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1、第1章 前言1.1 概述固定床煤气化技术是最先实现运用的工业化技术，在此基础上发展起来的合成氨工业为粮食增产和军工业的发展奠定了重要的基础。国之大事无非足粮足兵，粮食充足则天下大定，诸项事业皆可繁荣；兵坚器锐则国自安，外敌无隙可乘。德国作为后起的帝国主义国家，外无广大的殖民地可供掠夺并提供原料，国内资源缺乏。但是德国通过发展合成氨工业，既解决了粮食问题，又解决了军事工业发展必须的硝铵供应，遂有能力起而与日不落帝国争夺生存空间，历数年而不败，最后因石油供应短缺和美国参战而被迫投降。处理战后国际格局安排的巴黎和会，其中重要但已为人忘却的决议之一就是要求德国向全世界公开合成氨工业的技术。合成氨工业的
2、极端重要性由此可见。巴黎和会后，全世界均以煤为原料，采用固定床煤气化技术发展合成氨工业。民国时期，国民政府最重大的工业建设之一即为南京永利宁钮厂年产6万吨合成氨装置，1937年毁于抗日战争。上世纪四五十年代是全球煤化工发展的黄金时间时期，但随着石油的大量发现，中东廉价石油的开发，石油化工兴起，煤化工逐步退出。至上世纪六七十年代，全世界除中国和南非外煤化工时代已经完全结束，煤气化技术的发展完全停止。上世纪七十年代石油危机爆发后，煤气化技术再度受到重视，相继开发了德士古水煤浆气化、壳牌煤粉气化等技术，并建立示范工程用于联合循环发电。但是仅有美国帝斯曼公司采用德士古水煤浆气化技术建设的甲醇、醋酸装置
3、进入商业化运行，其余项目均止于示范工程阶段。上世纪九十年代以后，国外的煤气化技术进入中国，用于合成氨甲醇的新建项目以及油头合成氨装置的技术改造。中国由于特殊的历史条件和资源条件，上世纪五十年代开始大规模地采用固定床煤气化技术进行合成氨生产，用以解决国家面临的极为严重的粮食短缺问题。当时由国务院副总理陈云亲自抓这项工作。以当时化工部副部长侯德榜发明的碳铵为产品路线，在全国每个县均建立小合成氨厂，甚至于有的县建立了数个合成氨厂。这些小合成氨厂大部分在上世纪七十年代建成，并逐步稳定运行。同时在上世纪七十年代初期，随着中国与西方关系的缓和，我国用石油换取的宝贵外汇先后引进了前十三套和后十三套合计26套
4、的年产30万吨合成氨52万吨尿素装置，大约在七十年代末、八十年代初相继建成投产，使我国化肥产量在七十年代末、八十年代初显现爆炸性的增长。此时，杂交水稻良种的培育也已成功，并进入大规模推广阶段。这是我国在八十年代初期粮食巨幅增长、并一举解决千百年来未能解决温饱问题的重要物质基础和技术原因。八十年代后期，我国的粮食和化肥均出现短时期的过剩。合成氨工业的发展从量的扩增进到质的提高阶段。大量竞争力差的小合成氨厂逐步退出生产，剩下的小合成氨厂通过不断的技术改造，其生产规模和技术水平迅速提高，同时在国家政策的支持下改产尿素，实现产品路线的调整，竞争力明显增强。目前我国合成氨工业竞争力最强、发展最快的企业集
5、团，其企业核心均为原先的小合成氨厂，如湖北宜化集团、山东华鲁恒升、联盟化工、鲁西化工、心连心集团、河南骏马集团等，而采用国外石油路线或引进国外先进煤气化技术的企业，无论在发展速度，还是企业效益情况均不能与之相比。1.2 煤炭气化的定义和气化反应1.2.1 煤炭气化的定义煤炭的气化是指在气化炉内，煤在高温下与气化剂反应，生成煤气的全过程。煤炭气化过程的基本条件是：气化炉，气化原料和气化剂。气化炉是煤炭气化的核心设备；气化剂为氧气或空气以及水蒸气和二氧化碳等。1.2.2 煤炭气化的主要反应a碳的氧化反应b碳的部分氧化反应c二氧化碳的还原反应d水蒸气的分解反应e水蒸气分解反应f一氧化碳变换反应g碳的
