第1讲 发生炉煤气的种类 煤品质对气化过程的影响

硅酸盐工业热工基础第五章 固体燃料气化过程及设备第 1讲 发生炉煤气的种类 气化过程及气化指标 煤品质对气化过程的影响

学习要点1、概述：煤的各种燃烧方法及优缺点

2、发生炉煤气的种类

空气煤气 水煤气 混合煤气

3、发生炉内煤的气化过程及气化指标 灰分和结渣性、水分、挥 发分和硫分、粘结性、反 应性、粒度和均匀性、机 械强度和热稳定性

4、煤品质对气化过程的影响

5、扩大气化用煤的途径

概述直接燃烧法1、在燃烧室不能完全燃烧，热能利用 率低，造成能源浪费； 2、产生的烟气中含有大量粉尘及有害 气体，严重污染环境； 3、不能严格控制窑炉的温度制度，产 品质量难以稳定和提高，产量低； 4、工作环境差，劳动强度大，难以实 现机械化和自动化。 1、比较容易满足窑炉内火焰气氛和温 度分布要求； 2、劳动条件得到改善，环境污染小， 燃料费用低，有较好的经济效益和社 会效益；

煤作 燃料 时的 半煤气燃烧法 燃烧 方法全煤气燃烧法

发生炉煤气

§5-1 发生炉煤气的种类固体燃料气化：物理化学过程

气体燃料

固体燃料的气化过程 把煤和焦碳等固体燃料放在某一设备中，在高温下通入气化 剂(气化剂可以是空气或水蒸汽，简称蒸汽，也可以是其两者的混 合物),经过一系列的物理化学变化后，转变成煤气。将固体燃料 通过高温在气化剂作用下得到气体燃料的方法，称为固体燃料的 气化。 气化所用的设备为煤气发生炉，简称发生炉。 气化的基本条件：气化剂；气化燃料和发生炉；高温和压力。 气化剂的不同 空气煤气 水煤气

煤气

混合煤气

一、 空气煤气以空气为气化剂而制得的煤气，称为空气煤气。 通常将碳与空气反应，使碳全部转化为CO的煤气，称为理想 空气煤气。 反应过程和机理： 反应分为下面两个步骤： C + O2 + 3.76N2 CO2 + 3.76N2 + 408763 (kJ/kmol) (5-1) C + CO2 2CO - 162375(kJ/kmol) (5-2) 气化过程可以看成上面两个反应之和 2C + O2 + 3.76N2 2CO + 3.76N2 +246338 (kJ/kmol) (5-3)

理想空气煤气体积百分组成2 CO% 100 % 34.7% 2 3.76 N2 % 3.76 100 % 65.3% 2 3.76

理想空气煤气产率：每千克碳气化得到的煤气的体积。V (2 3.76) 22.4 5.38 2 12 ( Nm 3 / kg碳)

空气煤气的缺点： 1、煤中的灰分在高温下会熔融结渣，影响正常汽化过程的进行； 2、空气煤气发热量较低，气化率低，出口温度高、带走热量多。

二、水煤气以水蒸气为气化剂而制得的煤气，称为水煤气。

反应机理： 水煤气的汽化过程主要利用碳与水蒸气之间的反应。 C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol) C + 2H2O CO2 + 2H2 - 75222(kJ/kmol) (

5-4) (5-5) (5-6)

C + CO2 2CO -162375 (kJ/kmol)CO + H2O CO2 + H2 + 43576 (kJ/kmol)

燃烧阶段送 空 气利用碳与氧的放热 反应产生热量，并 将燃烧产物放空

降低温度

使碳与水蒸气反 应产生可燃气体 CO和H2。 送 水 蒸 气

提高温度

制气阶段

C + O2 + 3.76N2 CO2 + 3.76N2 + 408763 (kJ/kmol) 理想条件下，燃烧阶段按式(5-1)进行反应，生成CO2,放出的 热量完全被制气过程吸收，则燃烧每千摩尔碳所放出的热量可以 分解的蒸汽量为 C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol)408768 3.44 118798

根据热量平衡，理想制气过程的总的方程式可写为 C+O2+3.76N2+3.44C+3.44H2O CO2+3.76N2+3.44CO+3.44H2 由于燃烧阶段和制气阶段所得的产物分别引出，所以产物的体积 百分组成为： 燃烧阶段：CO2+3.76N2, 即21%CO2和79%N2 制气阶段：3.44CO+3.44H2, 即50%CO和50%H2

