固定床气化工艺简介：2、固定床气化的过程原理.
固定床气化工艺简介：2、固定床气化的过程原理.
2、固定床气化的过程原理 固定床气化炉内的气化过程原理如图4-17所示。
图4-17 固定床气化的原理可见， 在固定床气化炉中的不同区域中，各个反应过程所对应的反应区 域界面比较明显。
当炉料装好进行气化时，以空气作为气化剂或以空气（氧气、富氧空气）与水蒸气作为气化剂时，炉内料层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层，气化剂不同，发生的化学反应不同。
由于各层带的气体组成不同，温度不同，固体物质的组成和结构不同，因此反应的生成物均有一定的区别。
各层带在炉内的主要反应和作用都不同。
(1)灰渣层 灰渣层中的灰是煤炭气化后的固体残渣，煤灰堆积在炉底的气体分布板上具有以下三个方面的作用。
①由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。
②煤灰的温度比刚入炉的气化剂温度高，可使气化剂预热。
③灰层上面的氧化层温度很高，有了灰层的保护，避免了和气体分布板的直接接触，故能起到保护分布板的作用。
灰渣层对整个气化操作的正常进行作用很大，要严格控制。
根据煤灰分含量的多少和炉子的气化能力制定合适的清灰操作。
灰渣层一般控制在100~400mm 较为合适，视具体情况而定。
如果人工清灰，要多次少清，即清灰的次数要多而每次清灰的数量要少，自动连续出灰效果要比人工清灰好。
清灰太少，灰渣层加厚，氧化层和还原层相对减少，将影响气化反应的正常进行，增加炉内的阻力；清灰太多，灰渣层变薄，造成炉层波动，影响煤气质量和气化能力，容易出现灰渣熔化烧结，影响正常生产。
灰渣层温度较低，灰中的残碳较少，所以灰渣层中基本不发生化学反应。
(2)氧化层 也称燃烧层或火层，是煤炭气化的重要反应区域，从灰渣中升上来的预热气化剂与煤接触发生燃烧反应，产生的热量是维持气化炉正常操作的必要条件。
氧化层带温度高，气化剂浓度最大，发生的化学反应剧烈，主要的反应为：22CO O C →+CO O C 222→+2222CO O CO →+上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。
固定床气化工艺简介：1、固定床气化的特点.
煤炭气化技术是煤化工产业化发展很重要的单元技术。
煤炭气化技术在中国被广泛应用于化工、冶金、机械、建材等工业行业和生产城市煤气的企业，气化的核心设备气化炉大约有9000多台，其中以固定床气化炉为主。
近20年来，中国引进的加压鲁奇炉、德士古、水煤浆气化炉等，主要用于生产合成氨、甲醇或城市煤气。
中国先后从国外引进的煤炭气化技术多种多样。
如引进的水煤浆气化装置有1987年投产的鲁南煤炭气化装置(二台炉、一开一备，单炉日处理450吨煤，2.8MPa)，1995年投产的吴泾煤炭气化装置(四台炉，三开一备，单炉日处理500t煤，4.0 MPa)、1996年投产的渭河煤炭气化装置(三台炉，二开一备，单炉日处理820t煤，6.5MPa)，2000年7月投产的淮南煤炭气化装置(三台炉，无备用，单炉日处理500t煤，4.0MPa)等。
进行煤炭气化的设备叫气化炉。
按照燃料在气化炉内的运动状况来分类是比较通行的方法，一般分为移动床(又叫固定床)、沸腾床(又叫流化床)、气流床和熔融床等。
图4-16 三种典型气化工艺过程（a）固定床，800～1000℃，块煤（3～30mm或6～50mm）；（b）流化床，800～1000℃，碎粉煤（1～5mm）；（c）气流床，1500～2000℃，煤粉（小于0．1mm）此外，气化炉在生产操作过程中，根据使用的压力不同，又分为常压气化炉和加压气化炉；根据不同的排渣方式，可以分为固态排渣气化炉和液态排渣气化炉。
不论采用何种类型的气化炉，生产哪种煤气，燃料以一定的粒度和气化剂直接接触进行物理和化学变化过程，将燃料中的可燃成分转变为煤气，同时产生的灰渣从炉内排除出去，这一点是不变的。
