煤气发生炉生产设计论文

目  录

1       发生炉煤气概况········································2

2       发生炉煤气分类········································2

2．1    空气煤气··············································2

2．2    水煤气发生炉煤气······································2

2．3    混合发生炉煤气········································2

3       发生炉煤气的工艺流程··································3

4       反应过程原理及化学反应································4

4．1    炉内料层性质变化······································4

4．2    化学反应··············································5

5       技术指标··············································6

5．1    煤气质量指标··········································6

5．2     炉内气化各层次要求···································6

6        煤质量要求···········································6

6．1     煤的粒度，机械强度及热稳定性·························6

6．2     灰分、灰熔点及结渣性·································7

7        衡算实例·············································8

7．1     已知的原始数据·······································8

7．2     物料衡算·············································8

7．3     热量衡算·············································11

7．3．1  供热方···············································11

7．3．2  付热方···············································12

7．4     气化效率·············································13

7．5     热效率···············································13

8        安全知识·············································14

参考文献··············································15

          致谢………………………………………………………………….15

1 发生炉煤气概况

发生炉煤气是以固体燃料（以煤为主）气化而得到的一种气体，其主要用于治金、机械、陶瓷、玻璃、化工和电子工业等方面可作燃料气，合成原料气，目前有些矿区及远离城市的工业企业的居民作为民用气（但必须采用安全措施），使用发生炉煤气后既能消除烟尘污染，改善环境卫生，又能节约能源，提高产品质量和产量，减轻劳动强度，降低经济成本，效果比较显著。

    煤的气化过程是一热化学过程，是煤或煤焦与气化剂（空气，氧气，水蒸气，氢等）在高温下发生化学反应将煤或煤焦中有机物转变为煤气的过程。该过程是在高温、高压下进行的一个复杂的多相物理化学过程。通过煤炭气化方法可以利用煤中所含的几乎全部有机物质，是获得基本有机化学工业原料的重要途径。

    煤气是指气化剂通过炽热固体燃料层时，所含游离氧或结合氧将燃料中的碳转化成可燃性气体。

2 发生炉煤气分类

根据使用气化剂和热值不同可分下列三种：

  2．1空气煤气发生炉煤气

采用纯空气鼓风为气化剂透入煤气发生炉内与煤反应所获得的煤气称空气煤气，但气化过程中气化层温度达1500~1700℃，对气化有利，可强化生产提高生产率，但对使用煤中灰分熔点大大超过而造成严重结渣，防碍发生炉正常操作，因而气化效率低，煤气热值低，一般为3.76~4.6MJ/。而且炉出温度高，目前工业上很少用。

2．2水煤气发生炉煤气

气化过程以水蒸汽（H₂O）为气化剂经过赤热的焦炭层使水蒸气（H₂O）分解，而获得的煤气称水煤气，其煤气中可燃所主要由H₂和CO组成，煤气热值高10.456MJ/，但是气化热效率为54%，即只有一半热量是用于制造煤气，要求热值高和作为合成原料气使用。

2．3混合发生炉煤气

为了克服空气煤气的缺点，在以空气为气化剂中加入适当水蒸气，以空气，水蒸气两种混合介质作为气化剂进入煤气发生炉与热炭发生热交换及化学反应，所生成的煤气称为混合发生炉煤气。

水蒸气通入炉内，不但解决气化过程中结渣，由于水蒸气（H₂O）分解反应出（H₂）和（CH₄）高热值成分，煤气热值可提高到5.44 MJ/。

3 发生炉煤气的工艺流程（热煤气流程） 

    （1） 煤气发生炉整个工艺流程无冷却装置，煤气发生炉气化产生的煤气直接作为燃料气，称热煤气流程。

（2）该工艺流程的优点：

1）不但利用了煤气燃料热，也利用了煤气的显热，提高了热量利用率；

2）工艺设备简单，投资少，管理较为简单，安全生产可靠性好；

3）除水封用水外无其它污水，不需水处理设施，环境污染较轻；

4）生产费用低。

图1热煤气站工艺流程图

4 反应过程原理及化学反应

4．1炉内料层性质变化

图2煤气发生炉内料层性质变化

4．2化学反应

1）氧化层主要气化反应：

C+O₂→CO₂    +394.1MJ/mol

2C+ O₂→2CO    +220.8MJ/mol

在此层中，差不多所有的氧(O₂)都已消耗，而且只有二氧化炭(CO₂)形成，由于放出大量的热温度最高，通常约为1100~1200℃

2）第一还原层：

在这一层中，高热气体通过煤层时，发生下列反应：

C+ H₂O→CO+ H₂    -135.0MJ/mol

C+ H₂O→CO₂ + H₂    -96.6MJ/mol

C+CO₂⇋2CO   -173.3MJ/mol

在第一还原层中水蒸气（H₂O）被还原分解，而二氧化炭(CO₂)也绝大部分被还原分解，但该层较薄约为(100~200mm)，由于反应过程为吸热，所以该层温度有所下降温度约为(800~1100℃)。

