【正文】 氨的原料氣，其成分中CO2+H2一般在68%左右。用于合成氨的半水煤氣要求氫氮比為3：1。 固定床氣化法的特點(diǎn)固定床氣化法其煤氣發(fā)生爐的排渣和加料不是連續(xù)的，而是間斷的排渣和加料，其致密的煤層在氣化過程中是靜止不動的，隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，以溫度化分的各區(qū)域?qū)⒅饾u上移，必須經(jīng)過間歇排渣和加炭后各區(qū)域才恢復(fù)到原來的位置。 生產(chǎn)半水煤氣對原料的選擇間歇法生產(chǎn)半水煤氣對原料的要求：（1）對水分的要求燃料中水分含量過高，會影響煤氣發(fā)生爐的氣化效率，在氣化過程中因水分蒸發(fā)吸熱造成爐溫下降使燃料消耗增加，爐子操作條件惡化，影響水煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，要求入爐煤的水分含量小于3～5%。（2）對揮發(fā)份的要求燃料中如果揮發(fā)份含量高，則由于甲烷和焦油的含水兩增加而不僅會增加動力燃料消耗，而且降低爐子的制氣能力影響氨的產(chǎn)量。因此，要求燃料中揮發(fā)份較低為宜。（3）對灰份的要求煤中含灰分其主要成份為二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂等無機(jī)物質(zhì)。這些物質(zhì)的含量對灰份有決定性影響?；曳莞叩娜剂?，不僅增加運(yùn)輸費(fèi)用，而且使氣化條件變得復(fù)雜，所以要求燃料中灰份較低為宜。（4）對硫份的要求煤中的硫份在氣化過程中轉(zhuǎn)化為含硫氣體，不僅對設(shè)備和系統(tǒng)管道有腐蝕作用，而且會使催化劑中毒。在合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中，根據(jù)流程 特點(diǎn)，對含硫量有一定的要求，并應(yīng)在凈化過程中將其除去。（5）對化學(xué)活性的要求化學(xué)活性高的燃料，有利于氣體物質(zhì)和氣化率的提高。至于對氣化效率的影響，則因所選用的煤氣發(fā)生爐爐型不同而有所差異。（6）對機(jī)械強(qiáng)度的要求機(jī)械強(qiáng)度高，以免燃料在爐內(nèi)或上料過程中受碰撞和擠壓而發(fā)生碎裂，機(jī)械強(qiáng)度低會使?fàn)t內(nèi)阻力和氣體帶出物增加，氣化能力下降，消耗增高。（7）對熱穩(wěn)定性要求熱穩(wěn)定性是指燃料在受高溫后粉碎的程度。熱穩(wěn)定性差的燃料，不僅增加炭阻力和氣體帶出物，而且會堵塞爐膛和系統(tǒng)管道，增加動力消耗，影響制氣產(chǎn)量。（8）對粘結(jié)性的要求粘結(jié)性是煤在高溫下干餾粘結(jié)的性能，粘結(jié)性較強(qiáng)的原料煤，氣化過程中煤相互粘結(jié)后生成焦，破壞燃料的透氣性，妨礙氣化劑的均勻分布，影響氣體成分和制氣產(chǎn)量。所以要求煤的粘結(jié)性較低為宜。（9）對燃料粒度的要求合成氨原料煤首先對煤種要求是無煙煤，其次對粒度則要求采用塊煤和粉煤的成型，特別以23~50mm的粒度最好。總之，對間歇式生產(chǎn)水煤氣，若要使生產(chǎn)取得良好的氣化指標(biāo)，應(yīng)采用熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、不粘結(jié)、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高，灰分熔點(diǎn)較高的原料，本設(shè)計(jì)采用無煙塊煤。 