【文章內(nèi)容簡介】 劑效率高 ， 這是一種理想的完全氣化方式。 （ 1）固定床常壓氣化 此方法比較簡單，但對煤的類型有一定要求，即要求用塊煤，低灰熔點的煤難以使用常壓 方法用空氣或空氣 水蒸汽作為氣化劑，制得低熱值煤氣。 （ 2）固定床加壓氣化 固定床加壓氣化最成熟的爐型是魯奇爐。它和常壓移動床一樣，也是自熱式逆流反應床。所不同的是采用氧氣 水蒸汽或空氣 水蒸汽為氣化劑，在 和 900~1100℃的濕度條件下連續(xù)氣化方法。 流化床氣化 流化床氣化又稱沸騰床氣化，它是以小顆粒煤為原料，將氣化劑（蒸汽和富氧或氧氣）送入爐內(nèi)，是煤顆粒的爐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)進行氣化反應。它是一種介于逆流操作和順流操作這兩種情況之間的操作。 （ 1）溫克勒法 溫克勒法是最早開發(fā)的 流化方法，在常壓下，把煤粒度為 08mm 的褐煤、弱粘結性 6 煙煤或焦碳經(jīng)給煤機加入到氣化爐內(nèi)。在爐底部通入空氣或氧氣作介質(zhì)，沒與經(jīng)過預熱的氣化劑發(fā)生反應。 （ 2）高溫溫克勒法 將含水分 5%~12%的褐煤輸入到充壓至 的密閉料鎖系統(tǒng)后，經(jīng)給煤機加入氣化爐內(nèi)。白云石、石灰石或石灰經(jīng)給料機輸入爐內(nèi)。 煤 與白云石類添加物在爐內(nèi)與經(jīng)過預熱的氣化劑（氧氣 /蒸汽或空氣 /蒸汽）發(fā)生氣化反應。粗煤氣由氣化爐上方逸出進入第一旋風分離器，在此分離出的較粗顆粒、灰粒循環(huán)返回氣化爐。粗煤氣再進入第二旋風分離器，在此分離出的細顆 粒通過密閉的灰鎖系統(tǒng)將灰渣排出，除去煤塵。煤氣經(jīng)廢熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣以回收余熱，然后經(jīng)水洗塔進一步冷卻和除 去。 （ 3）灰團聚氣化法 它是在流化床中導入氧化性高速氣流，使煤灰在軟化而未熔融的狀態(tài)下在錐形床層中相互熔聚而粘結成含碳量低的球狀灰渣，有選擇性地排出爐內(nèi)。它與固態(tài)排渣相比，降低了灰渣的碳損失。 （ 4）加氫氣化法 所謂加氫氣化就是在煤氣化過程中直接用氫或富含 H2的氣體作為氣化劑，生成富含CH4的煤氣化方法，其總反應方程式可表示為：煤＋ H2→CH 4＋焦 氣流床氣化 它是一種并流氣化，用氣化劑將粒 度為 100um以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，也可將煤粉先制成水煤漿，然后用泵打入氣化爐內(nèi)。煤料在高于其灰熔點的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應和氣化反應，灰渣以液態(tài)形式排出氣化爐。它有以下兩種方法： （ 1） K—T 法 此法是最早工業(yè)化的氣流床氣化方法，它采用干法進料技術，因在常壓下操作，存在問題較多。它是 1948 年德國海因里希 柯柏斯和托切克博士提出的一種氣流床氣化粉煤的方法。 （ 2）德士古法 它是一種濕法（水煤漿）進料的加壓氣化工藝 ， 氣化爐是由美國德士古石油公司所屬德士古開發(fā)公司開發(fā)的氣流床氣化爐。 生產(chǎn)方案 的選擇及論證 與固定床氣化相比其它氣化方法的優(yōu)點是：（ 1）氣化能力大；（ 2）氣化用煤廣；（ 3）生產(chǎn)靈活性強，開停車容易；（ 4）碳轉化率高；（ 5）環(huán)境污染小。但是如果采用這些方法 7 不但其主體設備及相關必要設備的投資就將大大增加而且能耗也將大大增大 ， 這對我國氨需求量大而技術又相對落后而且資金短缺這一基本國情是不相符的。所以，雖然固定床其工藝較其它氣化工藝有其不足之處且工藝較為落后 ， 但其氣化工藝較之其它工藝更成熟。根據(jù)我國基本國情及合成氨現(xiàn)狀，本設計采用常壓固定床間歇氣化法。 8 灰渣層 氧化層 干餾層 干燥層 還原層 第 三 章 常壓固定床間歇氣化法 固定床氣化法的特點 固定床間歇法制氣是指，以無煙煤、焦炭或各種煤球為原料，在常壓煤氣發(fā)生爐內(nèi)， 高溫條件下，與空氣（富氧空氣）和水蒸氣交替發(fā)生一系列化學反應，維持熱量平衡，生成可燃氣體，回收水煤氣，并排出殘渣的過程。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，隨著氣化反應的進行，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)域才恢復到原來的位置 [10]。 