煤化工课程设计
第1章前言
1.1概述
固定床煤气化技术是最先实现运用的工业化技术，在此基础上发展起来的合成氨工业为粮食增产和军工业的发展奠定了重要的基础。国之大事无非足粮足兵，粮食充足则天下大定，诸项事业皆可繁荣；兵坚器锐则国自安，外敌无隙可乘。德国作为后起的帝国主义国家，外无广大的殖民地可供掠夺并提供原料，国内资源缺乏。但是德国通过发展合成氨工业，既解决了粮食问题，又解决了军事工业发展必须的硝铵供应，遂有能力起而与日不落帝国争夺生存空间，历数年而不败，最后因石油供应短缺和美国参战而被迫投降。处理战后国际格局安排的巴黎和会，其中重要但已为人忘却的决议之一就是要求德国向全世界公开合成氨工业的技术。合成氨工业的极端重要性由此可见。巴黎和会后，全世界均以煤为原料，采用固定床煤气化技术发展合成氨工业。民国时期，国民政府最重大的工业建设之一即为南京永利宁钮厂年产6万吨合成氨装置，1937年毁于抗日战争。
上世纪四五十年代是全球煤化工发展的黄金时间时期，但随着石油的大量发现，中东廉价石油的开发，石油化工兴起，煤化工逐步退出。至上世纪六七十年代，全世界除中国和南非外煤化工时代已经完全结束，煤气化技术的发展完全停止。上世纪七十年代石油危机爆发后，煤气化技术再度受到重视，相继开发了德士古水煤浆气化、壳牌煤粉气化等技术，并建立示范工程用于联合循环发电。但是仅有美国帝斯曼公司采用德士古水煤浆气化技术建设的甲醇、醋酸装置进入商业化运行，其余项目均止于示范工程阶段。上世纪九十年代以后，国外的煤气化技术进入中国，用于合成氨甲醇的新建项目以及油头合成氨装置的技术改造。
中国由于特殊的历史条件和资源条件，上世纪五十年代开始大规模地采用固定床煤气化技术进行合成氨生产，用以解决国家面临的极为严重的粮食短缺问题。当时由国务院副总理陈云亲自抓这项工作。以当时化工部副部长侯德榜发明的碳铵为产品路线，在全国每个县均建立小合成氨厂，甚至于有的县建立了数个合成氨厂。这些小合成氨厂大部分在上世纪七十年代建成，并逐步稳定运行。同时在上世纪七十年代初期，随着中国与西方关系的缓和，我国用石油换取的宝贵外汇先后引进了前十三套和后十三套合计26套的年产30万吨合成氨52万吨尿素装置，大约在七十年代末、八十年代初相继建成投产，使我国化肥产量在七十年代末、八十年代初显现爆炸性的增长。此时，杂交水稻良种的培育也已成功，并进入大规模推广阶段。这是我国在八十年代初期粮食巨幅增长、并一举解决千百年来未能解决温饱问题的重要物质基础和技术原因。
八十年代后期，我国的粮食和化肥均出现短时期的过剩。合成氨工业的发展从量的
扩增进到质的提高阶段。大量竞争力差的小合成氨厂逐步退出生产，剩下的小合成氨厂通过不断的技术改造，其生产规模和技术水平迅速提高，同时在国家政策的支持下改产尿素，实现产品路线的调整，竞争力明显增强。目前我国合成氨工业竞争力最强、发展最快的企业集团，其企业核心均为原先的小合成氨厂，如湖北宜化集团、山东华鲁恒升、联盟化工、鲁西化工、心连心集团、河南骏马集团等，而采用国外石油路线或引进国外先进煤气化技术的企业，无论在发展速度，还是企业效益情况均不能与之相比。
1.2 煤炭气化的定义和气化反应 1.
