间歇式半水煤气生产
水煤气制备工艺条件
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生产过程：
吹 风 阶 段： 吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放 空，1200℃结束。
蒸 汽 吹 净： 置换炉内和出口管中的吹风气，以保证 水煤气质量。
一次上吹制气：燃料层下部温度下降，上部升高。 下 吹 制 气： 使燃料层温度均衡 二次上吹制气：将炉底部下吹煤气排净，为吸入空气做
水煤气制备工艺条件
1
以水蒸气为气化剂
C+H2O=CO+H2 CO+H2O=CO2+H2 C+2H2=CH4
+131.390KJ/mol -41.194KJ/mol -74.898KJ/mol
以上均为可逆反应，总过程为强吸热的。
2
0.1MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成
2.0MPa下碳－蒸汽反应的平衡组成
4/2/2024
11
准备。 空 气 吹 净： 此部分吹风气可以回收。
9
★原料为块煤或焦炭，反 应速度快，生产能力大
★水蒸气和纯氧为气化剂 ★反应温度：1200℃，
出口煤气温度：500℃ ★反应压力：3.0MPa ★煤转化率：88-95% ★水煤气中CH4和CO2含
量较高，CO较低 ★适合做城市煤气
调节H2O/O2比例 10
T>900℃，含有等量的H2和CO，其它组分含量接近于零。T↓， H2O、CO2、CH4含量逐渐增加。高温，H2和CO含量高。
相同T，P↑，H2O、CO2、CH4含量增加，H2和CO含量减小。
低压、高温有利于反应的进行
3Hale Waihona Puke ➢ 煤气化反应的动力学分析
合成氨工艺简介
合成氨工艺简介工艺危险特点：1 高温、高压使可燃气体爆炸极限扩宽，气体物料一旦过氧（亦称透氧），极易在设备和管道内发生爆炸。
2 高温、高压气体物料从设备管线泄露时会迅速膨胀与空气混合形成爆炸性混合物，遇到明火或因郜流速物料与裂（喷）口处摩擦产生静电火花引起着火和空间爆炸。
3 气体压缩机等转动设备在高温下运行会使润滑油挥发裂解，在附近管道内造成积炭，可导致积炭燃烧和爆炸。
4 高温、高压可加速设备金属材料发生蠕变、改变金相组织，还会加剧氢气、氮气对钢材的氢蚀和渗氮，加剧设备的疲劳腐蚀，使其机械强度减弱，引发物理爆炸。
5 液氨大规模事故性泄露会形成低温云团引起大范围人群中毒，遇明火还会发生空间爆炸。
合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成氨，为一种基本无机化工流程。
现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。
工艺流程1 原料气制备（制备H2、CO、N2的粗原料气）1-1煤气化煤气化是用气化剂对煤或焦炭等固体燃料进行热加工，使其转变为可燃性气体的过程，简称造气。
气化剂主要是水蒸气、空气（或氧气）及它们的混合气体。
对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；空气煤气：以空气为气化剂制取的煤气，主要成分为N2和CO2。
合成氨生产中也称之为吹风气。
水煤气：以水蒸气为气化剂制得的煤气，主要成分H2和CO。
混合煤气：以空气和适量水蒸气为气化剂。
半水煤气：以适量空气和水蒸气做气化剂，所得气体组成符合([H2]+[CO])/[N2]=3.1~3.2的混合煤气，即合成氨的原料气。
1-1-1 以空气为气化剂-空气煤气，其主要成分为空气和二氧化碳C + O2 = CO2C + 1/2O2 = COC + CO2 = 2COCO + 1/2O2 = 2CO21-1-2 以水蒸气为气化剂-水煤气，其主要成分为氢气和一氧化碳。
C + H2O = CO + H2C + 2H2O = CO2 + 2H2CO + H2O = CO2 + H2C + 2H2 = CH41-1-3 间歇式生产半水煤气1-1-3-1固定床煤气发生炉右图为间歇式固定床煤气发生炉燃料层分区示意图。