然而采用不同的炉型，不同种类和组成的气化剂，在不同的气化压力下，生产的煤气的组成、热值以及各项经济指标是有很大差异的。
气化炉的结构、炉内的气固相反应过程及其各项经济指标，三者之间是紧密联系的。
一、固定床气化工艺简介1、固定床气化的特点移动床（固定床）是一种较老的气化装置。
固定床气化的流程
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第四章 固定床加压气化
气化强度 m3/m2h
1500
第二代
第三代
第四代
1952~1965
Dg2.6m， 中间除灰
1969
1978~
Dg3.8m， Dg5.0m，
（MARK-Ⅳ） （SASOL-Ⅲ）
弱粘/不粘煤 所有煤种
所有煤种
14000~17000/ 36000~55000 75000~100000 32000~45000
图4-15 水蒸气耗量与气体压力的关系 1—氢量；2—水蒸气绝对分解量； 3—水蒸气分解率
（4）压力对生产能力的影响 • 在常压气化炉和加压气化炉中，假定带出物的数量相等， 则出炉煤气的动压头相等，加压气化炉与常压气化炉生产能 力之比如下式表示：
V2 T1 P2 V1 T2 P1
• 对于常压气化炉，P1通常略高于大气压，P1≈0.1078MPa； 常压、加压的气化温度之比T1/T2 ≈1.1~1.25，则可得到：
三 煤种及煤的性质对加压气化的影响
4 煤种对各项消耗指标的影响
• 随着煤的变质程度加深，气化所用的水蒸气、氧气量也相 应增加。 • 另外，由于年轻煤活性好，挥发份高，有利于 CH4 的生成 ，这样就降低了氧气耗量。
第三节 加压气化操作条件
1 气化压力的选择
• 根据煤气产品的用途选择煤气压力。作为生产合成气，为降低能 耗，降低成本，压力可选择3.0~4.0MPa。对于生产代用天然气或者 中热值城市煤气，当输送距离近时，把压力提到很高没有必要，因 为压力达到2.5MPa以后，再提高压力对粗煤气中甲烷含量的提高不 明显。 • 技术上要可靠。压力高，技术难度大，材质要求高，投资也大。 • 提高压力可大幅度提高气化强度。 • 随着压力的提高，水蒸气分解率下降，气化炉的热效率也有所降 低。因此，要根据生产工艺要求合理选择气化压力。
固定床气化
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常压发生炉煤气生产工艺
常压移动床气化工艺是比较古老的，应用非常普遍的气化方法。其特点是：整个气化过程是在常压下进行的； 在气化炉内，煤是分阶段装人的，随着反应时间的延长，燃料逐渐下移，经过前述的干燥、干馏、还原和氧化等 各个阶段，最后以灰渣的形式不断排出，而后补加新的燃料；操作方法有间歇法和连续气化法；气化剂一般为空 气或富氧空气，用来和碳反应提供热量，水蒸气则利用该热量和碳反应，自身分解为氢气、一氧化碳、二氧化碳 和甲烷等气体。
移动床又叫固定床。移动床是一种较老的气化装置。燃料主要有褐煤、长焰煤、烟煤、无烟煤、焦炭等，气 化剂有空气、空气-水蒸气、氧气-水蒸气等，燃料由移动床上部的加煤装置加入，底部通入气化剂，燃料与气化 剂逆向流动，反应后的灰渣由底部排出。
当炉料装好进行气化时，以空气作为气化剂，或以空气（氧气、富氧空气）与水蒸气作为气化剂时，炉内料 层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层，气化剂不同，发生的 化学反应不同。由于各层带的气体组成不同，温度不同，固体物质的组成和结构不同，因此反应的生成物均有一 定的区别。各层带在炉内的主要反应和作用都不同。
常压固定床气化生成煤气的有效成分主要有H2、CO和少量CH4,用于合成氨生产的半水煤气中的氮也是有效成 分。用作燃料的煤气以单位发热量来衡量，而用作合成气则以CO和H2的体积百分含量来表示。工业煤气一般分为 空气煤气、混合煤气（发生炉煤气）、水煤气、半水煤气和中热值煤气。
工艺分类
常压发生炉
