固体燃料气化

固体燃料有：
• 1、无烟煤 • 2、粘结性烟煤与不粘结性烟煤（包括贫煤、炼焦煤、气 煤、气焰煤、肥煤、焰煤） • 3、褐煤 4、木质褐煤 5、泥煤 • 6、由粘结性烟煤或不同结焦性能的混合煤制得的焦炭和 半焦，以及从褐煤制得的半焦 • 7、由粉煤制成的型煤 • 8、碳化煤球等 • 常压固定层煤气炉生产合成氨原料气时，必须使用无烟煤 煤与焦炭。 • 造气车间的任务就是生产合格的（氢氮比符合合成氨要求 的）半水煤气。
炉的生产能力。但需要制氧设备，生产1t氨耗氧（标准 状态）量为300~500m3。
3.外热法
目前处于研究阶段。
四、间歇法制半水煤气的工作循环
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间歇法制造半水煤气时，空气和蒸气交替送入。
自上一次开始送入空气到下次开始送入空气为止，
称为一个工作循环。每个工作循环包括五个阶段。
①吹风阶段：
吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。为了
• 4、粘结性
• 有些煤（烟煤）在加热到一定温度时，炭质受热分解而成 塑性状态，继而出现软化、熔融现象，产生热分解后的液 态产物，在炭粒之间的接触和膨胀压力的作用下，使炭粉 相互粘结在一起而变成多孔性硬块，即所谓焦炭，这种煤 称为粘结性煤。无烟煤不发生或稍微发生熔融粘结现象， 而在放出挥发份后其本身成为粉末状的残渣，这种煤称为 不粘结性煤。
• 4、硫份 煤中的硫份在气化过程中转化为含硫气 体，不仅腐蚀设备管道，而且使催化剂中毒。
• 5、固定碳 固体燃料中除去灰份、挥发份、水份 和硫份以外，其余可燃性物质称为固定碳，它是 固体燃料中的有效物质。
煤的性质对气化反应的影响
• 1、化学活性 • 煤的化学活性也称为反应能力，是指煤与气化剂 反应的活性。 • 2、热稳定性 又叫抗热强度，可以理解为固体燃 料在落入高温区时保持其块度的性质，该性质除 了与煤形成年代有关外，主要与煤化程度有关 • 3、机械强度 • 指煤破碎的难易程度，一般来说，煤的机械强度 与煤的形成年代有关，年代愈久，强度愈大。机 械强度差的煤其热稳定性必然也差。
• 3、灰份 • 固体燃料完全燃烧后所剩余的残留物，灰份主要 的组分为二氧化硅、三氧化二铝、四氧化三铁、 氧化钙、氧化镁等物质，这些物质的含量对灰熔 点有决定性影响。固定层煤气炉一般要求燃料的 灰份含量不超过30%，灰份含量过高，相对地减 少了有效碳使煤的发热值降低，而且在燃烧或气 化过程中会妨碍气化剂与碳的接触，影响气化剂 的扩散，同时降低了燃料的化学活性，灰份含量 过高时不仅使气化条件复杂化，还加重了排灰机 械的负荷，使设备磨损加剧。
了解决这一矛盾，通常采用下列方法：
•1.间歇制气法 2.富氧空气（或纯氧）气化法 3.外热法
1.间歇制气法
用水蒸汽和空气为气化剂，交替地通过固定的燃料层，
使燃料气化，制得半水煤气。
通入空气的目的是与C燃烧，提供热量，并为合成氨提供
N2。通入蒸汽的目的是与灼热的C反应，得到H2和CO。
具体的生产过程：
二、固体燃料气化的基本原理
1.以空气为气化剂
C+O2=CO2+Q CO+0.5 O2 = CO2 +Q
C+0.5 O2 =CO+Q C+ CO2 =2CO-Q（可逆）
氧化反应速度极快，不可逆，空气中的 O2 迅速消耗，生 成物中CO2的浓度急速上升，并放热量。这过程在氧化层里 进行。所以氧化层的厚度比较薄。 CO2 的还原反应可逆，吸热，在还原层进行。在还原层 CO2的浓度逐渐下降，而CO的浓度逐渐增加。由于CO2的还 原反应速度比碳的氧化反应速度慢得多，所以还原层就比 氧化层要厚得多。
应在低压、高温下进行，而生产CH4含量高的高热值
煤气，应在高压、低温下进行。
碳与水蒸汽的反应速度，主要取决于温度和燃 料的化学活性。 燃料的化学活性愈高，反应速度愈快。燃料的 化学活性一般按无烟煤、焦碳、褐煤、木炭的顺序 递增。 温度升高，能加快反应速度。但温度受燃料灰 熔点的限制，不可能提得很高，因此实际生产中水 蒸气的分解率一般为40%～60%。