无机化工生产技术
3 产物：CO、CO2、H2、N2及CH4等
4 设备：煤气发生炉，简称造气炉
合成氨原料气生产
煤气的种类及成分
1 空气煤气：以空气为气化剂，成分为N2、CO2； 2 水煤气：以水蒸气为气化剂，成分为H2、CO； 3 混合煤气：以空气和水蒸气为气化剂； 4 半水煤气：以空气和水蒸气交替气化控制合适
的气化时间，制得组分符合（CO+H2）/N2=3.1～
3.2/1的混合煤气，此为生产合成氨的原料气。
合成氨原料气生产
一、气化原理
1、化学平衡
（1）以空气为气化剂碳氧之间的反应
C + O2 = CO2 + 393.770kJ/mol
C + 1/2O2 = CO + 110.595kJ/mol
C + CO2 = 2CO - 172.84kJ/mol CO + 1/2O2 = CO2 + 283.183kJ/mol 此阶段的目的是用来提高炉温、蓄积热量为制气 阶段作准备的。
了解合成氨生产状况
原料气净化
脱硫：采用脱硫剂脱除原料气中的各种有机硫化合物及无机 硫化合物，并尽可能回收硫磺。 变换：利用CO与水蒸气作用，生成H2和CO2的变换反应， 除去原料气中的大部分CO，并生成等体积的H2。
脱碳：原料气经CO变换后，含有较多的CO2，既有在原料气 制造过程中生成的，也有变换过程中产生的。脱碳工序就是采 用物理或化学的方法利用脱碳液除去原料气中的大部分CO2， 并回收CO2作为化工原料。
无机化工生产技术
化学工程系
罗晓明
二○一三年二月
认识无机化工
化工生产特点
化工生产主要为连续化的大规模生产，设
水煤气与半水煤气的比较
用途 组成：H2 CO CO2源自N2 CH4 O2 H2S反应机理
水蒸汽作气化剂与碳的反应为吸热反应，碳和空气中氧的反应为放 热反应，间歇式制水煤气或半水煤气必须交替进行，空气吹入炉子 即吹风阶段是提高炉膛温度的阶段，蒸汽吹入炉子即制气阶段是降 低炉温的阶段，两者交替进行工作循环。 吹风、蒸汽吹净、一次上吹制气、 吹风、一次上吹制气、下吹制 下吹制气、二次上吹制气、空气吹 气、二次上吹制气、空气吹 净，其中吹风、蒸汽吹净和空气吹 净，只有吹风阶段不送气柜 净不送气柜 3分钟 ~26% 无 ~26% ~36% ~9% ~3% 0.41--0.45kg/Nm3半水煤气 1.4--1.8Nm3/kg煤 2.9--3.2Nm3/kg煤 2.1--2.5Nm3/kg煤
无烟煤蒸汽空气煤气产率水蒸汽作气化剂与碳的反应为吸热反应碳和空气中氧的反应为放热反应间歇式制水煤气或半水煤气必须交替进行空气吹入炉子即吹风阶段是提高炉膛温度的阶段蒸汽吹入炉子即制气阶段是降低炉温的阶段两者交替进行工作循环
水煤气与半水煤气的比较
水煤气 半水煤气
定义
以空气和水蒸汽分别作气化剂 以水蒸汽为气化剂制得的煤气称水 得到的空气煤气和水煤气按一 煤气，其中氢和一氧化碳的含量通 定比例进行混合，当（ H2+CO ） 常在85%以上，而氮含量较低。 与N2体积之比为3.1--3.2时即称 为半水煤气。 主要用于合成甲醇、作为合成氨原 主要用作合成氨的原料气。 料气中氢气的来源。 47--52 35--40 5--7 2--6 0.3--0.6 0.1--0.2 0.2 37--39 28--30 6--12 20--23 0.3--0.5 0.4 0.2
工作循环阶段 循环时间 各阶段百分比: 吹风 蒸汽吹净 一次上吹 下吹 二次上吹 空气吹净 消耗量：无烟煤 蒸汽 空气 煤气产率
间歇式固定层增氧制气出现的问题浅析及措施探讨
