化學(xué)工藝學(xué)教案6(化工12本)-胡江良

PAGEPAGE7化學(xué)工藝學(xué)課程教案課 型 理論課√ 討論課□課次 6 課時 2 （請打√）

實驗課□習(xí)題課□其他□授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題：第3章合成氨3.2合成氨原料氣的制備教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次：熟悉合成氨原料氣的生產(chǎn)方法熟悉固體層煤氣發(fā)生爐內(nèi)燃料層分區(qū)掌握固體燃料氣化的原理熟悉固定床間歇氣化法制半水煤氣的工作循環(huán)的五個階段教學(xué)重點及難點：重點：固體燃料氣化的原理、固定床間歇氣化法制半水煤氣工藝條件難點：固體燃料氣化的原理教學(xué)基本內(nèi)容3

方法及手段多媒體講授合成氨原料氣的制備固體燃料氣化制備合成氨原料氣固體燃料氣化是指用氧或含氧氣化劑對固體燃料（煤、焦炭或水煤漿進行加熱，使碳轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇夹詺怏w的過程，在合成氨廠簡稱造氣。氣化所得的可燃氣體稱為煤氣，進行氣化的設(shè)備稱為煤氣發(fā)生爐（固體燃料氣化器）。用來與固體燃料進行氣化反應(yīng)的氣體統(tǒng)稱為氣化劑。工業(yè)煤氣分類根據(jù)氣化劑的不同，可以生產(chǎn)出以下4途的工業(yè)煤氣。①空氣煤氣：碳與含氧空氣[O2：21％、N2：79％]相互作用生成；②水煤氣：在1000℃赤熱的碳層內(nèi)碳與水蒸汽作用生成水煤氣；③發(fā)生爐煤氣：與空氣和適量蒸汽的混合氣反應(yīng)后生成混合煤氣；④半水煤氣：用水蒸汽加適量空氣或富氧空氣作為氣化劑，生成的氣體CO十H2N＝3.～3.2N為2122時，稱為半水煤氣。半水煤氣是合成氨的原料氣。工業(yè)煤氣的組成如下表：煤氣名稱

氣體組成，體積（%）H CO CO N2 2

CH O HS4 2 2空氣煤氣水煤氣混合煤氣半水煤氣

0.950.011.037.0

33.437.327.533.3

0.66.56.06.6

64.45.555.022.4

0.50.30.30.3

-0.20.20.2

-0.2-0.2合成氨原料氣生產(chǎn)方法目前，工業(yè)上以固體燃料為原料生產(chǎn)合成氨原料氣的方法主要有以下幾種：①固定層間歇氣化法：以固體燃料為原料，氣化劑（空氣和水蒸汽）交替地通過固體燃料層，使燃料氣化，制備合成氨原料氣的過程。②固定層連續(xù)氣化法：在高溫下，以氧和水蒸氣的混合物為氣化劑，連續(xù)通過固體燃料層進行氣化，制備合成氨原料氣的過程。③氣流層氣化法：在高溫下，以氧和水蒸氣混合物為氣化劑，與粒度小于0.1mm的粉煤并流氣化，獲得有效成分（CO＋H2）高達80～85%的煤氣，灰渣呈熔融狀態(tài)排除。④水煤漿加壓連續(xù)氣化法：此法也程德士古水煤漿氣化法，將固體原料煤和水按一定比例加到磨煤機中磨成水煤漿，加壓后和氧一起有噴嘴噴入氣化爐內(nèi)，進行氣化反應(yīng)，制得水煤氣。固體燃料固定層間歇氣化法制半水煤氣固定層間歇氣化法制取半水煤氣是將固體煤從爐頂以間歇方式加入煤氣發(fā)生爐中，空氣(或富氧空氣)從爐底加入，自下而上通過燃料層，在燃料層內(nèi)進行氣化反應(yīng)生成半水煤氣。氣化后的灰渣從爐底徘出。固定層煤氣發(fā)聲爐內(nèi)燃料層的分區(qū)（層）在穩(wěn)定的氣化條件下，燃料層大致劃分為干燥區(qū)、干餾區(qū)、氣化區(qū)和灰渣區(qū)。①干燥層：新補充的燃料煤與熱煤氣接觸將夾帶的水分蒸發(fā)。②干餾層：溫度繼續(xù)升高燃料煤受熱分解，釋放出低分子量的碳氫化合物，煤焦化變?yōu)樘俊＂蹥饣瘜樱簹饣瘜泳哂泻芨叩臏囟?，是煤氣發(fā)生爐中氣化煤的最主要的區(qū)域。空氣通過氣化層時，在氧化層內(nèi)碳與氧作用生成二氧化碳與一氧化碳。④灰渣層：固體殘渣在煤氣發(fā)生爐的底部形成灰渣層，它一方面預(yù)熱和均勻分布氣化劑，另一方面起到對爐算的保護作用，以避免爐算過熱發(fā)生大的變形。灰渣最終從爐底誹出。(2)固體燃料氣化的原理固體燃料固定層間歇氣化法生產(chǎn)半水煤氣時，吹風(fēng)和制氣是交替進行然后蒸汽通過燃料層，碳與蒸汽發(fā)生吸熱反應(yīng)制得合成氨粗原料氣。①以空氣或富氧空氣為氣化劑，碳與氧的反應(yīng)在吹風(fēng)階段，當(dāng)空氣或富氧空氣通過高溫燃料層時，碳與氧發(fā)生的反應(yīng)：CO CO393.7kJ/mol(39)2 2O 2CO220.9kJ/mol(310)22COO 2CO/mol(311)2 2COC2CO172.4kJ/mol(312)2反應(yīng)主要向正向進行，可視為不可逆反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果是使燃料溫度升高。而式的平衡常數(shù)隨溫度變化而變化，是一個可逆反應(yīng)，正向反應(yīng)的結(jié)果是使燃料溫度降低。因此應(yīng)選擇適宜的操作條件，控制反應(yīng)3-1）的發(fā)生。發(fā)生的反應(yīng)。綜上所述，在吹風(fēng)階段，為了加快碳與氧的燃燒反應(yīng)、減少二氧化碳的還原反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)提高空氣的流速，并且燃料層的高度和燃料層的溫度不能過高。②以水蒸汽為氣化劑，碳與水的反應(yīng)在制氣階段，當(dāng)水蒸汽通過高溫燃料層時，碳與水蒸汽首先發(fā)生下列反應(yīng)：CHO(g)COH 131.4kJ/mol13)2 2C

