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1、前言 全国70以上的合成氨厂第一章 设置造气岗位的目的和意义造气岗位是为合成氨备足高质量的原料气，以无烟煤或焦碳为原料，以空气和水蒸汽为汽化剂通过高温反应，制出合格充足的半水煤气。煤气炉内的气化反应是空气和蒸汽交替通过燃料层进行的。以空气为气化剂制出的煤气叫空气煤气，习惯上称为吹风气；以水蒸气为汽化剂制出的煤气叫水煤气；空气煤气和水煤气按一定比例混合后就叫半水煤气。第二章 反应原理第一节 燃料气化的化学过程一、燃料层的分区固体燃料的气化过程，实际上是碳与氧及碳与蒸汽的交叉反应，这两种反应总称为固体燃料的气化反应。合成氨生产中，固体燃料的气化反应是在煤气发生炉内进行的，按煤气炉内生产过程的特性，
2、自上而下的分干燥层、干馏层、还原层、氧化层和灰渣层五层。 干燥层 干馏层 还原层 氧化层灰渣层图2-1煤气炉燃料层的分布燃料在煤气炉中，随着生产的进行，自上而下的移动。在移动过程中发生一系列变化，这些变化中有物理变化也有化学变化。在燃料的上部，煤与热气流接触，并受下层温度较高的燃料层的热辐射，本身所含水分开始蒸发干燥，这一区域叫干燥层；干燥层以下的燃料层温度比较高，燃料中的挥发份能够在此温度下发生热分解，放出挥发份而逐渐焦化。由于其温度条件与干馏炉相似而称其为干馏层；再往 图下燃料层温度更高，使燃料能发生化学反应，这就是燃料层的主要区域气化层；在气化层里，燃料中的碳与空气中的氧反应有两种情况：
3、碳与氧作用生成氧化物；气化剂中的氧化物失去氧被还原。所以，气化层又分为氧化层和还原层。气化层下部由于气化剂与碳的反应而形成灰渣，气化层至灰盘的区域称为灰渣层。在实际生产中，燃料层的分层并无严格的区分界限，并且往往是相互交错。随着燃料的种类、性质不同，所用的气化剂及气化条件不同，燃料层不仅分层不同，各层高度也不相同。如：干燥层和干馏层只是在含水和含挥发份较高的燃料气化中才能明显区分。在使用焦碳为燃料气化时，就没有干馏层；气化层和灰渣层也是在气化条件较正常或气化较完全时才有明显区分。在一般情况下，气化剂通过燃料层中的干燥层、干馏层和灰渣层时，由于温度较低，一般不发生气化反应而只发生热量交换，只有气
4、化层才具备使燃料发生气化反应的温度和条件。因此，燃料层的分区可粗分为上预热层（干燥层、干馏层）、气化层（氧化层、还原层）和下预热层（灰渣层）三大区域。固定层煤气炉燃料层各区域的特性（自上而下）：区域名 称用途及进行过程化学反应灰渣层1、 布气化剂，起分布器的作用；2、借灰渣显热预热气化剂；3、护炉底设备，免受高温影响；氧化层碳被空气中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳，并放出大量的热；C + O2 =CO22C+ O2=2CO还原层1、二氧化碳还原成一氧化碳；2、水蒸汽分解为氢；3、燃料依靠与热气体换热而被预热； CO2 + C =2CO H2O + C= CO + H2 2H2O + C = CO
5、2+ 2H2 CO + H2O=CO2+ H2 C +2 H2 = CH4干馏层燃料依靠热气体换热进行分解，并析出水份、甲烷、焦油、硫化氢等干燥层依靠气体的显热，蒸发燃料中的水分；炉上空间聚集煤气，均匀分布下吹蒸气；二、 煤气炉内的气化反应1、气化过程中的主要反应方程式： C + O2 + 3.76N2 = CO2 + 3.76N2 + 96.0千卡 2 C + O2 + 3.76N2 = 2CO + 3.76N2 + 56.6千卡 CO + 3.76N2 + O2 = 2CO2 + 3.76N2 + 135.4千卡 CO2 + C = 2CO - 39.4千卡 C + H2O（汽） = CO
6、 + H2 - 29.3千卡 C + 2 H2O（汽） = CO2 + 2H2 - 19.2千卡 CO + H2O（汽） = CO2 + H2 + 10.1千卡 C + 2H2 = CH4 + 19.9千卡 CO + 3H2 = CH4 + H2O + 42.9千卡 CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O +39.1千卡 2H2 + O2（+3.76N2）= H2O （+3.76N2）+ 115.2千卡 其次还有两个副反应： S + H2 = H2S + Q S + O2 = SO2 + Q第二节 吹风阶段的反应（1） C + O2 = CO2 + Q （ 21） （2） 2 C + O
7、2 = 2CO + Q （22） （3） 2 CO + O2 = 2CO2 + Q （2-3） （4） CO2 + C = 2CO - Q （24）自下而上进行的上反应过程，空气中氧的浓度迅速下降，二氧化碳浓度相应迅速上升。当氧的浓度降至最低时，二氧化碳的浓度达到最高值，这一反应区域为氧化层。氧化层所进行的反应主要是反应式（2-1）至（2-3）的放热反应，因此，氧化层是煤气炉中温度最高的区域。由于这几个反应的速度极快，所以，氧化层的厚度一般在100200mm范围内。氧化层以上是还原层，还原层所进行的主要是反应式（2-4）的吸热反应，所需的热量是气流从氧化层中传递来的，且随着反应吸热的进行，温度
