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(共35张PPT)
第二章 合成气
（synthesis gas；syngas）
第一节 固体燃料气化
第二节 烃类蒸汽转化
第三节 重油部分氧化
第四节 合成气的净化与分离精制
第五节 合成气的化学加工
2.1.1 气化过程的化学反应
2.1.2 气化炉的基本形式
2.1.3 制取半水煤气的工业方法
2.1.4 氧－蒸汽连续气化方法
主要内容
2.1.3 制取半水煤气的工业方法
以混合气化剂：O2＋H2O来进行（O2来源于空气）
具体的实施方法是不是合在一起就去制气呢？
1.半水煤气生产的特点
2.间歇式制半水煤气的工作循环
3.间歇式制半水煤气的工艺条件
4.间歇式气化制半水煤气的工艺流程
1. 半水煤气生产的特点（以合成氨为例）
①合成氨用的半水煤气要求：
（H2＋CO）/N2≈3.1～3.2
②从气化系统的热量平衡来说又希望：
（C＋O2）放的热＝（C＋H2O(g)）吸的热
自热平衡
理想结果：
①、②同时满足。
实际上：
如满足了②，则①满足不了；（比值小于3）
如满足了①，则②不能满足。（吸热大于放热)
这是过程的特点之一（矛盾之一）
根据计算(参见书P35)：当热量达平衡时，即②满足时，产物中(H2＋CO)/N2=1.43（大大低于合成氨原料气的要求）。
合成氨的用气的特点：
①(H2＋CO)/N2可以调整
②用气组成是后续工艺要求，不好改变的
当①满足时②无法满足，哪一个大？吸的大(为什么 ) 所以，为了达到要求①，需要额外向系统提供热量。
这是过程的特点之二
如后面讲到的半水煤气，使空气与蒸气间歇交叉进入炉体进行反应，是较普遍的补充热量的方法。
△供热的几种方法
(1)外热法:固体难？
由外部廉价高温热源进行供热，尚处于研究阶段。
(2)富氧空气气化法：
空气中的O2量高，可提高产热量。
或用纯O2，下游配N2。(因为氧多了，氮就少了）
(3)蓄热法（间歇气化）：（吸放热过程作用时间不同）
先用空气提高床层温度，再用蒸气进行C的气化.
（可由时间不同来控制温度）
△固定床（移动床）煤气化炉燃料层的几个层段
下移，T↑ 煤受变热分解出挥发性气体
煤
空气或水蒸气
空气为气化剂：上部为还原层，co2 + c 反应（慢）co
下部为氧化层， o2 + c 反应（快）co2 H2O为气化剂： C+H2O反应
灰渣预热空气，保护炉底
燃料层温度：随空气的加入而升高，
随H2O(g)的加入而下降，周期性变化！
热煤气与冷的煤进行热交换，水蒸发
2.1.3 制取半水煤气的工业方法
1.半水煤气生产的特点
2.间歇式制半水煤气的工作循环
3.间歇式制半水煤气的工艺条件
4.间歇式气化制半水煤气的工艺流程
（书上P37有关控制该过程的图及阀门开闭情况，图2-9，见下页ppt）
2.间歇式制半水煤气的工作循环
自上一次开始送入空气至下一次再送入空气之前为止，为一个工作循环。
含有五个阶段
间歇式制半水煤气各个阶段气体流向图
②一次上吹制气阶段：
自下而上送入水蒸气进行气化反应，燃料层下部T降低，上部T升高。
①吹风阶段：