移动床气化炉
技术发展
常压固定床煤气化技术是以空气、蒸气、氧为气化剂，将固体燃料转化成煤气的过程。自1882年第一台常压 固定床煤气发生炉在德国投产以来，该项技术不断得到完善。由于技术成熟可靠，投资少，建设期短，在国内外 仍广泛使用。在冶金、建材、机械等行业用于制取燃气。在中小型合成氨厂用于制取合成气。但可以预计，由于 生产技术不断更新，企业生产规模的不断扩大，装置大型化，这种气化技术由于对原料要求严格，生产能力小， 能耗高等缺点随着时间的推移终将被淘汰。
固定床加压气化解读
鲁奇加压气化炉
是自热式、逆流移动床、固态排渣的生产工艺，气 化过程所需要的热量靠煤的部分燃烧来供给。
气化炉是双层壁压力容器，夹套由中压锅炉水保持 液位，操作期间，热量传递到夹套，在此产生略高于气 化炉操作压力下的饱和蒸汽，此蒸汽返回作气化剂，从 而减少了外供的过热蒸汽供给量。
煤进入气化炉后首先受热干燥脱去水分，依次经过 干馏干燥层、气化层、燃烧层，产生以CO2、CO、H2、 CH4为主要成份的粗煤气。
煤斗为常温常压设备，容量为100M3,可储存气化炉四 小时的低负荷用煤量。
灰斗
灰斗是位于灰锁下部与灰锁相接的盛灰、排 灰容器，其为常压容器，直径为φ3000mm，设计温 度为200℃.
灰斗与灰锁是靠一个由填料函密封的伸缩节（套 筒）联在一起的，次伸缩节便于拆卸，给检修灰锁 下阀提供了方便，另其还可吸收气化炉向下的热膨 胀量。
冷圈
煤分布器
搅拌 器
b)炉箅
设置其作用是： （1）均匀分布气化剂； （2）破碎大块灰渣，排灰 ； （3）支撑床层，使燃料床移动，稳定炉内工况。
※炉箅设在气化炉底部，是气化炉的关键部件，
Mark-III型气化炉采用塔形炉箅，分四层布气，气 化剂由炉底进入炉箅中心管，然后由各层布气孔出去 ，通过炉箅各层间隙分布进入气化炉内，达到沿气化 炉横断面均匀布气的效果。 宝塔形炉箅一般由 四层依次重叠成梯锥 状的炉箅块及顶部风 帽组成，共五层炉箅 炉箅的总高度为 1200mm,气化剂经各 层炉箅通道进入炉 内的气量分布大致 为：I层～10%，II 层～20%，III层～ 30%，IV层～40%。
1、气化炉——鲁奇炉 1）鲁奇炉发展概况
常压固定床煤气化工艺设计
常压固定床煤气化工艺设计摘要本设计以常压固定床煤气化的设计过程为内容，包括对工艺流程的确定和说明、生产条件的确定和说明以及附属设备的选型等内容。
进而深入了一层了解煤气化工艺，并得到化工工程设计的初步训练。
本文从一定的层面上对常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程进行了简要综述。
关键词：常压固定床，煤气化发生炉，床层，炉壁，传热一、煤气化原理（一）煤气化的基本过程煤的气化过程是一个有热效应的化学反应过程，反应物是煤和气化剂。
气化剂一般为空气、氧气、水蒸气或氢气。
煤和气化剂按照一定的比例，在一定温度和压力条件下发生化学反应，煤中的可燃成分转化为气体燃料，即产品煤气，灰分则以灰渣的形式出。
煤的气化分为完全气化和不完全气化，不完全气化即通常说的煤的干馏，其产品包括煤气、焦油和半焦；完全气化的产品是煤气或水煤气，本章所讲的煤的气化技术只讨论煤的完全气化技术【1】。
下图所示为典型的煤气化工艺流程。
图1 煤的气化过程图2 典型的煤气化工艺流程从包含的物理化学过程来看，煤的气化过程包括以下几个阶段：干燥脱水，热解，挥发分和残余固定碳的气化反应。
煤的干燥脱水过程去除了原煤中所含的全部水分，在温度达到350℃以上时，开始发生煤颗粒的热解反应，析出气体中间产物和焦油，统称为挥发分。
剩余的是固体焦炭或半焦，煤的热解过程可以用下面的总体表达式表示：−−−→热解煤CH 4+其他气态烃+焦油+CO+CO 2+H 2+H 2O+焦炭或半焦（S ） 式中，除了焦炭或半焦为固体产物，其余全部是气态产物，除此之外，还有少量含有机氮、硫等元素的气态中间产物。
（二）固定床反应器固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。
