潔凈煤技術(shù)的研究型煤的加工與氣化

引言氨是一種重要的化工原料，特別是生產(chǎn)化肥的原料，它是由氫和氮合成。為了生產(chǎn)氨，一般均以各種燃料為原料[1]。首先，制成含H2和CO等組分的煤氣，然后，采用各種凈化方法，除去氣體中的灰塵、H2S、有機硫化物、CO、CO2等有害雜質(zhì)，以獲得符合氨合成要求的潔凈的1：3的氮氫混合氣，最后，氮氫混合氣經(jīng)過壓縮至15Mpa以上，借助催化劑合成氨。我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占很大比重，隨著煤炭資源的日益緊張，無煙塊煤價格不斷上漲，利用價格較低的無煙粉煤生產(chǎn)造氣用型煤已成為一種必然趨勢，用型煤造氣可使入氣化爐噸原料煤成本降低，以廉價的粉煤為原料制成型煤氣化，煤炭利用率大大提高從而使企業(yè)獲得效益，在競爭中取勝。當前城鎮(zhèn)及大中型企業(yè)要求實現(xiàn)煤氣化的迫切性越來越大，至今以合成氣為原料的合成含氮、含氧化物、烴類及燃料的化學技術(shù)已經(jīng)獲得相當成功，并且這方面的開發(fā)活動至今仍方興未衰。型煤的氣化，是以粉煤加工的塊煤原料，用氧氣，水蒸汽或氫氣等作為氣化劑，在高溫條件下通過化學反應(yīng)將煤或焦碳中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。煤炭氣化時所得的可燃氣體稱氣化煤氣。氣化煤氣可用于城市煤氣、工業(yè)燃氣和化工原料氣及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等中國發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)的目標：一是減少環(huán)境污染,如、、以及煤矸石、粉塵、煤泥水的影響等；二是提高煤炭利用效率,減少煤炭消費量；三是通過加大初級能源的轉(zhuǎn)化，改善終端能源結(jié)構(gòu)，將煤炭能源轉(zhuǎn)換為潔凈的氣態(tài)與液態(tài)能源[2]?？傊?，潔凈煤技術(shù)涉及多行業(yè)、多領(lǐng)域、多學科，是一項龐大的系統(tǒng)工程。潔凈煤技術(shù)的研究可以減少環(huán)境污染，提高煤炭利用效率,減少煤炭消費量，是解決我國石油短缺的一條重要途徑。通過氣化使之轉(zhuǎn)化成氣體，對于緩解石油資源緊張的局面具有戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義[3]。第1章型煤能源是推動經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題也日益突出，已經(jīng)成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素。我國“多煤炭、少石油、缺天然氣”的能源資源特點決定了我國能源在較長時期內(nèi)以煤為主的格局不會改變，確立我國的能源安全戰(zhàn)略，必須從這一基本條件出發(fā)。但是，目前我國84％煤炭用于直接燃燒，這種相對落后的供能方式對環(huán)境造成諸多不利影響，如80％的SO2和煙塵為燃煤產(chǎn)生，誘發(fā)溫室效應(yīng)、酸雨等。另外，掠奪式開采方式已造成部分地區(qū)地面塌陷、地下水污染和流失等。為了解決目前所面臨的矛盾和困境，出路就在發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。綜上所述，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)不僅可以充分發(fā)揮我國豐富的煤炭資源優(yōu)勢，保證煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和滿足未來不斷增長的能源需求；而且能夠有效地解決燃煤引起的環(huán)境污染問題，緩解目前石油工業(yè)所面臨的困境。因此，開發(fā)利用潔凈煤技術(shù)對減少環(huán)境污染和補償石油資源的短缺都具有非常重要的意義，是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要措施之一[3]。1.1型煤技術(shù)的發(fā)展歷程1.1.1型煤技術(shù)的必要性近年來，隨著煤炭資源的日益緊張，無煙塊煤價格不斷上漲，利用價格較低的無煙粉煤生產(chǎn)造氣用型煤已成為一種必然趨勢，用型煤造氣可使入氣化爐噸原料煤成本降低，以廉價的粉煤為原料制成型煤氣化，從而使企業(yè)獲得效益，在競爭中取勝。影響造氣型煤質(zhì)量的因素及其改善建議主要原因是型煤質(zhì)量較差。因此，對影響型煤質(zhì)量的因素進行深入分析，提出改善型煤質(zhì)量的對策，從而使造氣型煤技術(shù)在生產(chǎn)中得到穩(wěn)步健康的發(fā)展很有必要。1.1.2我國的潔凈煤技術(shù)潔凈煤技術(shù)是煤炭能源利用的主導(dǎo)技術(shù)方面之一，是當前世界各國解決環(huán)境問題的重要領(lǐng)域。在科學發(fā)展觀的指導(dǎo)下，隨著國家宏觀發(fā)展戰(zhàn)略觀念的轉(zhuǎn)變，中國政府已經(jīng)把潔凈煤技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略措施。我國政府和企業(yè)界、技術(shù)界圍繞著提高煤炭開發(fā)利用效率、減輕對環(huán)境污染開展了大量的研究開發(fā)和推廣工作。1994年，我國成立了煤炭工業(yè)潔凈煤工程技術(shù)研究中心，1995年成立了國家潔凈煤技術(shù)推廣應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組，1997年國務(wù)院批準了《中國潔凈煤技術(shù)九五計劃和2010年發(fā)展綱要》。在中國國民經(jīng)濟第十個五年計劃和煤炭工業(yè)“十五”規(guī)劃中，都非常強調(diào)加大潔凈煤技術(shù)研究開發(fā)力度，擴大潔凈煤領(lǐng)域的國際交流和合作，力求推進國內(nèi)潔凈煤集成技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。1.2潔凈煤技術(shù)的意義目前，中國已成了世界上最大的潔凈煤開發(fā)市場和商品經(jīng)營市場。中國已將發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)列入《中國21世紀議程》。型煤技術(shù)是中國當前發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)產(chǎn)業(yè)化的7項技術(shù)之一，它投資少、建廠周期短、見效快、節(jié)能和環(huán)保效益顯著，近30年來在中國合成氨行業(yè)得到了大力推廣。由于原料成本占合成氨生產(chǎn)成本的60％左右，這一舉措使中國煤炭合成氨企業(yè)的生產(chǎn)成本下降了約20％～30％，尤其在“富煤、少油、缺氣”的中國能源結(jié)構(gòu)背景下，使中國煤炭合成氨技術(shù)又煥發(fā)出青春，這確實是一項了不起的成就。由于目前型煤制氣顯現(xiàn)出的良好的經(jīng)濟效益和社會效益，并且隨著今后造氣上新技術(shù)、新設(shè)備的不斷應(yīng)用，造氣爐設(shè)備的不斷更新，工藝條件的不斷優(yōu)化和完善，型煤制氣的技術(shù)也將不斷地提高，如型煤富氧連續(xù)制氣工藝等新技術(shù)的應(yīng)用，終將克服目前存在的種種問題，在國內(nèi)一定時期內(nèi)仍將呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢[3]。