3）第二还原层：

在这层中进行以下反应：

C+ CO₂→2CO  -173.3MJ/mol

CO + H₂O⇋CO₂+ H₂  +38.4MJ/mol

此时没有H₂O被C直接分解，全部还原分解量也不多，在这一层中主要是高热气体将本身之显热传给进入该层的煤。

4）空层：

  在此层中常发生以下反应，以致减少煤气热值。

2CO→CO₂+C    +162.4MJ/mol

减少煤气热值。决定生成气体停留时间及炉顶温度。

5 技术指标：

5．1煤气质量指标：

（1）CO（一氧化碳）   >24%

（2）H₂（氢气）     <17%

（3）O₂（氧气）     <0.6%

（4）CH₄（甲烷）    2%

（5）低位发热值     >5233 MJ/

（6）灰渣含炭量     <20%

5．2炉内气化各层次要求

（1）边灰    200mm以上（以第二层炉条算起）

（2）中间灰   200mm以上（以第一层炉条算起）

（3）火层    100~150mm

（4）空层    根据炉型定

（5）饱和温度    55~62℃

注：饱和温度应保持稳定，温度调节通过软化水，严禁使用外供蒸气。

（6）煤气出口温度    450~550℃

（7）煤气出口压力    100~250Pa

（8）炉低压力      900~1200Pa

6 常压固定煤气发生炉气化用煤质量要求

6．1 煤的粒度，机械强度及热稳定性：

炉内气化用煤要求粒度均匀，但是由于煤性质差异，有的煤经筛分后，输送过程中受到各种形式的撞击和向炉内给煤时相互间挤压等物理外力作用，煤的粒度变成不同程度小粒煤，以该物理指标来衡量和评价煤质，该指标称为煤的机械强度。当块煤进入煤气发生炉内进行气化反应时，困煤粒内外有温度差产生热传递，经过一定时间煤粒温度升高，煤粒内水蒸气蒸发和有机质挥发，煤内无机质碳酸盐分解，二氧化碳逸出时煤块裂开，使煤粒变小，另一原因煤受热时外先热，内后热，煤粒内外存在一定温度差，因气化内在膨胀产生内应力，当温度应力大于煤粒强度则煤发生崩裂变小而且连续性出现。煤受热后粒度发生变化的性质称热稳定性。

出现上述情况的煤粒变化，不利于煤气发生炉气化，造成气流分布不均阻力增大，操作困难，有时出现风洞、结渣、表面温度高，煤气中带出物多，煤气质量低，生产能力下降，因此在选择气化原料煤时，要求块度均匀，并且有较好的机械强度和热稳定性。

煤的热稳定性，机械强度，粒度的三个物理性质，都是以粒度为中心，其互相关系如下：

煤粒度——

一般粒度要求：

无烟煤    6~13 mm       13~25 mm      25~50 mm

焦炭      6~13 mm       13~25 mm      

烟煤      13~25 mm       25~50 mm     50~100 mm

对机械强度与热稳定性的质量要求：

机械强度>60%

热稳定性（ST+6）>60%

6．2灰分、灰熔点及结渣性

煤炭气化过程中产生的灰，是由各种矿物组成，灰分在气化过程中基本上是惰性物质，经气化形成灰渣，灰分含量过高影响炉内气化率，能源消耗增加，煤气质量也受到影响，根据我国煤的分布情况，设计规定常压固定床煤气发生炉气化用煤灰分比例小于25%。

煤在气化过程中氧化层希望有较高的温度，因为温度越高气化还原速度越快，水蒸气分解率也越高，煤气热值高，生产能力也可提高，然而这一温度受到灰熔点的限制，氧化层温度过高灰渣熔化结块，导致阻碍气化剂上升，并造成出渣困难的不良后果。从而破坏炉内正常气化，严重时停炉处理。