固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm 左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。
床层静止不动，流体通过床层进行反应。
它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。
(选学)分析固定床气化技术
煤炭气化生产技术
1.UGI炉结构
炉子为直立圆筒形结构。 炉体用钢板制成，下部设 有水夹套以回收热量、副 产蒸汽，上部内衬耐火材 料，炉底设转动炉篦排灰。
上锥体
水夹套 炉篦传动装置 出灰机械
设备结构简单，易于操作， 不需用氧气作气化剂，热 效率较高，但是生产强度 低，对煤种要求比较严格， 采用间歇操作工艺管道比 较复杂。
由炉底吹入空气，把残留在炉上部及 管道中的水煤气送往贮气柜而得以回收， 以免随吹风气逸出而损失。
10
煤炭气化生产技术
• 3－4分钟循环各阶段时间分配表：
序 号
阶段名称
3min循环,（S） 4min循环, （S）
1
吹风阶段
40～50
60～80
2
3 4
蒸气吹净阶段 2
上吹制气阶段 45～60 下吹制气阶段 50～55
2
60～70 70～90
5
二次上吹阶段 18～20
18～20
11
煤炭气化生产技术
吹风阶段
蒸气吹净阶段
一次上吹制气阶段
下吹制气阶段
二次上吹制气阶段
空气吹净阶段
12 其缺点是生产必须间歇阀门频繁切换，生产效率低
煤炭气化生产技术
软水 蒸汽总阀 上吹蒸汽阀
蒸汽 下吹蒸汽阀 集汽包 上水
集汽包
水 煤 气 发 生 炉
燃 烧 室
废 热 锅 炉
烟 囱 上 行 煤 气 阀 烟囱阀
蒸汽缓冲罐 空气鼓风机
吹风空气阀
洗 气 箱
洗 涤 塔
下行煤气阀 气柜 煤气去净化
气柜水封 图5--27 水煤气站流程
气柜水封
13
煤炭气化生产技术
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2、固定床气化的过程原理 固定床气化炉内的气化过程原理如图4-17所示。
图4-17 固定床气化的原理
可见， 在固定床气化炉中的不同区域中，各个反应过程所对应的反应区 域界面比较明显。
当炉料装好进行气化时，以空气作为气化剂或以空气（氧气、富氧空气）与水蒸气作为气化剂时，炉内料层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层，气化剂不同，发生的化学反应不同。
由于各层带的气体组成不同，温度不同，固体物质的组成和结构不同，因此反应的生成物均有一定的区别。
各层带在炉内的主要反应和作用都不同。
(1)灰渣层 灰渣层中的灰是煤炭气化后的固体残渣，煤灰堆积在炉底的气体分布板上具有以下三个方面的作用。
①由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。
②煤灰的温度比刚入炉的气化剂温度高，可使气化剂预热。
③灰层上面的氧化层温度很高，有了灰层的保护，避免了和气体分布板的直接接触，故能起到保护分布板的作用。
灰渣层对整个气化操作的正常进行作用很大，要严格控制。
根据煤灰分含量的多少和炉子的气化能力制定合适的清灰操作。
灰渣层一般控制在100~400mm 较为合适，视具体情况而定。
如果人工清灰，要多次少清，即清灰的次数要多而每次清灰的数量要少，自动连续出灰效果要比人工清灰好。
清灰太少，灰渣层加厚，氧化层和还原层相对减少，将影响气化反应的正常进行，增加炉内的阻力；清灰太多，灰渣层变薄，造成炉层波动，影响煤气质量和气化能力，容易出现灰渣熔化烧结，影响正常生产。
灰渣层温度较低，灰中的残碳较少，所以灰渣层中基本不发生化学反应。
(2)氧化层 也称燃烧层或火层，是煤炭气化的重要反应区域，从灰渣中升上来的预热气化剂与煤接触发生燃烧反应，产生的热量是维持气化炉正常操作的必要条件。
