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°C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：ch4+其他气态烃+焦油+co+co2+h2+h2o+焦炭或半焦vS） 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固定床反应器主要用于实 现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等用于 气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物1. 固定床反应器分类固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器：流体沿轴向自上 而下流经床层，床层同外界无热交换②径向绝热式固定床反应器：流体沿径向流 过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换径向反应器与轴向反 应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小以上两种 形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反 应热效应引起的温度变化的场合。
③列管式固定床反应器：由多根反应管并联构 成管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在 25〜50mm之间，管数可多达上万根列管式固定床反应器适用于反应热效应较大 的反应2．固定床气化法<1） GI（Gas Integrale>法常压下以空气及蒸汽气化块状高挥发份烟煤以间歇制取中热值煤气，意大利曾 使用过<2） IFEv国家炉具公司）法 常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取低热值燃料气，系两段炉，英国开发<3) IGI两段法常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取中热值煤气，意大利于上世纪 40年代开 发<4) Leuna<路易那)溶渣法常压下以蒸汽与氧气化焦炭制取中热值煤气，德国Leuna厂开发<5) Lurgiv鲁奇)干灰法2.5〜3.2MPa下用蒸汽与氧使3〜50mm次烟煤或褐煤气化1936年由德国Lurgi公 司工业化我国云南解放军化肥厂有 11 台捷克制的 Lurgi 型气化炉，炉径 2.7m， 在2.0MPa下将褐煤用纯氧加压气化山西天脊煤化工集团则有 Lurgi W型炉在 3.0MPa下气化块煤，炉径3.8m,共4台，用于生产合成氨后加工成硝酸磷肥太 原化工公司亦有一台用于制氨，气化压力2.5MPa，炉径2.8m。
南非Sasol厂共有 89台，年处理煤3300万吨用于生产合成油<三)常压固定床煤气发生炉的基本气化原理 固体燃料用气化剂进行热加工，得到可燃性气体的过程称为固体燃料的气化， 又称为造气，所得的气体统称为气化煤气，用来与燃料进行气化反应的气体称为气 化剂常压固定床煤气发生炉，一般以块状无烟煤或烟煤等为原料，用蒸汽或水蒸 汽与空气的混合气体作气化剂，生产以一氧化碳和氢气为主要可燃成分的气化煤 气1. 煤气炉内燃料层的分层煤气炉内燃料层固体燃料的气化反应，按煤气炉内生产过程进行的特性分为三 层，干燥层——在燃料层顶部，燃料与热的煤接触，燃料中的水分得以蒸发；干馏 层——在干燥层下面，由于温度条件与干馏炉相似，燃料发生热分解，放出挥发分 及其它干馏产物变成焦炭，焦炭由干馏层转入气化层进行热化学反应；气化层—— 煤气炉内气化过程的主要区域，燃料中的炭和气化剂在此区域发生激烈的化学反 应，鉴于反应条件的不同，气化层还可以分为氧化层和还原层：<1)氧化层：碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳，并放出大量的热量，煤气的热化学反应所需的热量靠此来维持氧化层温度一般维持在1100〜1250°C，这决定于原料煤灰熔点的高低。
<2)还原层：还原层是生成主要可燃气体的区域，二氧化碳与灼热碳起作用， 进行吸热化学反应，生产可燃的一氧化碳；水蒸气与灼热碳进行吸热化学反应，生 成可燃的一氧化碳和氢气，同时吸收大量的热2. 固体燃料气化反应的基本原理固定床煤气发生炉制造燃气，首先使得空气通过燃料层，碳与氧发生放热反应 以提高温度随后使蒸汽和空气混合通过燃料层，碳与蒸汽和氧气发生吸热和放热 的混合反应以生成发生炉煤气3. 常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程十分复杂就传质来讲，不仅 有气相和固相各自的本体运动，还有气固相间、固相颗粒内部向颗粒外部的传质过 程就传热而言，有气固相间、气固相与炉壁间、固相不同层面之间的各种传热过 程从机理上讲，传质过程有扩散传质和对流传质，传热过程有传导、对流和辐射 等方式传热过程包括以下各个步骤：<1 ) 颗粒内传导；<2) 相接触的颗粒间传导；<3 ) 颗粒间辐射；<4 ) 颗粒流体间的对流；<5) 颗粒向流体的辐射；<6 ) 流体内传导；<7 ) 流体内辐射；<8 ) 流体混合；<9 ) 颗粒炉壁间传导；<10)颗粒炉壁间辐射；<11）流体炉壁间对流；<12）流体炉壁间辐射。