吹入空气（自下而上），提高燃料层温度,吹风气放空。
→主要生成CO2，可以多产出热量。
各阶段的实现
③下吹制气阶段：
自上而下进行H2O(g)气化反应，使燃料层T趋于平衡。
④二次上吹制气阶段：
将炉底部的下吹煤气排净，为再次吹入空气做准备。
⑤空气吹净阶段：
回收这部分吹风气（自下而上），作为半水煤气中氮的主要来源，减少损失，防爆。
①与⑤有何不同呢？（T有无不同？组成呢？）
而这正是工艺及工程中重要的问题之所在。
为什么要这么多步呢？
(而不是仅仅用O2燃烧C后就转变为用H2O来气化呢？)
②步：进行半水煤气的生产
④步：蒸气再上吹的原因是担心如直接吹风（O2），O2会与下部出口处的煤气相遇，易爆炸。（安全问题）
⑤步：是为了减少发生炉上部管道中残留的二次上吹制得的煤气直接外排空的损失。(质量损失问题)
综上这些考虑无非是：
热量损失、物料损失、安全问题
①步：主要生成CO2，产出热量
③步：是为了减少②中煤气较热而带走显热，也可平衡燃料层温度。 (热量损失问题)
各阶段的主要作用
2.1.3 制取半水煤气的工业方法
1.半水煤气生产的特点
2.间歇式制半水煤气的工作循环
3.间歇式制半水煤气的工艺条件
4.间歇式气化制半水煤气的工艺流程
△气化过程的评价：（引入几个概念）
①单炉气化量——气化强度
气化强度（Nm3煤气)(质量)/h m2炉截面积(容积) 学生量
②煤气化率
每单位质量煤气化所得煤气的体积量（Nm3煤气/kg煤） 毕业率
③半水煤气的质量
CO、H2含量，CO＋H2/N2比例，O2含量。 毕业生质量
④燃料及蒸气的消耗 投入
⑤制气效率 传承与放大
E气 （见下页）
3、间歇式制半水煤气的工艺条件
E气＝ 可能大于1吗？以NH3为基准
——生成半水煤气的热值，kJ/tNH3
——消耗燃料的热值，kJ/tNH3
——消耗蒸气的焓值，kJ/tNH3
△过程的工艺条件与燃料性能有很大的关系。
△燃料、设备、工艺流程定下之后，要得到最佳气化效果（由评价指标）的工艺条件。
q燃 + q蒸
q半
×100%
q半
q燃
q蒸
工艺条件：（含原料选择） “买煤”
(1) 温度
(2) 吹风速度
(3) 蒸气用量
(4) 燃料层高度
(5) 循环时间及其分配
(6) 气体成分
(7) 气化原料的选择及相应工艺条件的调整
床层中T有一个轴向分布，以氧化层最高。
操作温度一般指氧化层温度，称炉温。
从反应本身 热力学、动力学角度
热力学:高温有利（C＋H2O 吸热）
动力学:炉温高,气化反应速度快
炉温高,CO＋H2量高、质好.但也不是越高越好。
(1) 温度
限制因素
①要使炉温T增加，吹风气T就高，排空热能浪费大，且气中CO含量高也造成浪费（见反应式）。相应可设计两个补救措施:
a）设计热量回收装置；
b）以大空速减少吹风气的停留时间，可相对增加C+O2→CO2的反应（快，在先, 而且扩散控制可能性大，u(气速)增大，r增大），而减少CO2＋C→2CO的反应（慢，在后，反应控制的可能大，u增大，r不一定增大 ）。(这是从动力学角度来讲的。)
②低于燃料灰熔点问题，炉温一般低于软化温度50℃（一般炉温控制在1000～1200℃）
③炉温高,吹出气带出的显热高.
