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本文由 马后炮化工论坛 转载自互联网
进行煤炭气化的设备叫气化炉。按照燃料在气化炉内的运动状况来分类是比较通行的
方法，一般分为移动床(又叫固定床)、沸腾床(又叫流化床)、气流床和熔融床等。使用
的气化剂不同，生产的煤气的性质和用途不同。如果以空气作为气化剂，生产的煤气称空
气煤气；以空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气的混合物作为气化剂，生产的煤气称混合煤
气；如果将空气(富氧空气或纯氧)和水蒸气分别交替送人气化炉内，间歇进行，生产的
煤气叫水煤气；气体成分经过适当调整(主要是调整含氮气的量)后，生产的煤气符合合
成氨原料气的要求，这种煤气叫做半水煤气。
此外，气化炉在生产操作过程中，根据使用的压力不同，又分为常压气化炉和加压气
化炉；根据不同的排渣方式，可以分为固态排渣气化炉和液态排渣气化炉。
总的来看，各种不同结构的气化炉基本上由三大部分组成，即加煤系统、气化反应部
分和排灰系统。炉型不同，这三部分的具体结构有很大差异。但一般地讲，加煤系统要考
虑煤入炉后的分布和加煤时的密封问题。气化部分是煤炭气化的主要反应场所，如何在低
消耗的情况下，使煤最大限度地转化为符合用户要求的优质煤气，是这一部分首要考虑的
问题。当然，由于煤炭气化过程是在非常高的温度下进行的，为了保护炉体而加设内璧衬
里或加设水套也是非常必要的。水套一方面可以起到保护炉体(也包括炉内的布煤器或搅
拌装置)的作用，同时可以吸收气化区的热量而生产蒸汽，该部分蒸汽又可以作为气化时
需用的蒸汽而进入气化炉内。煤炭气化后的残渣即煤灰，由排灰系统定期地排出气化炉
外，这样就保证了炉内料层高度的稳定，同时也保证了气化过程连续稳定地进行，对移动
床而言，由于炉箅(气化剂的分布装置)和排灰系统结合在一起，气化剂的均匀分布和排
灰操作是生产上较为重要的两个问题。
不论采用何种类型的气化炉，生产哪种煤气，燃料以一定的粒度和气化剂直接接触进
行物理和化学变化过程，将燃料中的可燃成分转变为煤气，同时产生的灰渣从炉内排除出
去，这一点是不变的。然而采用不同的炉型，不同种类和组成的气化剂，在不同的气化压
力下，生产的煤气的组成、热值以及各项经济指标是有很大差异的。气化炉的结构、炉内
的气固相反应过程及其各项经济指标，三者之间是紧密联系的。
一、
气固相反应
在气化炉内，物质基本上以两种相态存在，一是气相即空气、氧气、水蒸气(称为气
化剂)和气化时形成的煤气，另外是固相即燃料和燃料气化后形成的固体如灰渣等。工业
上把这种反应称气固相反应，气固相反应是煤炭气化过程中非常重要的一类反应。
生产上气固相反应通常是在一圆筒形容器中进行的。圆筒形容器的底部设置一块多孔
分布板，固体颗粒堆放于多孔板上，形成一固定层叫床
层。气体以一定的速度从床层的下部鼓入时，
通过多孔板的均匀布气，使得气体由下向上均匀通过床层，反应后由容器的上部排出。气体的流速不同，固体颗粒形成的整个床层将表现出不同的运动形态，如图4-1所示。
气化剂以较小的速度通过床层时，气体经过固体颗粒堆积时所形成的空隙，床内固体颗粒静止不动，这时的床层一般称固定床。对气化炉而言，由于气化过程是连续进行的，燃料连续从气化炉的上部加人、形成的灰渣从底部连续的排出，所以燃料是以缓慢的速度向下移
动，故称为移动床较为合理。当气流速度继续增大，颗粒之间的空隙开始增大，床层膨
胀，高度增加，床层上部的颗粒被气流托起，流体流速增加到一定限度时，颗粒被全部托
起，颗粒运动剧烈，但仍然逗留在床层内而不被流体带出，床层的这种状态叫固体流态