灰分中主要含有二氧化硅（SiO₂），三氧化二铝（Al₂O₃），三氧化二铁（Fe₂O₃），氧化钙（CaO），氧化镁（MgO）等，般认为铁，钙，镁等化合物多，灰熔点下降易结渣。硅，铝氧化物高灰熔点高不易结渣。可按下式判断灰熔点的高低。

K值大于5时为难熔性灰

K值在15之间时为中等熔融性灰

K值小于1时为易熔化性灰

7 衡算实例

以太原大同煤为原料的混合煤气发生炉实际计算过程如下：已知的化验数据

 7．1无烟煤的工业分析：

M=5.0% ；  A=11 .0% ； 

无烟煤的元素分析：

； ；  ；； 

干发生炉煤气组成： 

焦油产率：无烟煤炭气化的焦油产率可忽略不计；灰渣含碳量。；带出物产率取为燃料的2%；带出物组成（质量分数）为碳80%，灰20%；煤气出口温度500℃；气化剂饱和温度55℃。

7．2物料衡算 

 以100kg的收到基煤为计算基础。由于生产上的各种数据是以不同的标准给出的，因而在物料衡算时需将其换算为同一标准。

1）基准换算，将干燥基灰分A换算为收到基灰分；

由干燥无灰基（daf）转变成收到基（ar）的转换系数为：

 将所给的原料组成（干燥无灰基）换算为用收到基表示的组成（%）为：

合计=100.00

2）干灰渣产率的计算。原料中的灰分转入灰渣和带出物中，因而：

式中 ——灰渣产率，%（占收到基表示的原料质量）

0.15——,kg/kg；

2——带出物产率，%

0．2——带出物灰含量，kg/kg 。

3）以100kg收到基原料煤为基准，计算如下。

原料中的碳量为：

灰渣含碳量为：

带出物中的含碳量为：

以100煤气为计算基准，则煤气中各组成分含碳量为：

所以，每100煤气中含碳量为：

由以上计算数据可求得干煤气产率为：

即

4） 氮平衡计算。

氮在气化过程中属于惰性物质，不参加化学反应，因而原料中和空气中的氮全部转入煤气中，由此可计算空气的消耗量。

100kg煤所产干煤气中的氮气为：

原料带入的氮为：

空气的消耗量为：

5）计算蒸汽的消耗的消耗量。由气化剂的饱和温度55℃，查空气湿度图得水蒸气的含量为0.148kg水汽/m (干空气)，故水蒸气的消耗量为：

6）确定煤气中的水分含量。通过对氢平衡的计算，可以确定煤气中的水分含量，进而可以求水蒸气的分解率。以100kg原料为计算基准，如下。

原料带入的氢量包括化合氢和煤中水分的氢，计算如下：

气化剂中水蒸气的氢量为：

转入煤气中的氢量为：

因此煤气中的水含量为：

式中 ——水和氢气的换算系数。

7）煤气的产率。湿煤气的产率为干煤气的体积和煤气中的水分体积之和，计算式如下：

       式中 ——湿煤气产率，；

   0．833——蒸汽密度， 。

8）计算蒸汽分解率。以气化100kg煤为基准，煤气中的水分为4190.288=12.07kg,其中由原料带入的水5.0kg，一般煤中50%的氧转变为1.940.518/16=1.09kg的水。因此，煤气中由气化剂带入的未分解水蒸气为12.07-5.0+1.09=5.98kg,

9）所以分解的水蒸气为1000.412-5.98=35.22kg。由此求得水蒸气的分解率为35.22/(1000.412)=85%

10）计算煤气中各元素的质量组成：

7．3  热量衡算   (以100kg收到基煤为计算基准，按高热值计算。)

