常压固定床煤气化工艺设计

1、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

2、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（s）式中

3、，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215mm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：轴向绝热式固定床反应器：流

4、体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。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。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2550mm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

5、高挥发份烟煤以间歇制取中热值煤气，意大利曾使用过。（2）ife（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）lurgi（鲁奇）干灰法 2.53.2mpa下用蒸汽与氧使350mm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lur

6、gi 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

7、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11001250，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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（coh2）的含量主要取决于碳的氧化与还原反应（cco22co）和水蒸气的分解反应【ch2o（g）coh2】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，

13、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100300，氧化还原层约500，干馏干燥层300500。总之，稍高

14、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9803430空气流量35004000炉出口压力340780灰层厚度150300饱和温度4557火层厚度150250炉出口温度450520料层厚度450600三、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试验时所获原始数据无烟煤的工业分析【7】无烟煤的元素分析。干发生炉煤气组成。焦油产率（即表示煤气中几乎不带焦油，可忽略，如果煤气中带有焦油，则必须取得焦油组成）。（二）物料衡算物料衡算，以1900kg应用基煤为计算基准。1.

15、 确定工作原料组成.由可燃基转变成应用基的转换系数为 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：式中 灰渣生成率，%（占工业原料质量） 带出物产率，%（占工业原料质量）灰渣中灰含量，kg/kg;带出物灰含量, kg/kg。确定干煤气产率，按碳平衡计算： 式中 干煤气产率， 煤 ；原料煤含碳量， 煤 ；灰渣中的含碳量，焦油中的含碳量，；带出物的含碳量，煤；、_每1煤气中各成分含量，。按氮平衡确定空气消耗量。煤式中 空气消耗量，煤每1干煤气中氮含量，干煤气产率，煤；煤中氮含量，煤3. 确定湿煤气的产率湿煤气产率为干煤气的体积和煤气中水分体积之

16、和。式中 湿煤气产率，煤；干煤气产率，煤；3.0煤；干煤气中含水分，0.106；0.8255蒸汽密度，确定蒸汽分解率。当气化100kg煤时，在煤气中有31.8kg水分，其中=7.0kg，热解水一般考虑煤中50的氧转换为水, 即 4.725kg，因此，在煤气中由送风中带入的不分解蒸汽为：31.8-（7.0+4.725）=20.075kg 故分解蒸汽为蒸汽分解率为12.92533100%=39.2%4. 计算煤气的质量组成碳氢氧氮硫 其他部分物料，如气化过程中通煤孔气封用的蒸汽也应计入，对气化100kg无烟煤采用约2kg蒸汽，这部分蒸气也成为煤气中的水分。四、附属设备的选型（一）旋风除尘器旋风除尘

17、器是工业中应用最广泛的一种除尘设备，尤其是在高温、高压、高含尘浓度以及强腐蚀性环境等苛刻的场合。旋风除尘器具有结构紧凑简单造价低维护方便除尘效率较高，进口气流负荷和粉尘浓度适应性强以及运行操作与管理简便等优点。但是旋风除尘器的压降一般较高，对小于5um的细微尘粒捕集效率不高。 1. 旋风除尘器的结构型式工业上最常用的旋风除尘器为切流返转排气的【8】型式，由于不同的入口结构及排尘结构，又可为螺旋顶型、旁式型、异型入口型、扩散锥体型以及通用型等。（1）螺旋顶型旋风除尘器 器顶为螺旋状板结构，这是为了消除前述的“顶灰环”。典型的有 美国ducon公司的 产品，中国为clg型，前苏联为iih型。（2）

18、旁式型旋风除尘器 在筒部器壁处开设一个小室使浓集在器壁的粉尘及时进入此小室而向下排出，这也室为了消除“顶灰环”的不利影响。典型的有美国buell公司产品，中国有xlp型和b型等。（3）异型入口型旋风除尘器 入口不是矩形截面，而是一种底部扭曲的矩形截面。在有弧度的矩形通道内，这种异型截面可以消除其中的纵向环流，从而也可消除“顶灰环”。美国有catclone型，中国的xcx型和上海石化研究院开发的et型都属于此类。（4）扩散锥体型旋风分离器 锥体是一个向下渐扩的筒体，与一般是渐缩的 锥体刚好相反，主要是为了防止出现锥体壁上的“下灰环”，适用与含尘浓度高且颗粒较粗的场合。中国称clk型。（5）通用型

19、旋风分离器 结构最简单，入口可以是90或180蜗壳，也可以是直切式。欧洲各国大多采用直切入口结构，美国的 emtrol公司和中国石油大学开发的pv型都属于此类。（二）旋风除尘器的分离原理由于旋风除尘器内气-粒运动的复杂性，迄今尚无确定反映各种影响因素的分离理论，各国学者采用不同的简化假设，提出了各种理论。主要有2类。 （1）转圈模型 该理论认为尘粒竟如除尘器后，一面向下作螺旋运动，一面在离心效应下向器壁浮游。此理论没有考虑向心径向气流对颗粒的曳带作用，而且数值也不易确定，故现在很少应用。 （2）平衡轨道模型 1956年barth等提出，旋风除尘器中每个颗粒都会受到向外离心力fc及向内气流曳力f

