無(wú)機(jī)化工工藝學(xué)

1、化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介v化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品有很多:化學(xué)原料、化學(xué)肥料、三大合成材料、染料、香料、涂料、感光材料、橡膠材料、新型材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、各種試劑、助劑、日用化學(xué)品等等.v通?；瘜W(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)可分為無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)即無(wú)機(jī)化工無(wú)機(jī)化工和有機(jī)化工有機(jī)化工.一、無(wú)機(jī)化工一、無(wú)機(jī)化工q基本無(wú)機(jī)化工基本無(wú)機(jī)化工 三酸、兩堿、合成氨、化學(xué)肥料q精細(xì)無(wú)機(jī)化工精細(xì)無(wú)機(jī)化工 各種試劑、藥劑、日化品、稀有元 素等q電化學(xué)工業(yè)電化學(xué)工業(yè) 氯堿工業(yè)、濕法電冶金、電石生產(chǎn)等q硅酸鹽工業(yè)硅酸鹽工業(yè) 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等q礦物涂料和顏料礦物涂料和顏料的生產(chǎn)二、有機(jī)化工二、有機(jī)化工基本有

2、機(jī)化工基本有機(jī)化工 三烯三苯一炔一萘;甲醇、甲醛、乙烯系、丙烯系和芳香烴產(chǎn)品等精細(xì)有機(jī)化工精細(xì)有機(jī)化工 各種試劑、藥劑、香料和殺蟲劑、 染料工業(yè)和各種中間體(醫(yī)藥、農(nóng)藥、顏料)等高分子化學(xué)工業(yè)高分子化學(xué)工業(yè) 三大合成、成膜材料等的生產(chǎn)燃料化學(xué)工業(yè)燃料化學(xué)工業(yè) 石油、天然氣、煤的化學(xué)加工等食品工業(yè)食品工業(yè) 糖、油脂、飲料、生化產(chǎn)品等其它其它 造紙、制革、橡膠等的加工三、美國(guó)化學(xué)工業(yè)分類三、美國(guó)化學(xué)工業(yè)分類 按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類法按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類法(SIC)(SIC)28 28 化學(xué)品及有關(guān)產(chǎn)品化學(xué)品及有關(guān)產(chǎn)品v281 281 工業(yè)無(wú)機(jī)化學(xué)品工業(yè)無(wú)機(jī)化學(xué)品v282 282 塑料和樹脂塑料和樹脂,

3、,合成橡膠合成橡膠, ,合成纖維和人造纖維合成纖維和人造纖維v283 283 藥品藥品v284 284 肥皂肥皂, ,洗滌劑洗滌劑, ,清凈劑清凈劑, ,香料香料, ,化妝品及衛(wèi)生劑化妝品及衛(wèi)生劑v285 285 涂料涂料, ,清漆清漆, ,噴漆噴漆, ,瓷漆及有關(guān)制品瓷漆及有關(guān)制品v286 286 工業(yè)有機(jī)化學(xué)品工業(yè)有機(jī)化學(xué)品v287 287 農(nóng)用化學(xué)品農(nóng)用化學(xué)品v289 289 其它化學(xué)品其它化學(xué)品29 29 石油煉制及有關(guān)產(chǎn)品石油煉制及有關(guān)產(chǎn)品v291 291 石油煉制石油煉制v295 295 鋪路和屋面材料鋪路和屋面材料v299 299 其它石油和煤產(chǎn)品其它石油和煤產(chǎn)品30 30 橡膠

4、制品橡膠制品32 32 玻璃與陶瓷玻璃與陶瓷四、四、 化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)v在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位v品種多品種多 原料廣原料廣 工藝路線多工藝路線多v裝置大型化裝置大型化 具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性v綜合利用率高綜合利用率高 有聯(lián)產(chǎn)品和副產(chǎn)品有聯(lián)產(chǎn)品和副產(chǎn)品v先進(jìn)科學(xué)技術(shù)化程度高先進(jìn)科學(xué)技術(shù)化程度高, ,生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高 ( (催化劑催化劑, ,高溫高壓高溫高壓, ,反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快, ,材料材料, ,三廢三廢) )無(wú)機(jī)化工工藝學(xué)課程無(wú)機(jī)化工工藝學(xué)課程-內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè):以天然資源為原料生產(chǎn)基本化工原料的過程課程包括反應(yīng)的基本原理、工

5、藝過程與工藝條件和過程涉及的設(shè)備等。（化學(xué)工業(yè)又稱化學(xué)加工工業(yè)，泛指生產(chǎn)過程中化學(xué)方法占主要地位的過程工業(yè)。） 無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)：無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)：是以天然資源和工業(yè)副產(chǎn)物為原料生產(chǎn)硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸等無(wú)機(jī)酸，純堿、燒堿、合成氨、化肥以及無(wú)機(jī)鹽等化工產(chǎn)品的工業(yè)，包括硫酸工業(yè)、純堿工業(yè)、氯堿工業(yè)、合成氨工業(yè)、化肥工業(yè)和無(wú)機(jī)鹽工業(yè)。廣義上也包括無(wú)機(jī)非金屬材料和精細(xì)無(wú)機(jī)化學(xué)品，如陶瓷、無(wú)機(jī)顏料等的生產(chǎn)。 授課內(nèi)容授課內(nèi)容: : 合成氨生產(chǎn)工藝，尿素生產(chǎn)工藝，硫酸生產(chǎn)工藝，純堿生產(chǎn)工藝，無(wú)機(jī)精細(xì)化工生產(chǎn)工藝。無(wú)機(jī)化工無(wú)機(jī)化工特點(diǎn)特點(diǎn)在化學(xué)工業(yè)中是發(fā)展較早的部門，為單元操作的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)， 主要產(chǎn)品

6、多為用途廣泛的基本化工原料。 與其他化工產(chǎn)品比較，無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品的產(chǎn)量較大。 化工生產(chǎn)基本原料簡(jiǎn)介化工生產(chǎn)基本原料簡(jiǎn)介v石油、煤、天然氣 、農(nóng)林副產(chǎn)品，各種礦物質(zhì)。v世界能源消耗量： 石油40%、煤27%、天然氣23%、核能7%、水3%。 v2004年世界石油產(chǎn)量前五位：俄羅斯、沙特、美國(guó)、伊朗、中國(guó)。中國(guó)石油產(chǎn)量1.75億噸，探明儲(chǔ)量25億噸，探明天然氣儲(chǔ)量1.51億噸。v 2004年中國(guó)煤炭產(chǎn)量19.8億噸,居世界第一位?；すに噷W(xué)化工工藝學(xué)-學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 v學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：了解上述有代表性的過程的生產(chǎn)原理、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征、催化劑特性、主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，掌握其工業(yè)生產(chǎn)方法、工

7、業(yè)原理、工藝流程生產(chǎn)方法、工業(yè)原理、工藝流程。使學(xué)生對(duì)基本化學(xué)工業(yè)典型過程有深入的了解。v 筆記；作業(yè)；v學(xué)習(xí)流程示意圖（看看）化工工藝學(xué)學(xué)習(xí)化工工藝學(xué)學(xué)習(xí) 示意圖示意圖 11 第一篇合成氨第一篇合成氨 目錄目錄第一章第一章: 緒論緒論第二章第二章:固體燃料氣化固體燃料氣化第三章第三章:一氧化碳變換一氧化碳變換第四章第四章:原料氣凈化脫硫原料氣凈化脫硫第五章第五章:二氧化碳脫除二氧化碳脫除第六章第六章:原料氣的最終凈化原料氣的最終凈化第七章第七章:氨的合成氨的合成第八章第八章: 合成氨生產(chǎn)綜述合成氨生產(chǎn)綜述第一章第一章 緒緒 論論13（一）、物理性質(zhì)（一）、物理性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無(wú)色氣體，具有特

8、殊的刺激性臭味。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是無(wú)色氣體，具有特殊的刺激性臭味。2020下將氨氣加壓下將氨氣加壓0.8MPa0.8MPa時(shí)，液化為無(wú)色的液體。時(shí)，液化為無(wú)色的液體。 液氨或干燥的氨對(duì)大部分物質(zhì)不腐蝕，在有水存液氨或干燥的氨對(duì)大部分物質(zhì)不腐蝕，在有水存在時(shí)，對(duì)銅、銀、鋅等金屬有腐蝕。在時(shí)，對(duì)銅、銀、鋅等金屬有腐蝕。 氨與空氣或氧的混合物在一定濃度范圍能發(fā)生爆氨與空氣或氧的混合物在一定濃度范圍能發(fā)生爆炸，有飽和水蒸氣存在時(shí)，氨空氣混合物的爆炸，有飽和水蒸氣存在時(shí)，氨空氣混合物的爆炸界限較窄。炸界限較窄。（二）、化學(xué)性質(zhì)（略）（二）、化學(xué)性質(zhì)（略） 一、氨的性質(zhì)一、氨的性質(zhì)14v80左右的氨用來制化學(xué)肥