半水煤氣制氣原理固體燃料的氣化過程實(shí)際上主要是碳與氧的反應(yīng)和碳與蒸汽的反應(yīng)，這兩個反應(yīng)稱為固體燃料的氣化反應(yīng)。表1 以空氣為氣化劑主要反應(yīng)方程序號反應(yīng)方程式1C＋O2（）=CO2（+）2C＋O=2（）=2CO（+）3C＋CO2（）=2CO（+=2）42C＋＋O2＋=CO2＋表2 以水蒸汽為氣化劑主要反應(yīng)方程式序號反應(yīng)方程式1C＋H2O（汽）=CO＋H22C＋2H2O（汽）=CO2＋2H23CO＋2H2O（汽）=CO2＋H242H2＋O2=2H2O（汽）5C＋H2=CH46CO＋3H2=CH4＋H2O7CO2＋4H2=CH4＋2H2O（汽）在氣化爐燃燒層中，炭與空氣幾水蒸汽的混合物相互作用時的產(chǎn)物稱為半水煤氣，其化學(xué)反應(yīng)按下列方程式進(jìn)行：2C＋O2＋=2CO2＋C＋H2O（汽）=CO＋H2這種煤氣的組成由上列兩反應(yīng)的熱平衡條件決定。由于半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，因此，要求入爐蒸汽與空氣（習(xí)慣上稱為氮空氣）比例恰當(dāng)以滿足半水煤氣中（CO＋H2）：N2=3要求，但是在實(shí)際生產(chǎn)中要求半水煤氣（CO＋H2）：N2≧。 發(fā)生爐內(nèi)燃料分布情況在煤氣發(fā)生爐中固體燃料氣化過程，燃料與氣化呈相反方向和順時針方向運(yùn)動，當(dāng)氣化劑經(jīng)過燃料層時，進(jìn)行燃料的氣化反應(yīng)，同時伴隨物理變化，燃料層大致可分為如圖所示的5個區(qū)層（1） 干燥層 新加入的燃料由于下層高溫燃料和爐壁的輻射熱以及下面的高溫氣流的導(dǎo)熱，使燃料中的水分蒸發(fā)，形成干燥層，干燥層的厚度與加入燃料的量有關(guān)。（2） 干餾層 干燥層下面溫度較高，燃料中的水分蒸發(fā)至差不多后，在高溫條件下，燃料便發(fā)生分解，放出揮發(fā)分，燃料本身也逐漸碳化，干餾層厚度小于干燥層?；以鼘友趸瘜痈绅s層干燥層還原層圖1燃料層分區(qū)示意圖（3）還原層 氣化劑從下面進(jìn)入碳層氧化區(qū)中已含有各種氣體成分，而在還原層里，主要進(jìn)行CO的還原反應(yīng)。（4）氧化層 在這里層中，從下面來的空氣與彈反應(yīng)，生成碳的氧化物，因?yàn)檠趸俣容^快，故其厚度比還原層薄如用水蒸汽作氣化劑時，在該層中還進(jìn)行碳與水蒸汽的氧化反應(yīng)。一般將還原層和氧化層通稱之為氣化區(qū)。（5）灰渣層 氧化層下面就是灰渣層，沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，起作用是能分布熱空氣和保護(hù)爐。必須指出，各層之間并沒有嚴(yán)格的界限，即沒有明顯的分層，各層高度隨燃料的種類性質(zhì)和氣化條件不同而異。見表3 各主要設(shè)備的作用 煤氣發(fā)生爐 在間歇法工藝中，用于生產(chǎn)半水煤氣的發(fā)生爐主要為UGI水煤氣爐。我自行設(shè)計(jì)和制造了爐徑為Φ1500，Φ2260，Φ3000，Φ3600。等一系列半水煤氣爐，他們的結(jié)構(gòu)與UGI半水煤氣爐基本相同。水煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)大致分為五個部分，起各部分的作用分?jǐn)⑷缦拢海?）