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固体原料气化制取合成气

学习资料

第一节概述
固体原料气化泛指各种煤及其热加工产物(焦、半焦)，与载氧气化剂(氧、富氧、空气、水蒸气、二氧化碳)进行化学反应的工艺过程。固体原料气化可统称为煤气化。
煤气化已有100多年的发展历史，先后开发了100多种气化工艺或气化炉型，有工业化应用前景的十余种。煤气化可分为完全气化和不完全气化两大类：完全气化是指煤及其他固体原料与气化剂进行一步法化学反应，生成可燃气或合成气；不完全气化是指固体原料进行热加工时，除生成可燃气外还有含碳固体产物(例如煤炼焦过程)。这些产物又可进行加工利用。本书所述及的固体原料气化都属完全气化。
煤气化分类无统一规定，按供热方式可分为外热式和内热式两种。外热式属间接供热，煤气化时的吸热反应所需的热量由外部供给；内热式气化是指在气化床内燃烧掉一部分原料，以此获得热量供另一部分燃料的气化吸热反应的需要，这种气化方式又称为自热式气化。本书所述及的固体原料的气化都属于内热式气化。
内热式气化分类最常用的是按原料在气化炉内的移动方式分成固定床、流化床和气流床三种。也可按煤的粒度、气化剂种类、气化压力、灰渣排出方式、气化过程是否连续等方式采划分的。按原料的移动方式又可根据原料与气化剂的相对流动方式分为逆流、并逆流和并流等三种。与这三种方式相对应的则是固定床(移动床)，流化床(沸腾床)和气流床(夹带床)气化炉。三种气化床的示意见图(2—1)。

图(示)各种气化过程示意图
一、固定床(移动床)
固定床气化过程示意见图(右)。
原料块煤从炉顶加入，自上而下经历干燥、干馏、还原和氧化层，最终残余为灰渣经灰箱排出炉外。气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层(两者合称气化层)，生成的煤气显热用于煤的干馏和干燥。以下按煤的移动途径，对各层作一简单介绍
干燥层：原料煤从炉顶入炉后与上行煤气进行换热，煤中水分得到蒸发，此时煤预热到350℃左右。
干馏层：随着煤的缓慢下移，其温度约升至550～600℃，这时煤中所含挥发分的大分子链发生裂解(脱除挥发分)并形成半焦。
还原层：半焦与上行煤气(～1100℃)中的水蒸气和二氧化碳进行还原反应。
氧化层：经灰渣层预热的氧气或空气与碳燃烧，使床层温度升至1300℃左右，为还原反应提供热量。
灰渣层：在气化炉炉蓖上覆盖一层灰渣，温度约400℃，起到预热气化剂和保护炉蓖的作用。
此外，在煤气炉上部有一段自由空间，用以聚集煤气和沉降固体颗粒(带出物)的作用，防止后续设备的堵塞。
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)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘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。
固定床气化炉分常压、加压二大类。
(一)常压气化炉
这种炉型通常用于生产发生炉煤气(空气煤气)，水煤气或半水煤气。前者热值低，含氮过高，不能用于合成氨工业或合成甲醇工业，这里不予讨论。后者是用蒸汽为气化剂，反应层吸热降温后再用空气燃烧升温如此间歇操作；也可用富氧—蒸汽连续气化制合成氨原料气；用—还原焦炭制纯气。在中国的中小型氨厂大量使用这种气化炉制原料气，炉型以改良的U.G.I和改良平其式两种为主。
(二)固定床碎煤加压气化
德国的鲁奇(Lurgi)炉是固定床碎煤加压气化的代表，用氧—蒸汽连续送入炉中制取水煤气，操作压力为2.0～3.0MPa。有固态排渣及液态排渣两种不同炉型。
二、流化床(沸腾床)
气化剂由炉下部吹人，使细粒煤(＜6mm＝在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化或沸腾床气化。煤粒(粉煤)和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动。为了维持炉内的“沸腾”状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度(T2)以下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用粘结性煤。由于炉内反应温度低(与气流床相比)，煤的停留时间短(与固定床相比)，并逆流气化对入炉煤的活性要求很高，只有高活性褐煤才适应。由于炉温低、停留时间短，带来的最大问题是碳转化率低，飞灰多、残碳高，且灰渣分离困难。其次是操作弹性小(控制炉温不易)。已工业化的气化炉主要为常压温克勒(Winkler)炉及加压高温温克勒(HTW)炉两种。
三、气流床(夹带床)
粉煤由气化剂夹带入炉，进行并流式燃烧和气化反应(火焰反应)。受气化空间的限制，反应时间很短(1—10s)。为弥补反应时间短的缺陷，要求人炉煤粒度很细(＜0.1mm，以保证有足够的反应面积。并流气化气固相对速度低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行。为增加反应推动力，提高反应速度，必须提高反应温度(火焰中心温度在2000℃以上)，采用液态排渣是并流气化的必然结果。已工业化的