9、料左右的氨用來制化學(xué)肥料，其余，其余作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料。v氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種氨在工業(yè)上主要用來制造炸藥和各種化學(xué)纖維及塑料。化學(xué)纖維及塑料。v氨的其他工業(yè)用途也十分廣泛，例如：氨的其他工業(yè)用途也十分廣泛，例如：在制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的致冷劑，在制冰、空調(diào)、冷藏等系統(tǒng)的致冷劑，還有在冶金業(yè)、在醫(yī)藥和生物化學(xué)等方還有在冶金業(yè)、在醫(yī)藥和生物化學(xué)等方面也有應(yīng)用。面也有應(yīng)用。二、氨的用途二、氨的用途153322210002222000233oNHCaCOOHCaCNCCaCNNCaCCOCaCCCaOCCo（一）氰化法（一）氰化法（二）直接法（二）直接

10、法 此法是在高壓、高溫和有催化劑時(shí)，氮?dú)夂蜌浯朔ㄊ窃诟邏?、高溫和有催化劑時(shí)，氮?dú)夂蜌錃庵苯雍铣蔀榘钡囊环N生產(chǎn)方法。目前工業(yè)上合成氣直接合成為氨的一種生產(chǎn)方法。目前工業(yè)上合成氨基本上都用此法。氨基本上都用此法。三、生產(chǎn)方法三、生產(chǎn)方法16四、合成氨生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展四、合成氨生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展19131913年，在德國(guó)Oppau建成第一個(gè)工業(yè)化的合成氨裝置，日產(chǎn)30t氨.一次大戰(zhàn)后，各國(guó)都在德國(guó)被迫公開的合成氨技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一些其他方法。但氨產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢。二戰(zhàn)結(jié)束后，由于技術(shù)的進(jìn)步，高速發(fā)展。1 1、在原料構(gòu)成方面、在原料構(gòu)成方面：由以固體燃料（焦炭，煤等）為主轉(zhuǎn)化到了以氣體或液體（天然氣、石腦油、重

11、油）原料為主來合成氨。（1）以固體燃料為原料生產(chǎn)合成氨最早建立的合成氨廠用焦炭為原料，20世紀(jì)20年代以后開始出現(xiàn)焦?fàn)t氣深度冷凍分離制取氫氣的方法。后來有隊(duì)煤的連續(xù)氣化進(jìn)行了研究，并開發(fā)成功流化床煤氣化工藝。一直到二次大戰(zhàn)結(jié)束，煤和焦炭始終是合成氨的主要原料。（2）以氣體燃料或固體燃料為原料生產(chǎn)合成氨）以氣體燃料或固體燃料為原料生產(chǎn)合成氨20世紀(jì)世紀(jì)50年代開始采用天然氣制氨，由于天然氣便于管年代開始采用天然氣制氨，由于天然氣便于管道輸送、投資省、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，到道輸送、投資省、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，到20世紀(jì)世紀(jì)60年代末，年代末，國(guó)外主要產(chǎn)氨國(guó)都已先后停止用焦炭、煤為原料，而以國(guó)外主要產(chǎn)氨國(guó)都已先

12、后停止用焦炭、煤為原料，而以天然氣、重油等為原料，天然氣所占比重不斷上升。下表天然氣、重油等為原料，天然氣所占比重不斷上升。下表為各種原料的日產(chǎn)為各種原料的日產(chǎn)104.3t合成氨廠相對(duì)投資和能耗比較。合成氨廠相對(duì)投資和能耗比較。由表可見雖然各國(guó)資源不同，但選用原料的基本方向相由表可見雖然各國(guó)資源不同，但選用原料的基本方向相同，主要資源條件許可，作為合成氨的原料首先考慮采同，主要資源條件許可，作為合成氨的原料首先考慮采用天然氣和油田氣，其次采用石腦油和重油。用天然氣和油田氣，其次采用石腦油和重油。注：看一篇文獻(xiàn)注：看一篇文獻(xiàn)2 2、在生產(chǎn)規(guī)模上：、在生產(chǎn)規(guī)模上：實(shí)現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化，上

13、世紀(jì)50年代以前，氨合成塔的最大生產(chǎn)能力為日產(chǎn)200t氨到60年代為400t，如圖所示。如欲擴(kuò)大氨廠規(guī)模，就需要設(shè)置多個(gè)平行的系統(tǒng)。隨著技術(shù)水平的提高，蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的高壓離心式壓縮機(jī)研制成功，美國(guó)凱洛格（Kellogg）公司利用工藝過程的余熱副產(chǎn)高壓蒸汽作為動(dòng)力，建成了日產(chǎn)544.31t和907.19t 的氨廠，實(shí)現(xiàn)了單系列合成氨裝置的大型化。大型化的優(yōu)點(diǎn)有：投資費(fèi)用低，能量利用率高，占地少，勞動(dòng)生產(chǎn)率高等?，F(xiàn)在世界上規(guī)模最大的合成氨裝置為日產(chǎn)1800t氨。大型化的缺點(diǎn)：大型化的裝置要求能長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)機(jī)器和設(shè)備的質(zhì)量要求高，并且，超過一定的規(guī)模后，優(yōu)越性就不明顯了。下面兩圖分別是工程投資、操

14、作費(fèi)用與生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)系。3、低能耗新工藝、低能耗新工藝 現(xiàn)在合成氨能耗約占世界能耗的現(xiàn)在合成氨能耗約占世界能耗的3%，中國(guó)合成氨能耗約占全國(guó)能耗的中國(guó)合成氨能耗約占全國(guó)能耗的4%。能耗是衡量合成氨。能耗是衡量合成氨技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的重要標(biāo)志。技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的重要標(biāo)志。 （1）理論能耗）理論能耗工業(yè)上一般用熱值計(jì)算合成氨生成過程的理論能耗。熱值：是指單位質(zhì)量或單位體積的可燃物質(zhì)完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量。2、節(jié)約能源的進(jìn)展在能耗上，在能耗上，新工藝不斷的開發(fā)出來，能耗也不斷的降低以天然氣為原料的大型氨廠的能耗如圖1-1-7所示：四、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作控制上。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是用獨(dú)立的儀

15、表，現(xiàn)有些小廠還有用這種方法的，就是壓力、溫度、液位等都是單獨(dú)的儀表，而現(xiàn)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用了以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱DCS。235050年代，年代，在恢復(fù)與擴(kuò)建老廠的同時(shí)，從蘇聯(lián)引進(jìn)了三套年產(chǎn)50kt的裝置；6060年代年代，又從英國(guó)引進(jìn)了一套年產(chǎn)100kt的裝置，且又在全國(guó)建設(shè)了一大批小型氨廠；7070年代年代，我國(guó)又從西方國(guó)家引進(jìn)多套大型裝置（年產(chǎn)300 kt 以上）。8080年代后年代后，我國(guó)設(shè)計(jì)的裝置開始用于生產(chǎn)。中國(guó)合成氨簡(jiǎn)介中國(guó)合成氨簡(jiǎn)介24我國(guó)合成氨生產(chǎn)工藝技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)合成氨生產(chǎn)工藝技術(shù)現(xiàn)狀 我國(guó)合成氨裝置是大、中、小規(guī)模并存的格我國(guó)合成氨裝置是大、中、小

