第4章无机化学工艺学合成气

属于气流床煤气化典型炉型之一。特征是对于 气化的原料适应性强，各种煤和焦、液态和气 态的烃，有万能炉之称。这是一种高温气流床 熔融排渣煤气化设备。采用气-固相并流接触， 煤和气化剂在炉内停留时间仅几秒钟。
属于气流床煤气化典型炉型之一
煤粉与气化剂混合，从炉子两侧水平方向以射流形 式喷入炉内，立即着火，中心温度高达2000℃。
第四章 合成气
主要内容
绪论 合成气的生产（煤气气化） 合成气的净化 合成气系化学品
第一章 绪论
合成气是以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合 成用的一种原料气。
合成气的生产和应用在化学工业中具有极为重要 的地位。自1913年用合成气生产氨后，合成甲醇， 费托法生产液体燃料，羰基合成法生产脂肪醛和 醇，甲醛羰基化生产醋酸等工艺过程相继开发成 功。70年代石油涨价以后，又提出了“碳一化学” 的概念。 C1化学，就是以分子中只含一个碳原子的化合物 （如CO、CH3OH等）为原料来合成化工产品的 化学体系。
C
2H2
CH
4
,
H
298
74.90kJ /
mol
CO
3H 2
CH 4
H
2O(
g
)
,
H
298
206.29kJ
/
mol
CO2
4H2
CH 4
2
H
2O(
g
),
H
298
165.10kJ /
mol
2CO
2H2
CH 4
CO2
,
H
298
82.38kJ
/
mol
四、气化反应的化学平衡
气化反应的平衡状态是气化反应进行的限度，当气化反应 尚未达到平衡时，气化的推动力较大。达到平衡时就达到 了极限。气化反应的平衡状态既表明了变化的方向，也表 明了反应的限度，是研究氧化反应可能性的关键。
85%氧气，水煤浆走内环隙，氧气和水煤气并流入炉。
小结
例：间歇式制取半水煤气
间歇式抽取半水煤气一般包括6个阶段： ①吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风放空。 ②蒸汽吹净：将空气赶净，提高煤气质量。 ③蒸汽一次上吹：自下而上送入水蒸气进行气化反应，燃料层下部温度
下降，上部温度上升。 ④蒸汽下吹：水蒸气自上而下进行气化反应，使得燃料层温度趋于均匀。 ⑤蒸汽二次上吹：将炉底部的下吹煤气排净，为吹入空气作准备。 ⑥空汽吹净：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中N2的主要来源。
二、气化炉的分类
1、按气化方式分：固定床、流化床、气流床 等
2、按原料的粒度分：块煤、细粒煤和粉煤。 3、按气化的排渣方式分：固态排渣和液态排
渣。 4、按气化压力分：常压和加压。 5、按气化炉的供热方式分：内热式和外热式。 6、按气化剂的种类分：（如下）
表2 按气化剂的种类分类
气化煤气名称 气化剂种类 煤气主要成分
K-T煤气化炉单炉生产能力大。缺点：耗氧量大。
德士古炉
燃烧室
激冷室
德士古炉主要特征是将煤制成70%的水煤浆，与纯氧一道 通过特殊设计的喷嘴喷入炉中。气化反应温度为 1350~1500℃，压力为1.8~ 3.6 MPa或更高的条件。属 于气流式自热反应器。
该炉的独特优点：比K-T炉设备结构简单，生产能力更大， 对原料适应能力强。
空气煤气。 约含50%的N2，一定量的CO 及少量CO2和H2。
水煤气。H2和CO含量约占85%。 混合煤气。主要用作工业气体燃料。 半水煤气。
将空气煤气和水煤气按H2+CO与N2物质的量比 3.1~3.2的比例进行复配。
一、煤气化的基本过程
一、煤气化的基本过程 煤或焦炭、半焦等固体燃料，在高温常压 或加压条件下，与气化剂反应转化为合成 气。固体燃料的气化过程是在气化炉内进 行的（煤气发生炉）。气化过程如图所示：
块煤给进气化炉顶部的闸斗仓，在进入气 化炉之前增压。 旋转的煤分配器确保煤在反应器各处均布 煤缓慢下移到气化炉。当煤下移时，由经 床层向上流动的燃料气加温；煤就被不断 干燥和挥去挥发分，然后气化。 床层底部紧靠炉蓖的上面是气化炉最热的 地方1000℃，在此处燃烧任何剩余的煤， 产灰生由的旋C转O炉2与蓖床排层出中并的在碳闸起斗反仓应中形减成压C。O蒸。 汽和O2被向上吹，通过炉蓖为气化过程 提供氧化剂。 所产生的气体在300-500℃离开气化炉， 利用水淬冷进行冷却和洗涤。该气化炉由 水夹套围绕，水夹套产生的蒸汽可用于工 艺过程中。
国内在中、小型合成氨生产中，主要还是用煤作为制 取合成氨原料气的。中国合成氨原料构成是以煤、焦 炭为主。 包括三部分：煤气化、蒸汽转化、部分氧化法。
表1 中国合成氨的原料构成/%
年份 煤、焦炭 渣油、石脑油 天然气、焦炉气 其他
