1.山東大學，2.山東祥桓環(huán)境科技有限公司

　　前言

　　縱觀煤燃燒、煤氣化、煤炭鋼鐵冶煉的發(fā)展歷程，氣固反應總是朝著粉狀氣流床反應體系進行，輔助以智能即時控制，技術日臻成熟。Hismelt使用煤粉與鐵礦粉實現(xiàn)了60萬噸/年的工業(yè)應用，已成為一種粉料短流程熔煉可行工藝，只是在噸鐵能耗、出鐵亞鐵含量及排渣含鐵量等性能尚需進一步降低、改進。面對低碳、熔煉成本、金屬資源綜合利用(含鐵及多金屬粉塵熔分)系統(tǒng)性需求，粉料、低碳燃料的熔煉技術是必要的。

　　目前我國煤粉氣化技術已經(jīng)是世界先進水平，在煤化工、工業(yè)領域由多種爐型廣泛應用，但碳轉(zhuǎn)換效率尚需提高及氣化渣含碳量高尚需降低，需要在氣化爐結(jié)構(gòu)及工藝上完善和改進。

　　山東大學提出并與山東祥桓環(huán)境科技有限公司研發(fā)了一種粉料高溫反應爐，可實現(xiàn)燃料的富氫氣化、或金屬礦粉三級協(xié)同還原短流程金屬融分。

　　1.山大祥桓高溫反應爐簡介

　　如圖1所示，山大祥桓高溫反應爐由①粉料流化床氣固反應段、②旋風氣固分離器、③旋流熔融反應段、④液渣反應段、⑤分離分配器及相應的管路構(gòu)成。該高溫反應爐把氣固流化床反應與熔融反應和液態(tài)反應系統(tǒng)性整合成一體，可實現(xiàn)氣-固、氣-液-固等多級高溫反應，有效解決反應不充分問題，實現(xiàn)熱能與物質(zhì)的梯級傳遞及反應。

　　反應過程：粉狀物料進入①氣固流化床一級中溫反應;由②旋風分離器分離，氣體出裝備，一級反應后的物料分離輸送到③旋流熔融爐，同時把高溫氣體反應介質(zhì)送入③旋流熔融爐，實施二級高溫反應，反應氣體與循環(huán)氣體混合到合適溫度進入①氣固流化床作為流化介質(zhì);熔融液態(tài)物質(zhì)流入④液渣反應器進行深度反應或調(diào)和分離產(chǎn)生液態(tài)產(chǎn)品或廢料排出爐外。

　　山大祥桓高溫反應爐，能夠?qū)嵤┟悍?秸稈碳的氣化/富氫氣化。兩級反應，碳轉(zhuǎn)換率高;液態(tài)排渣，渣含碳量低，能源轉(zhuǎn)換效率高;氣化熱值高、含氫率高。

　　山大祥桓高溫反應爐，能夠?qū)嵤┓勖?、金屬粉礦短流程還原融分。還原過程有三級：氣固還原、熔融還原、液態(tài)還原。該工藝實現(xiàn)了粉料煤粉/礦粉的短流程融分，具有還原率高、能耗低的優(yōu)勢。

　　2.煤/生物質(zhì)三段富氫氣化技術

　　2.1技術簡介

　　山東大學開發(fā)了煤/生物質(zhì)粉三段富氫氣化工藝及裝置，主設備裝置如圖2.1.主體設備分為①低溫段、③高溫段和④熔渣段(渣池)三段，三段一體爐。富氫氣體可用于冶金、化工、發(fā)電等眾多領域。

