第3讲 煤为原料生产半水煤气的方法

第三讲煤为原料生产半水煤气的方法

最近石油和天然气价格的上涨已使化学工业使用煤生产化学品推向了一个"战略转折点"。煤制化学品的发展与它的低成本息息相关，并且由于石油和天然气储量趋于减少，这就给煤的发展提供了空前广阔的空间。

美国几家化肥生产商将使合成氨生产从天然气转换为煤。大量合成氨装置因天然气价格居于高位，最近巳闲置装置或降低开工率运转。以煤作为原料生产合成气的工艺重新提上日程。

煤制合成氨原料气的工艺也经历了一个较长的发展过程。早在上世纪50年代前期，合成氨是以煤和焦炭为主要原料，为此开发了第一代煤造气炉，主要炉型有固定床的UGI煤气化炉、鲁奇煤气化炉，流化床的温克勒煤气化炉及气流床的柯柏-托切克煤气化炉。其后，合成氨原料大部分转移到天然气、石脑油和重油。到1969年，国外用煤和焦炭制氨比重仅占2%，我国因资源及农业上迫切需求化肥，主要制氨原料仍然是煤和焦炭。70年代中期以来，由于天然气和石油等价格不断上涨，同时也因煤资源储量丰富，这样又开始注意到以煤为原料制氨，并加快了煤气化炉的开发。

煤气化是指煤和焦炭等固体燃料在高温常压或加压条件下，与气化剂反应转化为气体产物和少量残渣的过程。气化剂主要是水蒸汽、空气（或氧气）或它们的混合气。所得气体产物根据所用原料、气化剂的种类和气化过程不同而有不同的组成。在合成氨工业中，不仅要求煤气中氢与一氧化碳含量要高，而且（CO+ H2）/N2应为3.1～3.2（摩尔比）。为此可用适量空气（或富氧空气）与水蒸汽作为气化剂，所得气体称为半水煤气。

下面就半水煤气的工业生产方法做一简要介绍。

一、半水煤气生产的特点

作为生产合成氨用的半水煤气，要求气体中（H2+CO）与N2的比例为3.1～3.2。从气化系统的热量平衡来看，碳与空气的反应放热，而碳与蒸汽的反应吸热。如果不提供热源，而是由前者的反应热来保证后者反应进行以维持自然平衡的话，则空气与水蒸汽的比例在满足半水煤气组成时，不能维持系统的自热平衡。反之，保持了系统的自热平衡，则不能得到合格的半水煤气。

现对空气-蒸汽同时通入气化装置的过程作一简单热量衡算。为简化起见，碳与空气的反应用式（3-2）表示：

碳与蒸汽的反应用式（3-5）表示：

根据空气中氧与氮的比例，式（3-2）可写成：

若仅考虑基准温度下的反应热，则消耗1molO2的反应热可供xmol碳与水蒸汽进行反应：当系统达到自热平衡的总反应式为：

根据上式可计算得系统气相组成（摩尔分数）为：CO=0.4085，H2=0.1842，N2=0.4123，气

体中（H2+CO）/N2仅为1.43，大大的低于合成氨原料气的要求，为了解决气体成分与热量平衡这一矛盾，可采用下列方法：

●外热法

如利用原子能反应堆余热或其它廉价高温热源，用熔融盐、熔融铁的介质为热载体直接加热反应系统，或预热气化剂，以提供气化过程所需的热能。但这种方法尚处于研究阶段。

●富氧空气气化法

为了调整生成的煤气中氮的含量，用富氧空气代替空气是行之有效的方法；也可用纯氧代替空气，此法可连续制气。但作为合成氨原料气，尚应在下游工序中补加纯氮，使氢氮比符合要求。

●蓄热法（也称间歇制气法）

用空气和蒸汽分别送入燃料层。先送入空气以提高燃料层温度，生成气体（吹风气）大部分放空；然后，送入蒸汽进行气化反应，此时引起燃料层温度下降。所得水煤气配入部分吹风气即成半水煤气。如此间歇地送空气和吹蒸汽重复进行，是目前用得比较普遍的补充热量的方法，也是我国多数中、小型合成氨厂的重要气化方法。