2.1 煤炭气化的定义
煤炭的气化是指在气化炉内，煤在高温下与气化剂反应，生成煤气的全过程。煤炭气化过程的基本条件是：气化炉，气化原料和气化剂。气化炉是煤炭气化的核心设备；气化剂为氧气或空气以及水蒸气和二氧化碳等。
1.2.2 煤炭气化的主要反应
a 碳的氧化反应mol kJ CO O C /8.39322-=+
b 碳的部分氧化反应mol kJ CO O C /4.231222-=+
c 二氧化碳的还原反应mol kJ CO CO C /4.16222+=+
d 水蒸气的分解反应mol
kJ H CO O H C g /5.1312)(2++=+ e 水蒸气分解反应mol
kJ H CO
O H C
g /0.902222
)(2++=+ f 一氧化碳变换反应mol
kJ H CO
O H CO
g /5.4122
)(2-+=+
g 碳的加氢反应mol kJ CH H C /9.74242-=+
h 甲烷化反应mol kJ O H CH H CO /4.2063242-+=+
煤炭气化的目的产品是燃料气或化工原料气，煤气的有效成分是CO.2H 和4CH ,因此上述反应应根据煤气用途的不同加以控制。
1.3 移动床气化 1.3.1 混合发生炉煤气
混合发生炉是移动床常压气化技术最成熟的气化方法之一，原料煤在煤气发生炉内与空气和水蒸气组成的混合气化剂发生反应，生成混合发生炉煤气。混合发生炉煤气属于低热值煤气，一般在4.6～7.5MJ/3m 之间，主要用作工业燃料气，不能单独作煤气使用。
(1) 气化过程
气化炉为圆筒形，外壳由钢板制造。气化炉由炉体。炉体装置，炉蓖，气化剂入口
和煤气出口等部分组成。
煤气发生炉内燃料层由下至上大致可分为五层。
a 灰渣层：在灰渣层中，气化剂不发生化学反应，只与灰渣进行热交换，气化剂吸收灰渣的热量而升温预热，灰渣则被冷却。
b 氧化层:主要进行碳的燃烧反应：22CO O C →+,放出大量的热量，在氧化层末端，
气化剂中的2O 被全部耗尽。
c 还原层：主要进行二氧化碳的还原反应和水的分解反应：
,,2222CO H O H C CO C CO +→+→+ 反应所需要的热量主要由碳的燃烧反应放热提
供，同时，CO 变换反应可以补充剖分热量。
d 干馏干燥层；由还原层出来的气体（包括其中大量的2N ）具有很高的温度，在上
升的过程中，将上部原料干馏，生成焦油蒸汽，热解水和其他液体，气体产物和半焦，干馏析出的挥发份与气体煤气仍有较高的温度，继续上升将原料煤干燥。
e 气相空间：料层上部的气相空间也有化学反应发生，主要是CO 的变换反应。CO 和
O H 2（g ）的含量在减少，22H O C 和的含量增加，反应进行的程度影响粗煤气的组成和
煤气出口温度。
(2)气化过程的工艺条件
在混合发生炉气化过程中，主要的工艺条件是炉膛温度，水蒸汽加入量和鼓风速度，这些条件直接影响气化炉运行状况和煤气的组成。
a 气化温度
气化温度即炉膛内料层温度，它是影响煤气质量、气化强和气化热效率的最重要因素。煤气中有效成份含量的多少主要取决于2CO 的还原反应和水蒸气的分解反应，料层温度的升高，有利于这两个反应的进行，既可提高煤气产量又可改善煤气质量。但料层温度过高，会增加散热损失和煤气带走的显热损失，而且原料煤气中灰分将会软化、熔融而导致严重的结渣，影响气化炉的操作。因此料层温度的选定应结合原料中灰分含量的多少和灰熔点的高低而定，大致为1000℃~1200℃.另外对于反应性好的原料，可以降低气化温度，缓减煤气质量与结渣之间的矛盾。
b 水蒸气加入量
混合发生炉煤气气化剂中的水蒸气加入量对煤气质量、产率和气化过程的正常进行有重要影响，水蒸气的气化过程中具有以下几个作用：
①水蒸气分解反应，可生成煤气中的有效成份（2H CO +）;
②水蒸气分解吸收热量，降低炉温，可防止灰分溶化结块，减少炉壁散热损失； ③水蒸气分解吸收热量，降低2CO 的还原反应，降低2/CO CO 比；
④未分解的水蒸气导致显热损失，降低气化热效率。随着水蒸气单位消耗量的增加，水蒸气相对分解量即水蒸气分解率和煤气热值不断降低，CO 含量也随之下降，2H 含量有所增加。根据水蒸气的作用，水蒸气加入量有一个最佳比例，即以气化炉内灰不
结渣为最低限度。
空气中含水蒸气量的多少可用相应的空气饱和温度来表示。在实际生产中，水蒸气加入量是通过控制空气被水蒸气所饱和温度来调节的。一般情况下，水蒸气的耗量在0.4~0.6kg/(kg.碳)之间，饱和温度控制在50℃~65℃之间，蒸汽分解率约为60%~70%。
