合成氨生产煤气化原理
煤气化技术简介
量较高 (>30%) 时，气化炉的经济性会急剧下降。因而要求煤炭灰熔点
FT<1500℃，灰含量在8%~20%之间； (4) Shell气化炉要把煤炭的含水量降低到很小的值 (烟煤的含水量降至2%， 褐煤降至 6%)，因此在煤炭处理的时候需要有烘干设备，不宜利用含水量
较高的煤炭；
(5) 干法进料系统的粉尘排放远大于水煤浆进料系统； (6) 气化炉结构过于复杂，加工难度大。
按进料方式分类 按气化介质分类
水煤浆气化
粉煤气化
纯氧或富氧气化
空气气化
Texaco
Shell、GSP、 三菱
Shell、Texaco GSP、BGL
三菱
2. 典型的煤气化技术
2.1 煤气化技术
研发机构 GE 西门子 Shell 英国煤气公司 日本三菱公司 华东理工与兖矿集团 华东理工 西安热工研究院 西北化工研究院 北京航天万源煤化工 气化技术 Texaco水煤浆加压气化技术 GSP干煤粉加压气化技术 Shell干煤粉加压气化技术 BGL气化技术 吹空气煤气化技术 多喷嘴水煤浆气化技术 四喷嘴对置式干煤粉加压气化技术 两段式干煤粉加压气化技术 多元料浆单喷嘴顶置气化技术 航天炉
循环发电。
2. 典型的煤气化技术
2.2 Texaco气化炉
结构组成： 由喷嘴、气化室、激冷室（或 废热锅炉）组成。 水煤浆（58~62wt%）供料 液态排渣炉 内壁衬里有多层耐火砖 水煤浆和氧气从炉顶的燃烧 器高速连续喷入气化室，高 温状态下工作的喷嘴设有冷 却水装置，水煤浆喷入气化 炉内迅速发生反应，数秒钟 内完成气化过程。 气化炉的下部因冷却方式不 同有2种形式，一种激冷型 冷却方式，一种废热锅炉型。
空分装置投资。
煤制取合成氨的主要步骤
煤制取合成氨的主要步骤
煤制取合成氨的主要步骤包括以下几个步骤：
1. 煤气化：将煤炭在高温和高压条件下与氧气或蒸汽反应，产生合成气（一种由一氧化碳和氢气组成的气体）。
煤气化可以通过煤气化炉或气化反应器进行。
2. 气体净化：通过一系列的步骤，将合成气中的杂质如硫化物、颗粒物和其他有害物质去除，以保证后续的反应过程能够进行。
3. 催化转化：将合成气中的一氧化碳和氢气转化为氨气。
这一步骤通常采用催化剂（如铁、钴等）来加速反应速率。
催化转化可以通过低温催化、高温催化或选择性催化等不同的过程进行。
4. 分离和纯化：将氨气从反应产物中分离出来，并通过一系列的分离和纯化步骤去除其中的杂质，以得到高纯度的合成氨。
这些步骤通常需要使用大量的能源和参与多个反应过程，所以煤制取合成氨是一个能量消耗较高的过程。
nh3在炼厂的工作原理
nh3在炼厂的工作原理
氨气（NH3）在炼厂的工作原理是基于其化学特性和应用目标。
以下是NH3在炼厂中的工作原理的描述：
1. 氨气的产生：炼厂通过将天然气、石油或煤等原料中的氮气（N2）与氢气（H2）在高温和高压条件下进行催化反应，生
成氨气。
2. 反应催化剂：在氨气合成反应中，常使用铁-钴和钼-锌等催
化剂。
这些催化剂能够促进氮气与氢气之间的反应，提高产量和反应速度。
3. 产氨反应：氮气与氢气在催化剂的作用下发生氨合成反应，生成氨气。
该反应通常在高温（约450-550摄氏度）和高压
（约100-250大气压）下进行。
4. 反应物比例：为了提高氨气产量，通常需要优化氮气与氢气的反应物比例。
通常使用数学模型和实验数据进行优化，以酝酿最佳的气体比例。
5. 分离纯化：反应后的产物中包含氨气、未反应的氢气和杂质物质。
为了将氨气纯化，炼厂使用一系列的分离和纯化步骤，如压缩和冷却来除去未反应的氢气以及吸收和脱附等过程来去除杂质。
6. 应用：纯化的氨气可用于制造化肥、溶剂、制冷剂等应用。
在炼厂中，制造氨气是为了应对农业和工业领域对氮素的需求，
并为可持续发展提供支持。
总结：NH3在炼厂中的工作原理是通过氮气和氢气在催化剂的作用下发生反应，生成氨气。
随后，氨气经过分离和纯化，用于制造化肥、溶剂等各种应用。
合成氨工艺中的煤气化
水封
链接
K-T煤气化炉
实质： 实质： 2C + O2 = 2CO -221.189KJ/mol C + H2O (g) = CO + H2 +131.390KJ/mol
存在问题： 存在问题：自热平衡 原料平衡 CO + H2 / N2 = 3.1 ~ 3.2
3
