化学工艺学教案6(化工12本)-胡江良

④半水煤气：用水蒸汽加适量空气或富氧空气作为气化剂，生成的气
体成分为(CO十H2)／N2＝3.1～3.2(摩尔比)，即含N为21%～22%时，称为半水煤气。半水煤气是合成氨的原料气。
工业煤气的组成如下表：
煤气名称
气体组成，体积（%）
H2
CO
CO2
N2
CH4
O2
H2S
空气煤气
0.9
33.4
0.6
64.4
③以空气和适量的水蒸气为气化剂，碳与氧、水蒸气同时反应，当空气和适量的水蒸气混合通过高温燃料层时，在气化层理同时发生碳与氧和碳与水蒸气的反应，虽然此时反应过程更加复杂，但是其反应过程、反应式及影响基本上与碳与氧和碳与水蒸气分别发生的情况一致。
（3）半水煤气的制造
半水煤气是生产合成氨的原料气，其生产方法可采用固定层间歇气化法或固定床连续气化法制备获得。当无论哪种方法，最终必须满足（CO+H2）/N2(体积比)为3.1～3.2的工艺要求。
教学重点及难点：
重点：固体燃料气化的原理、固定床间歇气化法制半水煤气工艺条件
难点：固体燃料气化的原理
教学基本内容
方法及手段
第3章合成氨
3.2合成氨原料气的制备
3.2.1固体燃料气化制备合成氨原料气
固体燃料气化是指用氧或含氧气化剂对固体燃料（煤、焦炭或水煤浆）进行加热，使碳转变为可燃性气体的过程，在合成氨厂简称造气。气化所得的可燃气体称为煤气，进行气化的设备称为煤气发生炉（固体燃料气化器）。
0.5
-
-
水煤气
50.0
37.3
6.5
5.5
0.3
0.2
0.2
混合煤气
11.0
27.5
6.0
55.0
0.3
0.2
-
半水煤气
37.0
33.3
6.6
22.4
0.3
0.2
0.2
（2）合成氨原料气生产方法
目前，工业上以固体燃料为原料生产合成氨原料气的方法主要有以下几种：
①固定层间歇气化法：以固体燃料为原料，气化剂（空气和水蒸汽）交替地通过固体燃料层，使燃料气化，制备合成氨原料气的过程。
2、吹风速度
为了减少热量损失而最大限度地降低煤的消耗，要求吹风阶段应在最短的时间内将炉温升至气化过程所需的温度。加大吹风速度以供给氧化层足够的氧气会加速碳的燃烧反应，使炉温迅速提高，缩短二氧化碳在还原层的停留时间，降低一氧化碳在吹风气中的含量以减少热损失。但吹风速度过大，会把小块燃料吹出炉外，燃料损失加大甚至吹成风洞使气化条件恶化。一般，对于直径2.74m的煤气炉，使用大块煤时吹风量控制在18000-32000Nm3/h；使用小块煤时，吹风量整制在13000-32000 Nm3/h。
3、蒸汽用量
水蒸气用量是控制和调节煤气产量与质量的重要手段之一，水蒸气用量越大，制气时间越长，则煤气产量越大；但水蒸气过多会使炉温降低。通常内径2.74m的煤气发生炉蒸汽用量为5~7t/h。
4、燃料层高度
在制气阶段，燃料层高则水蒸气停留时间加长，温度较为稳定，有利于水蒸气的分解；但对于2.75m内径的煤气炉，从风帽算起燃料层高度为1.6~1.8m。
5、循环时间及分配
一般一个循环时间为2.5~3min。
工作循环时间取决于燃料的性质和各阶段的操作要求。不同燃料循环时间分配百分比例如表所示。
6、气体成分
用于合成氨原料的半水煤气要求为(CO十H2)／N2＝3.1~3.2，(CO十H2)＞68％。可通过改变空气用量、增加回收阶段时间、变化被回收的吹风气量来调节氮含量。此外，应尽量降低甲烷、二氧化碳和氧含量，不允许O2≥0.5％。
(2)固体燃料气化的原理
固体燃料固定层间歇气化法生产半水煤气时，吹风和制气是交替进行的。首先使空气或富氧空气通过燃料层，碳与氧发生放热反应以提高炉温；然后蒸汽通过燃料层，碳与蒸汽发生吸热反应制得合成氨粗原料气。
①以空气或富氧空气为气化剂，碳与氧的反应在吹风阶段，当空气或富氧空气通过高温燃料层时，碳与氧发生的反应：
3.2.1.1固体燃料ຫໍສະໝຸດ 定层间歇气化法制半水煤气固定层间歇气化法制取半水煤气是将固体煤从炉顶以间歇方式加入煤气发生炉中，空气(或富氧空气)从炉底加入，自下而上通过燃料层，在燃料层内进行气化反应生成半水煤气。气化后的灰渣从炉底徘出。固定层煤气发声炉内燃料层的分区（层）在稳定的气化条件下，燃料层大致划分为干燥区、干馏区、气化区和灰渣区。
碳与空气发生放热反应、与水蒸气发生吸热反应。
当系统维持自热平衡时，空气与水蒸气同时进行气化反应时，如不提供外部热源，则气化产物中 的含量大大低于合成氨原料气配比要求。
为解决气体成分与热量平衡这一矛盾，可采用下列方法。
①富氧空气气化法：②蓄热法：③外热法
（4）固定床间歇气化法制半水煤气的工作循环
固定层间歇气化法制造半水煤气时，需要向煤气发生炉内交替地送入空气和水蒸气，燃料层温度随空气的加入逐渐升高，随水蒸气的加入又逐渐下降，呈周期性变化，生成煤气的组成亦呈周期性变化，这是工业生产过程中间歇制气的重要特点。
为了保持炉温的稳定及操作安全，每个工作循环包括5个阶段。