(3) 鼓风速度
鼓风速度决定着气化强度，鼓风速度愈大，气化强度愈强。提高鼓风速度后，可以提高受扩散控制的碳燃烧反应的速度，增强单位时间内放出的热量，给还原反应和分解反应提供了充足的热量，有利于气化反应，提高了气化强度，增加了气化炉的生产能力。但受动力区或过渡区控制的
CO还原反应和水蒸气分解反应需要一定的反应时间，因此
2
随着鼓风速度的提高，气化剂和料层的接触时间缩短，不利于碳的充分转化，料层阻力相对增大，出炉煤气中的带出物数量也相应增多。鼓风速度过低，将降低发生炉的生产能力。所以，鼓风速度必须控制在合适的范围内，气流速度按气化炉空横截面计算，一般在0.10～0.20m/s之间。在实际生产中，煤气产量是通过控制发生炉的空气供应量来调节的，调节范围为30﹪～110﹪。
1.3.2 气化指标和影响因素
气化指标包括煤气质量，没起产率，气化强度，原料的损失，冷煤气的效率，气化热效率和各项消耗指标。影响气化指标的因素很多，主要取决于三个方面：气化原料打得理化性质，气化过程的操作条件和煤气发生炉的构造。
气化原料的理化性质是主要因素，它既能影响气化指标，同时也决定了气化过程操作条件和发生炉的构造的选择。
(1) 煤气的热值和组成
煤气热值的高低与煤气中可燃成份的含量有关。其含量的多少既取决与气化原料中的挥发分产率和组成，又取决与气化反应生成的CO和
H主要来自二氧化碳的还原反
2
应和水蒸气的分解反应。适当减少原料粒度以增加反应表面积；控制适当低的饱和温度，维持较高的料层温度；增加料层厚度以延长反应时间有利于气化反应的充分进行，提高煤气的质量，并且气固之间有充分的热量交换，使煤气出口温度降低，气化热效率提高。
气化原料的反应活性与结渣对CO和
H的含量也有影响。在炉温情况
2
下，反应性好的原料有利于气化反应；结渣性弱的原料可以适当提高炉温，同样有利于气化反应的进行，从而可以提高煤气中有效成分。
a煤气产率
煤气产率是指气化单位质量的原料所得到煤气的体积数（在标准状态下）。煤气产率决定于原料煤中的水分，灰分，挥发分和固定碳的含量，也与气化方法的转化率有关。
对于同一类型的原料而言，原料中的惰性物（水分和灰分）越低时，煤气产率决定于原料煤中的水分，灰分，挥发分和固定碳的含量，也与气化方法的转化率有关。
煤气产率与原料可燃组分中挥发分的含量有关。挥发分含量越高，煤气产率就越低。
因为在气化过程中，原料中挥发分在干馏裂解或甲烷的数量很少，相当部分转变成了焦油，转变成煤气部分相当减少。
(2) 原料的损失
气化过程中原料的损失包括随离开气化炉的煤气带出损 失和灰渣残碳出损失。 当气化原料中小颗粒含量增多时，气流速度加大，则煤气带出物的数量增多。所以，原料机械强度愈低，热稳定性愈差，在气化过程中会产生愈多的小颗粒和粉末，造成大量的带出损失。
排出损失是由于熔融的灰分将末反应的煤包裹不能继续与气化剂接触成为碳核，随灰渣一起排出炉外所造成的。它与原料灰分含量，灰分性质，操作条件及发生炉结构有关。原料灰熔点低，灰分含量高，气化过程中水蒸气用量大以及操作过程中料层移动过快都将导致排除损失增加。
(3) 气化效率和气化热效率
气化效率是指生成物的发热量与所使用原料热量之比，只利用冷煤气的潜热时称冷煤气效率，同时利用热煤气显热时，称热煤气效率。
当不包括焦油时：?
=V Q Q coal
g 气η100％ （1-1）
式中 气η——气化效率，％
g
Q ——生成煤气的热值，kJ/mol
V
——煤气产率，kg m /3；
coal
Q ——原料煤气热量，kJ/kg
当包括焦油时： 100
?+=
coal
tar
g Q Q V Q 气η％ （1-2）
式中tar Q ——单位原料气化生成焦油的热量，kJ/kg
气化热效率是指生成物的发热量与收热量之和占所供给总热量的百分率。表示所有直接加入到气化过程中热量的利用程度。
当不回收废热时，气化热效率低于气化效率。在实际生产中，由于存在各种热损失，实际气化效率只有70％-80％.
气化过程的热损失主要包括热产物带走的热量和发生炉对周围环境的热损失。热产物带走的热量包括煤气的显热，未分解水蒸气的热焓以及带出物，焦油，灰渣排出物的化学热，潜热和显热等。
(4) 气化强度
气化强度是指发生炉炉体单位截面上的生产强度。气化强度可以有种 不同的表示方法：
a以消耗的原料量表示，单位为kg/(㎡·h)
b以生成的煤气量表示，单位为3m/(㎡·h)
c以生产的热量表示，单位为kJ/(㎡·h)
煤气发生炉的生产能力取决与炉体的截面积和强度，气化强度与气化
