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1、1 合成氨造气生产基础知识 w 三化第一造气车间王太平 2012.5.18 2 三化合成氨生产工培训资料 w一、合成氨概况： w1904年1908年哈柏氏研究了氨的平衡反应，并得出反应平衡关 系，同时由波士协助解决了机械问题开始了工业合成氨的生产， 1913年4月在德国奥堡建立了世界第一个合成氨厂。合成氨是在 高温高压下将空气中的氮和用不同方法得来的氢化合制成氨。 w1、氨的合成反应 3H2+N2=2NH3+Q w2、碳铵反应 NH3+H2O+CO2=NH4HCO3+Q w3、尿素反应 2NH3+CO2=CO(NH2)2+H2O+Q w4、甲醇反应 2H2+CO=CH3OH+Q w 3H2+C
2、O2=CH3OH+H2O+Q w氨的主要性质：在常温常压下有刺激性臭味的无色气体、有毒、 比重0.596.易溶于水并放出热量，燃烧呈黄色火焰。 w 4NH3+3O2=2N2+6H2O w在有水存在时，氨对铜及铜合金有较强的化学腐蚀作用。（氨用 阀门、仪表不用含铜的） 3 三化合成氨生产工培训资料 w二、合成氨原料气的生产-半水煤气的制造： w所谓造气就是用气化剂对固体或其他原料进行热加工的过程，其生成物为可燃性气 体（煤气）。固体燃料为各种煤和焦炭；气化剂有空气、富氧空气、氧和水蒸汽、 CO2。进行气化的设备称为煤气发生炉。 w固体燃料气化生成的煤气可分为： w1、空气煤气：以空气为气化剂制的
3、煤气。 w2、混合煤气：以空气和适量水蒸汽混合为气化剂制的煤气。 w3、水煤气：以水蒸汽为气化剂制的煤气。 w4、半水煤气：是以空气（或富氧空气）和适量的水蒸汽为气化剂制取的符合（ H2+CO）/N23.13.2的煤气。（混合煤气的特例） w造气生产路线按原料不同可分为： w1、气体以天然气为造气原料。 w2、液体以重油为造气原料。 w3、固体以块煤（焦炭）或以粉煤为原料制成的型煤。 w我厂使用的是固体燃料制气。 w可用于气化的固体燃料有：1、无烟煤 2、粘结性烟煤与不粘结性烟煤（包括贫煤 、炼焦煤、气煤、气焰煤、肥煤、焰煤） 3、褐煤 4、木质褐煤 5、泥煤 6、由粘 结性烟煤或不同结焦性能
4、的混合煤制得的焦炭和半焦，以及从褐煤制得的半焦 7、 由粉煤制成的型煤 8、碳化煤球等 w我厂根据目前的现状主要以使用型煤为主，无烟块煤与焦丁为辅。 w造气车间的任务就是生产合格的（氢氮比符合合成氨要求的）半水煤气。 4 三化合成氨生产工培训资料 w煤的化学性质： w 1、水份 固体燃料的水份以三种形式存在即吸附水、游离水和化合水。 煤里的水份含量多少与煤化（即煤腐殖化）程度有关，煤化程度越低则煤 里的水份就越高，煤的质地就越致密，这种水份称之为物理吸附水或固有 水份；煤的外在水份（附着水份）是指地下水和雨水附着在煤上的水份。 煤的外在水份和分析取样水份之和称为煤的全水份。煤的化合水份（结合
5、水份）在煤中是以结晶水形式存在的，与煤化程度无关，即使加热到100 化合水也不会析出。 w2、挥发份 在一定温度下干馏（隔绝空气）析出的气体（碳氢化合物）， 在气化过程中能分解变成氢气、甲烷以及焦油蒸汽等。它与煤化程度有关 煤化程度越低挥发份越高，含量少的13%，多的达50%以上，一般来讲挥 发份高的煤粘结性较强，挥发份低的煤粘结性较差，挥发份较高的燃料其 机械强度、热稳定性一般都比较差。 w3、灰份 固体燃料完全燃烧后所剩余的残留物，灰份主要的组分为二氧化 硅、三氧化二铝、四氧化三铁、氧化钙、氧化镁等物质，这些物质的含量 对灰熔点有决定性影响。固定层煤气炉一般要求燃料的灰份含量不超过 30%