二、间歇式生成半水煤气的方法

工业上间歇式气化过程，是在固定床煤气发生炉中进行的，如图3-3所示，块状燃料由顶部间接加入，气化剂通过燃料层进行气化反应，灰渣落入灰箱后排出炉外。

◆干燥区：上部燃料与煤气接触，水分蒸发，这一区域称为干燥区。

◆干馏区：燃料下移继续受热，释出烃类气体（挥发分），这一区域称干馏区。

◆气化区：而气化反应主要在气化区中进行。

氧化层：当气化剂为空气时，在气化区的下部，主要进行碳的燃烧反应，称为氧

化层

还原层：其上部主要进行碳与二氧化碳的反应，称为还原层

以水蒸汽为气化剂时，在气化区进行碳-水蒸汽反应，不再区分氧化层或还原层。

◆灰渣区：燃料层底部为灰渣区，灰渣区一方面可预热从底部进入的气化剂，又可保护炉底

不致过热而变形。

显而易见，间歇式气化装置中，燃料层温度将随空气的加入而逐渐升高，而随水蒸汽的加入又逐渐下降，呈周期性变化，生成煤气的组成亦呈周期性变化，这就是间歇式制气的主要特点。

（一）、间歇式制半水煤气的工作循环

间歇式气化时，自上一次开始送入空气至下一次再送入空气

止，称为一个工作循环。每个工作循环包括几个阶段。

先由煤气发生炉底部送入空气，提高燃料层温度，吹风气放

空。然后，蒸汽由炉底送入，经灰渣区预热，进入气化区产生气

化反应。由于水蒸汽温度较低，加上气化反应大量吸热，使气化

区底部受到强烈地冷却，温度显著下降。而燃料层上部却因煤气

的通过，温度上升，造成煤气带走的显热损失增加。因而在蒸汽

自下而上制气一段时间后，改变气流方向，蒸汽自上而下通过燃

料层，煤气由炉底引出。由于煤气下行时经过灰渣区温度下降，

从而减少了煤气带走的显热损失。蒸汽下吹完毕，如果立即进行吹风，空气和下行煤气将在炉底相遇，势必引起爆炸，所以再作第二次蒸汽上吹，把炉底的煤气排净后再准备吹风。必须注意，如果发生炉上部管道中残留的二次上吹制得的煤气，若与吹风气一并从烟囱放掉，不但造成损失，而且煤气排出烟囱口时和空气接触，遇到火星，也有可能引起爆炸。因此，在开始吹风的短时间内，将此部分煤气及吹风气的混合物加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源，这一阶段称为空气吹净。然后继续吹风，重复循环。

如上所述，间歇式制半水煤气的每，个工作循环，一般包括五个阶段：

◆吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。

◆一次上吹制气阶段：自下而上送入水蒸汽进行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高。

◆下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行气化反应，使燃料层温度趋于均衡。

◆二次上吹制气阶段：将底部下吹煤气排净，为吹入空气作准备。

◆空气吹净阶段：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源。

间歇式制气工作循环中各阶段气体流向如图3-4和表3-4所示。

（二）、间歇式制半水煤气的工艺条件

气化过程的工艺条件，往往随燃料性能的不同而有很大的差异。燃料性能包括粒度、灰熔点、机械强度、热稳定性（指高温下燃料是否碎裂的性质）以及反应活性等等。加上间歇式生产过程中燃料层温度与气体组成的周期性变化，因而影响工艺过程的因素较多。

评价气化过程的优劣的标准时：

单炉发气量（即气化强度）：以每h、每m2炉截面生产的煤气Nm3数表示；

半水煤气质量：如CO、H2含量，（CO+H2）/N2以及微量O2等；

燃料及蒸汽的消耗

总的结果可表示为制气效率E气：