16、規(guī)模并存的格局，局，2004年的總生產(chǎn)能力為年的總生產(chǎn)能力為4260萬(wàn)萬(wàn)t/a。v 大型合成氨裝置有大型合成氨裝置有30套，設(shè)計(jì)能力為套，設(shè)計(jì)能力為900萬(wàn)萬(wàn)t/a，實(shí)際生產(chǎn)能力為，實(shí)際生產(chǎn)能力為1000萬(wàn)萬(wàn)t/a；v中型合成氨裝置有中型合成氨裝置有55套，生產(chǎn)能力為套，生產(chǎn)能力為460萬(wàn)萬(wàn)t/a；v小型合成氨裝置有小型合成氨裝置有700多套，生產(chǎn)能力為多套，生產(chǎn)能力為2800萬(wàn)萬(wàn)t/a。 2004年我國(guó)產(chǎn)量為4222萬(wàn)噸,居世界第一。25合成氨生產(chǎn)工藝概述合成氨生產(chǎn)工藝概述 v目前的主要生產(chǎn)過程：目前的主要生產(chǎn)過程：v(1) 制氣制氣 用煤或原油、天然氣作原料，制用煤或原油、天然氣作原料，制

17、備含氮、氫氣的原料氣。備含氮、氫氣的原料氣。v(2) 凈化凈化 將原料氣中的雜質(zhì)：將原料氣中的雜質(zhì)：CO、CO2、S等脫除到等脫除到ppm級(jí)。級(jí)。v(3)壓縮和合成壓縮和合成 合成氨需要高溫、高壓，合成氨需要高溫、高壓，凈化后的合成氣原料氣必須經(jīng)過壓縮到凈化后的合成氣原料氣必須經(jīng)過壓縮到1530MPa、450左右，在催化劑的作左右，在催化劑的作用下才能順利地在合成塔內(nèi)反應(yīng)生成氨。用下才能順利地在合成塔內(nèi)反應(yīng)生成氨。v其主要過程如圖其主要過程如圖1.1和圖和圖1.2。26合成氨生產(chǎn)工藝概述合成氨生產(chǎn)工藝概述 v圖圖1.1 合成氨的基本過程合成氨的基本過程27第二章、固體燃料氣化第二章、固體燃料氣

18、化v一、原料氣制取的途徑一、原料氣制取的途徑v二、煤氣化原理二、煤氣化原理v三、制取半水煤氣的工業(yè)方法三、制取半水煤氣的工業(yè)方法v四、氧四、氧蒸汽連續(xù)氣化法蒸汽連續(xù)氣化法*28一、原料氣制取的途徑一、原料氣制取的途徑1、概述：現(xiàn)在工業(yè)上采用天然氣、煉廠氣，石腦油、焦、概述：現(xiàn)在工業(yè)上采用天然氣、煉廠氣，石腦油、焦?fàn)t氣、重油、焦炭和煤生產(chǎn)合成氨。而最近十多年我爐氣、重油、焦炭和煤生產(chǎn)合成氨。而最近十多年我國(guó)合成氨原料構(gòu)成是以煤、焦炭為主，如表所示；國(guó)合成氨原料構(gòu)成是以煤、焦炭為主，如表所示；v我國(guó)煤炭產(chǎn)量居世界第一，加之煤資源儲(chǔ)量豐富，所我國(guó)煤炭產(chǎn)量居世界第一，加之煤資源儲(chǔ)量豐富，所以在短時(shí)間內(nèi)

19、我國(guó)仍以煤和焦炭為主來合成氨。以在短時(shí)間內(nèi)我國(guó)仍以煤和焦炭為主來合成氨。v煤的形成：煤的形成： 2、煤種與氣化爐的關(guān)系：、煤種與氣化爐的關(guān)系： 固定床固定床UGL氣化爐和魯奇（氣化爐和魯奇（Lurgi）爐，需采用灰熔點(diǎn)）爐，需采用灰熔點(diǎn)較高、機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好、含碳量高的優(yōu)質(zhì)塊狀無(wú)較高、機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好、含碳量高的優(yōu)質(zhì)塊狀無(wú)煙煤。煙煤。 流化床溫克勒（流化床溫克勒（Winkler）爐，可采用高活性的粉狀褐）爐，可采用高活性的粉狀褐煤。煤。 K-T(Koppers-Totzek)爐和德士古（爐和德士古（Texaco）爐，可氣）爐，可氣化各種不同性能的粉煤，對(duì)煤質(zhì)要求不苛刻?；鞣N不同性

20、能的粉煤，對(duì)煤質(zhì)要求不苛刻。3、煤氣的分類：、煤氣的分類： （1）空氣煤氣）空氣煤氣 以空氣作為氣化劑所制得的煤氣，可以空氣作為氣化劑所制得的煤氣，可作為合成氨原料氣中氮的來源。作為合成氨原料氣中氮的來源。 （2）水煤氣）水煤氣 以水蒸氣作氣化劑所制得的煤氣。其以水蒸氣作氣化劑所制得的煤氣。其中氫氣和一氧化碳的含量在中氫氣和一氧化碳的含量在85%以上。主要作為合成氨原以上。主要作為合成氨原料氣中氫氣的來源。料氣中氫氣的來源。 （3）混合煤氣）混合煤氣 以空氣和適量水蒸氣的混合物作氣化劑以空氣和適量水蒸氣的混合物作氣化劑所制得的煤氣。主要用作工業(yè)氣體燃料。所制得的煤氣。主要用作工業(yè)氣體燃料。（4

21、 4）半水煤氣）半水煤氣 分別以空氣和水蒸氣作氣化劑，然后將分別以空氣和水蒸氣作氣化劑，然后將分別制得的空氣煤氣和水煤氣按混合后氣體中（分別制得的空氣煤氣和水煤氣按混合后氣體中（H2+COH2+CO）與與N2N2的摩爾比為的摩爾比為3.1-3.23.1-3.2的比例進(jìn)行摻配。也可以直接控的比例進(jìn)行摻配。也可以直接控制氣化劑制氣化劑空氣空氣- -水蒸氣二者的流量來制取半水煤氣，水蒸氣二者的流量來制取半水煤氣，用作半水煤氣的專用原料氣。下表列出了以無(wú)煙煤和不用作半水煤氣的專用原料氣。下表列出了以無(wú)煙煤和不同氣化劑來制得幾種工業(yè)煤氣的組成。同氣化劑來制得幾種工業(yè)煤氣的組成。其中甲烷和硫化氫含量不同，

22、不過，在工業(yè)實(shí)際上，即使其中甲烷和硫化氫含量不同，不過，在工業(yè)實(shí)際上，即使采用相同的煤，由于汽化爐及氣化條件的不同，所制得的采用相同的煤，由于汽化爐及氣化條件的不同，所制得的煤氣的組成也有較大差異。煤氣的組成也有較大差異。二、煤氣化原理二、煤氣化原理煤在汽化爐中進(jìn)行的氣化過程包括：干燥、熱解煤在汽化爐中進(jìn)行的氣化過程包括：干燥、熱解以及由熱解生成的碳與氣化劑反應(yīng)階段。以及由熱解生成的碳與氣化劑反應(yīng)階段。（一）、煤的干燥：（一）、煤的干燥： 煤中水分包括三類：煤中水分包括三類：1、吸附在煤表面的外、吸附在煤表面的外表水，叫游離水；表水，叫游離水；2、吸附于煤結(jié)構(gòu)體毛細(xì)孔中的吸附水分；、吸附于煤結(jié)

23、構(gòu)體毛細(xì)孔中的吸附水分；3、煤中含氧基團(tuán)、煤中含氧基團(tuán)-OH和和-COOH相連的水，叫相連的水，叫化學(xué)鍵態(tài)水?；瘜W(xué)鍵態(tài)水。其中其中1和和2中的水在溫度高于中的水在溫度高于100，即可緩慢的，即可緩慢的釋出（此過程為蒸發(fā)）。釋出（此過程為蒸發(fā)）。3中的鍵態(tài)水在中的鍵態(tài)水在150-300時(shí)，時(shí)，開始分解，放出開始分解，放出CO2和和CO。（二）煤加熱分解（二）煤加熱分解 1、煤熱解的宏觀形式如下：、煤熱解的宏觀形式如下：也可用如下的簡(jiǎn)式來表示：也可用如下的簡(jiǎn)式來表示： 2、煤熱解的具體步驟：煤受熱初期先分解成低分子、煤熱解的具體步驟：煤受熱初期先分解成低分子化合物，接著進(jìn)行聚合、異構(gòu)化和烷基化?；?/p>