二、煤气化原理
2、以水蒸汽作气化剂时，碳与水蒸汽的反应为： 、以水蒸汽作气化剂时，碳与水蒸汽的反应为： C+H2O(g)=CO+H2 ， C+2H2O(g)=CO2+2H2 △Hθ298=131.390kJ/mol △Hθ298=90.196kJ/mol
CO +H2O(g)= CO2+2H2 △Hθ298=-41.19kJ/mol C+2H2= CH4 独立反应数： 独立反应数：6-3= 3 平衡计算： 平衡计算：
煤气 干燥区 干馏区 还原层 气化区 氧化层 灰渣区
空气、 空气、水蒸气
间歇式固定床煤气发生炉 燃料层分区示意图
燃料
放空 蒸汽 冷却水 氮空气 半水煤气 去气柜
空气来自 鼓风机
入 下 水 道
固定层煤气发生炉
型）制半水煤气工艺流程
室 煤气发生炉；2-燃烧恋；3-水封槽；4-废热锅炉；5-洗气塔；6-燃料贮仓；7-烟囱
三、制取半水煤气的工业方法
（五）、工艺流程和主要设备 ）、工艺流程和主要设备
是由煤气发生炉 余热回收装置、 煤气发生炉、 间歇式制气的工艺流程 是由煤气发生炉、余热回收装置、 煤气的除尘、降温和贮存等设备所组成。 煤气的除尘、降温和贮存等设备所组成。 所组成 工艺流程见 工艺流程见（图）
13
合成氨的发展历程及煤合成氨原理
合成氨的发展历程及煤合成氨原理一、合成氨的历程1.怎样固氮——问题浮出水面氨（Amonia），分子式NH3，1754 年由英国化学家普里斯特利（J.Joseph Priestley）加热氯化铵和石灰石时发现。
1784 年，法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet）确定了氨是由氮和氢组成的。
从那以后很长一段时间，氨的主要来源是氮化物，而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产。
19 世纪以来，人类步入了现代化的历程。
随着农业的发展，氮肥的需求量在不断提高；同时随着工业的突飞猛进，炸药的需求量也在迅速增长。
1809 年，在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地；但是面对人类不断膨胀的需求，自然界的生物和矿产资源毕竟有限。
然而全世界无论何处，大气的五分之四都是氮，如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式，那么，氮是取之不尽、用之不竭的。
因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题，而合成氨，作为固氮的一种重要形式，也变成了19 至20 世纪化学家们所面临的突出问题之一。
2.历经磨难，终成正果——从实验室到工业生产在合成氨研究屡屡受挫的情况下，德国物理化学家F·哈伯（Fritz Haber）知难而进，对合成氨进行了全面系统的研究和实验，决心攻克这一令人生畏的难题。
1912 年在德国奥堡（Oppau）建成世界上第一座日产30t合成氨的装置，1913 年9 月9 日开始运转，氨产量很快达到了设计能力。
一百多年来无数科学家们合成氨的设想，终于得以实现。
合成氨历经磨难，终于从实验室走向了工业化，它成了工业上实现高压催化反应的一座里程碑。
由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931 年度诺贝尔化学奖金。
3.艰难的探索N2+3H2=2NH3氨的合成反应式：N2+3H2=2NH3合成氨的化学原理，写出来，不过这样一个方程式；但就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150 年的艰难探索。
合成氨的成长历程及煤合成氨原理
合成氨的发展历程及煤合成氨原理一、合成氨的历程1.怎样固氮——问题浮出水面氨（Amonia），分子式NH3，1754 年由英国化学家普里斯特利（J.Joseph Priestley）加热氯化铵和石灰石时发现。
1784 年，法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet）确定了氨是由氮和氢组成的。
从那以后很长一段时间，氨的主要来源是氮化物，而氮化物的主要来源是自然界中的硝石矿产。