方法，气化原料的特性以及煤气发生炉的构造等因素有关。
在实际生产过程中，煤种和发生炉的截面积都是固定的，只有适当提高气化强度，才能提高生产能力，同时改善煤气质量。
1.3.3 气化过程的强化途径
强化气化过程的实质就是提高炉内气化反应的速率。根据气化过程中各层的反应特点，强化气化过程的主要途径是提高气化剂中氧气的浓度，气化温度和鼓风速度。(1) 提高气化剂中氧气的浓度，即气化剂采用富氧空气与蒸汽的混
合物或采用氧气和蒸汽的混合物。气化剂中氧气的含量，碳的氧化反应加速，料层温度随之上升，可使煤气中有效成分CO和
H的含量大大增加，从而使煤气热值也大大提高。
2
但是为了满足氧化层冷却的要求，控制适宜的料层温度，水蒸汽消耗量的增加幅度远远高于氧浓度的增加幅度，从而导致了水蒸气的分解率降低。
(2) 提高气化温度，有利于提高各气化反应的速度，是提高煤气质
量和发生炉能力最有效的手段。可通过改变鼓风气的饱和温度来调节控制气化温度，亦可提高气化剂中氧气浓度或预热鼓风气来提高气化温度。然而气化温度的提高受原料结渣性的限制。实际生产中，炉内氧化层温度一般控制在1100℃～1200℃之间，根据原料的结渣特性和活性，可做适当调整。
在实际的生产中，提高鼓风速度是强化操作简便易行的方法。但是，鼓风速度的提高受以下因素的限制：①
CO还原反应和水蒸气分解反应进行的程度；②料层的稳定性
2
和带出损失。
1.3.4 混合发生炉气化对煤质的要求
混合发生炉气化用煤的要求是具有较高的机械强度、热稳定性和灰熔点。对煤种要求是选用无烟煤或焦炭或挥发分适中的不粘结和弱粘结煤。可根据用户对煤气热值的要求确定，并选择与煤种匹配的煤气发生炉。对煤质的具体要求如下（GB9143）: (1) 粒度
烟煤：13～25mm，25～50mm，50～100mm；
无烟煤：6～13mm，13～25mm，25～50mm；
原料的反应性好，粒度可适当增大。每种粒级必须单独使用，不能混用。
灰分
A≤24﹪；
d
a含矸率≤2﹪；
b灰熔点ST＞1250℃；
c胶质层最大厚度Y＜12mm(无搅拌装置)，Y＜16mm（有搅拌装置)；
d 抗碎强度＞60﹪；
e 热稳定性6+TS ＞60﹪；
f 全硫d
t S ,＜2﹪。
1.3.5 煤气发生炉
煤气发生炉主要有以下几部分组成：炉体、原料加入装置、处理料层的机械搅拌装置、炉蓖和调节气化剂送入装置。常用的煤气发生炉有3M13型和Φ3W —G 型等。 附图给出3M13型煤气发生炉的结构。这一类气化炉具有II 型炉蓖，带有搅拌装置。此种炉型主要适合与气化弱粘结性的烟煤、贫煤等。 此种炉型具有以下特点：
a 煤种适应性较强，即可用无烟煤和焦煤，也可用弱粘结性的烟煤，如弱粘煤、气煤、
长焰煤、贫煤等；
b 采用II 型炉蓖，具有较强的搅动、破碎和排渣能力，对炉温和灰熔点的要求可适
当放宽；
c 采用湿法出灰，兼有冷却灰渣和水封气体的作用，操作过程中环境污染小；
d 搅拌棒的运动使料层保持良好的透气性，对气化反应有利。
1.4 工艺流程的确定及说明
工艺流程中主要包括煤破碎工艺、煤净化工艺、灰渣处理工艺、煤气化工艺、脱硫工艺等。
(1) 煤破碎工艺
a 破碎的应用
在煤的气化及在炼焦时，时常需要将整块煤进行粉碎以满足生产的要求，而在气化中破碎则是为了将原料煤破碎至磨机给料需要的粒度。通常破碎至13mm 以下反则上所有煤用细碎机都可采用，高浓度磨矿工艺希望给料粒度分布宽一些，堆积效率高一些。
b 破碎机的选用机技术性能
由于破碎机常用的类型有两种：一种为锤式破碎机，另一种是反击式破碎机，由于锤式破碎机的可调力度范围是0～6000μm ，而由于鹤岗煤要求粒度为14m ，因此不可以选用，而对于反击式破碎机则其可调力度范围是0～20mm ，因此可以选用其，对于反击式破碎机生产能力为：
r n d l e h N K Q ???+???=)(60 （1-3） 式中Q —反击式破碎机生产量，t/h K —系数，K ≈1 N —转子上板锤数目
ⅰ由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。
ⅱ煤灰的温度比刚入炉的气化剂温度高，可使气化剂与热。
ⅲ灰层上面的氧化层温度很高，有了灰层的保护避免了气体分布板的直接接触，固起到保护分布板的作用。
在灰渣层对整个气化操作的正常进行作用很大，要严格控制下灰速度。
干燥区上面没有燃料的空间，成为自由空间，其主要作用是汇集煤气，并使炉内生成的还原气体和干馏区域生成的气体混合均匀，由于自由空间的自由截面积增大，使得煤气的速度大大降低，气体夹带的颗粒返回床层，减少粉尘带出量。