爐體爐殼由鋼板焊制，上部襯有耐火磚和保溫磚硅藻磚，使?fàn)t殼免受高溫的損害。外面包有石棉制品隔熱保溫襯鑄剛護(hù)圈，內(nèi)部襯有耐火磚和隔熱層。（2）夾套鍋爐夾套鍋爐傳熱面積約為19m2。外壁包有石棉制品隔熱保溫層，防止熱量損失，夾套鍋爐的作用主要是降低氧化層溫度，以防止熔渣粘壁并副產(chǎn)蒸汽，夾套鍋爐兩側(cè)設(shè)有探火孔，用于測量火層，了解火層分布和溫度情況上部裝有液位計(jì)，水位自動調(diào)節(jié)器和安全閥等附件。（3）底盤底盤和爐殼通過大法蘭連成一體，用紫銅薄板包石棉布填料密封。底盤底部有氣體中心管與吹風(fēng)和下吹管線呈倒Y型連接，中心管下部裝有通風(fēng)閥和清理門。底盤兩側(cè)有灰斗，底盤上沒有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止氣體外透，起安全作用。（4）機(jī)械除灰裝置包括能夠轉(zhuǎn)動的灰盤和爐條及固定不動的會犁?；依绻潭ㄔ诔龌铱谏?，利用它與旋轉(zhuǎn)灰盤之間的相對運(yùn)動，以減弱機(jī)械磨損。（5）傳動裝置機(jī)械除灰裝置的旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)提供動力。通過減速箱蝸桿、蝸輪來完成的。傳動裝置附有注油器，以減弱機(jī)械磨損。表3 發(fā)生爐內(nèi)情況區(qū)域區(qū)域名稱用途及進(jìn)行的過程化學(xué)反應(yīng)Ⅰ灰渣層分配氣化劑，防止?fàn)t蓖受高溫的影響，在本區(qū)域中，借灰渣預(yù)熱氣化劑。最終反應(yīng)：C＋O2＋=CO2＋2C＋O2＋=2CO＋Ⅱ氧化層（燃燒層）碳被氣化劑中的氧氧化成二氧化碳及一氧化碳并放出熱量。CO2＋C=2COH2O＋C=CO＋H22H2O＋C=CO2＋2H2Ⅲ還原區(qū)二氧化碳還原成一氧化碳或水蒸氣分解為氫，燃料依靠熱的氣體而被預(yù)熱。Ⅳ干餾區(qū)燃料依靠熱氣體換熱進(jìn)行分解，并析出下列物質(zhì)：1水分；2醋酸、甲醇、甲醛及苯酚；3樹脂；4氣體（CO、COH2S、CHC2H氨氮和氫）。Ⅴ干燥區(qū)依靠氣體的顯熱來蒸發(fā)燃料中的水分Ⅵ自由空間起聚積煤氣的作用。有時，煤氣中部分一氧化碳與蒸汽進(jìn)行反應(yīng)：H2O＋CO=CO2＋H2 燃燒室 燃燒室的上部都呈錐行，中部為柱體，內(nèi)襯有耐火磚及蓄熱用的格子磚。燃燒室的作用：（1）向吹風(fēng)氣添加二次空氣，使其中的CO等可燃物在其中燃燒，所生成的熱量被積蓄在格子磚內(nèi)。（2）利用所蓄積的熱量，預(yù)熱下吹蒸汽和加氮空氣，提高 氣體的入爐溫度，提高分解率。（3）除去煤氣中的細(xì)灰，以減少對廢熱鍋爐的損害。氣體從下部入口切線方向進(jìn)室，避免直接沖撞室壁，以減少對耐火磚的磨損，并使氣體在室內(nèi)分布均勻。燃燒室的頂蓋起著泄壓作用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生爆炸時，爆炸壓力超過蓋子彈簧的作用力，蓋子張開，降低壓力，避免設(shè)備損壞。 廢熱鍋爐 廢熱鍋爐主要用于回收吹風(fēng)氣和上行半水煤氣的顯熱。18Mpa的蒸汽，為制氣和其他用途提供一部分蒸汽來源。煤氣生產(chǎn)中常用火管立式廢熱鍋爐，爐體為一直立的圓筒，用鋼板焊接，兩頭裝有鋼板封頭，內(nèi)部裝有若干根無縫鋼管。