间歇式固定层增氧制气出现的问题浅析及措施探讨石春发【摘要】针对间歇式固定层增氧制气过程中出现的半水煤气中CO2含量上升、吹风气中CO含量升高、入炉空气中氧含量波动大等问题进行了原因分析,并对可采取的措施进行了探讨.在加大吹风阀手轮开度后,吹风时间从21 s缩短至18 s,可减少吹风气中CO含量上升的幅度;上加氮时间从10 s延长至15 s后,半水煤气中φ(CO2)可降低约0.2％;调节吹风时间在18～20 s、循环时间为120 s,氧含量波动范围可控制在2％以内.【期刊名称】《化肥工业》【年(卷),期】2018(045)006【总页数】3页(P50-52)【关键词】固定层间歇制气;增氧制气;合成氨【作者】石春发【作者单位】云南云天化股份有限公司红磷分公司云南开远 661600【正文语种】中文【中图分类】TQ113.26云南云天化股份有限公司红磷分公司(以下简称红磷分公司)80 kt/a合成氨装置始建于1997年，设计规模为30 kt/a合成氨，于1999年投产，造气采用固定层间歇式气化工艺，配置4台Φ 2 610 mm造气炉，原料主要使用焦炭。
2001年12月完成了“3改8”工程改造，液氨由年产30 kt提升至80 kt，Φ 2 610 mm造气炉由4台增加至9台，仍采用焦炭制气。
近年来，随着焦炭价格的不断上涨，使得合成氨生产成本不断增加。
为了提高现有合成氨生产装置的整体水平、增强企业竞争力、降低液氨生产成本、增加企业经济效益，对原料路线进行了调整并对系统进行了优化改造，原料由焦炭改为煤棒。
在此次技改中，为提高造气效率、降低成本，针对云南煤灰熔点低、活性差的特点，造气采用增氧制气。
增氧制气投用后取得了很好的效果，单炉发气量增加了800～1 000 m3/h(标态)，吨氨煤耗降低了30 kg以上，但在采用增氧制气生产过程中也出现了一些问题。
1 间歇式固定层增氧制气出现的问题及原因分析该增氧制气装置于2012年3月投入使用，投用当天效果明显，单炉发气量从4 500 m3/h(标态)左右提高至5 500 m3/h(标态)左右，吨氨煤棒消耗从1.80 t下降至1.75 t左右，造气成渣率明显上升，炉渣中残碳含量明显下降。
粗原料气的制取—固体燃料气化法(合成氨生产)
CONTENTS
气化过程的工艺条件，往往随着燃料的性能，例如燃料反应活性、粒 度、灰熔点、机械强度、热稳定性而有很大的差异。加之，间歇式制气过 程中燃料层温度与气体组成呈周期性变化，影响工艺过程因素过多。衡量 气化过程的好坏，通常主要依据：
01 半水煤气 的质量
主要指标是有效气体组成 （H2+CO)，以及（H2+CO)/N2 和微量氧等
(5)气体成分
主要是要求半水煤气中(H2+CO)／N2=3.1～3.2。通常是采用调节空气 吹净及回收时间的方法来控制，改变加氮空气量也是方法之一。由于加氮 空气量的多少对燃料层温度影响较大，加氮空气量一经确定，就不宜改变。 此外还应尽量降低半水煤气中甲烷、二氧化碳和氧气的含量，特别要求氧 气含量小于0.5%。若氧气含量过高，不仅有爆炸的危险，而且还会给变换 催化剂带来严重的危害。
煤在气化炉中干燥， 热解生成C
C + 气化剂
CO、H2、CH4
CO2、N2、H2O
焦油、COS、 H2S、NH3
可燃气体 不可燃物质
有害物质
CONTENTS
煤系由多种聚合高分子和矿物晶体组成的物质。煤中水分包括三类：游离水、吸附态水、化学键态水。
游离 水
吸附 态水
煤
系
化学 键态 水
游离水
1
附着于煤表面的外表水
03
空气吹净时
气体依次经发生炉、 燃烧室、 废 热锅炉、 洗气箱、 洗涤塔而入气 柜, 此时燃烧室无须加二次空气。
Hale Waihona Puke 04蒸汽上吹和下吹制气时,
如欲配人加氮空气, 为确保安全 起见, 加氮空气应在水蒸气通人 稍后加人,并应先于水蒸气停送以 前切断。 灰渣最后落于旋转炉篦,由刮刀刮 人灰箱,定期排出炉外
造气1
4.燃料层高度 燃料层高度
在制气阶段，燃料层较高，蒸气分解率高，而且有利于 煤气中二氧化碳的还原反应，制出的煤气质量好。 在吹风阶段，燃料层高，空气与燃料接触时间长，二氧 化碳易被还原成一氧化碳，热损失大；同时燃料层阻力大， 使输送空气的动力消耗增加。若燃料层太薄，吹风时容易 形成风洞，并且对制气过程不利。对直径2.74m煤气炉， 一般由风帽算起，燃料层高度为1.6-1.8m。 燃料粒度大，或热稳定性较好，燃料层空隙大，其阻力 小，应适当提高燃料层高度