19 世纪以来，人类步入了现代化的历程。
随着农业的发展，氮肥的需求量在不断提高；同时随着工业的突飞猛进，炸药的需求量也在迅速增长。
1809 年，在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地；但是面对人类不断膨胀的需求，自然界的生物和矿产资源毕竟有限。
然而全世界无论何处，大气的五分之四都是氮，如果有人能学会大规模地、廉价地把单质的氮转化为化合物的形式，那么，氮是取之不尽、用之不竭的。
因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题，而合成氨，作为固氮的一种重要形式，也变成了19 至20 世纪化学家们所面临的突出问题之一。
2.历经磨难，终成正果——从实验室到工业生产在合成氨研究屡屡受挫的情况下，德国物理化学家F·哈伯（Fritz Haber）知难而进，对合成氨进行了全面系统的研究和实验，决心攻克这一令人生畏的难题。
1912 年在德国奥堡（Oppau）建成世界上第一座日产30t合成氨的装置，1913 年9 月9 日开始运转，氨产量很快达到了设计能力。
一百多年来无数科学家们合成氨的设想，终于得以实现。
合成氨历经磨难，终于从实验室走向了工业化，它成了工业上实现高压催化反应的一座里程碑。
由于哈伯和博施的突出贡献，他们分别获得1918、1931 年度诺贝尔化学奖金。
3.艰难的探索N2+3H2=2NH3氨的合成反应式：N2+3H2=2NH3合成氨的化学原理，写出来，不过这样一个方程式；但就是这样一个简单的化学方程式，从实验室研究到最终成功、实现工业生产，却经历了约150 年的艰难探索。
合成氨工艺原理
合成氨工艺原理合成氨不论采用什么原料和生产方法，大体上包括三个工艺过程：（1）原料气的制造;（2）原料气的净化(包括脱硫、变换脱除CO，碳化、脱碳脱除CO2，精炼脱除微量的CO、CO2、H2S、O2等）;（3）氨的合成和为了满足气体净化及合成各工序工艺条件提供能量补偿的压缩工序.生产出氨以后再根据需要加工成碳铵、尿素、硝铵等。
其详细原理如下（以煤为原料）：一、造气工段合成氨生产所用的半水煤气，要求气体中(CO+H2）与N2的比例为3：1左右.因此生产上采用间歇地送入空气和蒸汽进行气化，将所得的水煤气配入部分吹风气制成半水煤气。
即以石灰碳化煤球、无烟块煤为原料,在高温下交替与空气和过热蒸汽进行气化反应(C+O点燃CO2+Q 、2C+O点燃2CO+Q 、2CO+ O点燃2CO2+Q2H2O（气）+C△CO+2H2-Q制得半水煤气，半水煤气经过除尘,余热回收，水洗降温制得合格的半水煤气,供后工段使用.二、脱硫工段从造气工段的半水煤气中,除氢气和氮气外，还含有27%左右CO、9%左右的CO2以及少量的硫化物，这些硫化物对合成氨生产是有害的.它会腐蚀设备、管道，会引起催化剂中毒,会损坏铜液成份。
因此,必须除去少量硫化物,其原理：用稀氨水（10-15tt）与硫化氢反应（NH3+H2S=NH4HS）将H2S脱除至0.07g/m3（标）以下，使半水煤气净化，以满足合成氨生产工艺要求.三、变换工段将脱S后的半水煤气(含CO25%-28％)由压缩工段加压后经增温、加热,在一定的温度和压力下，在变换炉内借助催化剂的催化作用，使半水煤气中CO与H2O(气)进行化学反应,转变为CO2和H2（CO+H2O（气）催化剂高温CO2+H2+Q），制得合格的变换气,以满足后工段的工艺要求。
其次，系统中设有饱和热水塔、甲交、一水加、二水加、冷却塔等换热设备，以便合理利用反应热和充分回收余热,降低能耗,同时降低变换气温度。
四、碳化与脱碳工段1、碳化将变换气中26%左右的CO2用浓氨水与其反应（CO2+ H2O+ NH3=NH4HCO3)生成碳酸氢铵副产品，同时制得合格的原料气.2、脱碳工段用MEDA脱碳溶液将变换气中26%左右的CO2除去，制成合格的原料气，供后工段使用。
合成氨工艺总结
合成氨发展的三个典型特点：1. 生产规模大型化2. 能量的合理利用。
用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能3. 高度自动化Chp2. 原料气的制取2.1 固体燃料气化法氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。