高溫氣從上而下與管間的水進(jìn)行逆流熱交換，汽水混合物從上循環(huán)管進(jìn)入氣包產(chǎn)生蒸汽。分離下來的 水及向氣泡補(bǔ)充的新鮮水（軟水）由下循環(huán)流入廢熱鍋爐下部管間。進(jìn)爐氣體一般為500~700℃出爐后可降至200℃左右。由于廢熱鍋爐上部裝有氣泡，為保持爐體重心達(dá)到平衡，避免基礎(chǔ)受力不均而下陷，故安裝時，鍋爐爐體傾斜7176。，用以促進(jìn)對流，使熱交換效率提高。 洗氣箱 洗氣箱的作用是防止水封以后的煤氣倒回煤氣爐和空氣發(fā)生爆炸，并兼冷卻除塵的作用。洗氣箱的外行是一個具有圓筒行容器。半水煤氣進(jìn)口管浸入水面以下75~125mm，水至箱頂加入，不斷地從錐體部分的溢流管溢出。以保持一定的水面，起到安全水封的作用。它是煤氣爐系統(tǒng)確保安全生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備。進(jìn)洗氣箱的煤氣溫度約200℃，出氣溫度為70℃左右，洗氣箱的冷卻水用量大，其冷卻作用主要靠水的蒸發(fā)，煤氣主要因失去顯熱而降溫。出洗氣箱的煤氣已被飽和。 洗滌塔的作用是冷卻（降溫），冷凝（蒸汽）和除塵，它可采用噴塔，也可采用填料塔，其外形一般為柱形。煤氣由下部入塔，由上部出塔。由于進(jìn)塔煤氣被水汽飽和。所以，如想繼續(xù)降溫，必須使煤氣中的水汽冷凝，由于冷凝熱大，故必須用大量的水噴淋，使煤氣繼續(xù)冷卻。 煙囪 煙囪也是煤氣生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備，其主要作用是排放廢氣，另還兼有封和除塵的作用。 自動機(jī) 自動機(jī)的作用在于通過自動機(jī)的程序控制，使水煤氣的生產(chǎn)操作基本實(shí)現(xiàn)自動化。自動機(jī)把高壓水按時送到煤氣爐各系統(tǒng)各個自動液壓閥門，是閥門按照工藝循環(huán)的要求準(zhǔn)時準(zhǔn)備啟動，準(zhǔn)確控制和調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定和安全。 間歇式制半水煤氣的工藝條件選擇生產(chǎn)工藝條件時，要求氣化效率高，爐子生產(chǎn)強(qiáng)度大，煤氣質(zhì)量好，氣化效率指制得半水煤氣所具有的熱值與制氣投入的熱量之比。投入的熱量包括氣化所消耗的燃料熱值和氣化劑帶入的熱量（后者主要指蒸汽的潛熱）。他是用來表示氣化過程中的熱能利用率。氣化效率高，燃料利用率高，生產(chǎn)成本低。氣化效率用X表示：X=Q半/(Q燃＋Q蒸)100%式中：Q半半水煤氣的熱值 Q燃消耗燃料的熱值 Q蒸消耗蒸汽的熱值生產(chǎn)強(qiáng)度是指每平方米爐膛截面在每小時生產(chǎn)的煤氣量，以煤標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的立方米表示。煤氣質(zhì)量則根據(jù)生產(chǎn)要求以熱值或以指定成分要求來衡量。為了保存以上的要求，氣化過程的工藝條件有： 溫度 反應(yīng)溫度沿著燃料層高度而變化，其中氧化層溫度最高。操作溫度一般主要是指氧化層的溫度，簡稱爐溫。爐溫高，反應(yīng)速度快，蒸汽分解率高，煤氣產(chǎn)量高，質(zhì)量好。但爐溫高，吹風(fēng)氣中一氧化碳含量高，燃燒發(fā)熱少，熱損失大。此外，爐溫還受燃料及灰渣熔點(diǎn)的限制，高溫熔融將造成爐內(nèi)結(jié)疤。故爐溫通常應(yīng)比灰熔點(diǎn)低50℃左右，工業(yè)上采用爐溫范圍1000~1200℃。 