6、加氢反应h甲烷化反应煤炭气化的目的产品是燃料气或化工原料气，煤气的有效成分是CO.和,因此上述反应应根据煤气用途的不同加以控制。1.3 移动床气化1.3.1 混合发生炉煤气混合发生炉是移动床常压气化技术最成熟的气化方法之一，原料煤在煤气发生炉内与空气和水蒸气组成的混合气化剂发生反应，生成混合发生炉煤气。混合发生炉煤气属于低热值煤气，一般在4.67.5MJ/之间，主要用作工业燃料气，不能单独作煤气使用。(1) 气化过程气化炉为圆筒形，外壳由钢板制造。气化炉由炉体。炉体装置，炉蓖，气化剂入口和煤气出口等部分组成。煤气发生炉内燃料层由下至上大致可分为五层。a灰渣层：在灰渣层中，气化剂不发生化学反应，
7、只与灰渣进行热交换，气化剂吸收灰渣的热量而升温预热，灰渣则被冷却。b氧化层:主要进行碳的燃烧反应：,放出大量的热量，在氧化层末端，气化剂中的被全部耗尽。c还原层：主要进行二氧化碳的还原反应和水的分解反应： 反应所需要的热量主要由碳的燃烧反应放热提供，同时，变换反应可以补充剖分热量。d干馏干燥层；由还原层出来的气体（包括其中大量的）具有很高的温度，在上升的过程中，将上部原料干馏，生成焦油蒸汽，热解水和其他液体，气体产物和半焦，干馏析出的挥发份与气体煤气仍有较高的温度，继续上升将原料煤干燥。e气相空间：料层上部的气相空间也有化学反应发生，主要是CO的变换反应。CO和（g）的含量在减少，的含量增加，
8、反应进行的程度影响粗煤气的组成和煤气出口温度。(2)气化过程的工艺条件 在混合发生炉气化过程中，主要的工艺条件是炉膛温度，水蒸汽加入量和鼓风速度，这些条件直接影响气化炉运行状况和煤气的组成。a气化温度 气化温度即炉膛内料层温度，它是影响煤气质量、气化强和气化热效率的最重要因素。煤气中有效成份含量的多少主要取决于的还原反应和水蒸气的分解反应，料层温度的升高，有利于这两个反应的进行，既可提高煤气产量又可改善煤气质量。但料层温度过高，会增加散热损失和煤气带走的显热损失，而且原料煤气中灰分将会软化、熔融而导致严重的结渣，影响气化炉的操作。因此料层温度的选定应结合原料中灰分含量的多少和灰熔点的高低而定，
9、大致为10001200.另外对于反应性好的原料，可以降低气化温度，缓减煤气质量与结渣之间的矛盾。b水蒸气加入量混合发生炉煤气气化剂中的水蒸气加入量对煤气质量、产率和气化过程的正常进行有重要影响，水蒸气的气化过程中具有以下几个作用：水蒸气分解反应，可生成煤气中的有效成份（）;水蒸气分解吸收热量，降低炉温，可防止灰分溶化结块，减少炉壁散热损失；水蒸气分解吸收热量，降低的还原反应，降低比；未分解的水蒸气导致显热损失，降低气化热效率。随着水蒸气单位消耗量的增加，水蒸气相对分解量即水蒸气分解率和煤气热值不断降低，CO含量也随之下降，含量有所增加。根据水蒸气的作用，水蒸气加入量有一个最佳比例，即以气化炉内
10、灰不结渣为最低限度。空气中含水蒸气量的多少可用相应的空气饱和温度来表示。在实际生产中，水蒸气加入量是通过控制空气被水蒸气所饱和温度来调节的。一般情况下，水蒸气的耗量在0.40.6kg/(kg.碳)之间，饱和温度控制在5065之间，蒸汽分解率约为60%70%。(3) 鼓风速度鼓风速度决定着气化强度，鼓风速度愈大，气化强度愈强。提高鼓风速度后，可以提高受扩散控制的碳燃烧反应的速度，增强单位时间内放出的热量，给还原反应和分解反应提供了充足的热量，有利于气化反应，提高了气化强度，增加了气化炉的生产能力。但受动力区或过渡区控制的还原反应和水蒸气分解反应需要一定的反应时间，因此随着鼓风速度的提高，气化剂和