第一章 固体燃料气化
概述
• 所谓造气就是用气化剂对固体或其他原料进行热 加工的过程，其生成物为可燃性气体（煤气）。 固体燃料为各种煤和焦炭；气化剂有空气、富氧 空气、氧和水蒸汽、CO2。进行气化的设备称为 煤气发生炉。 • 固体燃料气化生成的煤气可分为： • 1、空气煤气：以空气为气化剂制的煤气。 • 2、混合煤气：以空气和适量水蒸汽混合为气化剂 制的煤气。 • 3、水煤气：以水蒸汽为气化剂制的煤气。 • 4、半水煤气：是以空气（或富氧空气）和适量的 水蒸汽
④二次上吹气阶段： 将底部残余的半水煤气排净，为送入空气创造安全 条件。 当下吹制气刚结束后，煤气炉下部及燃料层内残留
着半水煤气，如果立即吹风，空气和半水煤气在炉
底部相遇，就会发生爆炸。因此，当下吹制气阶段 之后，蒸气和加氮空气再次改变方向，自下而上通 过燃料层进行二次上吹制气，二次上吹阶段也能生 产半水煤气，但主要防止爆炸。
C+ CO2 =2CO-Q 该反应为可逆反应，平衡常数为
ln Kp
21000 21.4 T
计算可知：随反应温度升高， CO平衡含量增加， CO2平衡含 量下降；当温度高于900℃时， CO2含量已经很少，几乎全部 转化成CO。
CO和CO2的平衡组成与 温度的关系如右图。
反应速度 氧化层里碳与氧的燃烧反应非常迅速。 因此，加大吹风速度，增加氧的加入量， 对氧化层内的燃烧反应是有利的。
⑤空气吹净阶段： 吹净煤气炉上部空间及管道中的半水煤气并回收， 此部分吹风气也回收，作为氮的来源。
二次上吹后，煤气炉上部空间及管道中充满着半
水煤气，如果随着转入吹风阶段就立即放空，不仅损
失半水煤气，而且半水煤气排出烟囱时和空气混合，
遇到火星也可能引起爆炸。因此，再转入吹风之前， 从炉底部吹入空气，所产生的空气煤气与原来残余的
• 煤的粘结性会破坏气化层中气体的分布，使气化操作无法 进行。
工业上以固体燃料为原料，制取合成氨原料气的方法 :
(1)固定层间歇气化法
用水蒸汽和空气为气化剂，交替地通过固定的燃 料层，使燃料气化，制得半水煤气。 (2)固定层连续气化法 以富氧空气（或氧气）与蒸汽的混合气为气化剂 ，连续通过固定的燃料层进行气化。
半水煤气一并送入气柜，加以回收。然后转入吹风阶
段，重复循环。
还原层里CO2还原成CO的反应速度较慢 。提高反应温度，能加快二氧化碳的还原 速度。温度越高，二氧化碳的还原速度愈 快。燃料的化学活性愈高，灰分含量愈低 ，二氧化碳被还原为一氧化碳的反应速度 愈快。
2.以水蒸气为气化剂 C+H2O(g)=CO+H2-Q C+2H2O(g)=CO2+2H2-Q CO +H2O(g)= CO2 +H2+Q C+2H2=CH4+Q 四反应均为可逆反应，计算其平衡组成可知：
无烟煤
烟煤
褐煤
泥煤（泥炭）
煤的组成对气化反应的影响
1、水分 固体燃料的水份以三种形式存在即吸附水、游离水和化合 水。煤里的水份含量多少与煤化（即煤腐殖化）程度有关， 煤化程度越低则煤里的水份就越高，煤的质地就越致密， 这种水份称之为物理吸附水或固有水份；煤的外在水份 （附着水份）是指地下水和雨水附着在煤上的水份。煤的 外在水份和分析取样水份之和称为煤的全水份。煤的化合 水份（结合水份）在煤中是以结晶水形式存在的，与煤化 程度无关，即使加热到100℃化合水也不会析出。 水分高，有效成分少，气体产率低。气化过程水蒸气带出增 加，煤的消耗定额增加
第二节 固定层间歇气化法制取 半水煤气的基本原理
一、燃料层的分区
(1)干燥层：在燃料层的顶部。
(2)干馏层：燃料在此受热分解逐渐 焦碳化。 (3)气化层：气化反应发生的主要区 域。分氧化层和还原层。 (4)灰渣层：在炉底，能预热和 均匀分布自炉底进入的气化剂。 (5)自由空间：干燥层上面，没 有燃料的空间，起聚积煤气的作用 。
3.以空气和水蒸汽同时为气化剂 以蒸汽与空气同时为气化剂，燃料层中气体组成 的变化如下： 在灰渣层，气化剂只被预热，不发生化学反应； 在氧化层，主要发生碳的氧化反应，氧的含量急 剧下降，CO2的含量急剧上升，并有一定的CO开始 生成，蒸汽的含量变化不大，