煤氣化是將煤轉(zhuǎn)化為工業(yè)用氣體的過程，其中最主要的是將煤轉(zhuǎn)化為CO和H2的混合物，它們又叫合成氣，可以合成很多化學品，例如甲醇，醋酸，二甲醚，天然氣等很多非常有用的化學品。①作為工業(yè)燃氣一般熱值為1100～1350大卡熱的煤氣，采用常壓固定床氣化爐、流化床氣化爐均可制得。主要用于鋼鐵、機械、衛(wèi)生、建材、輕紡、食品等部門，用以加熱各種爐、窯，或直接加熱產(chǎn)品或半成品。②作為民用煤氣一般熱值在3000～3500大卡，要求CO小于10%，除焦爐煤氣外，用直接氣化也可得到，采用魯奇爐較為適用。與直接燃煤相比，民用煤氣不僅可以明顯提高用煤效率和減輕環(huán)境污染，而且能夠極大地方便人民生活，具有良好的社會效益與環(huán)境效益。出于安全、環(huán)保及經(jīng)濟等因素的考慮，要求民用煤氣中的H2、CH4、及其它烴類可燃氣體含量應(yīng)盡量高，以提高煤氣的熱值；而CO有毒其含量應(yīng)盡量低[21]。③作為化工合成和燃料油合成原料氣早在第二次世界大戰(zhàn)時，德國等就采用費托工藝（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。隨著合成氣化工和碳－化學技術(shù)的發(fā)展，以煤氣化制取合成氣，進而直接合成各種化學品的路線已經(jīng)成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液體燃料等。化工合成氣對熱值要求不高，主要對煤氣中的CO、H2等成分有要求，一般德士古氣化爐、Shell氣化爐較為合適。目前我國合成氨的甲醇產(chǎn)量的50%以上來自煤炭氣化合成工藝。④作為冶金還原氣煤氣中的CO和H2具有很強的還原作用。在冶金工業(yè)中，利用還原氣可直接將鐵礦石還原成海棉鐵；在有色金屬工業(yè)中，鎳、銅、鎢、鎂等金屬氧化物也可用還原氣來冶煉。因此，冶金還原氣對煤氣中的CO含量有要求。⑤作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃氣整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（簡稱IGCC）是指煤在加壓下氣化，產(chǎn)生的煤氣經(jīng)凈化后燃燒，高溫煙氣驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電，再利用煙氣余熱產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。用于IGCC的煤氣，對熱值要求不高，但對煤氣凈化度-如粉塵及硫化物含量的要求很高。與IGCC配套的煤氣化一般采用固定床加壓氣化（魯奇爐）、氣流床氣化（德士古）、加壓氣流（Shell氣化爐）廣東省加壓流化床氣化工藝，煤氣熱值2200～2500大卡左右。⑥作煤炭氣化燃料電池燃料電池是由H2、天然氣或煤氣等燃料（化學能）通過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電的化學發(fā)電技術(shù)。目前主要由磷酸鹽型（PAFC）、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。它們與高效煤氣化結(jié)合的發(fā)電技術(shù)就是IG-MCFC和IG-SOFC，其發(fā)電效率可達53%。⑦煤炭氣化制氫氫氣廣泛的用于電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氫能電池等領(lǐng)域，目前世界上96%的氫氣來源于化石燃料轉(zhuǎn)化。而煤炭氣化制氫起著很重要的作用，一般是將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和H2O，將富氫氣體經(jīng)過低溫分離或變壓吸附及膜分離技術(shù)，即可獲得氫氣。⑧煤炭液化的氣源不論煤炭直接液化和間接氧化，都離不開煤炭氣化。煤炭液化需要煤炭氣化制氫，而可選的煤炭氣化工藝同樣包括固定床加壓氣化、加壓流化床氣化和加壓氣流床氣化工藝。1.3型煤的特性與種類1.3.1何謂型煤型煤，是一種或數(shù)種煤與一定比例的粘結(jié)固硫劑等輔助物料經(jīng)加工成一定形狀尺寸和有一定替代性能的塊狀燃料[2]。當今型煤開發(fā)的另一個領(lǐng)域，是將粉煤及一定比例的煤泥等其它低熱值燃料或廢棄物加上粘結(jié)劑、添加劑加工成型煤。1.3.2型煤的分類目前國內(nèi)外工業(yè)型煤種類繁多、工藝類型復(fù)雜粘合劑原料范圍不斷擴大，為了有層次的了解工業(yè)型煤狀況，按成型分類：①工業(yè)型煤：沖壓成型、擠壓成型、滾壓成型、圓盤造粒；②民用型煤：沖壓成型、滾壓成型。按形狀分類:①工業(yè)型煤：球形、卵形、柱形、枕形、管形（見圖1.1）；②民用型煤：蜂窩形、球形、卵形。枕型卵形圓球形圖1.1型煤的形狀與大小1.3.3工業(yè)型煤的要求和特點①對于不同爐排的鍋爐、型煤的大小、冷強度的要求是不同的。往復(fù)爐排型煤的尺寸、粒度可大些，鏈條爐型煤的尺寸、粒度可小些，冷強度的要求可低些。②對于煤氣發(fā)生爐型煤、型焦來說工業(yè)鍋爐型煤技術(shù)指標要求可低些。③冷壓強度：工業(yè)鍋爐型煤與煤氣發(fā)生爐型煤、型焦的冷壓強度可以基本相同，但也可低些。一般20～30公斤/個。④熱強度：工業(yè)鍋爐型煤可以不要熱強度，或很小的強度，但煤氣發(fā)生爐型煤、型焦就必須有足夠的熱強度。一般不小于20公斤/個。⑤粒度的大小：工業(yè)鍋爐型煤的粒度，固定爐排一般在50克/個、移動爐排一般在10～20克⑥其他如防水性、烘干、落下強度、轉(zhuǎn)鼓強度，都相差不大。在商品化工業(yè)鍋爐型煤情況下，同時要滿足防水、無需烘干、粘合劑價廉、冷強度大比較容易達到，對于商品化煤氣發(fā)生爐、型焦除上述條件外，還要滿足熱強度的要求。1.4型煤的加工1.4.1型煤成型機理型煤擠出機（見圖1.2）利用螺旋擠壓的原理，將調(diào)制好的粉煤壓縮成具有一定強度的預(yù)定形狀的煤棒成型設(shè)備。它是將燃料粉煤擠壓成為有一定強度的圓形（或六棱形或方形）煤棒，進入造氣爐中燃燒的新工藝來取代燃燒塊煤和煤球造氣的傳統(tǒng)工藝[5]。1.4.2煤棒制作工藝過程將原煤經(jīng)篩分、破碎，加入粘結(jié)劑，經(jīng)攪拌、堆漚、擠壓成型、烘干后形成干煤棒入爐，具體工藝流程如下：原料煤從煤斗中落入運輸皮帶，經(jīng)振動篩篩出其中的雜物和大塊物料后進入兩次破碎系統(tǒng)。破碎后的原料粉煤經(jīng)埋刮板輸送機進入串聯(lián)雙軸攪拌機，同時在腐植酸鈉制備桶內(nèi)制備好的熱粘結(jié)劑也加入第一級雙軸攪拌機。經(jīng)兩級充分攪拌后用運輸皮帶運至堆漚倉進行漚制。漚制一定時間（一般超過24小時）后用裝載運輸車將其漚制煤進入煤斗再經(jīng)運輸皮帶運至單軸攪拌機，經(jīng)單軸攪拌微調(diào)水份后進煤棒機擠壓成型。圖1.2煤棒擠壓機成型模具煤棒機出來的煤棒直接上皮帶輸送到立式烘干爐內(nèi)烘干。從烘干爐出來的干煤棒用皮帶輸送到成品倉斗內(nèi)待用于燃燒。1.5型煤的成型型煤的生產(chǎn)方法可分為粘結(jié)劑成型和無粘結(jié)劑成型兩大類。粘結(jié)劑成型是研究時間最長、應(yīng)用最廣的成型方法。1.5.1型煤的有粘結(jié)劑成型①粘結(jié)劑成型基本流程 粘結(jié)劑成型實際上是將粘結(jié)劑與煤炭顆粒均勻攪拌，然后利用型煤機加壓成型，再經(jīng)過適當?shù)暮筇幚?，最后獲得符合要求的型煤。