气化工艺

气化工艺

一、煤气化的基本原理

1、气化过程一般包括干燥、热解、气化及燃烧4个阶段

煤气化过程中的基本化学反应

序号反应方程式⊿H(298K,0.1MPa)/kJ.mol-1备注

1 C+O2=CO2-393.5 碳完全燃烧

2 C+1/2O2=CO -110.5 碳不完全燃烧

3 C+H2O=CO+H2131.3 水蒸气气化

4 C+CO2=2CO 172.

5 Boudouard反应

5 C+2H2=CH4-74.4 碳加氢气化

6 H2+1/2O2=H2O -241.8 氢气燃烧

7 CO+1/2O2=CO2-283 一氧化碳燃烧

8 CO+H2O=CO2+H2-41.2 水煤气变换

9 CO+3H2=CH4+H2O -205.7 甲烷化反应

10 CHxOy=(1-y)C+yCO+x/2H217 煤热解

11 CHxOy=(1-y-x/8)C+yCO+x/4H2+x/8CH48 煤热解

此外，煤中的氮和硫也会与气化剂中的氧气和水蒸气以及反应产物之间发生一些化学反应

序号反应方程式序号反应方程式

1 S+O2=SO

2 6 CO+S=COS

2 SO2+3H2=H2S+2H2O 7 N2+3H2=2NH3

3 SO2+2CO=S+2CO28 2N2+2H2O+4CO=4HCN+3O2

4 SO2+2H2S=3S+2H2O 9 N2+xO2=2NOx

5 C+2S=CS2

重点的几个主要气化反应

1）碳与水蒸气的反应

高温下，碳与水蒸气的反应（即水蒸气气化反应主要为：

C+H2O=CO+H2—Q1 (1)

C+2H2O=CO2+H2—Q2 (2)

这两个反应都是强吸热反应。提高温度有利于（1）的反应，有利于提高CO的含量和降低CO2的含量。

2）碳与二氧化碳的反应

碳与二氧化碳的反应（即二氧化碳的还原反应）也是强的吸热反应，反应所需吸收的热量更多，表明温度的影响更为强烈

C+CO2=2CO —Q.3

3）碳的加氢反应

碳加氢直接合成甲烷（即加氢气化反应）实枪的放热反应。甲烷的平衡含量随温度的升高而降低。

C+2H2=CH4 +Q4

4）甲烷化反应

CO+3H2=CH4+H2O

CO2+4H2=CH4+2H2O

2C+2H2O=CH4+CO2

5）一氧化碳变换反应

在煤气化过程中，出气化炉的煤气组成由CO+H2O（气）=CO2+H2O反应控制。该反应称为水煤气变换反应。

煤气过程的评价指标

1）煤气的组成和热值

煤气中的CO、H2、CH4及CmHn等为有效成分；热值分高位热值和低位热值。

2）煤气产率

直单位质量的原料煤经气化后所产煤气的体积。

3）灰渣含碳量

4）气化效率

亦称冷煤气效率，是指产品煤气与原料煤所含的化学能量之比。

η气化（%）=（产品煤气低位热值×煤气产率/原料煤地位发热量）×100

气化效率反映了原料煤中有机质的有效利用程度。

5）气化过程热效率

η气化（%）=[（所有产品所含热量+回收利用热量）/供给总热量] ×100

此时的热量均包括显热，供给气化过程的总热量包括原料煤与气化及所含热量之和。气化过程热效率反映了气化过程中热量的有效利用程度。

值得注意的是，这里所讲的气化效率和气化过程热效率均是仅针对从原料煤到产品煤气的气化过程单元而言，尚未反映出整个气化过程的能量转换效率，即气化过程的总效率。

6）气化强度

之气化炉内单位横截面积上的生产强度。其表达方式有

（1）以消耗的原料煤量表示kg/（m2·h）

（2）以生产的煤气量表示m3（标态）/（m2·h）

（3）以生产煤气所含的热量表示 MJ/（m2·h）

气化炉的生产能力等于气化炉内横截面积与气化强度的乘积。

二、Shell气化工艺

该工艺以干粉煤为气化原料，属于气流床加压气化技术

1、气流床气化原理

气流床气化是在固体燃料气化中，气化剂（蒸气与氧气）将煤粉夹带入气化炉进行并行气化，微小的煤粉颗粒在火焰中经部分氧化而进行气化反应。煤粉与气化剂均匀混合，通过特殊的喷嘴进入反应室，瞬间着火，直接发生火焰反应，温度高达1400—1600℃以上。煤粉和气化即在火焰中作并流流动，可以认为放热反应与吸热反应是同时进行的，因此在火焰端部（即煤气离开气化炉之前）碳几乎全部耗尽。干馏产品在高温下迅速分解，转化为均相水煤气反应的组分，因而生成的煤气中只含有很少量的CH4。