(3) 制气工艺
a吹分阶段空气自煤气炉底吹入，使燃料燃烧放出的热量储存于燃料层中为制气阶段与蒸汽的反应供应热量。
b水蒸气吹净阶段阀门1关闭、阀门2打开，水蒸气又发生炉下部进入，将残余吹风气经阀门4、5排至烟囱，以免吹风气混入煤气系统，此阶段时间段。
c一次上吹制气阶段水蒸气仍由阀门2进入发生炉底部在炉内进行气化反应，此时炉内燃料层温度较高，值得的水煤气经阀门（4、6）阀门5关闭后，进入水煤气的净化和冷却系统，然后进入气体储罐。
d下吹制气阶段在制气阶段，如果蒸汽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层温度降低，甚至熄火，因而气化层变薄，而燃料层上部不断地被高温煤气加热，使气化层上移，煤气炉上的温度升高，煤气带走的显热损失增加，为了避免上述现象的发生，在上吹制气阶段之后必须改变气流方向，关闭阀门2、4打开阀门3、7水蒸气由阀门进入气化炉后，由上而下经过煤层进行制气，制得得水煤气经过阀门7后由阀门6去净化冷却系统。
e二次上吹制气阶段下吹制气以后，燃料层温度大幅度下降需要再送入空气提高炉温，但此时，煤气化炉下不及燃料层内残留半水煤气，如果立即吹风，空气和水煤气在炉底相遇就会发生爆炸。因此在下吹制气阶段之后，蒸汽再次改变方向，自下而上通过燃料层，进行二次制气，将炉底部残留的半水煤气排净，为送入空气创造安全条件。
f空气吹净阶段二次上吹后，煤气化炉上部空间及管道充满着半水煤气，如果随着软化吹风阶段立即放空，不仅损失了半水煤气而且水煤气排出烟囱时和空气混合遇到火星也可能引起爆炸，因此在转入吹风之前，切断阀门7，停止向炉内通入水蒸气打开阀门1，通入空气将残存在炉内和管道中半水煤气吹入水煤气净制系统进行回收。(3) 灰渣的处理工艺
灰渣又称为灰分，而灰分则是固体燃料完全燃烧后所剩余残留物，一般要求灰分<15%,灰分过高时则对生产不利，由于灰渣中已基本没有可用的元素，业使可视为废渣，而对于废渣的处理有以下几种方法。
a废渣的再资源化
工作的发展，必然带来固体废物的增加，采用堆存的方法也可能造成二次污染，因此废物的重新利用具有重要意义对废渣的处理首先应考虑废渣的再资源化，其主要途径是开展综合利用、回收或循环利用废物。由于灰渣的成分主要是硅、磷、硫等一些元素，因此可以通过再生方法。
此时可以选用在固定床内的焚烧法使其物质进行反应合成作用，最后将其他完全没有利用价值的废渣进行送出处理。
(4) 煤净化工艺
a煤气的除尘
煤气的除尘就是从煤气中除去固体颗粒，工业上实用的除尘设备有四大类，应用较多的是旋风除尘器，其应用特点主要是在高温、高压、高含尘浓度以及强腐蚀性环境等苛刻的场合。
b旋风除尘器的工作原理
旋风除尘器的主要捕集力为离心力，它利用含尘气流做旋风运动时所产生的对尘粒从气流中分离出来，由于除尘器的内空气一粒运动的复杂性，迄今尚无准确反映各种影响因素的分离理论，各国学者采用不同的简化假设提出多种理论。
转圈模型该理论认为尘粒进入除尘后，一面向下做螺旋运动，一面在离心效应下向器壁浮游，设颗粒在器内共转N圈，需时t，并定义n位于排气管半径r处的颗粒若能在t时间内恰好浮到器壁，就认为该颗粒可被10%的分离。
(5) 脱硫工艺
a干法脱硫、湿法脱硫
由于在制取水煤气时，含有大量的有机硫或无机硫生成，同时因为硫的作用会使催化剂中毒及使水煤气中的成分并不纯净，因此需要进行硫除作用，根据其脱硫剂的状态可以分为干法脱硫、湿法脱硫。
对于干法脱硫则是对其硫化物含量比较少，同时又接有有机硫，而对于湿法脱硫则就需要用在含硫量较大的场合，因此在脱硫工艺中时常将这两项混合在一起作用。
b脱硫工艺过程
来自旋风除尘器除去焦油，固体小杂质的水煤气，由罗茨风机加压后送入脱硫塔，进入脱硫塔和塔顶喷淋下来的脱硫液逆向接触，水煤气中的硫化氢被脱硫液吸收脱硫后的水煤气经清洗塔进一步降温至30～50℃以下，在压缩机一段进口总气水分离器，吸收了硫化氢的富液，由富液泵打入喷射器吸入的空气进行氧化还原反应而得到再生液体再进如再生槽，继续氧化再生，再生后的贫液经液位调节器流入贫液槽，再由贫液泵打入脱硫塔循环使用。
1.4.1固定床
固定床煤气化炉的主要特点是：炉内气体流速较慢，煤粒静止，停留时间1～1.5h。操作条件为：温度在800～1000℃，压力常压4MPa，原料煤粒3～30mm，要求用煤为具
有高活性，高灰熔点，高热稳定性。
1.4.2常压固定床间歇气化