6、，灰份含量过高，相对地减少了有效碳使煤的发热值降低，而且在燃 烧或气化过程中会妨碍气化剂与碳的接触，影响气化剂的扩散，同时降低 了燃料的化学活性，灰份含量过高时不仅使气化条件复杂化，还加重了排 灰机械的负荷，使设备磨损加剧。 5 三化合成氨生产工培训资料 w4、硫份 煤中的硫份在气化过程中转化为含硫气体，不仅腐蚀设备管道，而且使催 化剂中毒。 w5、固定碳 固体燃料中除去灰份、挥发份、水份和硫份以外，其余可燃性物质称为 固定碳，它是固体燃料中的有效物质。 w6、矿物质 煤中除了在工业分析和元素分析中的成分外，还有微量的矿物质成分， 这些矿物质在氧化区内完成高温转化，变成由SiO2、Al2O3、
7、Fe2O3、FeO、CaO 、MgO、Na2O、K2O等。有些物质对于气化反应都是有害物质，含量越少越好。煤 经过气化后重量减轻为原来的1/4左右，若是排出的炉渣中只有灰无渣，则表明气化 炉失常。 w7、化学活性 煤的化学活性也称为反应能力，是指煤与气化剂中氧、蒸汽或二氧化 碳等相互作用的反应（还原气化剂的能力，气化剂被还原的数量愈多表示其化学活 性愈好，通常是以CO2在一定温度和一定时间下通过一定厚度的煤层后转化为CO的 百分率来表示）。煤的化学活性是随着比重和粘结性的增大而提高；随着气孔率和 表面积的增大而提高；随着焦化程度的降低而提高；煤化程度越低活性越高；气化 温度越高（T3以下）活性
8、也越高。在气化炉内，煤的化学活性的增高不仅表现在 CO2和蒸汽的还原系数的升高，而且表现在碳消耗量的增加，也就是煤气的产量与 质量均会得到提高，随着碳的燃烧，最初燃料的化学活性不断提高达到最大值而迅 速下降，这是因为反应物表面灰化而使气化剂不易与燃料中的碳接触的原因。 w此外还有燃料的成渣性能、发热量等。 6 三化合成氨生产工培训资料 w煤的物理性质 w1、热稳定性 又叫抗热强度，可以理解为固体燃料在落入高温区 时保持其块度的性质，该性质除了与煤形成年代有关外，主要与 煤化程度有关。 w2、机械强度 指煤破碎的难易程度，一般来说，煤的机械强度与 煤的形成年代有关，年代愈久，强度愈大。机械强度差
9、的煤其热 稳定性必然也差。 w3、灰熔点 在气化炉内煤中所含的灰份达到一定的温度时就会出 现变形、软化和熔融状态(t)，当固体灰份变为液态时达到的温度 就叫灰熔点。 w煤的灰熔点是影响炉内工况好坏和温度高低的主要因素之一。灰 熔点低，气化层温度不能太高，否则会造成炉内结大块，使炉床 阻力不均，严重时会造成气化炉不能正常生产下去，因此煤的灰 熔点越高越有利于提高气化效率，有利于高产低耗。 7 三化合成氨生产工培训资料 w4、粘结性 有些煤（烟煤）在加热到一定温度时，炭质受热分解而成 塑性状态，继而出现软化、熔融现象，产生热分解后的液态产物，在 炭粒之间的接触和膨胀压力的作用下，使炭粉相互粘结在一
10、起而变成 多孔性硬块，即所谓焦炭，这种煤称为粘结性煤。无烟煤不发生或稍 微发生熔融粘结现象，而在放出挥发份后其本身成为粉末状的残渣， 这种煤称为不粘结性煤。 w此外还有燃料粒度、（真假）比重、气孔率等。 w无烟煤的特性： w组织密实、比重大、无粘结性、含水少、挥发份低、含碳量高、化学 活性低、机械强度和热稳定性比焦炭差。 8 型煤制作 (一) 主要反应机理： R-C00H+NaOHC00Na+H2O, 反应釜温度：95 粘合剂：腐植酸钠含量12 PH1213.5 粘度：25s（60） 密度：1.0081.102g/ml （二）制作步骤： 1、粘结剂制作 2、粉煤-添加粘合剂-沤制-压球-烘干
11、9 三化合成氨生产工培训资料 w三、煤气炉制气工艺的理论基础： w1、煤气制造的方法很多，典型的有：固定层间歇气化法（分为常 压和加压两种）（加压连续气化的代表工艺是鲁奇炉）、固定层富 氧连续气化法、沸腾层（流化床）气化法（如恩德炉和灰熔聚工艺 ）、气流层气化法（壳牌粉煤加压气化，德士古水煤浆加压气化） 等。 w我厂目前采用前二种方法。 w2、固定层间歇气化法：用水蒸汽和空气为气化剂，交替地通过固 定的燃料层，使燃料气化，制得半水煤气。通入空气的目的是让空 气中的氧与燃料中的碳燃烧，以便提高燃料层的温度，为蒸汽与碳 的吸热反应提供热量，并为合成氨提供氮气（吹风和吹净过程）。 然后向燃料层通入蒸