24、合物，接著進(jìn)行聚合、異構(gòu)化和烷基化。 當(dāng)溫度升至當(dāng)溫度升至 250時(shí)，開始釋放出易揮發(fā)的烴類。時(shí)，開始釋放出易揮發(fā)的烴類。 溫度至溫度至375-425 時(shí)，煤開始呈塑性，出現(xiàn)浸潤(rùn)、時(shí)，煤開始呈塑性，出現(xiàn)浸潤(rùn)、膨脹和漂浮現(xiàn)象；形成熔融態(tài)的瀝青，并進(jìn)一步熱解膨脹和漂浮現(xiàn)象；形成熔融態(tài)的瀝青，并進(jìn)一步熱解逸出烴類（烷烴、芳香烴）和氫氣。逸出烴類（烷烴、芳香烴）和氫氣。 溫度至溫度至600 時(shí)，煤開始半焦化，形成結(jié)炭結(jié)構(gòu)，時(shí)，煤開始半焦化，形成結(jié)炭結(jié)構(gòu)，主要產(chǎn)物為烷烴、環(huán)烷烴和酚（原焦油）主要產(chǎn)物為烷烴、環(huán)烷烴和酚（原焦油） 溫度至溫度至800 時(shí)，烴類裂解成時(shí)，烴類裂解成C和和H2。至至850 ，焦

25、油和，焦油和CH4也分解為也分解為C和和H2。 溫度高達(dá)溫度高達(dá)1000 時(shí)，煤熱解過程基本結(jié)束。時(shí)，煤熱解過程基本結(jié)束。要注意要注意：不同煤種熱解產(chǎn)物的組成及含量不同。：不同煤種熱解產(chǎn)物的組成及含量不同。3、煤熱解的影響因素：、煤熱解的影響因素： 溫度及加熱速率的影響溫度及加熱速率的影響 a、當(dāng)加熱速度慢時(shí)，煤在、當(dāng)加熱速度慢時(shí)，煤在低溫區(qū)受熱時(shí)間長(zhǎng)，其熱解反應(yīng)的選擇性強(qiáng)，初期形低溫區(qū)受熱時(shí)間長(zhǎng)，其熱解反應(yīng)的選擇性強(qiáng)，初期形成的低分子物質(zhì)容易熱聚，形成穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)，成的低分子物質(zhì)容易熱聚，形成穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)，在高溫階段時(shí)分解少。但會(huì)導(dǎo)致固體殘?jiān)扛摺Ｔ诟邷仉A段時(shí)分解少。但會(huì)導(dǎo)致固體殘

26、渣含量高。b、當(dāng)快速加熱時(shí)，低分子揮發(fā)物收率大，焦油產(chǎn)率減少，當(dāng)快速加熱時(shí)，低分子揮發(fā)物收率大，焦油產(chǎn)率減少，氣態(tài)產(chǎn)物增多。氣態(tài)產(chǎn)物增多。 壓力對(duì)煤熱解的影響壓力對(duì)煤熱解的影響 壓力增大，半焦產(chǎn)率增多和其壓力增大，半焦產(chǎn)率增多和其強(qiáng)度增大，由于揮發(fā)物逸出困難，還會(huì)導(dǎo)致液相產(chǎn)物強(qiáng)度增大，由于揮發(fā)物逸出困難，還會(huì)導(dǎo)致液相產(chǎn)物間熱縮反應(yīng)增強(qiáng)。間熱縮反應(yīng)增強(qiáng)。34v1、以空氣或富氧空氣為氣化劑時(shí)，碳與氧之間、以空氣或富氧空氣為氣化劑時(shí)，碳與氧之間的反應(yīng)為：的反應(yīng)為：vC+O2= CO2； H0298=-393.770kJ/mol （1）vC+1/2O2=CO； H0298=-110.595kJ/mol

27、 （2）vC+CO2=2CO； H0298 =172.284kJ/mol（3）vCO+1/2O2=CO2；H0298=-283.183kJ/mol（4）以（3）式計(jì)算平衡組成，有關(guān)反應(yīng)的平衡常數(shù)如下表所示（三）、氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡（三）、氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡下面我們來計(jì)算一下平衡組成：下面我們來計(jì)算一下平衡組成：假設(shè)：假設(shè)：O2全部與全部與C反應(yīng)生成反應(yīng)生成CO2， CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為的平衡轉(zhuǎn)化率為，總壓為，總壓為P；空氣中；空氣中N2O2的摩爾比為的摩爾比為7921=3.76計(jì)算基準(zhǔn)取1molO2。 C + CO2 = 2CO 平衡時(shí)： 1- 2 氣相總量=1-+2+3.76=4.76- m

28、ol由此求得各組分分壓下面我們來計(jì)算一下平衡組成：下面我們來計(jì)算一下平衡組成：假設(shè)：假設(shè)：O2全部與全部與C反應(yīng)生成反應(yīng)生成CO2， CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為的平衡轉(zhuǎn)化率為，總壓為總壓為P；空氣中；空氣中N2O2的摩爾比為的摩爾比為7921=3.76計(jì)算基準(zhǔn)取1molO2。 C + CO2 = 2CO 平衡時(shí)： 1- 2 氣相總量=1-+2+3.76=4.76- mol由此求得各組分分壓將將 分別代入平衡常數(shù)式中分別代入平衡常數(shù)式中 整理后得：整理后得：將不同溫度下的將不同溫度下的Kp值及總壓值及總壓p代入上式解出代入上式解出，從而可求，從而可求得各組分的平衡組成，如下表所示得各組分的平衡組成，如

29、下表所示由表可見，由表可見，CO平衡含量隨著溫度升高而增加。平衡含量隨著溫度升高而增加。CO2的的平衡含量卻隨之下降。當(dāng)溫度高于平衡含量卻隨之下降。當(dāng)溫度高于900時(shí)，碳與氧反時(shí)，碳與氧反應(yīng)主要產(chǎn)物為應(yīng)主要產(chǎn)物為CO,CO2含量甚少。含量甚少。382、以水蒸汽作氣化劑時(shí)、以水蒸汽作氣化劑時(shí) 碳與水蒸汽的反應(yīng)為：碳與水蒸汽的反應(yīng)為：C+H2O(g)=CO+H2 ， H0298=131.390kJ/molC+2H2O(g)=CO2+2H2 H0298=90.20kJ/molCO +H2O(g)=CO2+2H2 H0298=- 41.19kJ/molC +2H2=CH4 H0298=- 74.90k

30、J/mol當(dāng)溫度和壓力為已知時(shí)，則可以由以上五式求得平衡組成。當(dāng)溫度和壓力為已知時(shí)，則可以由以上五式求得平衡組成。對(duì)總壓為對(duì)總壓為0.1MPa和和2MPa時(shí)不同溫度下的平衡組成計(jì)算結(jié)時(shí)不同溫度下的平衡組成計(jì)算結(jié)果，分別如下面兩圖所示。果，分別如下面兩圖所示。通過有關(guān)計(jì)算知，通過有關(guān)計(jì)算知，0.1MPa下溫度高于下溫度高于900，水蒸汽與，水蒸汽與碳反應(yīng)的平衡產(chǎn)物中，含有等量的碳反應(yīng)的平衡產(chǎn)物中，含有等量的H2及及CO ，其它組分含，其它組分含量接近于零。隨著溫度的降低，量接近于零。隨著溫度的降低，H2O、 CO2及及CH4等平衡等平衡含量逐漸增加。這也意味著在高溫下反應(yīng)時(shí)，水蒸氣分解含量逐漸增

31、加。這也意味著在高溫下反應(yīng)時(shí)，水蒸氣分解率高，水煤氣中率高，水煤氣中H2及及CO含量多。含量多。對(duì)比兩圖可以看出，在溫度相同而壓力增加時(shí)，氣相中對(duì)比兩圖可以看出，在溫度相同而壓力增加時(shí)，氣相中H2O、CO2、和、和CH4含量增加，而含量增加，而H2和和CO的含量減少。的含量減少。所以從平衡來看，如想制的所以從平衡來看，如想制的CO和和H2含量高的水煤氣，反含量高的水煤氣，反應(yīng)應(yīng)在高溫下進(jìn)行，如想生產(chǎn)應(yīng)應(yīng)在高溫下進(jìn)行，如想生產(chǎn)CH4含量高的高熱值煤氣，含量高的高熱值煤氣，反應(yīng)在低溫高壓下進(jìn)行有利。反應(yīng)在低溫高壓下進(jìn)行有利。42（二）、反應(yīng)速（二）、反應(yīng)速率率v1、碳和氧的反應(yīng)：、碳和氧的反應(yīng)：v