粘結(jié)劑成型的基本流程圖如圖1.3所示[3]。圖1.3粘結(jié)劑成型的基本流程②篩分篩分的目的在于選取塊煤另作他用。篩分的尺寸隨各廠工藝的不同而不同。有些廠將塊煤選出后，將小于20毫米的煤用破碎機破碎至0～3毫米或0～6毫米直接用于生產(chǎn)型煤。有些廠將大于3毫米或6毫米的塊煤選出后，省略破碎工序，直接將小于3毫米或6毫米的粉煤用于型煤生產(chǎn)[7]。③干燥工序干燥的目的是將混合后的原煤水分保持在一定的水平。根據(jù)使用的粘結(jié)劑的不同，對混合后的原煤水分的要求也不同。例如，用瀝青作粘結(jié)劑，原煤水分應(yīng)保持在2%～4%；用紙漿廢液或腐殖酸鹽溶液作粘結(jié)劑，原煤水分應(yīng)控制在10%～12%。破碎的目的是將原煤破碎到所需的粒度。為了避免鐵器損壞破碎機，一般在破碎機前安裝電磁除鐵器。攪拌工序的目的在于將原煤和粘結(jié)劑均勻混合，使粘結(jié)劑均勻地分布在煤炭顆粒的表面。采用瀝青作粘合劑時，還需通入蒸汽進行加熱。④成型工序成型工序是型煤成型的關(guān)鍵，型煤成型機主要有對輥式成型機、沖壓式成型機和環(huán)式成型機等。目前，在工業(yè)型煤中應(yīng)用最廣的是對輥式成型機。⑤后處理工序剛剛成型的型煤強度很低，需要經(jīng)過后處理才能達到一定的強度。后處理工序的目的在于使粘結(jié)劑在適當?shù)臏囟认庐a(chǎn)生物理化學反應(yīng)，從而使型煤具有一定的強度。歐洲一些國家的型煤廠還在后處理工序中給型煤涂敷一層保護膜，從而使型煤具有防潮和耐磨的特性。⑥粘結(jié)劑[4]粘結(jié)劑—型煤技術(shù)的關(guān)鍵，型煤粘結(jié)劑大致可分為：有機粘結(jié)劑、無機粘結(jié)劑、工業(yè)廢料和復(fù)合粘結(jié)劑。有機粘結(jié)劑可分為親水型和疏水型兩種。有機粘結(jié)劑的粘結(jié)性能好，固化后可使型煤具有較高的機械強度。在高溫時，有機質(zhì)易于分解，因此用有機粘結(jié)劑生產(chǎn)的型煤，其熱機械強度和熱穩(wěn)定性都不太理想。無機粘結(jié)劑主要有石灰、粘土、石膏和硅酸鈉等。無機粘結(jié)劑的共同特點是具有較強的粘結(jié)能力，固化后能起“骨架”的作用，使型煤具有較高的機械強度,用無機粘結(jié)劑生產(chǎn)的型煤的熱機械強度和熱穩(wěn)定性都比較理想。無機粘結(jié)劑的主要缺點是防水性差并增加了型煤的灰分。工業(yè)廢料主要指紙漿廢液、釀酒廢液、制革廢液和制糖廢液等。這些廢液主要屬于有機粘結(jié)劑。利用工業(yè)廢料作為粘結(jié)劑既可使廢物得到充分的利用，又可大大減少廢料對環(huán)境的污染。復(fù)合粘結(jié)劑是指同時使用兩種或兩種以上不同物質(zhì)作粘結(jié)劑。復(fù)合粘結(jié)劑可以利用不同物質(zhì)的優(yōu)點，互相補充，從而使型煤具有較高的機械強度。復(fù)合粘結(jié)劑主要包括有機—有機、有機—無機、無機—無機三種形式。1.5.2型煤的無粘結(jié)劑成型型煤的無粘結(jié)劑成型是指在不加粘結(jié)劑的前提下用高壓直接成型。即原料煤經(jīng)過篩分后，送入干燥機進行干燥，干燥后的粉煤冷卻到40～45℃后，再由成型機壓制成型。這種成型方法廣泛用于褐煤的加工，盡管沒有外來的粘結(jié)劑，但它仍利用了煤炭本身含有的粘結(jié)性成分。1.6粉煤成型工藝中的影響因素①壓力對粉煤成型的影響增加成型壓力是提高型煤強度的關(guān)鍵。成型機的壓力越高越有利于提高球的強度。目前國內(nèi)生產(chǎn)的成型機，最高輥面線壓力可達11t/cm，主要用于金屬粉沫成球。制造煤球不需要那么高，過去低壓成球的輥面線壓力在10kN/cm以下，現(xiàn)在許多企業(yè)采用高中壓成球機，效果很好。中壓成球機的輥面線壓力為10～50kN/cm，高壓成球機的輥面線壓力為50kN/cm以上。②粉煤的粒徑對粉煤成型的影響粉煤的粒徑及其分布對型煤的強度也有一定的影響。適宜的粒徑可與粘結(jié)劑充分接觸和粘結(jié)。過細的粉煤有利于成型強度，但是增加粘結(jié)劑用量，粉煤的粒度控制小于3mm，2～3mm占50％為宜[5]。③攪拌均勻?qū)Ψ勖撼尚偷挠绊懛勖号c粘結(jié)劑需混合均勻，經(jīng)過2～3次的攪拌，基本上可以達到料性均勻滑膩，這樣才有利于提高型煤的強度。④型煤含水量對粉煤成型的影響型煤的水分大小直接關(guān)系到型煤的成型率、固化時間、初期強度、后期強度等。根據(jù)型煤機的壓力和實際生產(chǎn)表明，成型水分應(yīng)控制在12％～14％為宜。⑤粘結(jié)劑的型號對型煤質(zhì)量的影響粘結(jié)劑的種類分為有機型、無機型和復(fù)合型三大類。采用有機型粘結(jié)劑，可提高型煤的冷強度，不降低固定碳、不增加灰分，但是不能保證型煤的熱強度。采用無機型粘結(jié)劑，雖然粘結(jié)性差，型煤灰分增高，但可提高型煤的熱強度和灰熔點。因此，目前開發(fā)的許多新型粘結(jié)劑均為復(fù)合型，其中有機和無機兩種材料均有，利用它們之間各自的長處，彌補各自的不足，所制成的型煤，具有冷熱強度高、灰熔點高、防水、防潮、固硫的優(yōu)質(zhì)型煤。由此可知，型煤的質(zhì)量除了與粘結(jié)劑密切相關(guān)外，還與煤的粒徑組成、攪拌條件、成型壓力、成型總水分等因素有關(guān)。粘結(jié)劑與煤之間的結(jié)合力是機械結(jié)合和物理結(jié)合的綜合結(jié)果。型煤的強度與粘結(jié)劑表面狀態(tài)有關(guān)，對煤粒這種非極性材料，機械結(jié)合力起決定性作用，因此對型煤的固化工藝要有適宜的條件。第2章煤炭氣化工藝流程的確定2.1煤炭氣化的方法2.1.1CAGOS制氣法①用途：將任何級別或含硫的煤轉(zhuǎn)換成合成天然氣。②產(chǎn)品：合成天然氣、汽油重整原料級石腦油等。③簡述：煤經(jīng)過破碎、篩分并加壓到345千帕送到多段沸騰床，并分段干燥和加熱除去揮發(fā)物。剩余物或炭流到沸騰床氣化爐與蒸汽反應(yīng)生成合成氣，合成氣提供熱解所需的熱并與揮發(fā)物混合，該混合氣和油——氣物料送到油回收，經(jīng)淬冷后把冷凝的油從富合成氣中分離出來，冷凝油經(jīng)加氫處理后生成石腦油、燃料油或合成原油[5]。原料合成氣經(jīng)壓縮和凈化，然后經(jīng)過變換甲烷化，除去大部分二氧化碳，脫水和壓縮成適于管道運輸?shù)臍怏w（見圖2.1）。圖2.1COGSA法2.1.2?？松呋簹饣á儆猛荆簩⒚恨D(zhuǎn)換成代用天然氣。②原料：各種煤，包括褐煤、次煙煤、煙煤。③簡述：原料煤破碎到8目，加入溶液狀催化劑，經(jīng)催化的煤緩慢氧化、干燥并通過煤斗送入流化床氣化器。在壓力3.45兆帕、溫度722條件下，蒸汽和循環(huán)及混合成流化的氣流，未反應(yīng)的蒸汽從反應(yīng)器的出口氣中冷凝出來，然后采用普通酸性氣處理（物理溶劑）法除去和。產(chǎn)品甲烷經(jīng)深冷從循環(huán)和中分離出來。含有催化劑的炭、未反應(yīng)的炭和煤被連續(xù)除去，約的催化劑被水洗回收然后再循環(huán)（見圖2.2）。圖2.2?？松呋簹夥?.1.3GI二段煤氣發(fā)生爐①用途：連續(xù)法或間歇法用煤生產(chǎn)低熱值或中熱值燃料氣。②原料：篩選的低粘結(jié)煤、褐煤、煙煤、無煙煤、焦炭。③簡述：兩段氣化發(fā)生器的工藝原理都是煤緩慢蒸餾，只有焦炭才被氣化。因此沒有破裂和形成瀝青及膠質(zhì)組分的麻煩。氣化爐可以連續(xù)或間斷操作，連續(xù)操作時可以用或不用富氧，連續(xù)法的氣體熱值5443千焦至12560千焦，帶化油器的間斷法氣體熱值為12560～20934千焦。