12、汽（或者配入一定的加氮空气）与碳反应，生 成的水煤气和回收的吹风气混合得到半水煤气。 w3、固定层富氧连续气化法：以富氧空气（或者氧气）与蒸汽的混 合气为气化剂，连续通过固定的燃料层进行气化。 10 三化合成氨生产工培训资料 w四、固体燃料在煤气炉内的分区情况： w固定层煤气炉制气过程燃料层内的分区： w由于在气化过程中，炉内固体燃料层的各区域发生着不同的 物理或化学变化，据此，将燃料层从上而下分为五个区域： wa、干燥层 燃料层的最上部，刚投入的燃料受到下层温度较 高的燃料层的热辐射，以及由下而上通过的热气体的热交换 作用，区域温度达到200左右，使新加入的燃料中水分（ 主要是游离水、吸附水
13、）被蒸发干燥，因此这一区域叫干燥 区。该区厚度为150250毫米。（实际厚度随燃料层的高度 不同而异）。 wb、干馏层 由干燥区往下的燃料层的温度比较高（300 700），水分较少，使燃料发生热分解，挥发性物质如甲 烷、硫化氢、乙烯、氮氢、化合水等。因为这个作用与煤的 干馏相似，故称为干馏区。这个区域几乎不发生气化反应。 该区厚度为300450毫米。 11 三化合成氨生产工培训资料 wc、气化层 由干馏区往下，燃料层的温度很高（ 700），可达1150 1250，是发生气化反应的主要区域，经干馏焦碳化的燃料与气化剂进行氧 化反应和还原反应，故该区域又统称为气化区。气化区又分为氧化区（又称 燃烧
14、区）与还原区： 氧化区：碳与氧化剂（空气或富氧空气）中的氧反应，氧化成CO2及CO 。在氧化区内进行的反应，均为放热反应，因此，氧化区比较薄（大约 为200300毫米）。 还原区：二氧化碳被还原为一氧化碳，或水蒸汽分解成氢。在还原区所 进行的反应，大部分是吸热反应，反应所需要的热量是氧化层供给的。 还原反应比氧化反应速度慢，还原区比氧化区厚的多，大约为450650 毫米。 wd、灰渣层 由于固体燃料中含有20%左右的灰分。固体燃料气化后遗留下来 的残留物形成了灰渣区，灰渣区厚度为150250毫米。在灰渣区不发生任何 化学反应，该区温度 700，预热从下而上的气化剂后被冷却，起到均布 气化剂、保
15、护炉蓖和灰盘的作用。 w 另外，干燥区的上部是自由空间，起到聚集上行煤气和均匀分布下吹蒸汽 的作用。 w必须说明，炉内燃料层几个区域的厚度并非一成不变。因为炉体高度不同或 随燃料的种类、性质的不同及所采用的制气方法，使用气化剂和气化条件的 不同而不一样。而且各区间也没有明显的分界，往往是相互交错的。 12 三化合成氨生产工培训资料 w五、固定层间歇气化法一个制气循环分为五个阶段的目的及工艺流程： w 三化公司第一造气车间煤气炉间歇法制气工作循环目前采用120秒，一个制气 工作循环分为五个阶段，各个阶段的流程和作用如下。 13 三化合成氨生产工培训资料 w吹风阶段 流程：空 气煤气炉底部 燃料层
16、炉顶上 旋风除尘器废热 锅炉烟囱放空或 送吹风气系统回收 w空气从炉底中心管 送入煤气炉，经过 炉篦均匀分布通过 灰渣层预热后，进 入气化层，空气中 的氧和赤热的燃料 发生燃烧（氧化） 反应，放出大量的 反应热，贮存在燃 料层中，为制气阶 段碳与水蒸汽进行 气化（吸热）反应 提供热量。 14 三化合成氨生产工培训资料 w上吹制气阶段 流程：水 蒸汽和加氮空气煤气 炉底部燃料层炉顶 上旋风除尘器废热 锅炉洗气箱洗气塔 煤气总管气柜 w吹风阶段后，燃料层中 的气化区具有很高的温 度（7001250）和足 够多的热量。水蒸汽和 适量的空气（加入量以 满足氢氮比要求为主） 从炉底中心管通过炉篦 及灰渣层均匀地进入气 化区，与赤热的燃料发 生气化反应，生成混合 煤气。经过自由空间汇 聚后进入上气道送出， 加氮空气也有减缓气化 区温