①吹风阶段:送风发热、提高炉温；
②一次上吹制气阶段:将水蒸气和炉气从炉底吹入，与燃料层中炽热的碳发生反应生成半水煤气，并经废热锅炉、洗涤塔后送入气柜；
③下吹制气阶段：吹后炉层温度降低，但上层温度尚高，仍可利用热能，故改为下吹造气。先从炉顶向下吹几秒水蒸气，防止直接吹空气与煤气相遇爆炸。得半水煤气从炉底导出，并送至气柜；
以煤为原料，间歇法气化过程生成半水煤气的组成，按体积百分比计应为：CO：30.31％，CO2：8.35％，H2：38.73％，N2：21.58％，CH4：0.73％，O2：30％及H2S：1.276g／Nm3
7.二次空气用量：
作用：回收热量，太少不能充分回收，太多容易爆炸，要求加入二次空气后出燃烧室的吹风气中一氧化碳和氧的含量均小于1%。
综上所述，在吹风阶段，为了加快碳与氧的燃烧反应、减少二氧化碳的还原反应，应当提高空气的流速，并且燃料层的高度和燃料层的温度不能过高。
②以水蒸汽为气化剂，碳与水的反应在制气阶段，当水蒸汽通过高温燃料层时，碳与水蒸汽首先发生下列反应：
当温度较低时还会发生生成甲烷和一氧化碳转化为氢的副产物反应：
制气阶段通入水蒸气进行气化的目的是制得含氢和一氧化碳的原料气，即希望式（3-12）、式（3-13）、式（3-14）按正式进行，尽量避免反应（3-15）、反应（3-16）发生。
5、气化总效率：制得半水煤气的热值与气化过程所消耗燃料煤的热值和蒸汽带入热量的和之比。
3.2.3固定层间歇气化法制半水煤气的工艺条件
1、操作温度
在煤气发生炉中，最高温度点是在氧化层处，燃料层温度沿炉轴向而变。炉温高时，有利于生成一氧化碳和氢气，反应速率增快，能生产质量高的半水煤气和具有较高的产气量。但若炉温过高，则会造成燃料浪费和热量损失加大，当达到灰渣熔点时，炉内结疤会影响正常操作。一般炉温控制点为比燃料的灰熔点低50~100℃。工业上采用的炉温范围一般为1000-1200℃。
②固定层连续气化法：在高温下，以氧和水蒸气的混合物为气化剂，连续通过固体燃料层进行气化，制备合成氨原料气的过程。
③气流层气化法：在高温下，以氧和水蒸气混合物为气化剂，与粒度小于0.1mm的粉煤并流气化，获得有效成分（CO＋H2）高达80～85%的煤气，灰渣呈熔融状态排除。
④水煤浆加压连续气化法：此法也程德士古水煤浆气化法，将固体原料煤和水按一定比例加到磨煤机中磨成水煤浆，加压后和氧一起有喷嘴喷入气化炉内，进行气化反应，制得水煤气。
8.间歇气化对固体燃料的要求
水分＜5%；挥发分＜6%；灰分15-20%，一般＜25%；硫分含量＜1.5g/m3;
灰熔点越高越好，不低于1250℃；燃料的机械强度和热稳定性；粒度为25-100mm。
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作业、讨论题、思考题：
（1）以空气或富氧空气为气化剂，气化的原理？
（2）固定床间歇气化法制半水煤气的工作循环包括那几个阶段？
上述四个反应，式（3-9）、式（3-10）、式（3-11）的平衡常数很大，反应主要向正向进行，可视为不可逆反应，反应结果是使燃料温度升高。而式（3-12）的平衡常数随温度变化而变化，是一个可逆反应，正向反应的结果是使燃料温度降低。因此应选择适宜的操作条件，控制反应（3-12）的发生。
式（3-10）、式（3-12）为体积增大的反应，而且吹风阶段都是不希望发生的反应。
（3）固定层间歇气化法制半水煤气的工艺条件？
参考资料（含参考书、文献等）
《化学工艺学》（第三版），潘鸿章主编高等教育出版社2010年出版；
《化学工艺学》（第三版），黄仲九，房鼎业，浙江大学著，高等教育出版社2008年出版。
教学反思：
④二次上吹制气阶段：自炉底吹水蒸气，将炉中水煤气排出，为重新进行空气吹风做准备，同时回收炉内残存的半水煤气，防止直接送入空气引起爆炸；
⑤空气吹净阶段：将空气从炉底吹入，把炉内残存的半水煤气和含氮吹风气一起吹出并送入气柜。持续时间更短。
五个阶段为一个循环，每个循环需3～4min。生产出的半水煤气中：
H2%=38～42%；CO%=27～31%；N2%=19～22%；CO2%=6～9%。
化学工艺学课程教案
课次
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课时
2
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实验课□习题课□
其他□
授课题目（教学章、节或主题）：
第3章合成氨
3.2合成氨原料气的制备
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
1.熟悉合成氨原料气的生产方法
2.熟悉固体层煤气发生炉内燃料层分区
3.掌握固体燃料气化的原理
4.熟悉固定床间歇气化法制半水煤气的工作循环的五个阶段
①干燥层：新补充的燃料煤与热煤气接触将夹带的水分蒸发。