11、料层的接触时间缩短，不利于碳的充分转化，料层阻力相对增大，出炉煤气中的带出物数量也相应增多。鼓风速度过低，将降低发生炉的生产能力。所以，鼓风速度必须控制在合适的范围内，气流速度按气化炉空横截面计算，一般在0.100.20m/s之间。在实际生产中，煤气产量是通过控制发生炉的空气供应量来调节的，调节范围为30110。1.3.2 气化指标和影响因素气化指标包括煤气质量，没起产率，气化强度，原料的损失，冷煤气的效率，气化热效率和各项消耗指标。影响气化指标的因素很多，主要取决于三个方面：气化原料打得理化性质，气化过程的操作条件和煤气发生炉的构造。气化原料的理化性质是主要因素，它既能影响气化指标，同时也决
12、定了气化过程操作条件和发生炉的构造的选择。(1) 煤气的热值和组成煤气热值的高低与煤气中可燃成份的含量有关。其含量的多少既取决与气化原料中的挥发分产率和组成，又取决与气化反应生成的和主要来自二氧化碳的还原反应和水蒸气的分解反应。适当减少原料粒度以增加反应表面积；控制适当低的饱和温度，维持较高的料层温度；增加料层厚度以延长反应时间有利于气化反应的充分进行，提高煤气的质量，并且气固之间有充分的热量交换，使煤气出口温度降低，气化热效率提高。气化原料的反应活性与结渣对和的含量也有影响。在炉温情况下，反应性好的原料有利于气化反应；结渣性弱的原料可以适当提高炉温，同样有利于气化反应的进行，从而可以提高煤气
13、中有效成分。a煤气产率煤气产率是指气化单位质量的原料所得到煤气的体积数（在标准状态下）。煤气产率决定于原料煤中的水分，灰分，挥发分和固定碳的含量，也与气化方法的转化率有关。对于同一类型的原料而言，原料中的惰性物（水分和灰分）越低时，煤气产率决定于原料煤中的水分，灰分，挥发分和固定碳的含量，也与气化方法的转化率有关。煤气产率与原料可燃组分中挥发分的含量有关。挥发分含量越高，煤气产率就越低。因为在气化过程中，原料中挥发分在干馏裂解或甲烷的数量很少，相当部分转变成了焦油，转变成煤气部分相当减少。(2) 原料的损失 气化过程中原料的损失包括随离开气化炉的煤气带出损 失和灰渣残碳出损失。 当气化原料中小
14、颗粒含量增多时，气流速度加大，则煤气带出物的数量增多。所以，原料机械强度愈低，热稳定性愈差，在气化过程中会产生愈多的小颗粒和粉末，造成大量的带出损失。 排出损失是由于熔融的灰分将末反应的煤包裹不能继续与气化剂接触成为碳核，随灰渣一起排出炉外所造成的。它与原料灰分含量，灰分性质，操作条件及发生炉结构有关。原料灰熔点低，灰分含量高，气化过程中水蒸气用量大以及操作过程中料层移动过快都将导致排除损失增加。(3) 气化效率和气化热效率气化效率是指生成物的发热量与所使用原料热量之比，只利用冷煤气的潜热时称冷煤气效率，同时利用热煤气显热时，称热煤气效率。 当不包括焦油时：100 （1-1）式中 气化效率，生
15、成煤气的热值，kJ/mol 煤气产率，；原料煤气热量，kJ/kg当包括焦油时： （1-2）式中单位原料气化生成焦油的热量，kJ/kg气化热效率是指生成物的发热量与收热量之和占所供给总热量的百分率。表示所有直接加入到气化过程中热量的利用程度。当不回收废热时，气化热效率低于气化效率。在实际生产中，由于存在各种热损失，实际气化效率只有70-80.气化过程的热损失主要包括热产物带走的热量和发生炉对周围环境的热损失。热产物带走的热量包括煤气的显热，未分解水蒸气的热焓以及带出物，焦油，灰渣排出物的化学热，潜热和显热等。(4) 气化强度气化强度是指发生炉炉体单位截面上的生产强度。气化强度可以有种不同的表示方法：a以消耗的原料量表示，单位为kg/(h)b以生成的煤气量表示，单位为/(h)c以生产的热量表示，单位为kJ/(h)煤气发生炉的生产能力取决与炉体的截面积和强度，气化强度与气化方法，气化原料的特性以及煤气发生炉的构造等因素有关。在实际生产过程中，煤种和发生炉的截面积都是固定的，只有适当提高气化强度，才能提高生产能力，同时改善煤气质量。1.3.3 气化过程的强化途径 强化气化过程的实质