O(g)CO2

2H2

90.2kJ/mol14)COC2CO172.4kJ/mol12)2當(dāng)溫度較低時還會發(fā)生生成甲烷和一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫的副產(chǎn)物反應(yīng)：C2H(g)CH 74.9kJ/mol15)2 4CO

O(g)COH2 2

41.2kJ/mol16)制氣階段通入水蒸氣進行氣化的目的是制得含氫和一氧化碳的原料氣，即希望式、式、式應(yīng)（3-15）、反應(yīng)發(fā)生。碳與水蒸氣的化學(xué)反應(yīng)式，式、式、式是吸熱反應(yīng)，式、式（3-16）提高反應(yīng)溫度能提高原料氣中一氧化碳和氫氣的含量，減少二氧化碳和甲烷的含量。煤氣爐的溫度越高，越有利于水蒸氣的分解，水煤氣的質(zhì)量越高。COH2溫低壓下進行。③以空氣和適量的水蒸氣為氣化劑，碳與氧、水蒸氣同時反應(yīng)，當(dāng)空氣和適量的水蒸氣混合通過高溫燃料層時，在氣化層理同時發(fā)生碳與氧和碳與水蒸氣的反應(yīng)，雖然此時反應(yīng)過程更加復(fù)雜，但是其反應(yīng)過程、反應(yīng)式及影響基本上與碳與氧和碳與水蒸氣分別發(fā)生的情況一致。半水煤氣的制造半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，其生產(chǎn)方法可采用固定層間歇氣化/N2(體積比)為3.1～3.2的工藝要求。碳與空氣發(fā)生放熱反應(yīng)、與水蒸氣發(fā)生吸熱反應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)維持自熱平衡時，空氣與水蒸氣同時進行氣化反應(yīng)時，如不提供外部熱源，則氣化產(chǎn)物中COH2的含量大大低于合成氨原料氣配比要求。為解決氣體成分與熱量平衡這一矛盾，可采用下列方法。①富氧空氣氣化法：②蓄熱法：③外熱法固定床間歇氣化法制半水煤氣的工作循環(huán)固定層間歇氣化法制造半水煤氣時，需要向煤氣發(fā)生爐內(nèi)交替地送入空氣和水蒸氣，燃料層溫度隨空氣的加入逐漸升高，隨水蒸氣的加入又逐漸下降，呈周期性變化，生成煤氣的組成亦呈周期性變化，這是工業(yè)生產(chǎn)過程中間歇制氣的重要特點。為了保持爐溫的穩(wěn)定及操作安全，每個工作循環(huán)包括5個階段。①吹風(fēng)階段:送風(fēng)發(fā)熱、提高爐溫；②一次上吹制氣階段:將水蒸氣和爐氣從爐底吹入，與燃料層中熾熱的碳發(fā)生反應(yīng)生成半水煤氣，并經(jīng)廢熱鍋爐、洗滌塔后送入氣柜；③下吹制氣階段：吹后爐層溫度降低，但上層溫度尚高，仍可利用熱能，故改為下吹造氣。先從爐頂向下吹幾秒水蒸氣，防止直接吹空氣與煤氣相遇爆炸。得半水煤氣從爐底導(dǎo)出，并送至氣柜；④二次上吹制氣階段：自爐底吹水蒸氣，將爐中水煤氣排出，為重新進行空氣吹風(fēng)做準備，同時回收爐內(nèi)殘存的半水煤氣，防止直接送入空氣引起爆炸；⑤空氣吹凈階段：將空氣從爐底吹入，把爐內(nèi)殘存的半水煤氣和含氮吹風(fēng)氣一起吹出并送入氣柜。