氧化层带温度高，气化剂浓度最大，发生的化学反应剧烈，主要的反应为：
22CO O C →+
CO O C 222→+
2222CO O CO →+
上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。
考虑到灰分的熔点，氧化层的温度太高有烧结的危险，所以一般在不烧结的情况下，氧化层温度越高越好，温度低于灰分熔点的80～120℃为宜，约1200℃左右。
氧化层厚度控制在150～300mm 左右，要根据气化强度、燃料块度和反应性能来具体确定。
氧化层温度低可以适当降低鼓风温度，也可以适当增大风量来实现。
(3)还原层 在氧化层的上面是还原层，赤热的炭具有很强的夺取水蒸气和二氧化碳中的氧而与之化合的能力，水(当气化剂中用蒸汽时)或二氧化碳发生还原反应而生成相应的氧气和一氧化碳，还原层也因此而得名。
还原反应是吸热反应，其热量来源于氧化层的燃烧反应所放出的热。
还原层的主要化学反应如下：
CO CO C 22⇔+
CO H O H C +⇔+22
22222CO H O H C +⇔+
422CH H C ⇔+
O H CH H CO 2423+⇔+
42222CH CO H CO +⇔+
O H CH H CO 242224+⇔+
由上面的反应可以看出，反应物主要是碳、水蒸气、二氧化碳和二次反应产物中的氢气；生成物主要是一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳、氨气(用空气作气化剂时)和未分解的水蒸气等。
常压下气化主要的生成物是一氧化碳、二氧化碳、氢气和少量的甲烷，而加压气化时的甲烷和二氧化碳的含量较高。
还原层厚度一般控制在300～500mm 左右。
如果煤层太薄，还原反应进行不完全，煤气质量降低；煤层太厚，对气化过程也有不良影响，尤其是在气化黏结性强的烟煤时，容易造成气流分布不均，局部过热，甚至烧结和穿孔。
习惯上，把氧化层和还原层统称为气化层。
气化层厚度与煤气出口温度有直接的关系，气化层薄出口温度高；气化层厚，出口温度低。
因此，在实际操作中，以煤气出口温度控制气化层厚度，一般煤气出口温度控制在600℃左右。
(4)干馏层 干馏层位于还原层的上部，气体在还原层释放大量的热量，进入干馏层时温度已经不太高了，气化剂中的氧气已基本耗尽，煤在这个过程历经低温干馏，煤中的挥发分发生裂解，产生甲烷、烯烃和焦油等物质，它们受热成为气态而进入干燥层。
干馏区生成的煤气中因为含有较多的甲烷，因而煤气的热值高，可以提高煤气的热值，但也产生硫化氢和焦油等杂质。
(5)干燥层 干燥层位于干馏层的上面，上升的热煤气与刚入炉的燃料在这一层相遇并进行换热，燃料中的水分受热蒸发。
一般地，利用劣质煤时．因其水分舍量较大，该层高
度较大，如果煤中水分含量较少，干燥段的高度就小。
脱水过程大致分为以下三个阶段。
第一阶段(图4-18中I)，如前所述，煤中的水分分外在水分和内在水分。
干燥层的上部，上升的热煤气使煤受热，首先使煤表面的润湿水分即外在水分汽化，这时煤微孔内的吸附水即内在水分同时被加热。
随燃料下移温度继续升高。
第二阶段(图4-18中II)，煤移动到干燥层的中部，煤表面的外在水分已基本蒸发干净，微孔中的内在水分保持较长时间，温度变化不大，继续汽化，直至水分全部蒸发干净，温度才继续上升，燃料被彻底干燥。
第三阶段(图4-18中Ⅲ)，燃料移动到干燥层的下部时，水分已全部汽化，此时不需要大量的汽化热，上升的热气流主要是来预热煤料，同时煤中吸附的一些气体如二氧化碳逸出。
在干燥段的升温曲线如图4-18所示。
图4-18 燃料升温曲线
(6)空层空层即燃料层的上部，炉体内的自由区，其主要作用是汇集煤气，并使炉内生成的还原层气体和干馏段生成的气体混合均匀。
由于空层的自由截面积增大使得煤气的速度大大降低，气体夹带的颗粒返回床层，减小粉尘的带出量。
控制空层高度一是要求在炉体横截面积上要下煤均匀，下煤量不能忽大忽小；二是按时清灰。