　　低溫段為熱解重整段，原料采用四角切圓方式噴入高溫煤氣中，發(fā)生熱解和部分氣化反應，同時煤氣重整富氫，原料熱解產(chǎn)生的高溫粉焦經(jīng)過旋風分離器分離后返送高溫段。高溫段為氣化段，采用高溫空氣、富氧或純氧和水蒸氣為氣化劑，高溫粉焦和除塵灰為氣化料，多噴嘴向下射流，在高溫段內(nèi)形成“W”型火焰，氣化反應強度高，氣化溫度高于灰熔點50-100℃，高溫煤氣在爐內(nèi)反折回上部出口，熔渣貼壁下流入底部渣池，未完全反應的殘?zhí)碱w粒也落入渣池。低溫段在高溫段上部，兩段之間采用縮徑喉口連接，在高溫段出口或連接喉口處噴入低溫循環(huán)煤氣或蒸汽，調(diào)整進入低溫段的煤氣溫度。渣池在高溫段的下部，在緊貼渣池液面上方的側(cè)壁以四角切圓方式噴入高溫空氣/氧氣和/或蒸汽，未反應完的殘?zhí)加捎诿芏容^輕漂浮在液渣表面，旋轉(zhuǎn)氣流攪動渣池液面強化殘?zhí)細饣磻疃让撎?。物料輸送介質(zhì)為循環(huán)煤氣或氮氣。

　　2.2技術優(yōu)勢

　　(1)設備先進：原料熱解/氣化/富氫重整/熔渣降碳多個過程在同一個爐內(nèi)完成。

　　(2)煤種適應性好：理論上適用所有煤種。熱焦循環(huán)，氣化劑高溫預熱1200℃，氣化溫度高，保證液態(tài)排渣，大大提高煤種適應性;水冷壁內(nèi)襯耐材，“以渣抗渣”。

　　(3)碳轉(zhuǎn)化率高：原料經(jīng)過低溫熱解重整、高溫熔融氣化、熔渣深度降碳等三級反應，氣化效率高，碳轉(zhuǎn)化率≥99%，熔渣含碳低便于利用;W型對沖和四角切圓給粉噴嘴，強化氣固混合，利于提高氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率。

　　(4)富氫可調(diào)：高溫段為煤焦水蒸氣氣化，產(chǎn)生高溫合成氣;低溫段為煤粉熱解氣化重整，H2等有效氣含量高;煤/焦采用煤氣輸送，減少無效氣含量，進一步提高H2含量;多段聯(lián)動，可調(diào)整H2/CO比。

　　2.3 Aspen Plus軟件模擬

　　為對比三段富氫氣化在制備富氫還原氣方面的優(yōu)勢，采用Aspen Plus軟件模擬計算相同氣化條件的三段氣化與單段氣化工藝，分析還原氣品質(zhì)。計算采用神華煤，其工業(yè)分析和元素分析如表2.3.1所示。

表2.3.1 神華煤的煤質(zhì)分析

 　　單段和三段氣化平衡計算的匯總結(jié)果如表2.3.2所示，比較可得，采用三段氣化，無論是空氣氣化還是純氧氣化，所得還原氣中有效氣(H2+CO)的比例均增加了，還原氣的還原勢(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)隨之增加。其中，空氣氣化中，還原氣還原勢由單段氣化的82.49%增至了91.47%;純氧氣化中，由94.34%增至了99.13%。另外，三段氣化的富氫效果明顯，空氣氣化中，還原氣中H2濃度由單段氣化的9.36%提高至三段氣化的16.29%;純氧氣化中由27.53%提高至33.22%。從單位原料煤的產(chǎn)氫率也能反映出三級氣化的富氫效果，空氣氣化中，單段氣化的產(chǎn)氫率為0.0391 kg/kg，三段氣化的為0.0584 kg/kg，較單段氣化的提升了49.4%;純氧氣化中，單段氣化的產(chǎn)氫率為0.0502 kg/kg，三段氣化的為0.0595 kg/kg，較單段氣化的提升了18.5%。

表2.3.2  單段、三段氣化模擬計算結(jié)果匯總

　　采用高溫水蒸汽富氫氣化工藝，能夠有效增加富氫效果;通過采用不同的氣化劑(高溫熱風、純氧、高溫水蒸汽)，可以有效調(diào)節(jié)氣化氣的H2/CO摩爾比：0.65~6.7.從而適用于制氫、制還原氣、制合成氣、為綠電甲醇提供富CO氣體。

　　2.4 生物質(zhì)富氫氣化
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