假如气化过程只生成氢和一氧化碳， 2C+O2+3.76N2=2CO+3. 76N2 +221.189kJ 而碳和水蒸气反应为：C+H2O(g)=CO+H2-131.39kJ 若系统达到自热平衡，总反应为： 3.68C+O2+1.68 H2O(g) +3.76N2= 3.68CO +1.68H2 +3. 76N2 计算可得，(CO+H2)/N2=1.43，远小于3.1—3.2，为 了解决这一矛盾，通常采用下列方法。
3.蒸气用量 蒸气用量
煤气炉内蒸气送入时间愈长和流量愈大，则煤气产量愈 多。但是，蒸气送入时间过长或流量过大，会使炉温迅速 下降，对制气不利。蒸气流量过大，与燃料接触时间短， 蒸气分解率低，煤气中未分解的水蒸气和二氧化碳增加， 煤气质量降低；并且未分解的水蒸气从燃料层带走的热量 多，热损失大。 蒸气流量过小，虽然增加了蒸气与燃料层的接触时间， 能获得优质的煤气，但降低了煤气炉的的生产能力。蒸气 的适宜用量一般是：内径2.74m煤气炉为5-7t/h。
5.循环时间及其分配 循环时间及其分配 如果循环时间长，则气化层温度和煤气的产量、 质量波动大。 循环时间短，气化层的温度波动小，煤气的产 量和质量也较稳定，但阀门开关占有的时间相对 加长，缩短设备的有效生产时间，而且因阀门开 关过于频繁，容易损坏。一般循环时间为2~ 3min。
水煤气
水煤气/制气原理
(一) 理想水煤气
理想水煤气条件: (1)气化原料为纯碳，通空气时只产生CO2；
通水蒸气时只产生CO和H2。 (2)反应物按化学反应方程式计量提供，反应物无损失、
无过剩。 (3)整个气化过程无热损失，热量自身平衡。 理想水煤气两个反应:
热量自身平衡: 406.4/118.8≈3.44 理想水煤气总反应:
移动床加压气化/
液态排渣加压气化法的主要特点： （与固态排渣法相比较） (1)气化强度高。“液”比“固”提高3~5倍。 (2)水蒸气耗量低;水蒸气分解率提高。
汽氧比(摩尔比)：“固” 9，“液” 1.3； 水蒸汽耗量“液”为“固”的20%左右； 水蒸汽分解率： “固” 40%左右， “液” 95% (3)煤气中可燃组分和热值提高。 (4)煤种适应性强. (5)碳转化率、气化效率和热效率均有提高。 (6)废水处理量仅为固态排渣时的1/4~1/3。
1.每个循环分成五个阶段(省去“②蒸汽吹净阶段”）； 2.在吹蒸汽制气阶段的同时加入适量的空气(一般称加 氮空气)。
为避免加氮空气和残存的煤气相遇发生爆炸，在上、 下吹制气换向时，加氮空气的送入时间要稍迟于蒸汽送入 时间，加氮空气停送时间要稍早于水蒸气停送时间。
水煤气/间歇法水煤气的生产
（五）水煤气生产对原料的要求
移动床加压气化/加压气化原理
(三) 压力对气化炉生产能力的影响
移动床气化炉的生产能力常以控制一定的带出物数量为 限度。 ω1、ρ1和ω2、ρ2----分别表示常压气化炉和加压气化炉内的
煤气实际流速、煤气实际密度。 按动压头相等时，煤气带出物量相同(对于同一原料煤） 则有下列方程式:
若气化炉截面积S相同，煤气产量分别为V10和V20（准状态下）。
水煤气和半水煤气
水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体，主要成份是一氧化碳，氢气，燃烧后排放水和二氧化碳，有微量CO、HC和NOX。
燃烧速度是汽油的7.5倍，抗爆性好，据国外研究和专利的报导压缩比可达12.5。
热效率提高20－40%、功率提高15%、燃耗降低30%，尾气净化近欧IV标准，还可用微量的铂催化剂净化。
比醇、醚简化制造和减少设备，成本和投资更低。
压缩或液化与氢气相近，但不用脱除CO，建站投资较低。
还可用减少的成本和投资部分补偿压缩（制醇醚也要压缩）或液化的投资和成本。
有毒，工业上用作燃料，又是化工原料。
将水蒸气通过炽热的煤层可制得较洁净的水煤气（主要成分是CO和H2），现象为火焰腾起更高，而且变为淡蓝色（氢气和CO燃烧的颜色）。
化学方程式为C+H2O===(△)CO+H2。
这就是湿煤比干煤燃烧更旺的原因。
煤气厂常在家用水煤气中特意掺入少量难闻气味的气体，目的是CO和H2为无色无味气体，当煤气泄漏时能闻到及时发现。