煤气化技术装置的分类：（1）固定床气化（2）流化床气化（3）气流床气化固定床气化：UGI炉，鲁奇（Lurgi）炉和液态排渣的鲁奇炉流化床气化：Winkler气化炉；Lurgi循环流化床气化炉；U-Gas灰团聚流化床气化炉气流床气化：常压气流床粉煤气化即Koppers-Totzek（柯柏斯-托切克，简称K-T）炉；水煤浆加压气化，即Texaco（德士古）炉和Destec（现E-Gas）炉；粉煤加压气化，即SCGP（Shell 煤气化工艺）。
固定床间歇制气：采用间歇法造气时，空气和蒸汽交替通入煤气发生炉。
通入空气的过程称为吹风，制得的煤气叫空气煤气；通入水蒸气的过程称为制气，制得的煤气叫水煤气；空气煤气与水煤气的混合物称为半水煤气。
间歇式制半水煤气流程：a．空气吹风b．上吹制气c．下吹制气d．二次上吹e．空气吹净德士古气化装置包括煤浆制备、气化、灰水处理。
煤浆气化采用德士古水煤浆加压气化的激冷流程。
气化工段关键设备气化炉（参见p56图1-2-39）气化炉分上下两部分，上部为燃烧室，燃烧室内安装三层耐火砖用来防止炉壁烧坏；下部为激冷室。
从燃烧室出来的工艺气通过下降管进入激冷室，激冷室上部有激冷环，下部下降管浸入水中，工艺气在水中冷激。
气化炉是德士古装置核心设备。
碳洗塔的作用是洗涤从气化炉来的粗煤气，除去粗煤气中的含杂的灰分以及可容水的反应副产物，保证干净、含灰分少的粗煤气送到下一工段进行使用。
碳洗塔下部主要作用是洗涤，碳洗塔合成气入口管线伸入水下，粗煤气进入碳洗塔水下后，经过塔内灰水的洗涤再进入上部；碳洗塔上部有塔盘，采用筛板结构，用来对合成气进行可溶性气体以及灰分进行吸收。
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图1 三催化剂净化的合成氨流程
空气、煤、水蒸汽
造气
铜洗
除尘、脱硫
压缩
CO变换 碳化
碳酸氢铵
软水
软
合成
气氨
水
水蒸气
图2 生产碳酸氢铵流程
合成氨生产的三个主要步骤
原料气的制取 制备含有氢气、一氧化碳、氮气的 粗原料气。
原料气的净化 除去原料气中氢气、氮气以外的杂 质，一般由原料气的脱硫、一氧化碳的变换，二氧 化碳的脱除，原料气的精制等组成。
1、化学平衡
（1）以空气为气化剂 以空气为气化剂，碳与氧发生下列反应：
独立反应数的确定
系统是同时存在多个反应的平衡系统，应首先确定 系统的独立反应数。
系统的独立反应数= 系统中所有的物质数-—构成这些物质的元素数。
考虑惰性气体氮，则系统中含有O2、C、CO、CO2、 和N2五种物质，由C、O和N三种元素构成，故系统 的独立反应数为5-3=2。
一般可选式(1-1)和式(1-3)计算平衡组成。
为简化起见仅用式(1-3)即可。反应式（1-3）的 平衡常数见表1-1所示。
随温度升高，平衡常数增加。
假转设化成O2C首O先，全其部平生衡成转C化O率2，为然后按，式空(气1-中3）（部摩分尔
比）
，反应前后各组分间的数量关系见
表1-2所示。
原料气压缩与合成 将符合要求的氢氮混合气压缩 到一定的压力，在铁催化剂与高温条件下合成为氨。
合成氨生产常用的原料包括： 焦炭、煤、 焦炉气、天然气、石脑油和重油。 各种原料制氨的典型流程： (1) 以煤为原料的合成氨流程 (2) 以天然气为原料的合成氨流程 (3) 以重油为原料的合成氨流程
以适量空气或富氧空气与水蒸气作为气化剂， 所得气体组成符合
（H2+CO）/ N2 =3.1～3.2的混合煤气，即合成 氨原料气。
生产上也可用水煤气与吹风气混和配制。
一、气化原理
煤在煤气发生炉中由于受热分解放出低分子 量的碳氢化合物，而煤本身逐渐焦化，此时 可将煤近似看作碳。碳与气化剂空气或水蒸 气发生一系列的化学反应，生成气体产物。
计算所生成煤气的平衡组成。
解：反应前各组分的物质的量为 1mol氧与碳完全反应可以得到1molCO2，被
碳还原是可逆反应，平衡时有 molCO2被 还原掉。
反应后各组分的物质的量为
【第三课时】
【教学目标】 掌握以水蒸气为气化剂时的化学反应。
（2）以水蒸气为气化剂
以水蒸气为气化剂，碳与水蒸气发生下列反应：
独立反应数=？ 物质数6，元素数3， 独立反应数为3.