在还原层，主要进行水蒸气的分解及CO2的还原 反应，因此蒸汽和CO2含量迅速下降，H2和CO含量 迅速增加。
三、半水煤气的制造 1、半水煤气生产的特点
半水煤气中 (CO+H2)/N2=3.1--3.2. 从气化系统 热平衡看，碳和空气反应是放热反应，碳和水蒸 气反应是吸热反应，若外界不提供热量，要维持
系统自热平衡，则得不到组成合格的半水煤气，
若获得组成合格的半水煤气，则系统不能维持自
热平衡。这可通过以下计算证明：
回收利用吹风气中CO的反应热量，将吹风气送入燃
料室，并加入适量的空气，与一氧化碳燃烧放出热 量储于燃料室的储热砖内，吹风气从烟囱放出。在 下吹制气阶段，气化剂进入煤气炉之前，先通过燃 烧室吸收储存的热量，提高气化剂的温度。
②一次上吹制气阶段：
从煤气炉底部通入混有合适量空气的
蒸气进行气化反应，燃料层下部温度下 降，上部升高。 制气阶段给蒸气中加入空气的目的主 要是为了得到氮气，制得半水煤气，故
图2-4 0.1013MPa碳-蒸汽反应 的平衡组成
图2-5 0.2026MPa碳-蒸汽反应的
平衡组成
（1）随着温度的升高，CO 和H2的含量增加，CO2 、CH4和H2O的平衡含量下降，0.1MPa下温度高于
900 时， 产物中，含有等量的CO和H2，其他组成
含量接近于零。 （2）随着压力的提高，气体中CO2、CH4和H2O的 平衡含量增加，而CO 和H2的含量减少。 （3）所以，欲制得CO 和H2的含量高的水煤气，
将固体燃料由煤气炉顶部加入，从炉底通入空气进行吹风
阶段，吹风气大部分放空，小部分回收。然后通入蒸汽进
行制气阶段，生成的水煤气与回收的吹风气混合后得到半 水煤气。随着制气过程的进行，燃料层温度下降，需要再 次通入空气升温。
2.富氧空气（或纯氧）气化法
以富氧空气（或氧气）与蒸汽的混合气为气化剂，连续
通过固定的燃料层进行气化。简化了流程，提高了煤气
• 2、挥发份 • 在一定温度下干馏（隔绝空气）析出的气体（碳 氢化合物），在气化过程中能分解变成氢气、甲 烷以及焦油蒸汽等。它与煤化程度有关，煤化程 度越低挥发份越高，含量少的1~3%，多的达50% 以上，一般来讲挥发份高的煤粘结性较强，挥发 份低的煤粘结性较差，挥发份较高的燃料其机械 强度、热稳定性一般都比较差。
燃料层的分区
(1)干燥层：在燃料层的顶部。 (2)干馏层：燃料在此受热分解 逐渐焦碳化。
(3)气化层：气化反应发生的主 要区域。分氧化层和还原层。 (4)灰渣层：在炉底，能预热和 均匀分布自炉底进入的气化剂 。 (5)自由空间：干燥层上面，没 有燃料的空间，起聚积煤气的 作用。
3.气流层气化法 在高温下，以氧和水蒸气混合气为气化剂， 与粒度小于0.1mm的粉煤并流气化，生产有效成 分（H2+CO）高达80%～85%的煤气 。 4.水煤浆加压气化法 （德士古水煤浆气化法） 将原料煤和水按一定比例，加到磨煤机中磨 成水煤浆，经加压后和氧气一起由喷嘴喷入气化 炉内，进行气化反应，制得水煤气。
称为加氮空气。
③下吹风阶段：
将蒸气和加氮空气自上而下送入进行气化反应，
使燃料层温度趋于均衡。 •在制气阶段，如果蒸气和加氮空气只自下而上的 通过燃料层，由于气化剂温度比较低和气化反应大 量吸热，将使气化层底部的燃料温度降低，甚至熄
灭，由于气化层变薄，而燃料层上部不断地被高温
煤气加热，使气化层上移，煤气炉上部温度升高， 煤气带走地显热损失增加。所以，在上吹制气阶段 之后，必须改变气流方向。
假如气化过程只生成氢和一氧化碳， 2C+O2+3.76N2=2CO+3. 76N2 +220.9kJ
而碳和水蒸气反应为：C+H2O(g)=CO+H2-131.4kJ
若系统达到自热平衡，总反应为：
3.68C+O2+1.68 H2O(g) +3.76N2=
3.68CO +1.68H2 +3. 76N2 计算可得，(CO+H2)/N2=1.43，远小于3.1—3.2，为