20、d的作用。当此两力平衡事，此颗粒就没有径向位移，而只是在一定半径的圆形轨道上作回转。此半径即为该颗粒的平衡轨道半径rb。若此平衡轨道位于外侧下行流中，此颗粒肯定可以100%地被捕集；但位于内侧上行流中，则其捕集效率就不好确定。现定于内外旋流交界处，即rb=rt时，此颗粒的捕集效率为50%，其粒径称为切割粒径dc50。若颗粒较细，服从stokes定律，便可推出下式：式中 i 旋风除尘器入口面积，；排气管下端的排尘口的距离，m;在处最大切向速度，m/s;对于高温高浓度的除尘场合，应力求结构简单，所以国内外的发展趋势是增大高径比与优化尺寸，采用异形入口型及通用型为多。例如：在炼油化工流化催化裂化等装

21、置中，1985年以前大都用ducon型及buell型，现全都改为catclone型、emtron型及pv型；尤其是中国产pv型旋风除尘器因其灵活，优化的设计技术，可适用于各种除尘过程，已在中国炼油化工行业中占主导地位，在煤的增压燃烧及气化等高温除尘领域中也已开始使用。（三）燃烧装置1燃烧装置的选择要求用来实现燃料燃烧过程的装置称为燃烧装置【9】，对于火焰加热炉而言，燃烧装置是工业炉不可缺少的关键设备（或部件），通过燃烧装置使燃料充分燃烧，像炉内供热，以此保证工业炉的操作工况符合工艺条件及经济合理的要求。燃烧装置的选择应符合以下要求： （1）有足够的燃烧能力，保证炉子满负荷及超出一定负荷的条件下

22、能充分达到完全燃烧。燃烧器能力应为炉子额定能力的1.11.25倍。 （2）燃烧生产的火焰有良好的铺展性，火焰有一定的形状方向及刚性以负荷炉型的要求。 （3）燃烧过程稳定，能给炉子连续供热，并有一定的调节比。对气体燃烧器要求调节比为5:1，液体燃烧器为3:1。 （4）结构简单，牢固，使用维修方便，能保证安全并符合环保要求。由于燃料种类分为固体、液体、气体三大类别。其燃烧过程不同，因而燃烧装置的结构也各不相同。2. 固体燃料燃烧装置块煤在炉箅上保持一定的层状厚度，称为层状燃烧法，各种形状的炉箅及其送煤设备构成了燃烧装置。例如链条式炉排、往复式阶梯炉排等机械化燃烧装置及最简单的手工加煤的梁式炉条和板

23、式炉箅组成的固定式炉排都是层状燃烧的燃烧装置，层状燃烧炉的结构尺寸确定主要是确定炉箅面积及炉膛尺寸。计算如表2：表2 水平炉箅面积燃料种类无烟煤烟煤褐煤q10kcalmh110014009001000140（注：表中数据用于机械通风的人工炉；用于自然通风的人工炉时，表中数据应降低50左右，应提高1050。）3. 余热锅炉的应用炉子系统设置余热锅炉是工业炉最常用的措施之一。余热锅炉回收炉子烟气余热很有效的方法，也是回收被加热物料热量的最常用的方法。 在化工工艺生产中为满足物料发生化学反应的条件常需把物料加热到较高的温度，当它完成反应后生成的产品又常需急剧冷却。例如乙烯工业的裂解炉【10】，合成氨

24、工业的转化炉，都有大量的余热可以利用。与此同时在某些工艺生产过程中需要大量的蒸汽用于物料反应所需，也有用于系统中作为压缩机透平工作的工质。所以工艺系统需要设置余热锅炉，以此生产工艺需要的高、中、低压不同等级的蒸汽。因此设置余热锅炉是既回收热量又为工艺所用。 除工艺物料系统有大量余热可被利用外，就炉子本身而言高温烟气在加热工艺物料之后还常有大量余热也应将其回收下来，否则仅仅用来加热工艺物料是无法使烟气温度降低至所希望的温度，即不能达到炉子要求的热效率值，此时也常常会考虑采用余热锅炉的方案。当然如果系统内又无锅炉给水，为设余热锅炉需另设置一套水处理装置而并不经济时，则也不一定采用余热锅炉方案，此时

25、焚烧炉常常因高温烟气并不需加热系统物料，故大多数情况下均设置了余热锅炉，与此同时也设置了空气预热器，这样使焚烧炉的能耗减少，使比较经济合理的。五、结束语通过本次对常压固定床汽化工艺流程的设计，从理论上更深层次的理解了固定床反应器的生产原理和设备构造。同时也使我们体察到工程实际问题的复杂性，得到化工工程设计的初步训练。此次课程设计也在一定程度上培养和提高了学生的独立工作能力，因为要做到自己确定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证与核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。与此同时，也让我们更深刻的知道，先进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计

26、作品是工程设计人员应该坚持的设计方向和追求的目标。在这次课程设计中，我们更深入的了解煤化工这门课程，使我们的理论知识得到了升华，使我们的专业知识得到更深的巩固，为以后的工作垫定了基础，通过这次课程设计，更锻炼了我们的意志及自信心，虽然复杂的计算比较枯燥乏味，但是同学们互相合作，为设计的过程增添了别有的乐趣。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。 课程设计不同与平时的作业，在设计中需要自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料、进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选择最理想的方案和合理设计。所以课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。参考文献1郭树才煤化工工艺学化学工业出版社，2005.2 祁