氣化爐內(nèi)徑尺寸1.4～4米，產(chǎn)率根據(jù)使用的煤而不同。進煤量可達5噸/時。2.1.4泥煤氣化法①用途：合成天然氣。②原料：泥煤、水和空氣。③簡述：此過程系采用兩段氣化爐使泥煤轉(zhuǎn)化成高熱值煤氣或其他合成燃料。在反應(yīng)器內(nèi)生成的甲烷高達82%。將含水份25～50%的泥煤粉碎到10網(wǎng)目，經(jīng)過鎖式貯斗進入反應(yīng)器的頂部。除了兩層氣化層外，在反應(yīng)器頂部還附有一個流化床，用于干燥進來時的泥煤。干燥后的泥煤進入一個立式管內(nèi)，并進到短暫停留的氫化系統(tǒng)，在這里泥煤與從下面氣化裝置來的合成氣發(fā)生反應(yīng)在，在此處產(chǎn)生的甲烷為全過程的65%，氣體從這里進入干燥層；而炭溢流落入炭氣化裝置，在壓力6.9兆帕、溫度889～944條件下與蒸汽、氧氣在流化床上起反應(yīng)，生成合成氣。進來的炭約有95%氣化。熱灰排出后用循環(huán)水進行冷卻，灰—水漿液經(jīng)過濾后將水回收循環(huán)系統(tǒng)[6]（見圖2.3）。圖2.3泥炭煤氣化法2.1.5S—O氣化法①用途：生產(chǎn)富含CO和H2的氣體，宜作低熱值或中熱值的燃料用②原料：所有灰分含量不超過40%的煤以及煤加氫裝置的殘渣。③簡述：采用高溫下流化床熔渣型氣化爐，在壓力下操作，氣體產(chǎn)品不含油類和焦油。煤必須粉碎至3毫米以下，干燥到水分含量約為2～12%。用循環(huán)載氣把干燥粉碎了的煤送至氣化爐，原料和氣化介質(zhì)（氧/蒸汽、氧/空氣）是通過噴嘴注入的，反應(yīng)物離開噴嘴后已得到混合。氣化爐內(nèi)有一轉(zhuǎn)動著的熔渣流化床，它的作用，保證安全點火，起著防護層的作用，由此可獲得高的火焰溫度氣化反應(yīng)在1650～2400，壓力在常壓至2.45兆帕之間進行，氧或氧/空氣由廢熱鍋爐來的飽和蒸汽預(yù)熱，工藝蒸汽是過熱的。2.1.6德士古煤氣化法目前國內(nèi)合成氨工業(yè)以塊煤為原料的UGI間歇氣化工藝占70％以上。詳細介紹見2.3。2.1.7魯奇熔渣氣化法①用途：合成天然氣，氨的合成氣，羰基合成氣，費—托法合成氣，中熱值氣體，發(fā)電。②原料：多種類的煤，包括焦煤和軟質(zhì)煤。③產(chǎn)品：中熱值的煤料氣。④簡述：通過煤斗系統(tǒng)將原煤送進氣化爐并維持氣化爐裝滿燃料，煤的粒度最好為8～75毫米，但是也可以經(jīng)過煤斗系統(tǒng)把相當數(shù)量粒度小于6毫米的煤粒與主料一起加入氣化爐，通過噴嘴還可以把更細的煤吹入氣化爐內(nèi)，由噴嘴吹入蒸汽和氧氣在壓力2.43兆帕、溫度427～527條件下使煤氣化。氣體中所含的焦油、油類及其他有機副產(chǎn)物可以分離并循環(huán)到處理系統(tǒng)。煤灰呈熔渣狀，用水淬冷，使成玻璃球狀顆粒。除此之外還有如下幾種：接受體氣化法、維爾曼格留沙法煤氣化法、HYGAS制氣法、柯柏斯—托切克制氣法、維斯汀豪斯煤氣化法、溫克勒氣化制氣法等等。2.2煤炭氣化的機理2.2.1以空氣和水蒸汽為氣化劑的燃料層氣化過程氣化劑在燃料層氣化過程是一個極其復(fù)雜的過程，其氣化過程不可能完全按照特征反應(yīng)進行，而且工業(yè)生產(chǎn)的氣化反應(yīng)設(shè)備熱損失較大，與理論計算差距較大，如蒸汽通過燃料層后，不可能得到完全分解，總有一部分未分解的蒸汽，一般在常壓氣化時，蒸汽通過燃料層的最高分解率為50～60%[8]。氣化過程見圖2.4。圖2.4致密層氣化過程示意圖2.2.2氣化反應(yīng)的化學平衡在氣化過程中，各個反應(yīng)的平衡常數(shù)如表2.1所示。表2.1不同溫度各反應(yīng)的平衡常數(shù)的對數(shù)值反應(yīng)41.04032.06350.017-8.977-6.790-4.603-2.31046.6433.31220.41820.67320.1630.2550.3350.4150.20020.003-0.98213.54516.81510.2753.2702.7552.2400.40011.305-2.35110.10614.8305.3824.7243.9543.1830.6206.923-2.918從表上知：①碳及CO的燃燒反應(yīng)的平衡常數(shù)值很大，在煤氣爐中可能存在的溫度下，平衡組成中幾乎全是生成物，這說明這些反應(yīng)以極快的速度進行。即碳及CO的燃燒反應(yīng)基本上可看成是不可逆的。②二氧化碳的還原反應(yīng)，其平衡常數(shù)的對數(shù)值在正負值之間變動，即溫度升高，氣體混合物中一氧化碳含量增加，在1000時的反應(yīng)中，一氧化碳的平衡組成可達99%，二氧化碳幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸?。③在氣化層中，水蒸汽與碳的主要反應(yīng)：（2-1）（2-2）上述反應(yīng)與的還原反應(yīng)一樣，均為吸熱反應(yīng)，按平衡移動原理可知，溫度升高，平衡向生成物方向轉(zhuǎn)移。同時，溫度升高，更有利于生成CO的反應(yīng)，所以氣化層溫度較高，則煤氣中CO含量也較高[14]。2.2.3氣化過程的反應(yīng)動力學氣化反應(yīng)屬于氣固相系統(tǒng)的多相反應(yīng)。整個過程包括物理和化學兩個過程?？煞譃橄铝胁襟E：①氣流中的活性組分向炭的表面擴散（物理過程）；②活性組分被碳表面所吸附（物理過程）；③生成中間產(chǎn)物（化學過程）；④中間產(chǎn)物分解成反應(yīng)產(chǎn)物（化學過程）；⑤反應(yīng)產(chǎn)物脫附（物理過程）；⑥反應(yīng)產(chǎn)物擴散入氣流中（物理過程）。物理過程主要和氣體的擴散有關(guān)，化學過程和化學反應(yīng)速度有關(guān)，影響擴散速度的主要因素是氣流速度，影響化學反應(yīng)速度的主要因素是溫度[19]。2.2.4半水煤氣制造原理在氣化爐燃料層內(nèi)，炭與空氣及蒸汽的混合物相互作用時的產(chǎn)物稱為半水煤氣。其化學反應(yīng)按下列方程進行：（2-3）（2-4）這種煤氣的組成由上列兩反應(yīng)的熱效應(yīng)平衡條件所決定。由于半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，因此要求入爐蒸汽與空氣（習慣上成為氮煤氣）比例恰當以滿足半水煤氣中要求，但是在實際生產(chǎn)中要求半水煤氣中。2.2.5煤氣爐內(nèi)燃料層分部情況及特性以直徑3米爐為例，自上而下為：干燥區(qū)高度為150～200毫米；干餾區(qū)高度為300～400毫米；還原區(qū)高度為350～450毫米；氧化區(qū)高度為200～300毫米；灰渣區(qū)高度為100～200各區(qū)層的高度，隨爐型和燃料的種類、性質(zhì)的差異以及采用氣化劑品位不同而有所區(qū)別。需要說明的是，各區(qū)之間往往是相互交錯，并沒有明顯的分界線。干燥區(qū)內(nèi)一般不產(chǎn)生氣化反應(yīng)，此區(qū)內(nèi)的燃料因剛加入爐內(nèi)，故溫度低。只是吹風時的吹風氣、上吹時的煤氣以及下垂式的過熱蒸汽（經(jīng)燃燒室預(yù)熱）上下通過此區(qū)域時將此區(qū)燃料中的水分蒸發(fā)，起到預(yù)熱干燥作用。干餾區(qū)內(nèi)燃料受到熱氣體繼續(xù)加熱并分解放出低分子烴，在熱分解時析出水分、醋酸、甲醇、甲醛、苯酚、樹酯、一氧化碳、二氧化碳（依靠燃料中的氧及一氧化碳）、硫化氫、甲烷、乙烯、氨、氮和氫。氣化劑通過此區(qū)域時，幾乎不發(fā)生氣化反應(yīng)。還原區(qū)是氣化層產(chǎn)生氣化反應(yīng)的主要區(qū)域之一，由氧化區(qū)來得二氧化碳還原成一氧化碳及水蒸汽分解為氫，燃料依靠與熱的氣體換熱被再次預(yù)熱。