流化床气化炉

U-gas气流床技术

U-GAS气化炉

U-GAS气化炉工艺特点（1）灰分熔聚及分离气化工艺U-GAS气化炉属流化床气化。其主要特点是流化床中灰渣与半焦的选择分离，即煤中的碳被气化，同时灰被熔聚成球形颗粒，并从床层中分离出来。U-GAS气化炉工艺流程气化所形成的含灰较多的颗粒表面熔化和团聚成球形颗粒，并从床层中分离出来。灰粒的表面熔化或熔聚成球是一个复杂的物理．化学过程。为使在气化过程中实现灰的熔聚和分离，气化炉排渣是通过炉子底部文丘里管，依靠文丘里气速控制排灰塞。气化炉中灰熔聚区域的几何形状、结构尺寸及相应晶操作条件都起着重要的作用。它包括：文丘利管(颈部)内的气速、流经文丘利管和流经炉箅的氧气量与水蒸气量的比例，烙聚区的温度以及带出细粉的循环量等因素。 a.文丘里管内的气流速度文丘里管内的气速及气化剂中的汽氧比极为重要，它直接关系到床层高温区的形成。文丘里管颈部的气速控制着灰球在床层中的停留时间，相应地决定了灰球中的含碳量。当灰球中的含碳量在允许范围以内时，停留时间越短越好，以免由于停留时间过长，床层中灰含量过高导致结渣现象的发生。 b.熔聚区的温度熔聚区的温度是灰团聚成球的最重要的影响因素，它是由煤和灰的性质所决定，必须控制在灰不熔化而又能团聚成球的程度。实验发现，此温度常比煤的灰熔点（T1）低100～200℃，与灰中铁的含量有关。有的理论认为，煤中灰分的团聚是依靠灰粒外部生成粘度适宜的一定量的液相将灰粒表面润湿，在灰粒相互接触时，由于表面张力的作用，灰粒发生重排、熔融、沉积以及灰粒中晶粒长大。而粘度适宜的一定数量的液相只有在合适的温度下才能产生。温度过低，灰粒外表面难以生成液相，或生成的液相量太少，灰分不能团聚；温度过高，灰分熔化粘结成渣块，破坏了灰球的正常排出。一般，通过文丘里管的气化剂的汽氧比比通过炉箅的气化剂的汽氧比低得多，这样才能形成灰熔聚所必需的高温区。气化炉操作温度控制在灰团聚温度，使灰渣表面软化，熔融成团排渣，故国内称灰团聚气化炉。 c.带出细粉的再循环 U-GAS气化工艺借助两个旋风分离器实现细粉循环并进一步气化，生成的细灰与床层中的熔聚灰一起形成灰球排出。由于细粉直接返回床层和熔聚区，在返回过程中细粉的冷却和热量损失，气化反应的吸热，使得细粉的循环量对灰熔区的温度有一定的影响。故要选择好细粉返回床层的适宜位置，加强返回系统的保温，使其对灰熔区温度的影响变得较小，达到既提高煤的利用率，又保证次熔聚成球的正常进行。（2）对煤种有较广泛的适应性