32、根據(jù)對(duì)碳與氧反應(yīng)的研究表明，當(dāng)反應(yīng)溫度在775以下時(shí)，反應(yīng)屬于動(dòng)力學(xué)控制動(dòng)力學(xué)控制。高于900時(shí)，反應(yīng)屬于擴(kuò)散控制擴(kuò)散控制。在兩者之間，屬過渡階段過渡階段。v2、碳和水蒸氣的反應(yīng)、碳和水蒸氣的反應(yīng)v碳和水蒸氣的反應(yīng)，在溫度為4001100的范圍內(nèi)，速度仍較慢，屬于動(dòng)力學(xué)控制。當(dāng)溫度超過1100時(shí)，反應(yīng)速度較快，開始為擴(kuò)散控制。二、煤氣化原理二、煤氣化原理43三、制取半水煤氣的工三、制取半水煤氣的工業(yè)方法業(yè)方法（一）分類（一）分類 以水蒸氣為氣化劑的蒸汽轉(zhuǎn)以水蒸氣為氣化劑的蒸汽轉(zhuǎn)化法化法1、按氣化性質(zhì)分、按氣化性質(zhì)分 以純氧或富氧（有時(shí)也同時(shí)以純氧或富氧（有時(shí)也同時(shí)加入水加入水 蒸蒸 氣）空氣作

33、為氣化劑的部分氧化法氣）空氣作為氣化劑的部分氧化法 2、按排渣的形態(tài)分為：、按排渣的形態(tài)分為：固體排渣式和液體排渣固體排渣式和液體排渣式式3、按氣化爐床層形式分：、按氣化爐床層形式分：移動(dòng)床（又稱固定移動(dòng)床（又稱固定床）、流化床、床）、流化床、 氣流床、和熔床；氣流床、和熔床；3、按氣化爐床層形式分：、按氣化爐床層形式分：移動(dòng)床（又稱固定移動(dòng)床（又稱固定床）、流化床、床）、流化床、 氣流床、氣流床和熔床；氣流床、氣流床和熔床； 其特征分別描述如下：其特征分別描述如下： 固定床固定床：若將氣體自下而上通過固體顆粒床層，：若將氣體自下而上通過固體顆粒床層，當(dāng)氣體流速較低時(shí)，其他只能從顆粒間的縫隙當(dāng)

34、氣體流速較低時(shí)，其他只能從顆粒間的縫隙通過，此時(shí)顆粒仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，故稱為固定通過，此時(shí)顆粒仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，故稱為固定床或移動(dòng)床（即煤從爐頂向下移動(dòng)）床或移動(dòng)床（即煤從爐頂向下移動(dòng)） 流化床流化床： 在固定床的基礎(chǔ)上，氣體流速繼續(xù)增在固定床的基礎(chǔ)上，氣體流速繼續(xù)增大，此時(shí)床層開始逐漸松動(dòng)膨脹，若再增大氣大，此時(shí)床層開始逐漸松動(dòng)膨脹，若再增大氣流速度，則固體顆粒開始全部懸浮于氣流中，流速度，則固體顆粒開始全部懸浮于氣流中，并且床層的高度隨著氣速的增大而升高，這種并且床層的高度隨著氣速的增大而升高，這種狀態(tài)稱為流化床或沸騰床，也稱假液化床。狀態(tài)稱為流化床或沸騰床，也稱假液化床。 流化床要求煤的顆粒

35、應(yīng)小于流化床要求煤的顆粒應(yīng)小于10mm。v氣流床 ： 當(dāng)氣流速度在流化床的基礎(chǔ)上再增大至某一極限值時(shí)，懸浮于氣流中的顆粒則會(huì)被氣流帶出，相當(dāng)于流體輸送的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為氣流床。4、按其供熱方式可分為：、按其供熱方式可分為： 蓄熱法蓄熱法 也稱間歇式制氣法。先通入空氣入也稱間歇式制氣法。先通入空氣入爐燃燒，將熱量?jī)?chǔ)存在煤層中，而后通入水蒸爐燃燒，將熱量?jī)?chǔ)存在煤層中，而后通入水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)。然后再通空氣，整個(gè)過程反復(fù)交汽進(jìn)行反應(yīng)。然后再通空氣，整個(gè)過程反復(fù)交替進(jìn)行。替進(jìn)行。 富氧空氣氣化法富氧空氣氣化法 用富氧空氣或純氧氣代替空用富氧空氣或純氧氣代替空氣進(jìn)行煤氣化，來調(diào)整煤氣中的氮含量，而且氣進(jìn)

36、行煤氣化，來調(diào)整煤氣中的氮含量，而且可以連續(xù)制氣。若用純氧氣制氣則在后工序需可以連續(xù)制氣。若用純氧氣制氣則在后工序需要補(bǔ)加氮?dú)?。要補(bǔ)加氮?dú)狻?外熱法外熱法 是利用其他廉價(jià)的高溫?zé)嵩磥硖峁┦抢闷渌畠r(jià)的高溫?zé)嵩磥硖峁崃繜崃?如：熱核反應(yīng)堆的余熱，熔融鹽，熔融鐵如：熱核反應(yīng)堆的余熱，熔融鹽，熔融鐵等作為熱載體，以預(yù)熱氣化劑，或直接加熱反等作為熱載體，以預(yù)熱氣化劑，或直接加熱反應(yīng)系統(tǒng)。另外還有其他的一些方法，但都還未應(yīng)系統(tǒng)。另外還有其他的一些方法，但都還未達(dá)到工業(yè)化階段。達(dá)到工業(yè)化階段。（二）汽化爐主要類型及其特點(diǎn)（二）汽化爐主要類型及其特點(diǎn)目前工業(yè)上用于煤氣化的主要爐型有：間歇式汽目前工業(yè)上用

37、于煤氣化的主要爐型有：間歇式汽化爐、魯奇爐、溫克勒爐、化爐、魯奇爐、溫克勒爐、K-T爐、德士古爐等。爐、德士古爐等。 1、間歇式汽化爐、間歇式汽化爐 比較有代表性的是比較有代表性的是UGI爐，屬于固定床汽化爐。爐，屬于固定床汽化爐。我們國(guó)內(nèi)采用的比較多。其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖：我們國(guó)內(nèi)采用的比較多。其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖：按照供熱方式這種爐應(yīng)屬于蓄熱式，它利用吹風(fēng)按照供熱方式這種爐應(yīng)屬于蓄熱式，它利用吹風(fēng)時(shí)氧氣和煤塊反應(yīng)放出熱量，熱量?jī)?chǔ)蓄在煤層時(shí)氧氣和煤塊反應(yīng)放出熱量，熱量?jī)?chǔ)蓄在煤層中，供煤進(jìn)行氣化反應(yīng)。因?yàn)榇蟛糠执碉L(fēng)氣需中，供煤進(jìn)行氣化反應(yīng)。因?yàn)榇蟛糠执碉L(fēng)氣需要放空，所以為間歇式制氣。該爐要求采用熱要放空，

38、所以為間歇式制氣。該爐要求采用熱穩(wěn)定性好的無(wú)煙煤和焦炭，顆粒粒徑在穩(wěn)定性好的無(wú)煙煤和焦炭，顆粒粒徑在10-100mm的塊煤，不能使用粉煤，或者制成煤棒的塊煤，不能使用粉煤，或者制成煤棒或煤球。并要求煤的灰熔點(diǎn)在或煤球。并要求煤的灰熔點(diǎn)在1250以上。其以上。其排渣為固體排渣。排渣為固體排渣。2、加壓連續(xù)氣化魯奇爐下圖時(shí)中國(guó)自行設(shè)計(jì)的一種加壓魯奇爐，是參考型加壓魯奇爐改進(jìn)而成的。 氣化劑由雙套筒導(dǎo)入塔形爐箅，借此氣化劑由雙套筒導(dǎo)入塔形爐箅，借此使氣體分布均勻。爐箅下部裝有三把使氣體分布均勻。爐箅下部裝有三把刮灰刀，下灰量可通過裝在側(cè)旁的傳刮灰刀，下灰量可通過裝在側(cè)旁的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)，以更好的適應(yīng)