独立反应数
一般可选式（1-6）（1-8）和（1-9）。 书写这些反应的平衡常数表达式
K P6
pCO pH2 pH2 O
K P8
p p CO2 H2 pCO pH2 O
KP9
pC H4 p2
H2
吸热
放热
放热
【思考】平衡常数随温度的变化与放热、吸热 反应有关系吗？
二、合成氨生产工艺的特点
1、能量消耗高 合成氨工业是能耗较高的行业，由于原料 品种、生产规模和技术先进程度的差异，吨氨能耗在28～ 66GJ（billion joule 十亿焦耳）。因此，当原料路线确定 后，生产规模和所采用的先进技术应以总体生产节能为目标， 即能耗是评价合成氨工艺先进性的重要指标之一。
随着压力的提高，平衡向气体体积减小的方 向移动，因此空气煤气中CO含量降低。
【作业】
1、合成氨生产分为哪三个主要步骤？ 各步骤的任务是什么？
2、名词解释：半水煤气。 3、写出以空气为气化剂时，碳与氧之
间的化学反应。
4与 反、碳 应已生达知成到足平C量O衡2碳，时与，C1OmC2Oo再l2氧与平反碳衡应反转，应化O生率2成首为C先O全。，部当
平衡组成的计算
计算出 就可计算出平衡组成
将不同温度下的及总压代入上式可解出， 从而求出系统的平衡组成。看下表总压为 0.1013MPa时空气煤气的平衡组成%。
平衡组成分析
随着温度升高，CO的平衡含量增加，CO2的平衡 含量下降。当温度高于900℃时，气体中CO2的平 衡含量甚少。
练习
思考：压力对空气煤气组成有何影响？ 据式（1-5），或直接用化学平衡原理解释。
4、生产工艺典型 合成氨生产中既有气固相、气液 相非催化反应，又有气固相、气液相催化反应过程， 同时工艺中还包括了流体输送、传热、传质、分离、 冷冻等化工单元操作，是比较典型的化学工艺过程。
第一节 煤气化
第二课时
【教学目标】 1、掌握煤气化、空气煤气、水煤气和半水煤
气的概念。 2、掌握以空气为气化剂时煤气炉内碳与氧
的反应。
1、基本概念
煤气化：用气化剂对煤或 焦炭等固体燃料进行热加 工，使其转变成可燃性气 体的过程，简称造气。
气化剂：用来与固体燃料 进行气化反应的气体。
常用的气化剂有：空气、富 氧空气、氧和水蒸气。
煤气：固体燃料气化后得 到的可燃性气体。
进行气化反应的设备称煤 气发生炉。
半水煤气
2、技术要求高 合成氨的反应式很简单，但实现工业化生 产过程却非常复杂。一方面由于制取粗原料气比较困难，另 一方面粗原料气净化过程比较长，而且高温高压操作条件对 氨合成设备要求也比较高。因此，合成氨工业是技术要求很 高的系统工程。
二、合成氨生产工艺的特点
3、高度连续化 合成氨工业还具有高度连续化大生 产的特点，它要求原料供应充足连续，有比较高的 自动控制水平和科学管理水平，确保长周期运行， 以获得较高的生产效率和经济效益。
随温度的升高，放热反应的平衡常数减小 ---温度升高对放热反应不利。 吸热反应随温度的升高，平衡常数增加， ----温度升高对吸热反应有利。
温度升高有利于生成哪些气体？ 升温有利于生成CO和H2 ，不利于生成 CH4和CO2 。
【第一课时】
【教学目标】 1、掌握三个步骤。 2、了解典型流程。
第一章 合成氨
合成氨生产除电解法外，其他方法制得的原料 气中都含有硫化物、一氧化碳、二氧化碳，这 些物质是合成催化剂的毒物，在进行合成之前， 需将其彻底清除。
合成氨的生产过程包括三个主要步骤：
原料气的制取 原料气的净化 氨的合成