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河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸
第二节 固体燃料气化法
一、概述
固体燃料（煤、焦炭或水煤浆）气化：用氧或含氧气化剂对其进行热加工，使碳转变为可燃性气体的过程。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。 二、基本概念
1、煤的固定碳；固体燃料煤除去灰分、挥发分、硫分和水分以外，其余的可燃物质称为固定碳。 2、煤的发热值：指1公斤煤在完全燃烧时所放出的热量。
3、标煤：低位发热值为7000kcal/kg的燃料4．空气煤气：以空气作为气化而生成的煤气其中含有大量的氮(50％以上)及一定量的一氧化碳和少量的二氧化碳和氢气。
5．混合煤气(发生炉煤气)：以空气和适量的蒸汽的混合物为气化剂生成的煤气，其发热量比空气煤气为高。在工业上这种煤气一般作燃料用。
6．水煤气：以蒸汽作为气化剂而生成的煤气，其中氢及—氧化碳的含量高在85％以上，而氮含量较低。
7．半水煤气：以蒸汽加适量的空气或富氧空气同时作为气化剂所创得的煤气或适当加有发生炉煤气的水煤气，其含氮量为21—22％。
三、气化对煤质的基本要求
(1)保持高温和南气化剂流速
(2)使燃料层各处间一截而的气流速度和温度分布均匀。这两个条件的获得，除了与炉子结构(如加料、排渣等装置)的完善程度有关外，采用的燃料性质也具有重大影响。 1水分：<５％ 2挥发份：<６％
煤中所含挥发分量和煤的碳化程度有关，含量少的可至I一2％，多的可达40％以上。它的含量依下列次序递减：
泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤 焦炭
气化挥发分较高的燃料所制得的煤气中甲烷含量也高。如果制得的煤气作燃料用，则增高甲烷含量能提高煤气热值；但如果制得的煤气作合成氨原料气用．则甲烷为惰性气它不仅增加动力和燃料消耗，而且降低炉子的制气能力。所以在固定层煤气发生炉中，用于制取合成氨原料气的燃料，要求其挥发分以不超过6％为宜。 3灰份：15-20％
灰分中主要组分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。这些物质的含量对灰熔点有决定性影响。
各种煤的灰分含量，低的约为5％，高的可达30％以上。焦炭中的灰分含量随原煤中灰分含量而定。灰分高的燃料，不仅增加运输费用，而且使气化条件变得复杂化。当灰分过高时，在气化过程中由于部分碳表面为灰分所覆盖(特别是块状燃料)，减小气化剂与碳表面的接触面积，因而 降低了燃料的反应活性。此地还会位随灰渣排出的碳量增加，使热效率降低。 4硫分：<1 .5g/m3
煤中的硫分在气化过程中，转化为含硫的气体，不仅对金属有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程的特点，对含硫量有一定的要求，并应在气体净化过程中将其脱除。 ．
5灰熔点：>1250℃ 6机械强度和热稳定性
机械强度是指它的抗破碎力。煤的机械强度决定于煤的岩相组成、矿物质的含量、分布及碳此
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的程度。机械强度很差的燃料．在运输、破碎过程中甚至在进入固定层煤气发生炉后，易于破裂而生成很多不能用于气化的煤屑，这不仅增大原煤的消耗和造气成本，增加处理煤屑的困难，而且还 会影响气化过程的正常进行。
燃料的热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。不同气化方法，对燃料热稳定性有不同的要求。热稳定性差的燃料，在气化过程中易于碎裂，产生的大量粉尘及微粒，将被气流诺走或堵塞炉膛管这使燃料层阻力增大，过多消耗动力，甚至影响制气产量。
燃料之所以受热后不稳定，主要是由于下述三个原因；
(1) 在燃料层准备阶段(即干燥和干馏时)，释出水分和有机物的过程中，燃料裂碎。 （2）燃料中的碳酸盐受热分解为二氧化碳。
(3)燃料受热时，内外温度差大，以及由于夹石等膨胀系数不同而碎裂。 7燃料的成渣性能
燃料的成渣性能是指燃料在气化时是否易于烧结成渣。易于成波的燃料在用于燃烧和气化而受到高温时，容易软化熔融而生成镕渣块，使排灰和气化剂的均匀分布发生困难，以致不得不降温操作，从而导致气体质量和产量下降。一般认为，在灰分中的氧化铁、氧化钙、氧化镁和氧化亚铁的含量越多，越易结渣；合氧化铝和二氧化硅越多，则熔点较高不易结渣。 8、粘结性
粘结性是煤在高温下干馏粘结的性能。对炼焦来说，煤具有粘结性是十分需要的；但是对制造煤气来说，不宜采用黏结性的煤。因为在气化过程中煤粒相互粘结后，生成焦拱，破坏燃料层的透气性，妨碍气化剂的均匀分机傻气化操作难以正常进行。 9、燃料粒度 25—100mm
入炉燃料粒度大小和粒度范围，影晌气化时的质交换和热交换条件。
粒度小的燃料，反应表面大，有利于气化反应，但是会使气化剂通过燃料层时的阻力增大，并限制气化剂的最大流速(因为气化剂流速应在带出燃料量的允许范围以内)。粒度范围大，易产生小粒填充大粒间隙的现象，使燃料层阻力增大。同时还会使加料入炉时大粒偏布炉壁，小粒集中中央，产生所谓“偏析”现象，影响气流分布。