气化炉的原理

气化炉是一种将固体燃料转化为气体燃料的装置，也称为煤气化炉。气化炉的

工作原理是将固体燃料加热至高温状态下，通过控制氧气的供应量，使得固体燃料

部分氧化产生一氧化碳和氢气等可燃气体。这些可燃气体可以作为燃料直接燃烧，

也可以用于生产合成气、合成甲醇等化工产品。

在气化炉的操作过程中，固体燃料会经过干燥、热解、气化等多个阶段。首先，

固体燃料在气化炉中受热，发生干燥反应，将其中的水分蒸发出来。接着，固体

燃料在高温状态下进行热解反应，产生可燃气体和固体残渣。最后，在缺氧或低氧

气氛下，可燃气体继续进行气化反应，产生一氧化碳、二氧化碳、氢气等可燃气体。

气化炉有多种类型，如固定床气化炉、流化床气化炉、旋转床气化炉等。不同

类型的气化炉在操作原理、反应温度、反应时间、产物组成等方面存在差异。固定

床气化炉是气化炉的一种常见类型，其特点是固体燃料在气化过程中不动，气体

通过燃料床中的孔隙流动，燃烧产生的热量加热燃料。流化床气化炉则是将固体燃

料在气流中悬浮，燃料与气体充分接触，气化效率更高。

总之，气化炉的原理是通过高温状态下对固体燃料进行干燥、热解和气化等反

应，产生可燃气体，可用于直接燃烧、合成气或化工产品等多种用途。

气化炉的工艺流程

气化炉工艺流程

1. 原料准备

• 收集和预处理生物质原料（例如，木材、农作物残渣、垃圾），以去除杂质和调整水分含量。

2. 气化

• 在气化反应器（通常为固定床或流化床）中，将预处理后的原料与控制量的空气进行反应，在高温（800-1000°C）和缺氧条件下进行热解和氧化。

• 反应产生合成气，主要成分为一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）。

3. 气体净化

• 合成气中含有杂质（例如，灰分、焦油）、酸性气体和水分。

• 使用各种净化技术（例如，旋风分离器、洗涤器、氧化剂、活性炭吸附器）去除杂质，提高合成气质量。

4. 热利用

• 气化过程中产生的热量可以用于发电、供暖或其他工业用途。

• 热量可以通过热交换器或蒸汽发生器回收。

5. 灰分处理

• 气化过程中产生的灰分需要妥善处理和处置。

• 灰分可以用于建筑材料、农业或其他用途。

6. 废水处理

• 气化过程中产生的少量废水需要进行处理，以满足环境排放标准。

• 废水处理可能涉及沉淀、过滤和生物处理。

7. 过程控制和监测

• 气化炉的运行需要仔细控制和监测，以确保最佳性能、效率和环境合规性。

• 关键参数（例如，温度、氧气流量、合成气成分）由传感器和控制器持续监测。

各种气化炉型的比较

1. 常压固定床间歇式无烟煤（或焦炭）气化技术

目前我国氮肥产业主要采用的煤气化技术之一，其特点是采用常压固定床空气、蒸汽间歇制气，要求原料为准 25～75mm的块状无烟煤或焦炭，进厂原料利用率低，单耗高、操作繁杂、单炉发气量低、吹风放空气对大气污染严重，属于将逐步淘汰的工艺。

2. 常压固定床无烟煤（或焦炭）富氧连续气化技术

其特点是采用富氧为气化剂、连续气化、原料可采用?准 8～10mm粒度的无烟煤或焦炭，提高了进厂原料利用率，对大气无污染、设备维修工作量小、维修费用低，适合用于有无烟煤的地方，对已有常压固定层间歇式气化技术进行改进。

3. 鲁奇固定床煤加压气化技术

主要用于气化褐煤、不粘结性或弱粘结性的煤，要求原料煤热稳定性高、化学活性好、灰熔点高、机械强度高、不粘结性或弱粘结性，适用于生产城市煤气和燃料气。其产生的煤气中焦油、碳氢化合物含量约1%左右，甲烷含量约10%左右。焦油分离、含酚污水处理复杂，不推荐用以生产合成气。

4.灰熔聚煤气化技术

中国科学院山西煤炭化学研究所技术。其特点是煤种适应性宽，属流化床气化炉，煤灰不发生熔融，而只是使灰渣熔聚成球状或块状灰渣排出。可以气化褐煤、低化学活性的烟煤和无烟煤、石油焦，投资比较少，生产成本低。缺点是操作压力偏低，对环境污染及飞灰堆存和综合利用问题有待进一步解决。此技术适合于中小型氮肥厂利用就地或就近的煤炭资源改变原料路线。

5.恩德粉煤气化技术

属于改进后的温克勒沸腾床煤气化炉，适用于气化褐煤和长焰煤，要求原料煤不粘结或弱粘结性，灰分<25%～30%，灰熔点高、低温化学活性好。在国内已建和在建的装置共有13套22台气化炉，已投产的有16台。属流化床气化炉，床层中部温度1000～1050℃。目前最大的气化炉产气量为4万m3/h半水煤气。缺点是气化压力为常压，单炉气化能力低，产品气中CH4含量高达1.5%～2.0%，飞灰量大、对环境污染及飞灰堆存和综合利用问题有待解决。此技术适合于就近有褐煤的中小型氮肥厂改变原料路线。