常压固定床气化技术是一项古老的煤气化技术，固定床间歇气化技术成熟，工艺可靠，投资较低，不需要空气制氧装置，但气化需要的无烟煤或焦炭价格较高，而筛粉堆积，资源利用率低，污染严重。固定床间歇气化技术目前在中国的合成氨及工业煤气行业仍有数千台气化炉在运转。
1.4.3流化床
硫化床技术特点：炉内气体流速较大，煤粒悬浮于气流中做相对运动，呈沸腾状，有明显床层界限，停留时间数分钟。
1.4.4气流床
它是一种并流气体，用气化剂粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先到成水煤浆，然后用泵打入气化炉内，煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应，灰渣以熔融形式排出气化炉。
1.4.5熔融床气化
它是将煤粉和气化剂以切线方向高于喷入一个温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，原池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化
由于此过程中进行设计的是固定床常压气化因此以第一种固定床为基础进行设计。
第2章 生产条件的确定和说明
2.1操作条件
(1) 气化过程的工艺条件
对于既定的原料、设备和工艺流程，为了获得质量优良的煤气，和足够高的气化强度，就必须选择最佳的气化条件。
a 燃料层温度 合适的燃料层温度对煤气质量、气化强度及气化热效率至关重要。
发生炉煤气中的有效成分（2H CO +）的含量主要取决于碳的氧化与还原反应（C+CO 2 →2CO)和水蒸气的分解反应()[]22H CO g O H C +→+。
上面的两个反应均属吸热反应。而在煤气发生炉操作温度下，上述反应处于动力学控制区。所以提高炉温不仅有利于提高CO 和H 2 的平衡浓度，而且可以提高反应速度，增加气化强度，从而使气化炉的生产能力提高。但是燃料层的温度受到燃料煤（焦）的灰熔点的限制。也与煤的活性和炉体热损失有关。
b 燃料层的运移速度和料层高度 在固定床气化过程中，整个床层高度是相对稳定
的。随着加料和排灰的进行，燃料以一定的速度向下移动。这个速度的选择主要依据气化炉的气化强度和燃料灰分含量。在气化强度较大或燃料灰分较高时应加快料层的移动速度，反之亦然。
燃料层分为灰层、氧化层、还原层和干馏干燥层，其作用各不相同。灰层有预热气化剂和保护炉蓖不至过热的作用，氧化、还原层是进行气化反应的部分，直接影响煤气质量。干馏干燥层则既对煤气降温又对燃料预热。各层高度大致如下：灰层100～300mm ，氧化还原层约500mm ，干馏干燥层300～500mm ，总之，稍高的原料层高度有利于气化过程。
c 鼓风量 鼓风量适当提高，既可增大发生炉的生产能力，又有利于提高煤气的质
量。若过大则床层阻力增加，煤气出口带出物增加，不利于生产。
d 饱和温度 在发生炉煤气的生产过程中，加入蒸汽是重要的操作和调节手段。蒸
汽既参加反应增加煤气中的可燃组分，过量的蒸汽又是调节床层温度的重要手段。正常操作中，水蒸气单耗在0.4～0.6kg/kg （碳）之间，饱和温度50～65℃之间，此时的蒸汽分解率约为60﹪～70﹪。发生炉的负荷变化时，饱和温度应随之改变，气化强度变高，应调高饱和温度。反之，则调低饱和温度。
(2) 操作条件
因工艺流程、炉型、煤种而异。煤气炉的操作指标如下：
表2-1 煤气炉操作指标
2.2 固定床气化时对煤质量的要求
原料煤的性质对气化过程影响很大，固定床气化对煤的选择尤为严格。
2.2.1 水分
煤中水分含随着煤的碳化度而异。无烟煤和烟煤含水多在5%以下，次烟煤和褐煤含水约10%～30%。煤中水分和挥发分含量有关，随着挥发分的降低而降低。气化用煤含水量越低越好，一般要求不超过8%。
煤中水分高会增加气化过程的热损失，降低煤气化率和气化效率，使消耗额增加。由资料认为：若灰分含量不超过10%，则允许水分含量达到35%，但必须有足够高的染料层，使原料在进入气化区得到充分预热。
2.2.2 挥发分
固定床气化制合成气时挥发分含量以不超过6%为宜因为挥发分经干馏后进入煤气,焦油和其它烃类凝结后堵塞管道，处理相当困难。而其中的甲烷等不凝性气体会增加压缩工序的功耗。
2.2.3 化学活性
化学活性是指煤与气化剂中氧、蒸汽、二氧化碳及氢的反应能力。化学活性高有利于气化过程，可以提高气体质量和增加气化能力。由于可以降低气化温度而降低氧耗，在回收吹风气时可以提高气化效率。煤的化学活性对不同的气化剂有一致的趋向，通常以二氧化碳还原系数2