39、不同灰動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)，以更好的適應(yīng)不同灰分含量的煤種的灰渣下灰。爐箅和灰分含量的煤種的灰渣下灰。爐箅和灰盤均有氣體冷卻結(jié)構(gòu)裝置，從而可以盤均有氣體冷卻結(jié)構(gòu)裝置，從而可以預(yù)熱氣化劑提高氣化效率，同時(shí)降低預(yù)熱氣化劑提高氣化效率，同時(shí)降低爐箅溫度。爐箅溫度。加壓魯奇爐的優(yōu)點(diǎn)如下加壓魯奇爐的優(yōu)點(diǎn)如下 ：（1 1）可使用）可使用2-20mm2-20mm小塊煤造氣。對(duì)小塊煤造氣。對(duì)煤種的適應(yīng)性強(qiáng)，煤種的適應(yīng)性強(qiáng)，（2 2）可節(jié)省動(dòng)力消耗，因制的的煤）可節(jié)省動(dòng)力消耗，因制的的煤氣體積比氣化劑體積大，氣體積比氣化劑體積大，（3 3）單爐產(chǎn)氣量大。）單爐產(chǎn)氣量大。該爐缺點(diǎn)：不能使用粘結(jié)性強(qiáng)，熱穩(wěn)該爐缺點(diǎn)：不能使用

40、粘結(jié)性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性差，灰熔點(diǎn)低的煤以及粉煤定性差，灰熔點(diǎn)低的煤以及粉煤 并且甲烷含量高。3、德士古（Texaco）爐 德士古汽化爐是在重油部分氧化的汽化爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是由美國(guó)德士古公司研成功。主要特征是將煤粉制成70的水煤漿，與純氧一道通過特殊設(shè)計(jì)的噴嘴（或稱燒嘴）噴入爐中。氣化反應(yīng)在溫度1350-1500，壓力為1.8-3.6MPa或更高的條件下進(jìn)行。屬于氣流式自熱反應(yīng)器，見下頁(yè)圖：由于高溫反應(yīng)，當(dāng)水煤漿與氧噴入爐中，水分急流氣化成蒸汽，與K-T爐一樣粉煤發(fā)生干餾、熱裂解、釋出焦油、酚、甲醇、樹脂、甲烷等揮發(fā)份，隨即迅速燃燒放出大量熱量進(jìn)行 氣化反應(yīng)，生成約含（CO+H2）48-50的

41、煤氣，整個(gè)制氣過程僅在1-2s內(nèi)完成。煤氣中只含微量的甲烷唯一烴類，不含焦油、酚、高級(jí)烴類等物。該爐的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大，對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，該爐的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大，對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，能夠處理半煙煤、煙煤和無(wú)煙煤，粘結(jié)性和非粘結(jié)性煤能夠處理半煙煤、煙煤和無(wú)煙煤，粘結(jié)性和非粘結(jié)性煤等各種煤，也可以處理石油焦，甚至瀝青焦，廢塑料及等各種煤，也可以處理石油焦，甚至瀝青焦，廢塑料及廢輪胎等。廢輪胎等。該爐爐體用鋼板卷焊成立式圓筒形耐壓容器，由上部燃燒該爐爐體用鋼板卷焊成立式圓筒形耐壓容器，由上部燃燒室和下部激冷室。下降管上端設(shè)有激冷環(huán)，下部浸沒于室和下部激冷室。下降管上端設(shè)有激冷環(huán)，下部浸

42、沒于水中。煤氣經(jīng)激冷環(huán)和下部水層使氣渣分離，產(chǎn)生飽和水中。煤氣經(jīng)激冷環(huán)和下部水層使氣渣分離，產(chǎn)生飽和蒸汽可供蒸汽可供CO變換用。粗渣沉落于激冷室底，定期排放。變換用。粗渣沉落于激冷室底，定期排放。從氣體中洗下的含碳的細(xì)煤渣塵，以黑水形式排出系統(tǒng)，從氣體中洗下的含碳的細(xì)煤渣塵，以黑水形式排出系統(tǒng)，另作處理回收。另作處理回收。燃燒室設(shè)有燃燒室設(shè)有4支熱電偶，用以監(jiān)測(cè)爐溫。爐子外壁溫度控支熱電偶，用以監(jiān)測(cè)爐溫。爐子外壁溫度控制在制在285-315之間。爐溫主要靠調(diào)節(jié)氧煤比來控之間。爐溫主要靠調(diào)節(jié)氧煤比來控制。制。 爐內(nèi)的襯里耐火材料直接影響爐子壽命，至關(guān)重爐內(nèi)的襯里耐火材料直接影響爐子壽命，至關(guān)重要

43、。面向火焰的第一層耐火磚受溫最高，以氧化要。面向火焰的第一層耐火磚受溫最高，以氧化鉻為主作耐火材料，籍以抗高溫和高壓氣流、煤鉻為主作耐火材料，籍以抗高溫和高壓氣流、煤粒及煤渣沖刷，其中以煤渣侵蝕最為嚴(yán)重。第二層耐火材粒及煤渣沖刷，其中以煤渣侵蝕最為嚴(yán)重。第二層耐火材質(zhì)料摻有部分氧化鉻的氧化鋁為主，籍以創(chuàng)造近于進(jìn)行質(zhì)料摻有部分氧化鉻的氧化鋁為主，籍以創(chuàng)造近于進(jìn)行等溫反應(yīng)的爐子保溫條件，兼作安全襯里。一旦第一層等溫反應(yīng)的爐子保溫條件，兼作安全襯里。一旦第一層耐火磚整體減薄時(shí)，尚可靠它維持短期生產(chǎn)，第三層耐耐火磚整體減薄時(shí)，尚可靠它維持短期生產(chǎn)，第三層耐火材料以氧化鋁為主，作為增強(qiáng)近于等溫反應(yīng)條件的

44、?；鸩牧弦匝趸X為主，作為增強(qiáng)近于等溫反應(yīng)條件的保溫層。第四層稱為可壓縮層，主要以硅纖氈作成，以緩溫層。第四層稱為可壓縮層，主要以硅纖氈作成，以緩沖由熱膨脹所引起的在保溫層和殼體之間所產(chǎn)生不均勻沖由熱膨脹所引起的在保溫層和殼體之間所產(chǎn)生不均勻壓力，而不使?fàn)t體受損。壓力，而不使?fàn)t體受損。該爐的另一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，整個(gè)支承在內(nèi)封頭上的耐火磚襯該爐的另一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，整個(gè)支承在內(nèi)封頭上的耐火磚襯里，可以沿殼壁自由向上膨脹，用以防止?fàn)t體及耐火磚里，可以沿殼壁自由向上膨脹，用以防止?fàn)t體及耐火磚砌縫受應(yīng)力而破損。砌縫受應(yīng)力而破損。燒嘴是該爐的心臟設(shè)備，燒嘴有不同結(jié)構(gòu)，國(guó)外基本上是燒嘴是該爐的心臟設(shè)備，燒嘴有不同

45、結(jié)構(gòu)，國(guó)外基本上是采用下圖所示的三流式燒嘴。它由三根同心而沿軸漸縮采用下圖所示的三流式燒嘴。它由三根同心而沿軸漸縮的噴管組裝而成，氧氣走中心管和外環(huán)隙，中心管約導(dǎo)的噴管組裝而成，氧氣走中心管和外環(huán)隙，中心管約導(dǎo)入入15氧氣，外環(huán)膜約導(dǎo)入氧氣，外環(huán)膜約導(dǎo)入85氧氣，水煤漿走內(nèi)環(huán)氧氣，水煤漿走內(nèi)環(huán)隙，氧氣和水煤漿并流入爐在外噴嘴上設(shè)有冷卻水套隙，氧氣和水煤漿并流入爐在外噴嘴上設(shè)有冷卻水套和冷卻盤管，以減少可能導(dǎo)致燒嘴變形的熱應(yīng)力作用。和冷卻盤管，以減少可能導(dǎo)致燒嘴變形的熱應(yīng)力作用。 燒嘴的設(shè)計(jì)、制造及其安裝高度，直接影響到燒嘴霧化性能、火焰剛性及長(zhǎng)度、煤氣有效組成、爐子壽命及其經(jīng)濟(jì)效益等。 燒嘴霧