生物质气化技术

一、常见生物质气化炉类型

1、生物质气化按照使用的气化炉类型不同分为固定床气化和流化床气化两种。固定床气化炉是将切碎的生物质原料由炉子顶部加料口投入固定床气化炉中，物料在炉内基本上是按层次地进行气化反应。反应产生的气体在炉内的流动要靠风机来实现，安装在燃气出口一侧的风机是引风机，它靠抽力（在炉内形成负压）实现炉内气体的流动；靠压力将空气送入炉中的风机是鼓风机。固定床气化炉的炉内反应速度较慢。按气体在炉内流动方向，可将固定床气化炉分为下流式（下吸式）、上流式（上吸式）、横流式（横吸式）和开心式四种类型。

a、

下流式固定床气化炉示意气固呈顺向流动。运行时物料由上部储料仓向下移动，边移动边进行干燥与热分解的过程。在经过缩嘴时，与喷进的空气发生燃烧反应，剩余的炭落入缩嘴下方，与气流中的CO2, 和水蒸气发生反应产生CO和H2。可以看出，下吸式气化炉中的缩嘴延长了气相停留时间，使焦油经高温区裂解，因而气体中的焦油含量比较少；同时，物料中的水分参加反应，使产品气中的H2含量增加。

b、

上流式固定床气化炉示意

气固呈逆向流动。在运行过程中湿物料从顶部加入后被上升的热气流干燥而将水蒸气带走，干燥后的原料继续下降并经热气流加热而迅速发生热分解反应。物料中的挥发分被释放，剩余的炭继续下降时与上升的CO2及水蒸气发生反应产生CO和H2。在底部，余下的炭在空气中燃烧，放出热量，为整个气化过程供热。由图2 , 可见，上吸式气化炉具有结构简单，操作可行性强的优点，但湿物料从顶部下降时，物料中的部分水分被上升的热气流带走，使产品气中H2的含量减少

横流式固定床气化炉示意

d、

开心式固定床气化炉示意

2、流化床气化炉的工作特点是将粉碎的生物质原料投入炉中，气化剂由鼓风机从炉栅底部向上吹入炉内，物料的燃烧气化反应呈“沸腾”状态，反应速度快。按炉子结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床、携带流化床四种类型。

气化炉原理和构造

一、气化炉原理

气化炉是将固体、液体或气体燃料气化成可燃气体（一般是一氧化碳和氢气）的设备，其原理是在高温下通过部分氧化或完全燃烧使燃料分子断裂并还原为气体分子。一般情况下，气化炉由进气系统、混合系统、燃烧系统、气化反应系统、出气系统等部分组成。在进气系统中，燃料在进气口处与空气混合，然后通过混合系统进入燃烧室。在燃烧室中，燃料与空气发生燃烧反应，产生高温的气体和灰渣。气体通过气化反应器，经过气体净化后，得到纯净的可燃气体。可燃气体可以用于燃烧发电、热水供应，也可以用于制备化学品等。

二、气化炉构造

气化炉有多种不同构造，下面介绍三种常见的气化炉构造方式：

1、固定床式

固定床式气化炉是指将燃料垫在固体床上，通过燃烧产生高温气体。固体床通常由矿渣、砾石或石英颗粒等充填而成，具有良好的热传递和气体流动性。在固定床式气化炉中，燃料由上至下依次经历干燥、热解和气化等反应。燃料不断加入固体床上，可以保持反应过程连续、持续，气化效果比较稳定。此外，固体床可以有效捕捉粗颗粒等大量灰渣，减少了后续净化工序的难度。

2、移动床式

移动床式气化炉是指在气化过程中，燃料由床下升至床上，在气体流动的带动下，依次经历干燥、热解和气化等反应，最后从床顶出口离开炉体。移动床式气化炉的燃料获得较高的比表面积，气化效果好，能够自然形成气化平衡和稳定状态。由于燃料的位置不断变化，气化炉的反应区域也不断变化，灰渣等残留物排除可以随燃料一起变化，使得气化炉的操作和维护更加便捷。

3、流化床式

流化床式气化炉是指将燃料放在沸腾床中，通过高速气体流动产生燃烧反应。流化床由砂石等物料充填而成，燃料不断在流化床中沸腾，形成若干小液滴，表面积比较大，气化效果好。同时，流化床具有良好的气体净化效果，能够有效减少灰渣、SOx和NOx等废气排放。由于燃料不断在流化床中沸腾，反应区域不断变化，反应容易协调一致，反应速率快，产物质量高。但是，流化床式气化炉的结构复杂，维护难度大，装备成本较高。