吹風(fēng)速度 提高爐溫的主要手段是增加吹風(fēng)速度和延長吹風(fēng)時間。后者使制氣時間縮短，不利于提高產(chǎn)量，而前者對制氣時間無影響，通過提高吹風(fēng)速度，迅速提高爐溫，縮短二氧化碳在還原層的停留時間。以降低吹風(fēng)氣中的一氧化碳含量，減少熱損失。吹風(fēng)速度以下不使炭層出現(xiàn)風(fēng)洞為限。 蒸汽用量 蒸汽用量是改善煤氣產(chǎn)量與質(zhì)量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制氣時間愈長，則煤氣產(chǎn)量愈大。但要受到燃料活性、爐溫和熱平衡的限制。當(dāng)燃料活性好。爐溫高時，加大蒸汽流量可加快氣化反應(yīng)，煤氣產(chǎn)率和質(zhì)量也得到提高。但同時因燃料層溫下降快而應(yīng)縮短吹入蒸汽的時間。但燃料活性較低時，宜采用較小的蒸汽流量和較長的送入時間。 燃料層高度 在制氣階段，較高的燃料層將使水蒸汽停留時間加長，而且燃料層溫度較為穩(wěn)定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹風(fēng)階段，由于空氣與燃料接觸時間家長，吹風(fēng)氣中CO含量增加，更重要的是，過高的燃料層由于阻力增加，使輸送空氣的動力消耗增加。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對粒度較大、熱穩(wěn)定性較好的燃料，可采用較高的燃料層，但對顆粒小或熱穩(wěn)定性差的燃料，則燃料層不宜過高。 循環(huán)時間 制氣過程一個循環(huán)時間包括五個階段時間，各階段的時間分配要根據(jù)燃料性質(zhì)，氣化劑配分比和煤氣組成的要求而定，一個循環(huán)時間短時，爐溫的波動小，煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量也較穩(wěn)定，故循環(huán)時間不宜長，但氣化活化較低的燃料時，因反應(yīng)速度慢，應(yīng)采用較長的循環(huán)時間。 氣體成分 主要調(diào)節(jié)半水煤氣中（H2+CO）與N2比值。方法是改變加氮?dú)?，或改變空氣吹凈時間。在生產(chǎn)中還應(yīng)經(jīng)常注意保持半水煤氣中低的氧含量（≤%），否則將引起后序工段的困難，氧含量過高還有爆炸的危險。 生產(chǎn)流程的選擇及論證根據(jù)水煤氣生產(chǎn)工藝流程中廢熱利用的程度，可分為五類：：吹風(fēng)直接放空，上下行煤氣直接進(jìn)入冷卻凈化系統(tǒng)，故其熱效率差。一般為小型水煤氣站采：該流程在吹風(fēng)階段，將吹風(fēng)氣通過燃燒室，同時向燃燒室內(nèi)送入二次空氣，合使吹風(fēng)氣中的在燃燒室中燃燒，蓄熱，高溫燃燒后廢熱鍋爐的收熱量后放空。上行、下行煤氣直接進(jìn)入冷卻凈化系統(tǒng)，不進(jìn)行熱量回收。這是我國目前廣泛使用的一類流程，它可使大部分的廢熱得以回收利用。此流程適用于爐徑大于2740mm。、下行煤氣顯熱的流程該流程與流程（3）的差別僅在于下行煤氣的顯熱亦于回收，廢熱的回收利用程度最高，廢熱鍋爐的溫度波動較小，蒸發(fā)量也較穩(wěn)定。在水煤氣生產(chǎn)中，用油裂解來提高煤氣熱值的方法稱為增熱。但CO含量高達(dá)30%以上，故它不宜單獨(dú)作為城市煤氣，但可作為城市煤氣的補(bǔ)充氣源以備調(diào)峰之用。綜上所述，以（2）和