一般在制取水煤气或半水煤气的固定层煤气发生炉中所用的燃料采取分级过筛，粒度分为25—100毫米和10一40毫米两种，可较粒度大小混烧的提高制气能力。发生炉煤气炉中用的燃料可在5—25毫米。 四、煤气化的基本原理 C＋O2+3.76N2=CO2 +3.76N2 C＋H2O=CO+H2 煤气化的工业方法：蓄热法：中小氮肥使用的方法 富氧法：较节约和有发展前途的方法 蓄热法：若能充分利用太阳能最理想化 五、气化炉结构和燃料层的分区 区域 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 区域名称 用途及进行过程 灰渣层 分配气化剂，防止炉篦超温。借灰渣的显热预热气化剂 氧化区 碳被气化剂中的氧氧化成CO、（燃烧区） CO2，并放出热量 还原区 CO2还原成 CO，或蒸汽分解为氢；原料被气体预热 化学反应
Ⅳ 干馏区 Ⅴ Ⅵ 干燥区 空间 C+O2＝CO2 2C+O2＝2CO C+CO2＝2CO C+H2O ＝CO+H2 C+2H2O ＝CO2+2H2 CO+H2O＝CO2+H2 原料依靠气体换热进行热分解， 并析出下列物质：水分、挥发分、焦油 依靠气体的显热，来蒸发原料中 的水分 起积聚煤气的作用 14 第三节 半水煤气的制取
一、固体燃料的气化：碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。 以空气为气化剂的反应：
C+O2＝CO ΔΗ0R＝-393.770KJ /mol 2C+1／2O2＝CO ΔΗ0R＝-110.595KJ /mol C+CO2＝2CO ΔΗ0R＝170.284KJ /mol
CO+1／2O2＝CO2 ΔΗ0R＝-283.183KJ /mol 以蒸汽为气化剂的反应： C+H2O（g） ＝CO+H2 ΔΗ0R＝131.39KJ /mol C+2H2O （g） ＝CO2+2H2 ΔΗ0R＝90.202KJ /mol
CO+H2O＝CO2+H2 ΔΗ0R＝-41.19KJ /mol C+2H2＝CH4 ΔΗ0R＝-74.9KJ /mol C+CO2＝2COC+O2＝CO CO+1／2O2＝CO2
无论从那一种理论出发，在固定层煤气发生炉中，我们都可以认为在氧化区中存在着大量的二氧比碳与一氧化碳。为了制取煤气必须将二氧化碳还原为一氧化碳，并且就在还原区中进行。所以还原区是煤气发生炉中燃料层的最重要的区域，反应C+CO2＝2CO为空气煤气生成过程中的基本反应。该反应基本上决定了所制出气体质量和气化强度。此反应在高温800以上以显著的速度进行；在低温下反应速度不大，几乎等于零。C+CO2＝2CO的反应是复杂的多相过程，并且是通过以下四步过程进行的：
第一阶段
第三阶段
三 气化反应的动力学过程
气化反应属于气固相系统的多相反应。整个过程包括物理和化学两个过程，可分成下列各步骤： 1．气流中的活性组分向碳的表面扩散（物理过程)。 2．活性组分被碳表面所吸附(物理过程)。 3．生成中间产物(或反应产物)(化学过程)。 4．中间产物分解成反应产物(化学过程)。 5．反应产物脱附(物理过程)。
6．反应产物扩散入气流中(物理过程)。
四 制气过程
工作循环：间歇式气化时，自上一次开始送入空气至下一次再送入空气止，称为一个工作循环。 1．吹风：吹入空气，提高燃料层温度，回收显热和潜热后吹风气放空。
2．蒸汽一次上吹制气： 自下而上送入水恭汽进行气化反应，燃料层上部温度升高，下部降低。 3．蒸汽下吹：水蒸汽自上而下进行气化反应，使燃料层温度趋于均衡。 4．二次上吹制气：将炉底部下吹煤气排净，为吹入空气作准备。
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5．空气吹净：回收此部分吹风气，作为半水煤气中氮的主要来源。间歇式制气工作循环中各阶段气体的流向如图
五 气化效率(一)气化效率
间歇式制造半水煤气的过程中，吹风阶段的效率称为吹风效率，制气阶段的效率称为制气效率，吹风效率与制气效率综合起来称为气化过程的总效率。 1．吹风效率
吹风效率是指积蓄于燃料层中的热量与吹风阶段消耗燃料煤的热值之比。若不考虑煤气发生炉的热损失，积蓄于燃料层中的热虽应等于吹风阶段反应放出的热量与吹风气的烙值之差，因此吹风效率可用下式表示
2．制气效率
制气效率是指制气阶段所产煤气的热值与制气阶段消耗燃料煤的热值、入炉蒸汽的焓值及吹风时积蓄于燃料层中可以利用的热量三者之和之比，可用下式表示
3．气化总效率
气化总效率是指气化过程制得半水煤气的热值与气化过程所消耗燃料煤的热值和入炉蒸汽焓值的和之比
随着燃料层温度上升，吹风气温度上升．二氧化碳含量下降，吹风效率下降，但制气效率上升。所以温度对吹风效率和制气效率有着不同的影响。在800-850〔时总效率最高。 六 工艺条件
吹风速度：提高吹风速度，氧化层反应加速，且使二氧化碳在还原层停留时间减少，吹风气中CO含量降低，减少了热损失。但风量过大将导致飞灰增加，燃料损失
加大，甚至燃料层出现风洞以致被吹翻，造成气化条件严重恶化。 碳层高度：制气阶段，碳层高度的增加，蒸汽分解率增加，吹风阶段，随碳层高度的增加停留时间延长，二氧化碳增加。
系统阻力：阻力来自碳层高度和系统管径及弯头数量、洗气塔液位。阻力大，电耗高，制气强度差。 气体组成：氧含量小于0.5％，
甲烷含量小于0.5-1.0％，
(H2+CO)/N2=3.1-3.2 硫化氢越低越好。 七 工业方法和工艺流程
八 间歇、连续法造气对比
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