46、化角度與爐膛大小相匹配。若角度過大，會(huì)使耐火襯里受煤漿顆粒嚴(yán)重磨損；若過小，會(huì)導(dǎo)致爐膛高溫區(qū)上移，氣化效率低。一個(gè)良好的燒嘴設(shè)計(jì)，可以使碳轉(zhuǎn)化率由94提高到99.一般燒嘴使用三個(gè)月后即需更換。 該爐的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，這是最重要的。也存在一些缺點(diǎn)，諸如高濃度水煤漿制備需專門設(shè)置龐大的設(shè)備，而且需空分制純氧。雖水煤漿可以連續(xù)氣化，其進(jìn)料較K-T爐干法進(jìn)料安全，但氧耗量大，電耗高，且灰熔點(diǎn)高，難以破碎的煤質(zhì)不能使用。1984年日本已建成一套日處理1500t原煤裝置，用以制取合成氨原料氣。此法現(xiàn)已被國(guó)際公認(rèn)是一種最有發(fā)展前景的氣化技術(shù)。1994年我國(guó)已于魯南化肥廠建成一套日處理400t的示范裝置

47、，至今運(yùn)行良好，已為我國(guó)今后在大中型氮肥廠推廣德士古造氣技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1998年陜西渭南化肥廠又新建了我國(guó)第二套大型德士古造氣裝置。（三）半水煤氣的制取 1、半水煤氣生產(chǎn)的特點(diǎn) 作為合成氨原料氣的半水煤氣，可按上述間歇?dú)饣ɑ蚋谎跽羝B續(xù)氣化法來獲得。但無(wú)論采用那種方法，最終必須滿足半水煤氣中（H2+CO）N2（摩爾比）為3.1-3.2的工藝要求。 如以空氣-水蒸氣作為氣化劑，由反應(yīng)可知，碳與空氣的燃燒是放熱反應(yīng)。而碳與水蒸氣的氣化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。那么，前者所放出的熱量，能否滿足后者反應(yīng)的需要，并能制得組成合格的半水煤氣，以及前者所提供熱量可否實(shí)現(xiàn)整個(gè)制氣過程的自熱平衡，這是工藝人員最關(guān)心的

48、問題。 下面，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的熱量衡算來進(jìn)行分析和討論。 對(duì)于碳與空氣的燃燒反應(yīng)：若取1mol氧為計(jì)算基準(zhǔn)，則由空氣帶入的N2應(yīng)為N2O2= =3.76mol。 如此可得下式 而對(duì)碳與水蒸氣反應(yīng)其式為 若僅考慮基準(zhǔn)溫度下的反應(yīng)熱，這樣每消耗1molO2所放出的熱量，究竟能用H2O氣化多少（x）mol碳。 因此可將式（1-2-72）改寫成 再將式（1-2-71）和式（1-2-73）式相加，則得在系統(tǒng)達(dá)到自熱平衡條件下的總反應(yīng)式為 由此可得各氣體組成為 由此可見，此數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3.1-3.2的工藝要求。這就是說，在此場(chǎng)合下若要保持系統(tǒng)的自熱平衡，就不可能制得合格的半水煤氣。反之，如欲制得合格的半水煤氣

49、，該系統(tǒng)就不可能保持自熱平衡，除非向系統(tǒng)提供熱量。誠(chéng)然，提供熱量的方式，可以多種多樣，結(jié)合中國(guó)中、小型氨廠，目前仍普遍采用蓄熱法。 蓄熱法采用間歇?dú)饣?，顯然其燃料層溫度隨著空氣和人逐漸升高，但又隨著水蒸氣的加入而逐漸降低，故汽化爐內(nèi)的溫度呈周期性變化，而產(chǎn)生的煤氣組成也自然呈周期性變化，這正是間歇式制氣的主要特點(diǎn)。 若用富氧-蒸汽代替空氣-蒸汽作氣化劑，則可實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣化并制得合格半水煤氣，這樣可以克服間歇式制氣諸多缺點(diǎn)， 但富氧蒸汽中氧含量又究竟應(yīng)該多少，且其氣化反應(yīng)能否自熱平衡進(jìn)行，可以通過下列計(jì)算來說明。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)在理想條件下，反應(yīng)與式（1-2-74）相似，設(shè)O2N2=x（摩爾比），

50、當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到自然 平衡時(shí)： 顯然，尚應(yīng)滿足下列條件： 此時(shí)富氧氣體中的O2應(yīng)為： 實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，半水煤氣中尚有CO2、CH4等成分，加上各項(xiàng)熱損失，故富氧空氣中的氧含量約需50，即O2N2摩爾比接近于1，并要求O2H2O（摩爾比）= 方可滿足工藝需要。 當(dāng)然也可以純氧代替空氣進(jìn)行連續(xù)氣化，其氣化強(qiáng)度可比間歇式制氣提高一倍以上。但此法制得的煤氣中氫含量低，CO和CO2含量高，這將增加以后CO 變換的負(fù)荷，且后系統(tǒng)仍需補(bǔ)氮。 2、汽化爐燃料層的分區(qū) 間歇式煤氣化過程在固定床汽化爐中進(jìn)行，煤從爐頂間歇加入，氣化劑從爐底進(jìn)入燃料層進(jìn)行氣化反應(yīng)。在穩(wěn)定的氣化條件下，燃料層可分為以下幾個(gè)區(qū)域?？梢娤马?yè)1-2-

51、41圖。 干燥區(qū)。由于下層高溫燃料和高溫爐壁的輻射熱，以及由下而上的高溫氣流的熱傳導(dǎo)作用，使新入爐煤中的水分蒸發(fā)，形成一個(gè)干燥區(qū)，此區(qū)高度與加料量有關(guān)。 干餾區(qū)。當(dāng)干燥區(qū)下移含水不多的干煤進(jìn)入溫度在316以上的干餾層時(shí)，煤開始熱解，開始逸出以烴類為主的揮發(fā)份，而燃料本身也逐漸碳化。該區(qū)的高度小于干燥層。 氣化區(qū)。煤氣化的主要反應(yīng)在氣化區(qū)中進(jìn)行。當(dāng)氣化劑為空氣時(shí)，該區(qū)分為兩層：下部主要進(jìn)行碳的燃燒，稱氧化層，上部主要進(jìn)行C與CO2 的還原反應(yīng)，稱還原層。 氣化區(qū)。煤氣化的主要反應(yīng)在氣化區(qū)中進(jìn)行。當(dāng)氣化劑為空氣時(shí)，該區(qū)分為兩層：下部主要進(jìn)行碳的燃燒，稱氧化層，上部主要進(jìn)行C與CO2 的還原反應(yīng)，稱

52、還原層。 以水蒸氣為氣化劑時(shí)，在氣化劑進(jìn)行碳-水蒸氣反應(yīng)，不再分氧化層和還原層。 灰渣區(qū)?；以稍搮^(qū)出爐。該區(qū)可預(yù)熱從底部進(jìn)入的氣化劑，并可保護(hù)爐箅不致因過熱而變形。（四）間歇式制半水煤氣的工作循環(huán) 間歇式制半水煤氣，工業(yè)上將自上一次開始送入空氣至下一次再送入空氣為止，稱為一個(gè)工作循環(huán)，每個(gè)工作循環(huán)包括下列五個(gè)階段。 吹風(fēng)階段?？諝鈴臓t底吹入，自下向上以提高煤層溫度，然后將吹風(fēng)氣經(jīng)回收熱量后放空。 蒸汽一次上吹。水蒸氣自下而上送入煤層進(jìn)行氣化反應(yīng)，此時(shí)煤層下部溫度下降，而上部溫度升高，從而被煤氣帶走的顯熱增加。 蒸汽下吹。此時(shí)水蒸氣自上而下吹入煤層繼續(xù)進(jìn)行氣化反應(yīng)。這樣可使煤層溫度趨于均勻。制

53、得煤氣從爐底引出系統(tǒng)。 蒸汽二次上吹。蒸汽下吹制氣后煤層溫度已顯著下降，且爐內(nèi)尚有煤氣，如立即吹入空氣勢(shì)必引起爆炸。為此，先以蒸汽進(jìn)行二次上吹，將爐子底部煤氣排凈，為下一步吹風(fēng)創(chuàng)造條件。 空氣吹凈。目的是要回收存在爐子上部及管道中殘余的煤氣，此部分吹風(fēng)氣應(yīng)加以回收，作為半水煤氣中N2的氣源。 圖1-2-42及表1-2-19分別示出了間歇式制氣工作循環(huán)各階段氣流的流動(dòng)方向和各階段閥門開閉情況。（五）制半水煤氣的工藝條件 氣化過程的工藝條件，往往隨著燃料的性能，例如燃料反應(yīng)活性、粒度、灰熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等不同而有很大的差異。加之，間歇式制氣過程中燃料層溫度與氣體組成呈周期性變化，影響工藝過