此區(qū)的化學反應(yīng)是：（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）在煤氣爐整個燃燒層中，氧化區(qū)的溫度最高，煤氣爐定時測量它的火層情況，就是間接的測量它的溫度。在氣化層里燃料中的碳與氣化劑中的氧（空氣的氧或富氧）發(fā)生化學反應(yīng)，其氣化反應(yīng)是：（2-9）（2-10）氧化層加上述還原層總稱為氣化層。燃料層中的燃料經(jīng)過氣化后剩余物質(zhì)被稱為灰渣，灰渣在爐體最下部形成灰渣區(qū)。在生產(chǎn)中灰渣去起到了預(yù)熱氣化劑，分布氣化劑，保護爐箅和承受燃料層骨架的作用[5]。2.3德士古（UGI）間歇式氣化反應(yīng)機理及工藝流程綜合考慮先前成功工程事例，年生產(chǎn)能力、煤轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)成本、原料煤煤質(zhì)等因素，選用粉煤加工的型煤，利用德士古（UGI）間歇式氣化工藝實現(xiàn)煤炭氣化。2.3.1反應(yīng)機理固體原料磨碎后在水或油中配制成漿，用泵打入氣化爐，氣化采用部分氧化法，無催化劑，氣化爐在8.13兆帕、操作溫度為1300～1600。煤漿和氧迅速反應(yīng)，全部重烴類基本上轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品，其主要成分為CO和H2，停留時間僅幾秒鐘，灰漿水可使溫度穩(wěn)定。反應(yīng)爐是一個具有耐火磚襯里的壓力容器，高的操作溫度產(chǎn)生熔渣，從水封型“鎖灰斗”中去。熔渣顆粒是不透水的，為了便于處理它，要控制最小的熔渣力度。2.3.2工藝流程固體燃料由加料機從爐頂間歇加入爐內(nèi)，吹風時，空氣鼓風機自下而上通過燃料層，吹風氣經(jīng)燃燒室及廢熱量后由煙囪放空。燃燒室中加入二次空氣，將吹風氣中的可燃氣體燃燒，使室內(nèi)的格子蓄熱磚溫度升高。燃燒室蓋子具有安全閥作用，當系統(tǒng)發(fā)生爆炸時可泄壓，以減輕設(shè)備的破壞。蒸汽上吹制氣時，煤氣經(jīng)燃燒室及廢熱鍋爐回收余熱后，再經(jīng)洗滌塔進入氣柜。下吹制氣時，蒸汽從燃燒室頂部進入，經(jīng)預(yù)熱后自上而下流經(jīng)燃料層。由于煤氣溫度較低，可直接由洗滌塔進入氣柜。二次上吹時，氣體流向與上吹相同?？諝獯祪魰r，氣體經(jīng)燃燒室、旋風除塵器、廢熱鍋爐和洗滌塔進入氣柜，此時燃燒室不必加入二次空氣，在上、下吹制氣時，如配入加氮空氣，則其送入時間應(yīng)稍遲于水蒸汽的送入，并在蒸汽停送之前切斷，以避免空氣與煤氣相遇而發(fā)生爆炸。燃料氣化后，灰渣經(jīng)旋轉(zhuǎn)爐蓖由刮刀刮入灰箱，定期排出爐外[15]。工藝流程圖如圖2.5所示。圖2.5煤氣爐工藝流程圖2.3.3間歇式氣化的工作循環(huán)常壓固定床法制半水煤氣其工藝流程氣化過程按5個階段分別敘述如下：①吹風階段來自鼓風機的加壓空氣送入煤氣發(fā)生爐底部，經(jīng)與燃料層燃燒放出大量的熱量儲存于炭層內(nèi)，生成吹風氣由爐頂出，經(jīng)旋風除塵器除去灰塵后，進入廢熱鍋爐的管間的水換熱，水受熱蒸汽產(chǎn)生的低壓蒸汽經(jīng)氣包蒸汽管道可供本爐制氣用。吹風氣被冷卻降溫后出廢熱鍋爐，由煙囪放空。②上吹制氣階段蒸汽與加氮空氣一起自爐底送入，經(jīng)與灼熱的燃燒層反應(yīng)后，氣體層上移，爐溫下降，生成半水煤氣由爐頂引出除去帶出灰塵。進入廢熱鍋爐回收氣體中的顯熱后進入洗滌塔洗凈和冷卻至常溫由洗滌塔上部引出送出氣柜。③下吹制氣階段蒸汽自爐頂送入，經(jīng)灼熱的氣化層反應(yīng)，氣化層下移，爐溫繼續(xù)下降，生成的水煤氣由爐底引出，因下行煤氣通過灰渣層降低溫度，不再進入廢熱鍋爐直接進入洗滌塔洗凈降溫，由塔頂引出至氣柜。④二次吹氣階段基本同一次上吹制氣階段，但不加入氮空氣，其目的在于置換下部及管道中殘存的煤氣，防止爆炸現(xiàn)象。⑤吹凈階段其工藝流程同上吹制氣階段，但不用蒸汽而改用空氣，以回收系統(tǒng)中的煤氣至氣柜。以上5個階段的工作循環(huán)，由液壓或氣壓兩種形式自動機控制，目前正在發(fā)展成微型程序制代替自動機控制[17]。間歇式制氣工作循環(huán)各階段氣體的流向（見圖2.6）。閥門開閉情況（見表2.2）圖2.6間歇制半水煤氣各階段氣體流向圖表2.2各階段閥門開啟情況閥門開閉情況階段1234567吹風OXXOOXX一次上吹XOXOXOX下吹XXOXXOO二次上吹XOXOXOX空氣吹凈OXXOXOX注：O閥門開啟X閥門關(guān)閉2.3.4間歇式制半水煤氣的工藝條件選擇生產(chǎn)工藝條件時，要求氣化效率高，爐子生產(chǎn)強度大，煤氣質(zhì)量好，氣化效率是指制得半水煤氣所具有的熱值與制氣投入的熱量之比。投入的熱量包括氣化所消耗的燃料熱值和氣化劑帶入的熱量（后者主要指蒸汽的潛熱）。它是用來表示氣化過程中的熱能利用率。氣化效率高，燃料利用率高，生產(chǎn)成本低。氣化效率用X表示：X=Q半/(Q燃＋Q蒸)×100%（2-11）式中：Q半半水煤氣的熱值Q燃消耗燃料的熱值Q蒸消耗蒸汽的熱值生產(chǎn)強度是指每平方米爐膛截面在每小時生產(chǎn)的煤氣量，以煤標準狀態(tài)下的立方米表示。煤氣質(zhì)量則根據(jù)生產(chǎn)要求以熱值或以指定成分要求來衡量。為了保存以上的要求，氣化過程的工藝條件有：溫度反應(yīng)溫度沿著燃料層高度而變化，其中氧化層溫度最高。操作溫度一般主要是指氧化層的溫度，簡稱爐溫。爐溫高，反應(yīng)速度快，蒸汽分解率高，煤氣產(chǎn)量高，質(zhì)量好。但爐溫高，吹風氣中一氧化碳含量高，燃燒發(fā)熱少，熱損失大。此外，爐溫還受燃料及灰渣熔點的限制，高溫熔融將造成爐內(nèi)結(jié)疤。故爐溫通常應(yīng)比灰熔點低50℃左右，工業(yè)上采用爐溫范圍1000～1200℃。吹風速度提高爐溫的主要手段是增加吹風速度和延長吹風時間。后者使制氣時間縮短，不利于提高產(chǎn)量，而前者對制氣時間無影響，通過提高吹風速度，迅速提高爐溫，縮短二氧化碳在還原層的停留時間。以降低吹風氣中的一氧化碳含量，減少熱損失[21]。蒸汽用量蒸汽用量是改善煤氣產(chǎn)量與質(zhì)量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制氣時間愈長，則煤氣產(chǎn)量愈大。但要受到燃料活性、爐溫和熱平衡的限制。當燃料活性好。爐溫高時，加大蒸汽流量可加快氣化反應(yīng)，煤氣產(chǎn)率和質(zhì)量也得到提高。但同時因燃料層溫下降快而應(yīng)縮短吹入蒸汽的時間。但燃料活性較低時，宜采用較小的蒸汽流量和較長的送入時間。燃料層高度在制氣階段，較高的燃料層將使水蒸汽停留時間加長，而且燃料層溫度較為穩(wěn)定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹風階段，由于空氣與燃料接觸時間家長，吹風氣中CO含量增加，更重要的是，過高的燃料層由于阻力增加，使輸送空氣的動力消耗增加。根據(jù)實踐經(jīng)驗，對粒度較大、熱穩(wěn)定性較好的燃料，可采用較高的燃料層，但對顆粒小或熱穩(wěn)定性差的燃料，則燃料層不宜過高。循環(huán)時間制氣過程一個循環(huán)時間包括五個階段時間，各階段的時間分配要根據(jù)燃料性質(zhì)，氣化劑配分比和煤氣組成的要求而定，一個循環(huán)時間短時，爐溫的波動小，煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量也較穩(wěn)定，故循環(huán)時間不宜長，但氣化活化較低的燃料時，因反應(yīng)速度慢，應(yīng)采用較長的循環(huán)時間。