8、逐渐降低。由于二氧化碳的还原反应速度较慢，所以，还原层的厚度远大于氧化层，一般在200400mm范围内。吹风阶段的理想要求是：尽可能短时间内将燃料层升到较高的气化层温度；同时还要使吹风气中一氧化碳含量尽可能低，以减少吹风气带出的潜热损失，和二氧化碳还原成一氧化碳所损失的碳，提高吹风效率，把大量的热储存在气化层内。为达到上述要求，应丛化学反应速度和化学平衡两个方面考虑。第三节 化学反应速度和化学平衡一、 响化学反应速度的因素：1、反应速度的影响：质量作用定律：在一定温度下，化学反应速度与各反应物浓度幂的乘积成正比，这一规律就是质量作用定律。2、 压力应速度的影响：对于有气态物质参加的反应，压力影
9、响该反应的速度。在一定温度时增大压力，气态物质的浓度增大，反应速率增大。反之，降低压力，气态物质的浓度减小，反应速率减小。3、 温度对反应速度的影响：温度对反应速度有很显著的影响。一般，升高温度，反应速率增大，降低温度，反应速率减小。一般，当温度每升高10，反应速率增大到原来的24倍。这一规律是范特荷甫研究发现的。一般，当温度升高时，吸热反应的速率增长的倍数大些，放热反应的速率增长倍数小些。4、 其他因素对反应速率的影响：在有固体物质参加的化学反应中，固体粒子的大小对反应速率也有影响。一定量的固体物质，颗粒愈小。其总的表面积愈大，固-液或固-气间分子接触的机会就愈多，反应速率就愈大。二、 化学
10、平衡1、可逆反应几乎只能向一个方向进行“到底”的反应叫做不可逆反应；在同一条件下，能同时向相反方向进行的反应叫做可逆反应。通常把化学反应式中向右进行的反应叫正反应；向左进行的反应叫逆反应。2、化学平衡当可逆反应进行到正、逆反应速率相等时的状态，叫做化学平衡。化学平衡的特征是：在外界条件不变时，反应体系中各物质浓度不在随时间改变。化学平衡状态是在一定条件下化学反应进行的最大限度。3、影响化学平衡的因素 因外界条件改变，使化学平衡有原来的平衡状态转变到新的平衡状态的过程，叫化学平衡移动。（1）浓度的影响：对任何可逆反应，其他条件不变时，增大反应物浓度（或减少生成物浓度），平衡向增大生成物浓度方向（
11、正反应方向）移动；增大生成物浓度（或减少反应物浓度），平衡向增大反应物浓度方向（逆反应方向）移动。（2）压力的影响：当温度不变时，增大压力，平衡向气体分子总数减少的方向移动；降低压力，平衡向气体分子总数增多的方向移动。（3）温度对化学平衡的影响：升高温度时，平衡向吸热方向移动；降低温度时，平衡向放热方向移动。综合浓度、温度、压力等条件对平衡的影响，将其概括为一条普遍规律：假如改变平衡体系的条件之一，如温度、压力、或浓度，平衡就向能减弱这个改变的方向移动。这个规律称为吕查德里原理，也叫平衡移动原理。三、吹风过程中的反应速度和化学平衡 （1）吹风过程的反应速度煤气炉内的气化反应属于气固相系统的多相
12、反应。整个过程包括物理和化学两个过程。物理过程和气体扩散有关；化学过程和化学反应有关。所以，总的气化速度有这两个过程因素来决定。当这两个过程有一个因素较慢时，该较慢因素就决定了整个气化过程的速度。当碳表面上反应物化学反应速度很快，整个过程的速度主要有反应物扩散到碳的表面或生成物扩散入气相中的速度控制，此种情况称为扩散控制。相反，当整个反应速度受化学反应速度控制时，则反应物或生成物的扩散速度并不影响整个过程的速度，此种情况称为反应动力学控制。影响扩散速度的最主要因素是气流速度。影响化学反应速度的最主要因素基本上是温度。碳与氧的反应是燃烧反应。有实验证明，这一反应在800以上时，几乎完全是自左向右
13、正反应方向进行。当温度大于900时，化学反应的速度已经很快，生成CO2（2-1）的反应速度仅依靠氧扩散到碳表面上的速度以及生成CO2从碳表面扩散的速度而定。因此，在一般煤气炉操作的温度下，对于CO2生成的总反应来说，氧的扩散速度乃是这个反应的主要控制因素。所以，在实际生产中采取提高进入煤气炉流速，即提高吹风率的方法来加速碳与氧的反应，以达到较短时间内迅速提高燃料层温度的目的。当然，在较低温度下，反应速度受温度影响很大，因为此时的反应过程受化学反应速度控制。在实际生产中炉温较低和流速较慢时，会出现煤气中氧含量升高的现象。在一般的煤气炉操作温度范围内，CO2的还原成CO反应速度（2-4）远比氧燃烧的速度慢。CO2的还原成CO反应速度与燃料的性质有关，反应属于反应动力学控制。几种燃料的CO2的还原速度快慢如下：泥煤焦木炭褐煤冶金焦无烟煤二氧化碳还原与温度和时间接触的关系 CO%如图所示。 1300二氧化碳在1000时与碳接触在43 秒 80 1100 生成有60%一氧化碳；当温度升高到 12001100时只需6秒就能达到同样的结果， 60可见二氧化碳的还原速度随温度的升高 40