54、程因素過多。故衡量氣化過程的好壞，通常主要根據(jù)： 1、半水煤氣的質(zhì)量。主要指標(biāo)是有效氣體組成（H2+CO）,以及（CO+H2）N2和微量氧等。 2、單爐產(chǎn)氣量，即氣化強(qiáng)度。以標(biāo)準(zhǔn)狀況下每小時(shí)每平方米爐膛截面所產(chǎn)生的爐氣立方米計(jì)，即m3（m3.h） 3、燃料及蒸汽的消耗?？捎每傊茪庑剩?）表示： 實(shí)際上，總氣化效率是由吹風(fēng)階段的吹風(fēng)效率 以及制氣階段的氣化效率 綜合而成。其關(guān)系為： 但無(wú)論是用哪一種方式表示的氣化效率，實(shí)際上均以燃料的熱值利用程度來衡量。一般總氣化效率只能達(dá)到60-70。 氣化過程的主要工藝條件如下。 （1）溫度 煤氣化爐中燃料層溫度沿著軸向變化，氧化層的溫度最高。工業(yè)上所稱的

55、操作溫度一般是指氧化層溫度，簡(jiǎn)稱爐溫。從化學(xué)平衡和反應(yīng)速度來看，高爐溫會(huì) 使蒸汽的分解率高，所制的煤氣質(zhì)量好，產(chǎn)量高，但也有缺點(diǎn)，就是導(dǎo)致吹風(fēng)氣溫度高，熱損失大。不過可以加設(shè)回收熱量的裝置來回收熱量。 氣化過程應(yīng)盡量在高爐溫下進(jìn)行，但溫度過高易導(dǎo)致爐結(jié)疤，這就涉及到燃料的灰熔點(diǎn)問題，下面介紹一下燃料的灰熔點(diǎn)?；胰埸c(diǎn)的三個(gè)溫度： 變形溫度t1:對(duì)應(yīng)于試樣加熱至其角錐尖峰開始變圓的溫度； 軟化溫度t2：對(duì)應(yīng)于角錐上部變形，開始倒在試臺(tái)上的溫度； 熔融溫度t3：對(duì)應(yīng)于灰渣呈熔融態(tài)，沿著試臺(tái)流動(dòng)的溫度。 對(duì)流化床其極限溫度不應(yīng)超過t1，對(duì)固定床，極限溫度不超過t2；對(duì)液體排渣的汽化爐，氣化溫度必須大于

56、t3. (2)吹風(fēng)速度 因碳在氧化層的燃燒屬于擴(kuò)散控制，故提高吹風(fēng)速度可使反應(yīng)加速，并使CO2在還原層的停留時(shí)間減少，減少吹風(fēng)氣中CO的含量及熱量損失。但吹風(fēng)量過量時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽消耗增大。如大量過量時(shí)，有可能吹翻燃料層，致使氣化過程惡化，并加大了隨飛灰?guī)ё叩娜剂蠐p失。一般吹風(fēng)量有個(gè)合適的量。一般對(duì)內(nèi)徑2.74m的煤氣爐，相應(yīng)的吹風(fēng)強(qiáng)度為3052.7-4748.6m3(m2.h)。 （3）蒸汽用量 煤氣的質(zhì)量與產(chǎn)量隨著蒸汽流速的增大和加入的時(shí)間的延續(xù)而改變。蒸汽的用量是控制生產(chǎn)的重要手段之一。蒸汽一次上吹時(shí)，爐溫較高，煤氣質(zhì)量好，產(chǎn)氣量高。但隨著制氣過程的繼續(xù)進(jìn)行，氣化區(qū)溫度迅速下降并上移，導(dǎo)致出

57、口煤氣溫度升高，帶出的熱量相應(yīng)增大。故上吹時(shí)間不宜過長(zhǎng)。蒸汽下吹時(shí)，使氣化區(qū)恢復(fù)正常，尤其是某些下吹蒸汽事前經(jīng)過預(yù)熱，制氣情況更好。故下吹時(shí)間比上吹長(zhǎng)。吹蒸汽時(shí)間與蒸汽流速有關(guān)，一般以制氣末期爐溫不低于950-1000為原則。（4）循環(huán)時(shí)間分配 每個(gè)工作循環(huán)時(shí)間不宜過長(zhǎng)和過短。過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致氣化層溫度和煤氣質(zhì)量、產(chǎn)量波動(dòng)大。過短，爐溫波動(dòng)小，煤氣質(zhì)量和產(chǎn)量也穩(wěn)定，但閥門開關(guān)頻繁，占時(shí)間多，影響產(chǎn)氣量，且閥門易于損壞。一般循環(huán)時(shí)間等于或略小于3分鐘。循環(huán)時(shí)間設(shè)定后一般不隨意調(diào)整，在必要時(shí)可改變工作循環(huán)各階段時(shí)間分配來改善操作工況。下面是一個(gè)循環(huán)時(shí)間分配表，由表可見，各階段操作時(shí)間分配是由燃料性質(zhì)、

58、粒度大小，吹風(fēng)時(shí)間和蒸汽加入速度而定。吹風(fēng)時(shí)間主要是以能提供制氣所必需的熱量為限，它決定于燃料灰熔點(diǎn)及其流速。蒸汽上吹和下吹時(shí)間以能維持氣化區(qū)穩(wěn)定，煤氣質(zhì)量高，熱能合理利用為依據(jù)。一般下吹時(shí)間長(zhǎng)。 二次上吹與空氣吹凈時(shí)間，以能排凈汽化爐下部空間及燃料層中的煤氣并回收上部空間殘留煤氣為準(zhǔn)則。吹風(fēng)氣兼優(yōu)調(diào)節(jié)煤氣中N2含量作用，但一般較少改變。二次上吹時(shí)間略長(zhǎng)于空氣吹凈時(shí)間。關(guān)鍵在于吹風(fēng)時(shí)間的確定。（5）氣體成分 為制得合格的半水煤氣，主要是調(diào)節(jié)其中（H2+CO）N2的比值。方法是改變加氮空氣量，或改變空氣吹凈時(shí)間。半水煤氣中氧含量必須控制在0.5以下，否則會(huì)引起嚴(yán)重的爆炸事故。而且氧含量升高還會(huì)傷

59、及靜電除塵和變換催化劑，尤其是低變催化劑。間歇式制氣氣體成分的典型組成如下表所示：（6）其他條件 工業(yè)實(shí)踐證明，煤氣化操作采用三高一短，即高爐溫、高風(fēng)量、高炭層、短循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)是行之有效的。 適當(dāng)?shù)脑黾犹繉痈叨?，有利于燃料層的分區(qū)高度的相對(duì)穩(wěn)定，可使燃料層儲(chǔ)存更多的熱量，延長(zhǎng)制氣時(shí)間，提高蒸汽分解率。如果炭層過高，使得吹風(fēng)階段時(shí)間增長(zhǎng)，將增大吹風(fēng)氣中的CO 含量和熱能損失，增大造氣系統(tǒng)阻力和電力消耗。炭層的高度是以造氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為限度的。 煤耗是決定化肥廠經(jīng)濟(jì)效益的重要因素之一。為了充分利用我國(guó)的多種資源，我國(guó)已成功的利用粉煤和碎煤，制成碳化煤球、紙漿煤球和清水煤球和黃泥煤棒等了。制法：（六）汽

60、化爐的原料煤消耗及熱能回收 一般的化肥廠以原料煤的形式所消耗的能量約占合成氨生產(chǎn)總能耗的70，相當(dāng)于合成氨生產(chǎn)成本的50左右。 1、氨的理論能耗 標(biāo)準(zhǔn)煤：含碳量為84的煤，一般計(jì)算時(shí)都將不同含碳量的煤都折成含碳量為84的煤，也就是標(biāo)準(zhǔn)煤，來計(jì)算。（計(jì)算）標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為726.28kgtNH3。這是理想模型。 2、汽化爐的理想熱平衡及理想煤耗 通過汽化爐理想熱平衡可以求得煤氣化時(shí)最小煤耗值。 設(shè)理想氣化條件為：吹風(fēng)氣中不含CO，灰渣中無(wú)不完全燃燒的殘?zhí)繐p失，沒有各種顯熱損失，蒸汽分解率為100，以石墨態(tài)的碳計(jì)算燃燒熱，取溫度基準(zhǔn)為25。那么則有：從而可以得到：式中 【例】設(shè)半水煤氣中各有效氣體成分