氣體成分主要調(diào)節(jié)半水煤氣中（H2+CO）與N2比值。方法是改變加氮氣，或改變空氣吹凈時間。在生產(chǎn)中還應(yīng)經(jīng)常注意保持半水煤氣中低的氧含量（≤0.5%），否則將引起后序工段的困難，氧含量過高還有爆炸的危險。第3章工藝計算3.1煤氣發(fā)生爐的物料及熱量衡算方法：實際數(shù)據(jù)計算法實際計算法是以實測煤氣組成為依據(jù)的計算法，采用此法計算時，首先將氣化煤進行試燒，以得到準確的煤氣組成分析數(shù)據(jù)。已知條件的確定：表3.1入爐煤組成（重量%）CHONSAW合計78.131.320.430.770.5113.245.6100燃燒熱值28476kJ/㎏①吹風氣組成表3.2吹風氣組成（體積%）CO2O2COH2CH4N2合計H2S16.540.356.563.340.7672.451000.85g/Nm3②半水煤氣真正組成表3.3半水煤氣組成（體積%）CO2O2COH2CH4N2合計H2S7.50.2032.10430.5416.661001.45g/Nm3③各物料進出爐的溫度空氣25℃;相對濕度80%，空氣含水汽量0.0213kg（水汽）/kg吹風氣，上行煤氣流600℃；下吹煤氣200℃；灰渣上行蒸汽120℃；飽和蒸汽的焓2730kJ/kg；下吹蒸汽550℃；過熱蒸汽的焓④生產(chǎn)循環(huán)時間表3.4生產(chǎn)循環(huán)時間（時間%）吹風上吹下吹二次上吹吹凈合計2626368410046.8s46.8s64.8s14.4s7.2s180s⑤計算基準：年生產(chǎn)力：1000000t/a煤燃料；年開工時數(shù)：8000h；以為基準進行計算。⑥帶出物數(shù)量及其組分帶出物數(shù)量：2kg絕對干料帶出物組分及各組分重量表3.5帶出物數(shù)量及其組分元素組成（重量%）各組分重量（kg）C82.502×0.8250=1.65H1.662×0.0166=0.03O0.472×0.0047=0.01N0.802×0.008=0.02S0.572×0.0057=0.01灰分14.002×0.14=0.28合計100.002.00帶出物熱值30030kJ/㎏[24]。⑦灰渣組成及其各組分重量表3.6灰渣組成（重量%）CS灰分合計14.500.3085.20100.00灰渣重量（按灰分平衡計算）灰渣各組分重量C S灰分合計：15.21⑧燃料氣化后轉(zhuǎn)入煤氣中的元素量CHONS合計：計算誤差3.2吹風制氣階段的物料及熱量衡算吹風階段的計算：（物料衡算）①每1Nm3吹風氣中含有的元素量CHONS②由碳平衡計算吹風氣量：③由氮平衡計算空氣用量：空氣帶入水汽量：（1.293為空氣密度）④氫平衡進項：燃料帶入氫量：空氣中水蒸汽帶入氫量：合計：出項：吹風氣中含氫量：吹風氣中水汽含量：合計：吹風氣中水汽含量：每標準m3吹風氣中水汽含量：⑤氧平衡進項：燃料帶入氧量：空氣中含氧量：空氣中水汽含氧量：合計：出項：吹風氣中氧量：吹風氣中水汽含氧量：合計：誤差：⑥硫平衡進項：燃料帶入硫量：出項：吹風氣中含硫量：誤差：熱量衡算：進項:燃料熱值：燃料顯熱：（1.05為燃料的比熱）[26]。干空氣顯熱：（1.30為空氣的比熱）空氣中水汽的焓：合計：出項:吹風氣熱值：1m3吹風氣熱值為：干吹風氣顯熱：吹風氣中水汽的焓：（32599為600℃時過熱蒸汽的焓）帶出物熱值：帶出物顯熱：（1.05為燃料的比熱）[24]?；以锌扇嘉餆嶂担海?4020，10500分別為碳和硫的發(fā)熱值）灰渣顯熱：（0.94為灰渣的比熱）熱損失（取燃料發(fā)熱量的8%）:合計：積蓄在煤層中的熱量：吹風效率：熱量平衡表：表3.7熱量平衡表（kJ）進項出項燃料熱值2847600吹風氣熱值684852燃料顯熱2625干吹風氣顯熱489984干空氣顯熱17225吹風氣中水汽的焓32599空氣中水汽的焓37418帶出物熱值60060帶出物顯熱1260灰渣中可燃物熱值75709灰渣顯熱2858熱損失227808積蓄在煤層中的熱量1329738合計2904868合計2904868制氣階段的計算（以100kg入爐燃料為基準）物料衡算①每Nm3半水煤氣中含有的元素量CHONS②由碳平衡計算半水煤氣產(chǎn)量：③由氮平衡計算氮空氣用量：氮空氣中含水汽量：④氫平衡已知和假設(shè)數(shù)據(jù)上行半水煤氣產(chǎn)量為上行半水煤氣中含水蒸汽量為上、下吹蒸汽用量相等各為下行半水煤氣產(chǎn)量為下行半水煤氣中含水蒸汽量為為方便計算，假設(shè)上、下吹氣體成分相同，上、下吹氮空氣作為均勻加入計。上行制氣階段氫平衡（以千克計）進項：燃料帶入氫量：水蒸汽帶入氫量：氮空氣中水蒸汽含氫量：合計：出項：半水煤氣中氫量：0.03944X半水煤氣中水汽含氫量：合計：0.0672X平衡：（3-1）下行制氣階段氫平衡進項：燃料帶入氫量蒸汽帶入氫量氮空氣中水汽含氫量：合計：出項：半水煤氣中氫量:半水煤氣中水汽含氫量:合計：平衡：（3-2）解方程（3-1）和（3-2）得：由此得：上行半水煤氣產(chǎn)量：上行半水煤氣產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分數(shù)：下行半水煤氣產(chǎn)量：下行半水煤氣產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分數(shù)：上行半水煤氣中水蒸汽量：下行半水煤氣中水蒸汽汽量：合計：蒸汽總耗量：上吹蒸汽分解率：下吹蒸汽分解率：平均蒸汽分解率：⑤氧平衡進項：燃料中帶入氧量：蒸汽帶入氧量：氮空氣中氧含量：氮空氣中水汽含氧量：合計：出項：半水煤氣中氧量：半水煤氣中水汽含氧量：合計:誤差：⑥硫平衡進項：燃料帶入硫量：合計：出項：半水煤氣中含硫量：熱量衡算進項：燃料熱值：燃料顯熱：蒸汽的焓：（2730、3595分別為上行蒸汽和下行蒸汽的焓）[9]。干氮空氣顯熱：（1.30為空氣的比熱）氮空氣中水汽的焓：（2564為水蒸汽的焓）合計：出項：半水煤氣熱值：1標準m3半水煤氣熱值為：干半水煤氣的顯熱：上行半水煤氣比熱：下行半水煤氣比熱：半水煤氣中水汽的焓：（3696、2890分別為600℃和200℃蒸汽的焓）[26帶出物熱值：帶出物顯熱：（1.05為帶出物的比熱）灰渣中可燃物熱值：（34020、10500分別為碳和硫的熱值）[26]。灰渣顯熱：（0.97為灰渣的比熱）[24]。熱損失（取燃料發(fā)熱值的8%）合計：需從煤層中吸取的熱量：制氣效率：表3.8熱量平衡表（kJ）進項出項燃料熱值2847600半水煤氣熱值3379544燃料顯熱2625干半水煤氣顯熱204107蒸汽的焓681012半水煤氣中水汽的焓361927干氮空氣顯熱2340帶出物熱值60060氮空氣中水汽的焓5084帶出物顯熱1260從煤層中吸取熱量874804.74灰渣中可燃物熱值75709灰渣顯熱2950.74熱損失227808合計4413465.74合計4413465.743.3總過程計算①燃料使用分配設(shè)100kg燃料用于制半水煤氣為Xkg根據(jù)熱量平衡得：每100kg燃料用于制半水煤氣為60.32%，用于制吹風氣未39.68%②每100kg燃料的生產(chǎn)指標吹風氣產(chǎn)量：半水煤氣產(chǎn)量：氮空氣消耗量：蒸汽消耗量：吹風時空氣消耗量：總過程效率：③物料衡算碳平衡進項：燃料中碳含量：合計：出項：半水煤氣中碳含量：吹風氣中碳含量：合計：誤差：氫平衡進項：燃料中氫含量：空氣中水汽含氫量：氮空氣中水汽含氫量：蒸汽含氫量：合計：出項：半水煤氣中氫含量：半水煤氣中水氣含氫量：吹風氣中含氫量：吹風氣中水汽含氫量：合計：誤差：氧平衡進項：燃料中氧含量空氣中氧含量：蒸汽中含氧量：空氣中水汽含氧量：氮空氣中水汽含氧量：氮空氣中氧量：合計：出項：半水煤氣中氧含量：半水煤氣中水汽含氧量：吹風氣中氧含量：吹風氣中水汽含氧量：合