7．3．1 供热方

在煤的气化过程中，引入气化炉的总热量为供热方（以表示），由下列几项组成。

第一项，煤的发热量：

          式中  28386.5——无烟煤的高热值，kg/kg(煤)。

第二项，煤带入的显热

          式中  1.008——煤的比热容，kJ/(kg•℃)；

——煤的温度，℃。

第三项，气化用水蒸气和气封用水蒸气带入热；

         式中 ——气化用水蒸气的焓，kJ/kg；

——气封用表压为４kg/cm水蒸气的热焓，kJ/kg；100kg煤按消耗2kg蒸汽计算。

第四项，气化用空气的显热；

式中 1.008——空气的定压热容，kJ/(kg•℃)。

故总进入热量Q为：

7．3．2 付热方  

           气化反应后，生成的各项有效热量与生产过程的所有热损失之和，为热量衡算的付热方，由下列几项组成。

第五项，干煤气的发热量；

=5442.8419=2280533.2KJ

式中 5442.8——干煤气的高热值，。

第六项，干煤气的平均比热值。

=4191.374500=287853KJ

式中 1.374 ——干煤气的平均比热容，kJ/(•℃)；

              500——煤气出口温度，℃。

第七项，煤气中水分的热含量：

=348914.07=49090.2 KJ

式中 3489——煤气在100kPa、500℃时所含水蒸气的热焓，kg/kg；

              14.07——煤气中水蒸气的含量（0.0288419+2=14.07），kg 。

第八项，带出物的热焓；

=340451.6+0.8372500=55339KJ

式中 34045——碳的高热值，kJ/kg ；

              0.837——带出物的比热容，kJ/(kg•℃) ；

第九项，灰渣的热焓，灰渣排出温度取400℃ ；

=340451.77+11.820.857400=64311.5 kJ

式中 0.857——灰渣比热容，kJ/(kg•℃)。

第十项，发生炉夹套产生的蒸汽热焓，假设全用于气化过程则和相同

第十一项，其他热损失，如向气化炉四周空气中散失的热量，生产过程中设备的泄露等，在热量衡算时由于难以计算，常归并在一起由热量平衡之差求得。

付热方总热量计算方程为：

7．4气化效率

气化效率用生成物的热值比原料的热值，即：

通常，气化褐煤时，气化效率约75%左右；气化无烟煤时，一般为80%~85%。这是由于煤中所含的挥发物愈少，则转入焦油等油品类的热值也愈少，转换到煤气的热值就愈大，因此气化效率提高。

7．5热效率

一般指生成物的热值与可回收的热值之和占所供给的总热值之比，计算式如下：

8 安全知识

煤气是一种易燃、易爆、有毒的气体，因此在生产过程中必须注意安全。

8．1煤气毒性

煤气中二氧化碳，氮气和氢气是窒息性气体，当空气中含有一定量二氧化碳，氮气，氢气时，使空气中的氧含量相对减少，人在这环境中工作，由于氧不足，逐渐引起呼吸困难，产生头痛、胸闷、引起缺氧中毒，若不及时离开该环境，最后会窒息死亡。

煤气中硫化氢是臭味难闻的有毒气体，虽然煤气中含最较少，但空气中的硫化氢含量超过0.01mg/L时，使人产生呕吐，呼吸道疼痛，恶心而昏迷。当空气中硫化氢浓度高达到1mg/L时，人只要吸入几口，会突然休克，最后死亡。

但是当吸入一氧化碳人体时，一氧化碳与血液中的红血球发生化学反应，生成碳氧红血素，不但结合坚固而无输氧能力，新陈代谢作用逐渐减少到中断，由于人体缺少氧气，出现头痛、恶心、呕吐、全身四肢无力，呼吸困难，精神不振，疲乏无力，挣扎不动，当人体继续吸入一氧化碳，红色球相应减少，减到为零时，就完全丧失了输氧功能，最后停止呼吸而死亡。一氧化碳中毒程度与人体素质，一氧化碳浓度及接触时间有关，根据中毒程度不同，一般可分轻，中，重度中毒：

轻度中毒：稍有缺氧、呼吸困难、头痛、耳鸣、四肢无力。

中度中毒：缺氧严重，呼吸困难，神经系统障碍，痉挛、昏迷状态，全身不能动弹。

重度中毒：接近停供氧气，进入昏迷状态或休克，停止呼吸而死亡。

8．2煤气爆炸

煤气与空气混合在设备中遇到明火发生爆炸，属化学爆炸，空气与煤气混合及形成爆炸混合物，在密闭设备或管道内遇到明火，产生剧烈的化学反应，放出大量热能，从而使密闭设备内反应生成物的体积急剧膨胀，温度和压力突然增加，则产生爆发波，若密闭设备或管道的体积无法扩展，压力又无法泄出时，则发生爆破，反之，若爆炸混合物生成后遇明火，由于可燃物低，不能使混合物加热到爆炸温度，就使燃烧停止，而不发生爆炸，为此爆炸必须具备下列三条件：

一、密闭设备或管道（或小空间）；

二、有助燃物和煤气混合，并达到一定的比例（下限或上限之间的某一比例）；

三、具有外来火源或自燃条件。

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