在气流床气化炉中，如果煤粉进行完全燃烧，则最终结果是生成CO2与H2O。化学反应式如下：

CmHn+（m+n/4）O2=mCO2+n/2H2O

C+O2=CO2

而当O2供给不足时，进行不完全燃烧（部分氧化）反应，结果是除了产生一部分CO2和H2O外，还产生一部分CO和H2。反应如下：

CmHn+m/2O2=mCO+n/2H2

C+1/2O2=CO

同时，煤粉中甚于的碳与CO2、水蒸气进行反应，生成以CO和H2为主的煤气。反应如下：

C+CO2=2CO

C+H2O=CO+H2

所以，在气流床气化所得的煤气中，含有CO、H2、CO2及H2O共4种主要组分，它们之间存在着水煤气变换反应的化学平衡关系：

CO+H2O=CO2+H2

在气化炉的高温条件下（1400℃以上），这一反应很快达平衡。因此，气流床气化炉出口的煤气组成相当于该温度下CO变换反应的平衡气体组成。

在气流床气化的高温条件下，干馏产物几乎全部转化为CO、CO2和H2，因此煤气中的CH4含量很低，最低可达0.02％，而不含焦油、酚等化合物。

原料煤中几乎所有的硫在气化过程中都转入煤气中，其中90％转化为H2S，10％转化为COS。

2、气流床气化的反应条件

气流床气化工艺实际上是煤粉的部分氧化过程。在煤粉气化反应中，最重要的影响因素是氧/煤、气化温度和碳的转化速率，而气化温度又取决于煤灰的特性。

（1）气化温度。碳与水蒸气的转化反应是可逆的吸热反应，提高气化温度可以提高反应的平衡转化率，从而提高CO与H2的平衡浓度。另外，从动力学角度分析，提高温度有利于加快反应速率。气化炉内的温度并不是一个独立的条件，通常用改变氧/煤或水蒸气/煤的方法来调节气化温度。

（2）氧/煤。它是最重要的气化条件，而氧耗又是主要的经济指标。煤粉部分氧化生产煤气的理想化学反应方程式为

CmHn+m/2O2＝mCO+n/2H2+热量

所以，O/C不应超过1。否则，一部分碳就变为CO2（完全氧化）。但是，实际上煤粉在火焰中反应是，大量的CO和H2是由下列反应产生：

C+CO2＝2CO

C+H2O＝CO+H2

而这两个反应比燃烧反应慢得多，所需的反应时间为燃烧反应时间的数百倍。因此，按照理论两攻入氧气，必然有一部分煤粉进行完全燃烧而生成CO2和H2O。当向气化剂中加入水蒸气后，可以提高上述气化反应的速率，并且上述两个气化反应的结果也产生了CO和H2。也就是说，水蒸气中的氧原子代替了一部分氧气从而使氧耗降低。这样，由蒸气带入的氧原子数应计算在O/C比值内。所以，实际的O/C值大于1，但氧气的用量可以小于理论用量。氧/煤对气化过程同时存在着两方面的影响：一方面，氧/煤的提高使燃烧反应放出的热量增加，提高了气化反应温度有利于CO2还原和水蒸气分解反应的进行，从而增加煤气中的有效成分（CO和H2），并提高了碳的转化率；另一方面，燃烧反应有直接生成了CO2和水蒸气，增加了煤气中的无用成分。因此，在其他条件一定是，有一个最适宜的氧/煤，以得到最好的气化。结果

（3）蒸气/煤。在气化剂中加入适量蒸气能增加煤气中的H2含量，降低氧耗，并使炉温不致过高，但加蒸气后降低了气化温度，不利于CO2的还原和水蒸气的分解反应。所以，蒸汽/煤会影响产品煤气中H2与CO的含量。但是对气化过程中碳的转化率影响较小。

（4）气化压力。提高气化压力能使反应物及生成物浓度增加，从而提高气化反应速率，也使CH4平衡浓度显著增加。