CO d 表示：
)
200(10022CO CO CO
CO b a b d -?=
式中：2
CO a ——还原反应前二氧化碳的浓度，%（体积分数）
CO b ——还原反应后一氧化碳的浓度，%（体积分数）
2.2.4 灰分及灰熔点
灰分的组成多为钙、镁、铁的碳酸盐，钾、镁等的硅铝酸盐，钙、镁、铝、钠、钾等的硅酸盐、硫酸盐及硫化物、钠盐及氧化亚铁等。气化用煤灰分越低越好，一般控制在16%以下。
煤灰的化学组分和灰熔点密切相关，一般要求灰熔点应在1250℃以上。在生产中
常用通入过量蒸汽的方法防止灰分烧结。
2.2.5固定碳
固定碳是气化燃料的有效成分，一般要求固定碳在60%以上。
2.2.6硫分
煤中的硫分为有机硫、单质硫、硫化物和硫酸盐四种形态，气化时硫化成硫化氢和有机硫存在于煤气中，对设备会产出腐蚀。作为合成气硫化物会引起后工序触媒中毒，所以要求煤中硫越低越好。
2.2.7热稳定性
热稳定性是指在高温下燃料保持原来粒度大小的性质，对气化工艺影响很大热稳定性差的煤，在气化过程中易破碎，使床层阻力增加，煤气带出物增加。热稳定性≥70%为宜。
2.2.8机械强度
机械强度差的煤在运输和破碎中易于生成碎屑，不仅增加成本，而且不利于气化过程。要求煤的抗碎强度≥65%。
2.2.9黏结性
煤气炉对煤的黏结性很敏感。黏结性强的煤很容易在气化炉内生成拱焦，破坏气化层中气体的分布，以至使气化过程无法进行。
2.2.10粒度
入炉原料的粒度大小和粒度范围对气化炉的操作有很大的影响。小粒原料的表面积大，有利于气化，但床层阻力上升使生产强度下降，而大块的相反。固定床气化特别要求煤粒度均匀，否则会影响煤气炉的正常操作。
综上所述，固定床气化对原料的要求是低水、低灰、低硫，高活性、高灰熔性、热稳定性好、机械强度高、不黏结、粒度均匀适中的燃料。
2.3固定床间歇法（常压）制水煤气的方法
2.3.1 水煤气生产的特点
固定床常压气化剂水煤气，因为气化剂和水蒸气交替与碳反应，故燃料层温度随着空气的加入而逐渐开高，随着水蒸气的加入而逐渐降低，呈周期性变化，并在一定范围内波动，所以生产煤气的组成和数量也呈周期性变化这就是固定床间歇法制气的最大特点。
2.3.2煤气炉内燃料层的分区
(1)固定床煤气发生炉。见图
(2)煤气炉内燃料层的分区
燃料从煤气炉顶部加入，先预热开温，并随着灰盘的转动慢慢向下移动，到气化层时温度达到最高，与不同阶段的入炉气化剂发生化学反应，直至反应趋于完全，以灰
渣的形式排出炉外。所以，严格的说，固定床并不是燃料层的炉内不移动，而是说每时每刻随着时间推移，稳定运行的煤气炉内，燃料层均可以从上到下分为四个区域，分别是：干燥层、干馏层、气化层、灰渣层。实际生产中，煤气炉的操作往往难控制好这几个区域，炉况恶化时，各区域杂乱无章，必须开始养炉，使燃料层恢复正常分布。2.3.3水煤气生产的工作循环
固定床气化法制水煤气时，以上一次送入空气开始到下一次再送入空气为止，称为制气的一个循环，一个工作循环所用的时间叫做循环周期。
从安全的生产高度考虑，应避免煤气和空气在炉内相混，避免爆炸性混合气体的形成，从维持煤气炉长期稳定运行的技术角度考虑，应尽可能的稳定燃料层中气化层的温度、厚度和位置。因此，每个工作循环有以下六大阶段:
(1)吹风阶段
用配套的鼓风机从煤气炉底吹入空气，气体自下而上通过燃料层，提高燃料层温度，炉上出口产生的吹风气放空或送入吹风气回收工段，回收其潜热和显热，然后排入大气。此阶段用时一般占循环周期的25%～30%。，目的是提高炉内温度并蓄积热量，为下一步水蒸汽与碳的气化吸热反应提供条件。
(2) 蒸汽吹净阶段
从炉底送入满足要求的水蒸气，自下而上流动，发生一定的化学反应，生成一定的水煤气放空或送入吹风回收上段，目的是将吹风阶段中的残余氮气吹净赶出系统，降低水煤气中氮气含量提高有效气体质量。
(3)一次上吹制气阶段
从炉底送入满足工艺要求的水蒸气，自下而上流动，在灼热的燃料层总发生气化吸热反应，产生的水煤气从炉上送出，回收主气柜。燃料层下部温度降低，上部温度则因气体的流动而升高。
(4) 下吹制气阶段
在上吹制气一段时间后，低温水蒸气和反应本身的吸热，使气化层底部受到强烈的冷却，温度明显下降，而燃料层上部因煤气的通过，温度越来越高，煤气带走的显热逐步增加，考虑热量损失，要在上吹一段时间后，改变水蒸气的流动方向，自上而下通过燃料层，发生气化反应，产生的水煤气经灰渣后从炉底引出，回收主气柜。目的是制取水煤气，稳定气化层，并减少损失。
(5)二次上吹制气阶段