Байду номын сангаас
1985 60.99
15.09
22.17
0.75
1990 63.47
16.94
以空气为气化剂 表3 以空气为气化剂的平衡常数
表4 总压0.1MPa时，空气煤气的平衡组成（V）/%
温度/℃ 650
CO2 10.8
800
1.6
900
0.4
1000
0.2
CO 16.9 31.9 34.1 34.4
N2 72.3 66.5 65.5 65.4
α=CO/(CO+CO2) 61.0 95.2 98.8 99.4
水煤气 反应
水煤气平 衡反应或 CO变换
反应
C
H2O(g)
CO
H2,
H
298
131.39kJ
/
mol
C
2H 2O( g )
CO2
2H
2
,
H
298
90.20kJ
/
mol
CO
H2O(g)
CO2
H2,
H
298
41.19kJ
/
mol
生成甲烷的反应（气体间的均相反应）
气化煤气中的甲烷，一部分来自气化原料 挥发物的热裂解产物，另一部分是炉内的碳与 气化剂或产物中的氢的反应的结果。
煤气主要用途
空气煤气 混合炉气
水煤气
空气
空气-水蒸 气
水蒸气
蒸气-氧气煤气
氧气-水蒸 气
CO、N2 CO、H2、N2
CO、H2 CO、H2
工业燃气
工业燃气
化工原料气、城市燃气 补充气源
化工原料气、城市燃气 补充气源
代用天然气
氢气
CH4、CmHn、H2
城市燃气
气化炉
将煤在气化炉内的运动方式分为：固定床（移动床） 气化法、流化床气化法、气流床气化法。其相应的 气化设备为：
温克勒炉优点：
沸腾层温度分布均匀，近似等温操作。气化剂与 煤以沸腾床方式进行气化，常压操作，温度 900℃~1000℃，煤在炉中停留时间0.5~1h。 生成气中甲烷含量较低，不含焦油。
温克勒炉缺点：
需用活性褐煤为原料，炉内存在严重逆向混合， 灰渣中残炭量高，气化效率低。目前，合成氨厂 较少采用。
K-T炉
的半水煤气发生量约1000m3·h-1，
生产强度较低。
气化剂
UGI炉的缺点：
要求使用热稳定性好，灰熔点高的块状无烟煤或焦炭， 不能使用其它劣质煤等原料和粉煤。
该炉齿轮转动部件磨损严重，维修量大，底盘内易结疤， 清除困难。
间歇法生产，单炉生产能力低，不易大型化。
常压气化，原料气压缩功耗能大。
间歇操作、生产管理难度大。
固定床气化炉：UGI煤气化炉，鲁奇煤气化炉等； 流化床气化炉：温克勒气化炉等； 气流床气化炉：K-T煤气化炉，德士古煤气化炉等。
UGI煤气化炉
这是一种常压固定床煤气化设备。 炉子为直立圆筒形结构。炉体用 钢板制成，下部设有水夹套以回 收热量、副产蒸汽；上部内衬耐 火材料，炉底设转动炉篦排灰。 气化剂可以从底部或顶部进入炉 内，生成气相应地从顶部或底部 引出。以空气、蒸汽、为气化剂 制取半水煤气或水煤气时，都采 用间歇式操作方法。 UGI炉气化温度为1000~1250℃， 以无烟煤为原料时，甲烷、煤焦 油及酚才含量均较低。为避免堵 塞煤层或气流分布不均，需采用 一定粒径范围的煤块。 UGI炉结构简单，易于操作，热 效率较低。但每平方米炉膛面积
第一章 绪论
因此近年来不仅研究以合成气，也研究也甲醇作为重要的 基础原料，用以合成一系列以乙烯为基础原料的基本有机 化工产品。
由此可知，通过碳一化学路线合成醇、醛、酸、酮等含氧 化合物及其衍生物等，虽然其经济性尚不能与石油化工竞 争，但对开发煤资源具有重要的意义，也展示了新一代的 煤化工技术。
合成气由含碳矿质如煤、石油、天然气以及焦炉煤气、炼 厂气等转化而得。按合成气的不同来源、组成和用途，它 们也可成为煤气、合成氨原料气、甲醇合成气等。合成气 的原料范围极广，生产方法甚多，用途不一。组成（体积 %）有很大差别：H232~67、CO10~57、CO22~28、 CH40.1~14、N20.6~23
阶段
阀门开闭情况
1 23 4
5 67
吹风
○ ×× ○ ○ × ×
蒸汽吹净 × ○ × ○ ○ × ×
一次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
下吹
× ×○ × × ○ ○
二次上吹 × ○ × ○ × ○ ×
空气吹净 ○ × × ○ × ○ ×
○—阀门开启；×—阀门关闭
三、气化的基本反应（3类）
碳与氧的反应
灰渣中的一半以熔渣形式排入水封槽，另一半随生 成气带出炉外。出炉口时，先用水急冷到熔渣固化 点(1000℃)以下，防止粘结在紧接炉出口的辐射 锅炉炉壁，然后进入对流锅炉回收废热,最后去除 尘和气体净化系统。
K-T炉最关键的问题是炉衬耐火材料与煤的灰熔点 和灰组成必须相适应，尽量减少熔渣对耐火材料的 侵蚀作用。