甲烷和水也可制水煤气化学方程式为CH4+H2O===CO+3H2环保型水煤气发生炉另：一种低热值煤气。
由蒸汽与灼热的无烟煤或焦炭作用而得。
主要成分为氢气和一氧化碳，也含有少量二氧化碳、氮气和甲烷等组分；各组分的含量取决于所用原料及气化条件。
主要用作合成氨、合成液体燃料等的原料，或作为工业燃料气的补充来源。
工业上，水煤气的生产一般采用间歇周期式固定床生产技术。
炉子结构采用UGI气化炉的型式。
在气化炉中，碳与蒸汽主要发生如下的水煤气反应：C+H2O===（高温）CO+H2C+2H2O===（高温）CO2+2H2以上反应均为吸热反应，因此必须向气化炉内供热。
通常，先送空气入炉，烧掉部分燃料，将热量蓄存在燃料层和蓄热室里，然后将蒸汽通入灼热的燃料层进行反应。
由于反应吸热，燃料层及蓄热室温度下降至一定温度时，又重新送空气入炉升温，如此循环。
当目的是生产燃料气时，为了提高煤气热值，有时提高出炉煤气温度，借以向热煤气中喷入油类，使油类裂解，即得所谓增热水煤气。
UGI型水煤气发生炉的工作循环二
一、U.G.I.型水煤气发生炉结构
其结构如上图所示。
发生炉炉壳采用钢板焊制，上部衬有耐 火砖和保温硅砖，使炉壳钢板免受高温的 损害。
下部外设水夹套锅炉，用来对氧化层降 温，防止熔渣粘壁并副产水蒸气。
探火孔设在水套两侧，用于测量火层温 度。
二、 U.G.I.型水煤气发生炉的工作循环
制造水煤气的关键是水蒸 气的分解，由于水蒸气的分 解是吸热反应，一般采用的 方法是燃烧部分燃料来提供。 间歇法制造水煤气，主要是 由吹空气(蓄热)、吹水蒸气 (制气)两个过程组成的。在 实际生产过程中，还包含一 些辅助过程，共同构成一个 工作循环，如图所示
其结构如下图所示。
一、U.G.I.型水煤气发生炉结构
1-支柱；2-炉底三通圆门；3-炉底三通； 4-长灰瓶；5-短灰瓶；6-灰斗圆门； 7-灰 槽；8-灰犁；9-圆门；10-夹层锅炉放水管； 11-破碎板；12-小推灰器；13-大推灰器； 14-宝塔型炉条；15-夹层锅炉入口；16-保 温层；17-夹层锅炉；18-R型连接板；19-夹 层锅炉安全阀；20-耐火砖； 21-炉口保护 圈；22-探火装置； 23-炉口座；24-炉盖； 25-炉盖安全连锁装置；26-炉盖轨道；27气出口；28-夹层锅炉出气管； 29-夹 层锅炉野液位警报器；30-夹层锅炉进水管； 31-试火管及试火考克； 32-内灰盘．33-外 灰盘；34-角钢挡灰圈； 35-蜗杆箱大方门； 36-蜗杆箱小方门；37一蜗杆；38-蜗轮； 39-蜗杆箱灰瓶；40-炉底壳； 41-热电偶接 管； 42-内刮灰板；43-外刮灰板
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《煤炭气化工艺》
二、 水煤气发生炉的工作循环 注意事项：
2、为避免发生爆炸，开启时应先 开蒸汽阀，然后开空气阀；关闭 时，应先关闭加氮空气阀，然后 再关闭蒸汽阀。
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• • • 1 生产间歇式半水煤气的工作循环 2 间歇式生产半水煤气的工艺条件 3 间歇式生产半水煤气的工艺流程
生产间歇式半水煤气的工作循环
• • • • • 吹风阶段 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
间歇式生产半水煤气的工艺条件
• • • • • • • 温度 吹风速率 水蒸气用量 燃料层高度 循环时间的分配 气体成分 燃料品种的变化与工艺条件的调整
间歇式半水煤气生产 工艺流程
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0、流程介绍 1、吹风阶段 2、上吹制气
3、下吹制气 4、二次上吹 5、空气吹净
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பைடு நூலகம்
UGI流程是20世纪50～60年代以煤为原料 的中型合成氨厂所采用的流程