化，即固体颗粒具有了流体的特性，这时的床层称流化床。在流化床阶段，如果流速进一
步增大，将会有部分粒度较小的颗粒被带出流化床，这时的床层相当于一个气流输送设备，因而被称为气流床。
三种床层中的压降和传热情况如图4-2所示，固定床的压力降主要是由于流体和固体颗粒之间的摩擦，以及流体流过床层时，流道的突然增大和收缩而引起的，随流速的增大而成比例地增大，经过一个极大值后，床层进人流态化阶段，在流态化阶段，床层的压降保持不变，基本等于床层的重量，把这个极大值称临界流化速度。进入气流床时，由于大量颗粒被带出床外，床层压降急剧下降。就三种床的传热而言，在固定床中，开始时传热速度较小，流速增大时呈线性关系，床层开始流化时，传热速度迅速增加，在流化床阶段保持恒定，进入气流床时则急剧下降。
气化炉内的这种气固相反应主要有碳和气化剂之间的反应，如碳的燃烧反应，水蒸气和炽热的碳之间的反应等，同时，气化生成的煤气中的某些成分和碳也可以发生反应，如燃烧生成的二氧化碳和碳之间的反应。除此之外，气相中的一些成分之间也可以进行一系列的反应，如一氧化碳和水蒸气之间的反应等。因而就反应类型来说，煤炭的气化过程既存在均相反应，又有非均相反应。
对于气固相非催化反应（燃料本身参加了反应），随着反应的进行，燃料的粒度逐渐减小，不断生成气体产物。如第二章所述，其反应过程由五个过程组成，即气化剂向燃料颗粒表面的外扩散过程；气化剂被燃料颗粒的表面吸附；吸附的气化剂和燃料颗粒表面上的碳进行表面化学反应；生成的产物分子从颗粒表面脱附下来；产物从颗粒的表面通过气膜扩散到气流主体。
这些过程对煤炭气化过程的速度往往有不同的影响，由这些过程共同决定的气化速度通常称为宏观反应速度，而忽略其他过程的影响，只考虑第三步即表面化学反应的速度叫做本征动力学速度。然而对实际生产来说，更有意义的是宏观反应速度。在此五个过程中，若其中某一步进行的最慢，而其他步骤相对该步来讲速度很大，因而宏观反应速度就由这一步来决定，该步骤就称为控制步骤。如反应物的扩散阻力最大，进行的反应速度最慢，则称为扩散控制，提高扩散控制的速度是提高宏观反应速度的关键。如化学反应速度最慢，称为化学反应控制，提高化学反应的速度是提高宏观反应速度的关键。对于不同类型的反应找出其控制步骤，是确定和调整工艺条件的重要依据。
煤炭气化的大部分反应属于可逆反应，既有正方向的反应，又有逆方向的反应。当正逆
反应速度相等时，化学反应就达到动态平衡。例如对如下吸热反应：
C
+
O2
CO2
根据热化学平衡理论，以气体中各组分平衡分压表示的平衡常数kp如下：
如果反应是吸热的(如上述碳与水蒸气的反应)，由第二章的式(2-2)可知，Kp随
T的升高而增大；反之，对于放热反应，Kp随T的增大而减小。这也就是说，对于吸热
反应，提高温度有利于化学反应向生成产物的方向进行；对于放热反应，则降低温度有利
于向生成产物的方向进行。
就压力对气化过程的平衡影响而言，基本的规律是：对反应后体积增加(即分子数增
加)的反应，随着压力的增加，产物的平衡含量是减少的；反之，对于体积减少的反应
加压有利于产物的生成。
以上关于气固相反应的基本规律，同样适用于煤炭气化过程，是煤炭气化过程工艺条
件确定和调整的基本依据。
二、 |
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IP卡
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发表于 2012-9-24 13:28:13
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