①延长吹风阶段的时间（但相应减少制气时间）
②增大吹风速度(对制气阶段无影响)
C＋O2→CO2（反应快）氧化层中，T高，扩散控制，风速增大，可使反应加快，又使T↑。
CO2＋C→2CO（反应慢）还原层中，T相对低些，动力学控制，风速增大，虽然T↑，但CO2停留时间短，减少CO2＋C反应，出口气CO含量低，损失减少。
(2)吹风速度
提高炉温的方式有二
但风量过大：
燃料飞灰，造成损失；燃料层形成风洞（短路与死角），气化条件恶化；
动力消耗大；
T高，风速高，无热量回收时，热量损失大;有回收，又多设备
(3)蒸气用量
是影响煤气质量及产量的重要因素
其用量由蒸气流速和加入的延续时间（持续多久）而决定。
蒸气流速慢时，质量有利，但产量小。
上吹蒸气时间不要太长，可减少热损失，下吹可长一些。
蒸气中也可加入部分空气：可缩短吹风时间，利于燃料层T的稳定。
(4) 燃料层高度
制气:较高好：H2O(g)的τ增加,有利于与C的反应；T较稳定。
吹风:较低好：因为如果燃料层较高，τ增加，CO2＋C→2CO 增加，带走热量,损失资源。床层低时原本只损失1个CO2，现在要变成2个CO了，多了一个C问题。（热量和质量损失）
同时也要考虑动力消耗，床层阻力问题，这些与颗粒大小、形状也有关。
可否Air＋H2O按一定比例连续加入进行制气而得合成氨用的半水煤气呢？
煤气的质量、产量与循环时间的长短有关（相当于反应时间的影响）。
(5)循环时间及其分配
循环时间：每一工作循环所需的时间，一般约3min。
循环时间长：
气化层温度和煤气的质量、产量波动大（微分中的△t大），不连续性大。
循环时间短：
气化层温度波动小，煤气质量与产量较稳定。
但阀门开关占有的时间加长（单位时间里开关的次数增多），影响发生炉的气化强度，开关也易于受损坏。
△通过对循环中各阶段时间的分配可调整气化炉的工艺（见下表）
燃烧品种 各阶段时间分配 ％ 吹风 上吹 下吹 二次上吹 空气吹净
无烟煤 粒度25～75mm 24.5－25.5 25－26 36.5－37.5 7－9 3－4
无烟煤 粒度15～25mm 25.5－26.5 26－27 35.5－36.5 7－9 3－4
焦炭 粒度15～50mm 22.5－23.5 24－26 40.5－42.5 7－9 3－4
石灰碳化煤球 27.5－29.5 25－26 36.5－37.5 7－9 3－4
表2-5 不同燃料气化循环时间分配示例
吹风阶段：
以能提供制气所必需的热量为限。
上、下吹制气阶段：
以维持气化区稳定，煤气质量高及热能合理利用为原则。
二次上吹和空气吹净阶段：
以能达到排净气化炉下部空间和上部空间残留的煤气为原则。
主要指调节半水煤气中（H2＋CO）/N2的比值，如改变加N2的空气量或空气吹净时间。
(6)气体成分
固体燃料特性：含C量、机械强度、粒度、热稳定性、灰熔点等。
要求：挥发分(在规定条件下加热煤炭时，热分解产物所占的百分数)产率要低（减少吹风时损失热量及物料）。
相应调整吹风速度……等上述工艺条件。
(7)气化原料的选择及相应工艺条件的调整
2.1.3 制取半水煤气的工业方法
1.半水煤气生产的特点
2.间歇式制半水煤气的工作循环
3.间歇式制半水煤气的工艺条件
4.间歇式气化制半水煤气的工艺流程
要结合图2.1.8的控制示意图来理解。
以煤气发生炉、余热回收装置（燃烧室、废热锅炉）、煤气除尘、降温及贮存设备（加热、预热、冷却）等构成流程主体。
了解工艺过程各股气流的走向问题及有关的热回收工作。
4、间歇式气化制半水煤气的工艺流程（图见下页）
图2-10 间歇式制半水煤气的工艺流程图
1-煤气发生炉；2-燃烧室；3-洗气箱（水封箱）；4-废热锅炉；
5-洗涤塔；6-燃料仓；7-烟囱
工艺特点：
：由于间歇，装置的生产强度、热能利用等均 受到限制。
：间歇式气化制半水煤气解决了制气的热源及合成氨的氮源，广泛应用于中小型合成氨厂；
作业6：
用Air＋H2O进行碳的连续气化过程制备合成气（用于合成氨、不用于合成氨）的话，过程实施该注意解决哪些问题呢？

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