計：誤差：氮平衡進項：燃料中氮含量：空氣中氮含量：氮空氣中氮含量：合計：出項：半水煤氣中氮含量：吹風氣中氮含量：合計：誤差：硫平衡進項：燃料中硫含量：出項：吹風氣中硫含量：半水煤氣中硫含量：合計：誤差：④熱量衡算進項：燃料熱值：燃料顯熱：干空氣顯熱：空氣中水汽的焓：（2564水蒸氣的焓）干氮空氣顯熱：氮空氣中水汽的焓：蒸汽的焓：合計：出項：吹風氣熱值：干吹風氣顯熱：吹風氣中水汽的焓：半水煤氣熱值：干半水煤氣顯熱：半水煤氣中焓:帶出物熱值：帶出物顯熱：灰渣中可燃物熱值：灰渣顯熱：熱損:（取燃料發(fā)熱的8%）合計：誤差：⑤配氣計算配氣量計算：半水煤氣中（CO＋H2）：N2取3.1：1吹風氣中CO＋H2：N2：半水煤氣中CO＋H2：N2：設(shè)每標準水煤氣中配入吹風氣量為100千克燃料制氣時半水煤氣產(chǎn)量為208.10Nm3需配入吹風氣量為：100千克燃料實際可制得半水煤氣量為：實際半水煤氣組成體積%:CO2O2COH2CH4N2⑥消耗定額（按每噸氨計算）每噸氨耗半水煤氣燃料：折合含碳85%的燃料為：蒸汽：3.4設(shè)備計算與選型煤氣化技術(shù)是世界上第一個大型工業(yè)化潔凈煤技術(shù)工程，該工程的投產(chǎn)將對世界能源格局發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。煤氣化化，是將適合于液化工藝的煤制成煤漿，在煤氣化發(fā)生爐中反應(yīng)制成氣體，再經(jīng)過加壓、變換、脫硫、脫碳等工藝的組合將粗煤氣加工成合格的原料氣[21]。煤氣化發(fā)生爐則是整個煤炭氣化廠的核心設(shè)備。3.4.1設(shè)計參數(shù)根據(jù)工藝要求(按照UGI煤氣發(fā)生爐的工藝設(shè)計)，Φ3000mmU.G.I型煤氣發(fā)生爐的工藝指標（見表3.9）。表3.9Φ3000mmU.G.I型煤氣發(fā)生爐的工藝指標工藝參數(shù)生產(chǎn)能力6500～7500m3/h燃料消耗量3.1～4.5t/h爐體內(nèi)徑Φ3000mm夾套鍋爐受熱面積19m2爐篦形式寶塔式灰盤轉(zhuǎn)速0～1410r/min爐灰盤傳動電動機J02-41-4.4千瓦爐灰盤傳動減速機PM350-IV-2g夾套鍋爐蒸汽壓力40～60千帕（表壓）設(shè)備外形尺寸（長×寬×高）7235×4497×10700mm爐膛高度4970mm有效容積20m3煤氣出口內(nèi)徑Φ1050mm高徑比2:1空氣與蒸汽比1:23.4.2設(shè)計選材臨氫操作的壓力容器按AIPRP941中的納爾遜曲線來選擇合適的材料。它表示了鋼材在臨氫條件下的使用界限,是目前設(shè)計和使用單位為加氫設(shè)備選擇材料的基礎(chǔ)。根據(jù)溫度和氫分壓確定:殼體用鋼鍛件，根據(jù)腐蝕要求殼體內(nèi)壁堆焊TP309L材料，表層堆焊TP347L材料，內(nèi)件材料用347型不銹鋼。設(shè)計規(guī)范BJ4372《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》[20]。由于殼體所用材料鋼鍛件，而此材料尚未列入我國壓力容器標準，因此在初步設(shè)計計算中主要參照了ASME鍋爐及壓力容器標準ASME第1卷A、C、D分篇[15]。設(shè)備圖如圖3.1所示。圖3.1UGI煤氣發(fā)生爐3.4.3制造技術(shù)要求的確定制造技術(shù)要求是制造的文件依據(jù).也是判定最終制造結(jié)果是否合格的依據(jù)。在制造工藝要求的基礎(chǔ)上，依據(jù)ASME鍋爐及壓力容器標準中的有關(guān)規(guī)定，同時參考美國石油協(xié)會標準API934的相關(guān)規(guī)定，編制了嚴格的工程技術(shù)條件，對材料、焊接、制造方法及無損檢測等提出了明確要求，確保設(shè)備的質(zhì)量要求，特別是在國內(nèi)首次大量采用TOFD多通道自動檢測技術(shù)，促進了這一先進技術(shù)在國內(nèi)的推廣。3.4.4施工設(shè)計與總體制造方案完善的施工設(shè)計是制造的良好基礎(chǔ)，由于設(shè)備的規(guī)格過大，在設(shè)計中對很多結(jié)構(gòu)尺寸進行詳細的力學分析計算來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計中完成制造工藝方案的確定，保證設(shè)計的工程可行性和經(jīng)濟合理性[17]。在密封結(jié)構(gòu)選擇上，首次在大型反應(yīng)器上采用了GRAY—LOCK法蘭連接形式，該結(jié)構(gòu)在高溫高壓的條件下密封性能更可靠，同時與常規(guī)的環(huán)連接面密封形式相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，螺栓數(shù)量少，螺栓力低，拆裝方便等特點，給實際操作及檢修工作帶來更大的便利。3.4.5煤氣爐指標計算Φ3000mmUGI煤氣發(fā)生爐每臺每小時產(chǎn)水煤氣7500Nm3。已知條件：①循環(huán)周期及各階段時間分配 表3.10循環(huán)周期及各階段時間分配程序吹風上吹下吹二次上吹吹凈合計%26263684100秒46.846.864.814.47.2180②根據(jù)計算所得：生產(chǎn)量：吹風氣產(chǎn)量：半水煤氣產(chǎn)量：加氮水煤氣：消耗量：空氣消耗：蒸汽量：③每個循環(huán)平均產(chǎn)氣量：吹風空氣流量（吹凈時風量為吹風量的70%左右）：水蒸汽流量：上吹（包括二次上吹）：下吹：吹風氣流量:上行煤氣流量:下行煤氣流量:關(guān)于上面計算有以下幾點說明：①以上流量未考慮濾、漏損失。②煤氣產(chǎn)量在加煤后各循環(huán)中并不相同，以上指標是平均值。3.4.6煤本設(shè)計采用Φ3000mm的UGI已知條件：每小時產(chǎn)半水煤氣量（年產(chǎn)100萬噸合成氨廠，每噸氨需3300m3的半水煤氣。由于設(shè)備檢修等原因，全年生產(chǎn)時間不可能為365天，取300天計。臺數(shù)的確定:①爐堂面積②生產(chǎn)強度③臺數(shù)的確定煤氣爐在生產(chǎn)中加入煤和除灰要停車，一天的生產(chǎn)時間沒有24小時，實際生產(chǎn)時間取22小時，另外，由于氣化爐不能長期達到最大產(chǎn)氣量，取富裕系數(shù)為0.95，則：取76根據(jù)需要備用煤氣爐2臺，所以本設(shè)計共有煤氣發(fā)生爐78臺。結(jié)論煤氣化是“能源戰(zhàn)略技術(shù)”。我國煤炭資源豐富，煤種齊全，煤炭液化技術(shù)，對發(fā)揮資源優(yōu)勢，優(yōu)化終端能源結(jié)構(gòu)，補充國內(nèi)石油供需缺口有著現(xiàn)實和長遠的意義。德士古（UGI）常壓固定床間歇氣化工藝的特點在于其排渣和加料是間斷的，煤層在氣化過程中是靜止不動的，隨著氣化反應(yīng)的進行，以溫度劃分的各區(qū)域?qū)⒅饾u上移，必須經(jīng)過間歇排渣和加炭后各區(qū)域才恢復(fù)到原來的位置。采用熱穩(wěn)定性好、機械強度高、不粘結(jié)、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高、灰分熔點較高的原料，本設(shè)計采用粉煤加工的型煤。半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，在實際生產(chǎn)中要求半水煤氣（CO＋H2）：N2≥3.2。煤氣爐內(nèi)燃料各層之間并沒有嚴格的界限，即沒有明顯的分層，各層高度隨燃料的種類性質(zhì)和氣化條件不同而異；該工藝要求爐溫范圍1000～1200℃、吹風速度以不使炭層出現(xiàn)風洞為限、合適的燃料層高度以及適宜的蒸汽用量。