环保型粉煤(流化床)气化炉的研制

第３５卷第１期　２０１２年２月　山东陶瓷　ＳＨＡＮＤｏＮＧ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．２０１２　

・经验交流・　文章编号：１００５—０６５９（２０１２）０１—００１３—０３　

环保型粉煤（流化床）气化炉的研制　

孙丰收　，史艳。，豆斌林。　

（１．山东万丰煤化工设备制造有限公司，淄博２５５０００；　２．山东省煤气设备工程技术研究中心，淄博２５５０００；３．大连理工大学，大连１１６０２４）　

摘要粉煤气化技术是一种新型的、常压洁净煤气化技术，对煤种适应性宽、三废处理　简单、选用劣质煤制气成本低、综合效益好。本文简述了生产工业燃气的粉煤气化炉的工艺流　

程和系统组成，为用户新建或改造煤气站提供了一种新选择。　关键词粉煤气化技术；工艺设计；工业燃气；应用　

１前言　２工艺方案设ｉ—ｔ　刖舌　上乙万茱议　

我国石油资源短缺，煤炭资源丰富，国内建　

材、冶金、机械等行业大部分采用固定床煤气发生　

炉制备煤气，为窑炉提供工业燃气。固定床煤气　

发生炉所用原料必须是块煤，随着我国机械化采　

煤技术的发展，块煤率下降，粉煤量越来越大，其　

原料采购范围窄、价格高，导致制气成本上升；而　

且固定床气化工艺所产生的焦油和含酚废水会对　

环境造成污染，其煤气净化工艺复杂，污染治理投　

资较大，因而固定床煤气发生炉的应用受到了很　

大的限制。　

我公司与大连理工大学经过对国内外粉煤气　

化技术的研究联合攻关，开发研制出了（环保型粉　

煤流化床）“万丰”气化炉，该气化炉采用了流化床　

技术，实现了煤气组份、热值、产量和炉内工况等　

多个关键复杂因子的可调控制，通过气固相密切　

旋流接触，不仅加强了热传导和热交换，增大了气　

化强度，同时保护炉壁免受颗粒高速冲击和侵蚀。　

本气化炉可采用的煤炭资源丰富、价廉，反应条件　

常压温和，由于系统无焦油、无酚类物质、ＮＯ　产　

生量很少，煤气净化系统极为简单，制气系统运转　

稳定、安全可靠，与其它粉煤气化炉相比，设备构　

流化床煤气化技术特点

流化床气化一般要求原煤破碎成<10mm粒径的煤，<1mm粒径细粉应控制在10%以

下，经过干燥除去大部分外在水分，进气化炉的煤含水量<5%为宜。流化床更适合活性高

的褐煤、长焰煤和弱黏烟煤，气化贫煤、无烟煤、焦粉等需提高气化温度和增加煤粒在气

化炉内的停留时间。

固体干法排渣，为防止炉内结渣除保持一定的流化速度外，要求煤的灰熔点ST应大

于1250℃，气化炉操作温度 (表温)一般选定在比ST温度低150~200℃的温度下操作比较

安全。 1926年第一个流化床煤气化工业生产装置——温克勒煤气化法在德国投入运转。以后

在世界各国共建有约70台温克勒气化炉。早期的常压温克勒气化实际是沸腾床气化炉，存

在氧耗高、碳损失大 (超过20%)等缺点，因此至今仍在运转的已不多。

1、温克勒 (Winkler)气化炉

气化炉组成：流化床 (下部的圆锥部分)、悬浮床 (上部的圆筒部分，为下部的6~10

倍)。原料由螺旋加料器加人圆锥部分腰部。如图1所示。

图1 温克勒 (Winkler)气化炉

矸石灰 (30%左右)自床层底部排出；其余飞灰由气流从炉顶夹带而出。一次气化剂(60%~70%)由炉箅下部供入，二次气化剂 (30%~40%)由气化炉中部送入。二次气化剂的作