持續(xù)時間更短。五個階段為一個循環(huán)，每個循環(huán)需3～4min。生產(chǎn)出的半水煤氣中：2 2 H%=38～42%；CO%=27～31%；N%=19～22%；CO%=6～9%2 2 還含少量的甲烷、氧氣、硫化氫、二硫化碳等。固定層間歇氣化法制半水煤氣的氣化效率1、氣化效率：吹氣效率和制氣效率綜合起來；2、吹風(fēng)效率：蓄于燃料層中的熱量與吹氣階段消耗燃料煤的熱值之比；3、制氣效率：制氣階段所產(chǎn)煤氣的熱值與制氣階段消耗燃料煤的熱值；4、蒸汽帶入的熱量及吹風(fēng)時積蓄于燃料層中可以利用的熱量三者之和之比；5、氣化總效率：制得半水煤氣的熱值與氣化過程所消耗燃料煤的熱值和蒸汽帶入熱量的和之比。固定層間歇氣化法制半水煤氣的工藝條件1、操作溫度在煤氣發(fā)生爐中，最高溫度點是在氧化層處，燃料層溫度沿爐軸向而變。爐溫高時，有利于生成一氧化碳和氫氣，反應(yīng)速率增快，能生產(chǎn)質(zhì)量高的半水煤氣和具有較高的產(chǎn)氣量。但若爐溫過高，則會造成燃料浪費和熱量損失加大，當(dāng)達到灰渣熔點時，爐內(nèi)結(jié)疤會影響正常操作。一般爐溫控制點為比燃料的灰熔點低 50~100℃。工業(yè)上采用的爐溫范圍一般1000-1200℃。2、吹風(fēng)速度惡化。一般，對于直徑2.74m的煤氣爐，使用大塊煤時吹風(fēng)量控制在18000-32000Nm3/h；使用小塊煤時，吹風(fēng)量整制在13000-32000。3、蒸汽用量水蒸氣用量是控制和調(diào)節(jié)煤氣產(chǎn)量與質(zhì)量的重要手段之一，水蒸氣用量越大，制氣時間越長，則煤氣產(chǎn)量越大；但水蒸氣過多會使爐溫降低。通常內(nèi)徑2.74m的煤氣發(fā)生爐蒸汽用量為5~7t/h。4、燃料層高度燃料層高則水蒸氣停留時間加長水蒸氣的分解；但對于2.75m內(nèi)徑的煤氣爐，從風(fēng)帽算起燃料層高度為1.6~1.8m。5、循環(huán)時間及分配一般一個循環(huán)時間為2.5~3min。工作循環(huán)時間取決于燃料的性質(zhì)和各階段的操作要求。不同燃料循環(huán)時間分配百分比例如表所示。6、氣體成分(COH2)／N2＝3.1~3.2，(CO十H2)＞68氣量來調(diào)節(jié)氮含量。此外，應(yīng)盡量降低甲烷、二氧化碳和氧含量，不允許O2≥0.5％。2 2 2 2 以煤為原料，間歇法氣化過程生成半水煤氣的組成，按體積百分比計O：30％及HS：1.276g／2 2 2 2 7.二次空氣用量：作用：回收熱量，太少不能充分回收，太多容易爆炸，要求加入二次空氣后出燃燒室的吹風(fēng)氣中一氧化碳和氧的含量均小于空氣后出燃燒室的吹風(fēng)氣中一氧化碳和氧的含量均小于1%。8.間歇氣化對固體燃料的要求水分＜5%；揮發(fā)分＜6%；灰分15-20%，一般＜25%；硫分含量＜1.5g/