工藝流程選擇利用吹氣持有熱和上行煤氣顯熱的流程，這是我國目前廣泛使用的一類流程，它可使大部分的廢熱得以回收利用，適用于爐徑大于2740mm。在煤氣爐的物料衡算中，進項為100千克入爐燃料，出項包括灰分、干料、不可燃物共計99.99千克，誤差為0.01%；能量衡算中，進項包括燃料熱值、空氣中水汽的焓、干空氣顯熱、燃料顯熱共計2904868千焦，出項包括吹風氣熱值、帶出物熱值、吹風氣中水汽的焓、干吹風氣顯熱等共計1575130千焦，其差值1329738千焦為積蓄在煤層中的熱量；在制氣階段，分別對碳、氫、氧、氮、硫元素進行了衡算；熱量衡算中，進項包括燃料熱值、燃料顯熱、蒸汽的焓、氮空氣中水汽的焓、干氮空氣顯熱共計3538661千焦，出項4413465.74千焦,其差值874804.74千焦為從煤層中吸取的熱量，進而得制氣效率為80.18%；在配氣計算中，100千克燃料實際可制得半水煤氣量為230.82m3，半水煤氣的實際組成為CO28.39%、O20.21%、CO29.59%、H239.10%、CH40.56%、N222.16%。設(shè)備計算中，選用Φ3000mmUG最終還是由于我們所掌握的有關(guān)煤化工方面的文獻資料不夠全面，加之自身知識水平有限，缺乏一定的實際工作經(jīng)驗，論文中不免存在問題，敬請讀者指正。參考文獻[1]王燕芳.化肥造氣型煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].潔凈煤技術(shù)，1998，4（2）：12-14.[2]張建生，崔智勇.關(guān)于型煤產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的幾點看法[J].煤炭工程，2004，10（5）：59-60.[3]王學先，田青，侯立剛，程國強.氣化型煤新技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)[J].化肥工業(yè)，2004，31（6）：41-43.[4]張紅雨.氣化型煤粘結(jié)劑[J].應(yīng)用科技，2001，28（1）：43.[5]李永恒.造氣動技術(shù)問答[M].天津科學技術(shù)出版社，1999.[6]張成芳.合成氨廠工藝技術(shù)與節(jié)能[M].華東化工學院出版社出版，1990，4.[7]張德祥.氣化型煤研制與其粘結(jié)劑篩選[J].煤化工，2000，4（3）：9-11.[8]沙興中，楊南星.煤的氣化與應(yīng)用[M].華東理工大學出版社出版.[9]梅安華.小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊（上冊）[M].化學工業(yè)出版社出版.[10]李耀剛.煤氣發(fā)生爐的熱量衡算與工藝操作優(yōu)化[J].化肥工業(yè)，2000，27（4）：2-28.[11]高俊，韓錦德，徐桂芹.氣化型煤的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].潔凈煤技術(shù)，1999，5（4）：16-18.[12]王利斌，陳明波，賀茂臣.化肥造氣用熱壓型煤的研究[J].煤炭科學技術(shù)，2003，31（6）：28-30.[13]曹華岳.固定床間歇式煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)的增產(chǎn)節(jié)能[J].化肥工業(yè)，1998，25（4）：6-28.[14]周建軍.Φ3000mm造氣爐運行總結(jié)[J].化肥設(shè)計，2005，43（4）：43-45.[15]劉洪峰.固定層間歇式Φ3000mm煤氣爐系統(tǒng)改造總結(jié)[J].小氮肥，2006，24（6）：24-26.[16]劉紹斌.Φ3000mm錐形造氣爐改造運行總結(jié)[J].氮肥技術(shù)，2007，28（4）：45-48.[17]葉亞成，肖志強，陳惠周.Φ3000mm造氣爐改造小結(jié)[J].福建化工，2005，27（4）：31-34.[18]林大鈞，于傳浩，楊靜.化工制圖[M].北京：高等教育出版社，2007，8.[19]許志偉，王素榮.煤氣發(fā)生爐操作工藝的優(yōu)化[J].石油和化工節(jié)能，2007，26（1）：16-19.[20]刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設(shè)備機械基礎(chǔ)[M].大連理工大學出版社出版.[21]朱詠梅.煤氣發(fā)生爐的使用要點和節(jié)能方法[J].陶瓷，2006，15（3）：27-29.[22]厲玉鳴.化工儀表及其自動化[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006，5.[23]柴誠敬.化工原理（上、下冊）[M].北京：高等教育出版社，2005，6.[24]鐘蘊英，關(guān)夢嬪，崔開仁，王惠中.煤化學[M].中國礦業(yè)大學出版社出版，1988，7.[25]李永恒.淺談固定層煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)的增產(chǎn)節(jié)能[J].化肥工業(yè)，1990，14（4）：17-23.[26]郭樹才.煤化工工藝學[M].化學工業(yè)出版社出版，1991，3.[27]陳德祥，陳秀.煤化工工藝學[M].煤炭工業(yè)出版社出版，1998，2.[28]黃璐，王保國.化工設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001，2.目錄第一章總論11、項目名稱及承辦單位12、編制依據(jù)43、編制原則54、項目概況65、結(jié)論6第二章項目提出的背景及必要性81、項目提出的背景82、項目建設(shè)的必要性9第三章項目性質(zhì)及建設(shè)規(guī)模131、項目性質(zhì)132、建設(shè)規(guī)模13第四章項目建設(shè)地點及建設(shè)條件171、項目建設(shè)地點172、項目建設(shè)條件17第五章項目建設(shè)方案251、建設(shè)原則252、建設(shè)內(nèi)容253、工程項目實施33第六章節(jié)水與節(jié)能措施371、節(jié)水措施372、節(jié)能措施38第七章環(huán)境影響評價391、項目所在地環(huán)境現(xiàn)狀392、項目建設(shè)和生產(chǎn)對環(huán)境的影響分析393、環(huán)境保護措施……404、環(huán)境影響評價結(jié)論……………..……………42第八章勞動安全保護與消防441、危害因素和危害程度442、安全措施方案443、消防設(shè)施…………...45第九章組織機構(gòu)與人力資源配置461、組織機構(gòu)462、組織機構(gòu)圖46第十章項目實施進度481、建設(shè)工期482、項目實施進度安排483、項目實施進度表48第十一章投資估算及資金籌措491、投資估算依據(jù)492、建設(shè)投資估算49目錄TOC\o"1-2"\p""\h\z\u第一章總論 11.1項目概況 11.2研究依據(jù)及范圍 31.3主要技術(shù)經(jīng)濟指標 41.4研究結(jié)論及建議 4第二章項目建設(shè)的背景和必要性 62.1項目建設(shè)的背景 62.2項目建設(shè)的必要性 8第三章項目服務(wù)需求分析 11第四章項目選址與建設(shè)條件 134.1選址原則 134.2項目選址 134.3建設(shè)條件 144.4項目建設(shè)優(yōu)勢條件分析 PAGEREF_To