相对来讲，传质过程就要简单的多，其原因有以下三点：<1）颗粒内扩散经常可以忽略；<2）没有向炉壁的传质；<3）没有与辐射传热相对应的传质方式传热与传质过程可能伴随化学反应，也可能不伴随化学反应下面对常压固定 床煤气化反应炉内部的传热与传质进行简单归纳气体和固体的许多特性 <如热容、粘度、传质系数等）都是温度和压力的函 数，当温度变化范围较小时，可以采用平均值的方式来简化传热与传质的数学模 型但在煤气化反应炉中，温度沿床层高度的变化很大，因而必须确定各种性质与 温度之间的函数关系由于煤粒在粒度和形状上的多变性，再加上床层不同高度空隙率的不同，总传 热系数很难精确地求得，现有公式计算的理论值和实验值之间的偏差达到 20%以内 时便可以认为足够精确除了总传热系数以外，气相和固相之间的传热系数也是一个很重要的参数这 一系数的计算要更困难一些，炉内气固相间传热的扰动、化学反应的存在、煤粒形 状的不规则都有可能带来计算结果的偏差，有时候这种偏差甚至会高达几十倍二、工艺流程的确定及流程简图<一）工艺流程的确定将焦炭先送入加料器中，再送入气化炉中气化，所得产品一部分送入集尘器除 尘，继而将高温产品加热废热锅炉回收废热，另一部分直接进入汽包，进入汽包的 产品一部分进入饱和器中，在此与空气、氢气和水蒸汽混合并再次进入气化炉中； 一部分直接返回至气化炉中在生产【2】；还有一部分经废热锅炉吸收完湿热后送入洗 涤塔洗涤去尘。
气体部分送气柜储存，所得粗煤气再进一步净化；而液渣部分被送 至循环水池中除尘，洗涤后再经循环水泵送入洗涤塔进行循环使用＜二）流程简图 Y图 3 富氧连续气化工艺流程图1 — 自动加焦机 2 — 煤气发生炉 3 — 鼓风机 4 — 混合器 5 — 灰斗 6 — 废锅7 —汽包 8 — 蒸汽过热器 9 — 洗气箱 10 — 洗气塔 11 —水封＜三）生产条件的确定和说明1.气化过程的工艺条件 气化过程的工艺条件对于既定的原料、设备和工艺流程，为了获得质量优良的 煤气，和足够高的气化强度，就必须选择最佳的气化条件＜1）燃料层温度 合适的燃料层温度对煤气质量、气化强度及气化热效率至关重 要，发生炉煤气中的有效成分＜ CO+H2）的含量主要取决于碳的氧化与还原反应vC + CO2f2C0）和水蒸气的分解反应【C+H20vg） fCO+H2】上面的两个反应均 属吸热反应而在煤气炉操作温度下，上述反应属于动力学控制区所以提高炉温 不仅有利于提高CO和h2的平衡浓度，而且可以提高反应速度，增加气化强度，从 而使气化炉的生产能力提高＜2）燃料层的运移速度和料层高度【5】 在固定床气化过程中，整个床层高度是 相对稳定的。
随着加料和排灰的进行，燃料以一定速度向下移动这个速度的选择 主要依据气化炉的气化强度和燃料灰分含量在气化强度较大或燃料灰分较高时， 应加快燃料层的移动速度，反之亦然燃料层分为灰分、氧化层、还原层和干馏干 燥层，其作用各不相同，灰层有预热气化剂和保护炉箅不致过热的作用、氧化、还 原层是进行气化反应的部分，直接影响煤气的质量干馏干燥层则既对煤气降温有 对煤料预热各层高度大致如下：灰层100〜300 mm,氧化还原层约500 mm,干馏 干燥层300〜500mm总之，稍高的原料层高度有利于气化过程＜四）操作条件操作条件因工艺流程、炉型、煤种而异某厂如下表：表 1 煤气炉的操作指标炉底压力980〜3430 凶空气流量3500〜4000 因炉出口压力340〜780凶灰层厚度150 〜300 mm饱和温度45 〜57°C火层厚度150 〜250 mm炉出口温度450〜520C料层厚度450〜600 mm三、气化炉的设计计算用实际数据计算法进行发生炉煤气化过程计算如下： ＜一）已知直接测定和在煤气发生炉实验时所获原始数据 无烟煤的工业分析【7】无烟煤的干发焦油产率则必须取成）物料1.确定工作原料组成.煤为计算基准。
＜即表示煤几乎不带焦油，可忽略，如果煤气中带有焦油,由可燃基转变成应用,由此可求得按应用基计算的原料组成为:2.确定干灰渣生成率因原料中的灰分分配在带出物和灰渣中，故:I X I式赳 —灰渣生」一带出物产率,业，%<0占工业原料质量）隶料质量）凶一灰渣中灰含量，kg/kg」一带出物灰含量,kg/kg确定干煤气产率，按碳平衡计算：式中煤；9一灰渣中的含碳量,—带出物的含碳量,—焦油中的含碳量, 煤气成分含量煤；、 、 、 —母1」煤气中各成分含量,」冷氮平衡确定空气』量—式中」一空气消耗量,一每—干煤上干煤气中氮煤量'」煤式中气产率，。