半水煤氣定義 半水煤氣是以水蒸氣為主 加入適量的空氣為氣化劑與赤熱的炭反應，所生成的煤氣稱為半水煤氣，它是合成氨的原料氣，其成分中 CO2+H2一般在 68%左右 ， 用于合成氨的半水煤氣要求 n(H2+CO)/n(N2)=~。 半水煤氣制氣原理 煤氣發(fā)生爐構造及氣化反應的分區(qū) 圖 燃料層分區(qū)示意圖 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。 （ 3） 還原層 氣化劑從下面進入碳層氧化區(qū)中已含有各種氣體成分，而在還原層里，主要進行 CO的還原反 應。 氣化劑從下面進入碳層氧化區(qū)中已含有各種氣體成分，而在還原層里，主要進行 CO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動，當氣化劑經(jīng)過燃料層時，進行燃料的氣化反應，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 [12]： （ 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有關。 （ 2）干餾層 干燥層下面溫度較高，燃料中的水分蒸發(fā) 9 的還原反應。 （ 4）氧化層 在這層中，從下面來的空氣與碳反應，生成碳的氧化物，因為氧化速度較快，故其厚度比還原層薄 。 如用水蒸汽作氣化劑時，在該層中還進行碳與水蒸汽的氧化反應 ， 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，沒有化學反應發(fā)生，起作用是能分布熱空氣和保護爐。 必須指出，各層之間并沒有嚴格的界限，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。 制氣原理 固體燃料的氣 化過程實際上主要是碳與氧的反應和碳與蒸汽的反應，這兩個反應稱為固體燃料的氣化反應。 表 以空氣為氣化劑主要反應方程 序號 反應方程式 1 C＋ O2（ ） =CO2（ +） 2 C＋ O2（ ） =2CO（ +） 3 C＋ CO2（ ） =2CO（ +=2） 4 2C＋ ＋ O2＋ =CO2＋ 表 以水蒸汽為氣化劑主要反應方程式 序號 反應方程式 1 C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 2 C＋ 2H2O（汽） =CO2＋ 2H2 3 CO＋ 2H2O（汽） =CO2＋ H2 4 2H2＋ O2=2H2O（汽） 5 C＋ H2=CH4 6 CO＋ 3H2=CH4＋ H2O 7 CO2＋ 4H2=CH4＋ 2H2O（汽） 間歇法制取水煤氣生產(chǎn)中，由于料層溫度不斷發(fā)生變化，因此此水煤氣組成也相應發(fā)生變化。在氣化爐燃燒層中，炭與空氣和水蒸汽的混合物相互作用時的產(chǎn)物稱為半水煤氣，其化學反應按下列方程式進行： 2C＋ O2＋ =2CO2＋ 10 C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 這種煤氣的組成由上列兩反應的熱平衡條件決定。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（習慣上稱為氮空氣）比例恰當以滿足半水煤氣中（ CO＋ H2）： N2=3 要求，但是在實際生產(chǎn)中要求半水煤氣（ CO＋ H2）： N2≧ [13]。 生產(chǎn)半水煤氣對固體原料性能的要求 （ 1）水分 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，降低打氣量，增加燒渣中碳含量，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 5%。 （ 2）揮發(fā)份 燃料中如果揮發(fā)份含量高，則制出的半 水煤氣中甲烷和焦油含量高。 ① 甲烷存在直接影響原料消耗定額和氨的合成能力。 ② 焦油含量高，煤粒相互粘結成焦拱，破壞透氣性，增大床層阻力，妨礙氣化劑均勻分布。 ③ 焦油含量高，因易沉積在管道和羅茨鼓風機轉子和機內(nèi)殼上，更嚴重的會沉積在一段壓縮機入口管道和活門上，給生產(chǎn)帶來極大不利。因此，要求燃料中揮發(fā)份小于 6%。 （ 3）灰份 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?，不僅增加運輸費用和排灰設備磨損，而且降低煤氣發(fā)生爐的生產(chǎn)能力 ， 所以 要求燃料中灰份小于 15%。 （ 4）硫份 煤中的硫份在氣化過程中轉化為含硫氣體，不僅對設備和系統(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，對含硫量有一定的要求，并應在凈化過程中將其除去。 （ 5）化學活性 化學活性高的燃料，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）機械強度 機械強度高，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，機械強度低會使爐內(nèi)阻力和氣體帶出物增加，氣化能力下降，消耗增高。 11 （ 7）熱穩(wěn)定性 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）粒度 固體原料粒度大小和均勻性也是影響氣化指標的重要指標的重要因素之一。粒度小，與氣化劑接觸面積大，氣化效率和煤氣質(zhì)量好。但粒度太小，會增加床層阻力，不僅增加電耗，而且煤氣帶走灰渣也相應增多，使煤耗增大。粒度大，則氣化不完全，灰渣中碳含量增加。所以，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，應采用熱穩(wěn)定性好、機械強度高、不粘 結、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高，灰分熔點較高的原料 [11]，本設計采用無煙塊煤。 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）。它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，以煤標準狀態(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 [16]。為了 達到 以上的要求，氣化過程的工藝條件有： （ 1）溫度 反應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的限制，高溫熔融將造成爐內(nèi)結疤。故爐溫通常應比灰熔點低 50℃ 左右，工業(yè)上采用爐溫范圍 1000~1200℃ [17]。 （ 2）吹風速度 提高爐溫的主要手段是增加吹風速度和延長吹風時間 ， 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，通過提高吹風速度，迅速提高爐溫， 12 縮短二氧化碳在還原層的停留時間 ， 以降低吹風氣中的一氧化碳含量，減少熱損失。 （ 3）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。當燃料活性好。爐溫高時，加大蒸汽流量可加快氣化反應，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。 （ 4）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，但在吹風階段，由于空氣與燃料接觸時間 加 長，吹風氣中 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)實踐經(jīng)驗，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。 （ 5）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，因反應速度慢，應采用較長的循環(huán)時間。 （ 6）氣體成分 主要調(diào)節(jié)半水煤氣中（ H2+CO）與 N2比值。方法是改變加氮氣，或改變空氣吹凈時間。在生產(chǎn)中還應經(jīng)常注意保持半水煤氣中低的氧含量（ ≤%） [18]，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： (1)不回收廢熱的流程 吹風直接放空，上下行煤氣直接進入冷卻凈化系統(tǒng)，故其熱效率差。一般為小型水煤氣站采用。 (2)只利用吹 風 氣特點持有熱的流程 該流程在吹風階段，將吹風氣通過燃燒室，同時向燃燒室