用是，在接近灰熔点的温度下，使气流中夹带碳粒得到充分的气化。二次气化剂用量与带

出未反应的碳成比例 (过少：未反应碳得不到充分气化而被带出，气化效率下降；过多：

产品被烧)。

操作温度一般为900℃左右，操作压力约为0.098MPa(常压)，原料粒度为0~10mm，

褐煤、弱黏煤、不黏煤和长焰煤等，但活性要高。

温克勒气化工艺单炉生产能力大，气化炉结构简单，可气化细颗粒煤 (0~10mm)

，出炉煤气基本上不含焦油，运行可靠，开停车容易。但是该种炉型气化温度低，气化炉设备

庞大，热损失大 (煤气出炉温度高)，煤气带出物损失较多 (气流中夹带碳颗粒)，粗煤气质

量较差。

2、高温温克勒 (HTW)气化法

气化炉性能介绍

流化床气化炉性能介绍

本气化炉属于流化床小型试验装置，分为送风部分、水蒸气生成部分、反应器主体、旋风分离装置、气体冷却部分和尾部烟道等几部分组成。1）送风部分和反应器主体带有加热装置，2）炉体配有测温和测压装置，以便观测炉内各反应区的温度和炉膛内压力的变化。3）给料部分采用有变频电机带动的螺旋加料机直接送料。试验台可实现生物质单独气化及生物质和煤共气化，气化剂可采用空气气化和空气--水蒸气混合气化两种气化方式。

实验台简图如下：234567891110121131416151--鼓风机 2--转子流量计 3--涡街流量计 4--蒸汽发生器 5--空气-蒸汽预热混合器 6--螺旋排渣机 7--流化床反应器 8--螺旋给料机 9--加热装置 10--灰仓 11--截止阀 12--旋风分离器 13—取样口 14--冷却装置 15--煤气表

16--引风机

1. 试验台的技术指标值：

气化效率>75%，生物质气体热值>10MJ/Nm3，气体中CO含量<20%，焦油含量<10mg/Nm3。

2. 试验台具有如下特点

1) 尖端技术

采用先进的“流化床及循环流化床锅炉高温空气床下点火系统（专利）”实现流化床点火；

2) 适用原料范围广泛

本试验装置适用原料广泛，如：烟煤、褐煤及谷壳、玉米秆、稻秆、麦秆、芝麻秆、花生壳、树枝、锯末、杂草等一切生物质可燃性农、林废弃物；

3) 对反应条件要求低

可实现常温常压下气化，无需加入催化剂；

4) 洁净环保

添加煤共气化可更大提高反应器内气化温度，使焦油能够充分裂解，实现接近无焦油排放。

3. 适用范围

本气化试验台中试装置可实现200户村级规模的农村地区集中供气、集中供热。

煤气化炉的分类

煤气化炉的种类有很多，比如鲁奇炉、BGL、德士古水煤浆炉、壳牌熔渣气化炉、灰熔聚、恩德炉、航天炉、E-GAS、多喷嘴、温克勒等。

我们按气化炉中的流体力学条件分，只有三种：固定床、流化床、气流床。

1．气化炉分类：

1.1 固定床气化

也称移动床气化。固定床一般以块煤或煤焦为原料，煤由气化炉顶加入，气化剂（氧气、蒸汽）由炉底送入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本维持不变，因而称为固定床气化。另外，由于煤从气化炉顶加入，含有残碳的灰渣自炉底排出，在气化过程中，煤粒在气化炉内是从上到下缓慢移动的。因而又称为移动床气化。

固定床的特点是简单可靠。气化剂与煤逆流接触，气化过程比较完全，热量利用比较合理，热效率较高。

1.2 流化床气化

流化床气化又称为沸腾床气化。以小颗粒为气化原料，这些细粒煤在自下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床技术得到了迅速发展，其原因在于：①生产强度比固定床大；②可用小颗粒煤，无需块煤；③可用褐煤等高灰劣质煤。

1.3 气流床气化

气流床技术是一种并流式气化。气化剂将粉煤（70%以上的煤粉通过200目筛孔）夹带入气化炉，在1500-1900℃高温下将煤一步转化为CO、H2、CO2等气体，残渣以熔渣形式排除气化炉。也可将煤粉制成水煤浆，用泵送入气化炉。煤炭细粉粒与气化剂经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下。因此，其热解、燃烧以及吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随着气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物、燃烧产物裹挟着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运送形态，相当与流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，因此称为气流床气化。