰通过降液管送入下层塔板。气体首先由下塔板冲击孔进入，经盖板转向折流与塔板上的液层接触，气体中夹带的微粒进一步沉降于液相中。洗涤后的合成气离开塔板进入塔顶部的旋流除雾器，经高效离心别离掉雾沫夹带的液滴后离开洗涤塔，送至下游工序。灰渣经锁斗收集，定期排出系统。黑水经闪蒸回收热量，再次沉降处理后返回系统继续使用。第八节 德士古水煤浆气化主要设备1、喷嘴 水煤浆气化一般采用三流式喷嘴，中心管和外环隙走氧气，中层环隙走煤浆。设置中心管氧气的目的是为了保证煤浆和氧气充分混合，中心氧量一般占总量的10%-25%。 烧嘴头部最外侧为水冷夹套，冷却水入口直抵夹套，再经缠绕在烧嘴头部的数圈排管后引出。 烧嘴必须具备的特点：1要有良好的雾化及混合效果，以获得较高的碳转化率；2要有良好的喷射角度和火焰长度，以防损坏耐火砖；3要具有一定的操作弹性，以满足气化炉负荷变化的需要；4要具有较长的使用寿命，以保证气化运行的连续性。2、气化炉 德士古激冷式气化炉燃烧室和激冷室外壳是连成一体的。上部燃烧室为一带拱形顶部和锥形下部的中空圆形筒体，顶部烧嘴口供设置工艺烧嘴用，下部为合成气和熔渣出口，去下面的激冷室。激冷室内有和燃烧室连为一体的下降管，下降管的顶部设有激冷环，喷出的水沿下降管流下形成一下降水膜，这层水膜可防止由燃烧室来的高温气体中夹带的熔融渣粒附着在下降管壁上。激冷室内保持相当高的液位。夹带着大量熔融渣粒的高温气体通过下降管直接与水溶液接触，气体得到冷却，并为水汽所饱和。熔融渣粒淬冷成固态渣，从气体中别离出来，被收集在激冷室下部，由锁斗定期排出。饱和了水蒸气的气体沿下降管和激冷室内壁的环形空间上升到激冷室上部，经挡板除沫后，由侧面气体出口管去洗涤塔，进一步冷却除尘。气体中夹带的渣粒约有95%从锁斗排出。气化炉的结构特点：1反响区仅为一空间，无任何机械局部。只要反响物中氧的配比得当，反响瞬间即可获得合格产品。这是并流气化法的特点，也是优点。正因为如此，在反响区留存的反响物料最少。2由于反响温度甚高，炉内设有耐火衬里。3为了调节控制反响物料的配比，在燃烧室的中下部设有测量炉内温度用的高温热电偶四支。4为了及时掌握炉内衬里的损坏情况，在炉壳外外表装设有外表测温系统。这种测温系统将包括拱顶在内的整个燃烧室外外表分成假设干个测温区。通过每一小块面积上的温度测量，可以迅速地指出在炉壁外外表上出现的任何一个热点温度，从而可预示炉内衬侵蚀情况。5激冷室外壳内壁采用堆焊高级不锈钢的方法来解决腐蚀问题。 气化炉气化效果的好坏取决于燃烧室形状及其与工艺烧嘴结构之间的匹配。而气化炉的寿命那么与炉内所衬耐火材料的材质和结构形式的选择有关。第九节德士古、SHell、BGL、鲁奇煤气化技术参数比照德士古、SHell、鲁奇煤气化气体组成比照第十节 评述1、TCGP是具有代表性的第二代煤气化工艺，经过各国的逐步完善，其技术趋于成熟，比较容易与后续化工装置结合。2、我国引进TCGP技术不仅提高了我国煤气化的技术水平，也带动了相关技术的研究和开发，如工艺烧嘴、耐火材料、相关仪表、阀门等在国内均有制造商可以生产，并有较好的业绩。3、TCGP也存在着一些突出问题，主要是烧嘴和耐火砖的问题。假设这些问题得以解决，并且大量采用国产设备，TCGP工艺在我国将会成为节能、低耗、低投入的主流煤气化技术之一。4、目前对TCGP气化炉的烧嘴或耐火砖的研究主要是硬件方面的研究，没有从机理方面出发。建议硬件研究人员与软件研究人员结合,如采用Fluent和CFX流体流动软件，从燃烧、转热，来研究通道和炉内气流分布的设计是否合理，找到容易烧坏和冲刷坏的原因。用这种方法来研究烧嘴和耐火砖，可以设计合理的流道分布，对于提高烧嘴和耐火砖的寿命可能会有帮助。5、有研究说明，高灰熔点煤与低灰熔点煤种混配，可减低入炉煤的灰熔点，保证气流床熔融排渣气化工艺稳定运行。