按照上述反应，碳的消耗是4.44摩尔，则这两种产物的产量 分别是 ：4.76 22.4 1.99 4.44 12 6.88 22.4 2.88 4.44 12 ( Nm 3 / kg碳)

吹出气

V吹出

水煤气

V水煤气

( Nm 3 / kg碳)

水煤气的优、缺点： 优点：发热量高； 缺点：对原料要求高，操作复杂、气化率低、生产成本高。

三、混合煤气以空气和水蒸气的混合物作气化剂而制得的煤气，称为混 合煤气。 反应机理： 利用碳与空气中的氧进行的放热反应使发生炉保持必要的气 化温度，利用碳与水蒸气的吸热反应来控制氧化层温度，以免灰 渣结块，同时产生的CO和H2还能提高煤气的发热量。即 2C + O2 + 3.76N2 2CO + 3.76N2 +246338 (kJ/kmol) C + H2O CO + H2 - 118798 (kJ/kmol)

每2kmol碳与空气反应放出的热量可满足(246388/118798)2.07kmol 碳与水蒸气的反应，故混合煤气的总反应为

4.07C + O2 + 3.76N2 + 2.07H2O 4.07CO + 3.76N2 + 2.07H2 即每4.07kmol碳与空气和水蒸气的混合物发生气化反应可以得到 9.9kmol混合煤气。 理想混合煤气体积百分组成：4.07 CO% 100 % 41.1% 9.9 2.07 H2 % 100 % 20.9% 9.9 3.76 N2 % 100 % 38% 9.9

理想混合煤气产率：9.9 22.4 V 4.54 ( Nm 3 / kg碳) 4.07 12

§5-2 气化过程及气化指标一、发生炉内的气化过程1、煤气发生炉的结构 发生炉的炉体大多呈圆筒形，外壳为薄钢板，炉膛用耐火 砖砌筑而成。 加煤口设在发生炉的顶端，煤块由此投入炉内，下部用炉 蓖(风汽帽)支撑整个燃料层。 炉蓖下面设有进气口，气化剂由此进入炉内。 煤气出口在发生炉的上端，生成的煤气从煤气出口被引 出。

2、煤的气化过程 预热阶段： 气化剂由发生炉下部送风口入炉后，通过炉蓖上温度较高的 灰层，发生热交换，起到预热的作用。 氧化阶段： 预热后的气化剂继续向上运动进入正在燃烧的氧化层，煤

中 的碳与气化剂中的氧发生反应生成CO2和少量的CO。 还原阶段： 气化剂中的蒸汽与在氧化阶段生成的CO2等气体一起上升， 在还原层中被炽热的碳还原，CO2被还原成CO,蒸汽被还原成 H2。 干馏(燥)阶段： 热气体继续上升，对上层的煤起到干馏(燥)作用，干馏气体 与上升的热气体相互混合，即为发生炉煤气，从出口被引出。

固定床发生炉内各层的作用 名称灰层 氧化层

进行的过程与作用支持燃料层、分配气化剂、防止风汽帽或炉蓖 受高温的影响、利用灰渣的物理热预热气化剂

化学反应

碳被气化剂中的氧气氧化成CO2和CO并释放出 C+O2=CO2 热量以维持必要的反应温度 2C+O2=2CO CO2被还原成CO、蒸汽被分解成H2、CO和 CO2 CO2+C=2CO H2O+C=CO+H2 2H2O+C=CO2+2H2 CO+H2O=CO2+H2

还原层

干馏层 干燥层 空层

燃料获得热气体传递的热量进行热分解，析出 产物为:CO、CO2、H2O、CH4、C2H4、H2、N2、 NH3、水蒸气及焦油等。 借气体的物理热蒸发燃料中水分 聚集煤气 CO+H2O=CO2+H2

二、煤的气化指标 评价气化过程的指标主要是：煤气质量、煤气产率、气化强 度和气化过程的效率。 1、煤气质量 煤气的质量指标指煤气的组成和发热量，组成中CO、H2、 CH4、C2H4为可燃组分，N2为惰性组分，CO2和H2S为杂质。 煤气的组成和含量取决于煤的种类和气化情况，通常用可燃 气体的含量来衡量煤气质量的好坏。 2、煤气产率 煤气的产率是指气化1kg煤所得到的煤气量，又称为气化率。 煤气产率可通过煤的碳平衡来求得。即煤中的碳含量，除去灰 渣和飞灰中的碳含量以及在干馏时形成焦油所需的碳量外，其余的 碳量全部转入煤气中。