在下吹制气一段时间后，炉温已降到底限，为使炉温恢复，需再次转入吹风阶段，但此时炉底是残余的下行煤气，故要用水蒸气进行置换，从炉底送入水蒸气，经燃料层后，从炉上引出回收主气柜。目的是置换炉底水煤气，避免空气与煤气在炉内相遇而发生爆炸，为吹风做准备，同时生产一定水煤气。
(6) 空气吹净阶段
从炉底吹入空气，气体自下而上流动，将炉顶残余的水煤气和这部分吹气一并回收主气柜，此过程目的是回收炉顶残余的水煤气，并提高炉温。
2.3.4工艺流程
(1)吹气和制气流程
a吹气阶段。同时开启吹风阀、上行阀、发空阀，由鼓风机从煤气炉底部送入空气，自而上经过燃料层，发生气化反应，提高燃料层温度，蓄积热量，为下一步制气做准备，吹完气后关闭相应阀门。
b蒸汽吹净阶段。同时开启总蒸汽阀，上吹蒸汽阀、上行阀、放空阀，自下而上吹入蒸汽，发上一定的气化反应，生产水煤气置换前面吹风结束时的吹风气，气体经上行阀和放空阀后放空，吹净完毕，关闭相关阀门。
c一次上吹阶段。同时开启总蒸汽阀，上吹蒸汽阀，上行阀，煤气总阀，自下而上吹入水蒸气，在气化层与灼热的碳反应发生充分化学反应，指出高质量的水煤气，经上行阀、煤气总阀、检修水封后，进入联合废热锅炉副产水蒸气降温，在进入洗气塔降温和除尘后，送入气柜。上吹完毕，关闭相关阀门。
d下吹阶段。同时开启总蒸汽阀，下吹蒸汽阀，下行阀，煤气总阀，自上而下送入水蒸气。通过气化层与灼热的碳进一步发生气化反应，制取水煤气。经过下行阀，煤气总阀，检修水封，进入联合废热炉副产水蒸气并降温，再进入洗气塔降温和除尘后送入气柜，下吹完毕，关闭相关阀门。
e吹净阶段。下吹结束后，炉温降到最低，需要再次吹风来提高炉温，但此时炉底是煤气，为避免空气和煤气相遇，混合而发生爆炸事故，必须将炉底煤气用蒸汽置换，故自下而上送入水蒸气，做二次上吹。阀门开关和上吹完全相同。
f气吹净阶段。同时开启吹风阀，上行阀，煤气总阀，由鼓风机从煤气炉底部送入空气，自下而上经过燃料层，炉出口气体经上行阀，煤气总阀，检修水封后，进入废热锅炉，洗气塔降温除尘后，回收至气柜。吹净完毕，关闭相关阀门，转入下一个工作循环，依次程序重复进行制气。
(2) 水汽系统流程
造气过程中所用的水蒸气要求是压力要低，温度要高，用量要足。为此，许多厂家已经改用过热蒸汽代替饱和蒸汽，既减少了蒸汽入炉后升温吸收的热量，又有效的防止了入炉前的蒸汽带水问题，炉温波动小，提高了蒸汽分解率，提高了发气量，对生产非常有利。目前，生产较好的企业，在吹风气回收投运后，甲醇生产基本达到蒸汽自给自足的目的，只需设一台小的开工锅炉，以备开停车用，生产正常时，不需另开锅炉，将“两煤一电”消耗变为“一煤一电”消耗，大大降低生产成本。所以水蒸气流量不尽相同，一般厂家是外来软化水加入煤气炉夹套锅炉的汽包或联合废热锅炉饱和段的汽包，分别生产饱和蒸汽，会和后一并进入联合废热锅炉的过热段进行加热体温，形成过热蒸汽，再进入蒸汽缓冲罐，与外来的蒸汽会混合，以供煤炉使用。
(3) 高压油流程
动力泵站是油压系统的动力源，泵站的液压油经过齿轮泵加压，通过主管道送至换向阀站的各电磁换向阀。系统高压油的压力，用泵站的溢流阀调节，其大小一般控制在4.5MPa 左右，在泵站上的压力表可直接读出压力大小。
(4) 造气环水流程
造气循环水流程简述：冷水池的冷水约25℃，经冷水泵加压至0.5MPa ，送至造气各洗气塔。与水煤气直接接触，逆流换热后温度升高至约40℃，热水经地沟流入热水池，停留足够长的时间进行重力沉淀，然后通过热水泵加压到0.4MPa ，送入澄清池底部，进行两次折流而再次沉淀，清水从塔的上部流到低一米的冷却塔上部，在冷却塔均匀分布，自上而下流动，与冷却塔顶部引风机吸入的冷空气逆流接触，水经冷却后进入冷水池循环使用，操作中要定期向热水池投加药品，如：混凝剂，以加快沉淀速度，同时要定期从热水池中挖走池底污泥，或用压虑机压制干燥后送锅炉使用。
其固定床间歇法制水煤气工艺流程图如下：
图2-1 固定床间歇法水煤气工艺流程
锅炉汽包烟囱
夹套气泡
自动加焦机及料仓
蒸汽缓冲罐
冷却循环上水总管
第3章气化炉的设计计算
3.1 物料衡算
煤气化过程的物料与热料计算又简称为气化过程计算。气化过程计算的目的是根据一些已知数据如原料煤的工业分析和元素分析数据，气化剂组成和操作条件等，通过计算来确定一些计算指标，产气量，气化剂消耗量，气化效率和热效率等，为评价煤气化过程提供数据和为设计选用气化工艺设备提供数据。
3.1.1 发生炉煤气化过程计算
(1) 已知直接测定和在煤气发生炉试验时所获原始数据如下。
淮南煤的工业分析