湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
机械强度高，以免燃料在炉内或上料过程中受碰撞和挤压而发生碎裂，机械强度低会使炉内阻力和气体带出物增加，气化能力下降，消耗增高。 （7）对热稳定性要求
热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。热稳定性差的燃料，不仅增加炭阻力和气体带出物，而且会堵塞炉膛和系统管道，增加动力消耗，影响制气产量。 （8）对粘结性的要求
粘结性是煤在高温下干馏粘结的性能，粘结性较强的原料煤，气化过程中煤相互粘结后生成焦，破坏燃料的透气性，妨碍气化剂的均匀分布，影响气体成分和制气产量。 （9）对燃料粒度的要求
合成氨原料煤首先对煤种要求是无烟煤，其次对粒度则要求采用块煤和粉煤的成型，特别以23~50mm的粒度最好。
总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产取得良好的气化指标，应采用热稳定性好、机械强度高、不粘结、粒度均匀、水分较少、灰分和挥发分不高，灰分熔点较高的原料，本设计采用无烟块煤。
4.4 半水煤气制气原理
固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。
表4.1 以空气为气化剂主要反应方程
序号 1 2 3 4
反应方程式
C＋O2（3.76N2）=CO2（+3.76N2） C＋O=2（3.76N2）=2CO（+3.76N2） C＋CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2） 2C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2
表4.2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式
序号 1 2 3 4 5 6 7
反应方程式 C＋H2O（汽）=CO＋H2 C＋2H2O（汽）=CO2＋2H2 CO＋2H2O（汽）=CO2＋H2 2H2＋O2=2H2O（汽）
C＋H2=CH4 CO＋3H2=CH4＋H2O CO2＋4H2=CH4＋2H2O（汽）
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在气化炉燃烧层中，炭与空气几水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行：
2C＋O2＋3.76N2 = 2CO2＋3.76N2 C＋H2O（汽）= CO＋H2
这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气（习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中（CO＋H2）：N2=3要求，但是在实际生产中要求半水煤气（CO＋H2）：N2 ≥3.2。
4.5 发生炉内燃料分布情况
干燥层 干馏层 还原层 氧化层 灰渣层 在煤气发生炉中固体燃料气化过程，燃料与气化呈相反方向和顺时针方向运动，当气化剂经过燃料层时，进行燃料的气化反应，同时伴随物理变化，燃料层大致可分为如图所示的5个区层 (1)干燥层 新加入的燃料由于下层高温燃料和炉壁 的辐射热以及下面的高温气流的导热，使燃料中的水分蒸发，形成干燥层，干燥层的厚度与加入燃料的量有关。 (2)干馏层 干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发至差不多后，在高温条件下，燃料便发生分解，放出挥发分，燃料本身也逐渐碳化，干馏层厚度小于干燥层。 图4.1燃料层分区示意图 （3）还原层 气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。
（4）氧化层 在这里层中，从下面来的空气与弹反应，生成碳的氧化物，因为氧化速度较快，故其厚度比还原层薄如用水蒸汽作气化剂时，在该层中还进行碳与水蒸汽的氧化反应。一般将还原层和氧化层通称之为气化区。
（5）灰渣层 氧化层下面就是灰渣层，没有化学反应发生，起作用是能分布热空气和保护炉。
必须指出，各层之间并没有严格的界限，即没有明显的分层，各层高度随燃料的种类性质和气化条件不同而异。见表3.3。
4.6 各主要设备的作用
4.6.1 煤气发生炉
在间歇法工艺中，用于生产半水煤气的发生炉主要为U.G.I水煤气炉。我国自行设计和制造了炉径为Φ1500，Φ2260，Φ3000，Φ3600等一系列半水煤气炉，他们的结构
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与UGI半水煤气炉基本相同。
水煤气发生炉的结构大致分为五个部分，起各部分的作用分叙如下： （1）炉体
炉壳由钢板焊制，上部衬有耐火砖和保温砖硅藻砖，使炉壳免受高温的损害。外面包有石棉制品隔热保温衬铸刚护圈，内部衬有耐火砖和隔热层。 （2）夹套锅炉
夹套锅炉传热面积约为19m2。外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失，夹套锅炉的作用主要是降低氧化层温度，以防止熔渣粘壁并副产蒸汽，夹套锅炉两侧设有探火孔，用于测量火层，了解火层分布和温度情况上部装有液位计，水位自动调节器和安全阀等附件。 （3）底盘
底盘和炉壳通过大法兰连成一体，用紫铜薄板包石棉布填料密封。底盘底部有气体中心管与吹风和下吹管线呈倒Y型连接，中心管下部装有通风阀和清理门。底盘两侧有灰斗，底盘上没有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止气体外透，起安全作用。
（4）机械除灰装置
包括能够转动的灰盘和炉条及固定不动的会犁。灰犁固定在出灰口上，利用它与旋转灰盘之间的相对运动，以减弱机械磨损。 （5）传动装置
机械除灰装置的旋转是由电机提供动力。通过减速箱蜗杆、蜗轮来完成的。传动装置附有注油器，以减弱机械磨损。 4.6.2 燃烧室
燃烧室的上部都呈锥行，中部为柱体，内衬有耐火砖及蓄热用的格子砖。燃烧室的作用：
（1）向吹风气添加二次空气，使其中的CO等可燃物在其中燃烧，所生成的热量被积蓄在格子砖内。
（2）利用所蓄积的热量，预热下吹蒸汽和加氮空气，提高 气体的入炉温度，提高分解率。
（3）除去煤气中的细灰，以减少对废热锅炉的损害。
气体从下部入口切线方向进室，避免直接冲撞室壁，以减少对耐火砖的磨损，并使气体在室内分布均匀。燃烧室的顶盖起着泄压作用，当系统发生爆炸时，爆炸压力超过盖子弹簧的作用力，盖子张开，降低压力，避免设备损坏。
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表4.3 发生炉内情况
区域
区域名称用途及进行的过程
化学反应 最终反应：
分配气化剂，防止炉蓖受高温的影响，在本区域中，借灰渣预热气化剂。
C＋O2＋3.76N2=CO2＋
3.76N2
2C＋O2＋3.76N2=2CO＋
3.76N2
氧化层
Ⅱ
（燃烧层）
Ⅲ
还原区
碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳及
一氧化碳并放出热量。 二氧化碳还原成一氧化碳或水蒸气分解为氢，燃料依靠热的气体而被预热。 燃料依靠热气体换热进行分解，并析
Ⅳ
干馏区
出下列物质：1水分；2醋酸、甲醇、甲醛及苯酚；3树脂；4气体（CO、CO2、H2S、CH4、C2H4、氨氮和氢）。
Ⅴ
干燥区
依靠气体的显热来蒸发燃料中的水分
有时，煤气中部分一氧化碳
Ⅵ
自由空间
起聚积煤气的作用。
与蒸汽进行反应： H2O＋CO=CO2＋H2
CO2＋C=2CO H2O＋C=CO＋H2 2H2O＋C=CO2＋2H2
Ⅰ 灰渣层
4.6.3 废热锅炉
废热锅炉主要用于回收吹风气和上行半水煤气的显热，生产18Mpa的蒸汽，为制气和其他用途提供一部分蒸汽来源。
煤气生产中常用火管立式废热锅炉，炉体为一直立的圆筒，用钢板焊接，两头装有钢板封头，内部装有若干根无缝钢管。高温气从上而下与管间的水进行逆流热交换，汽水混合物从上循环管进入气包产生蒸汽。分离下来的 水及向气泡补充的新鲜水（软水）由下循环流入废热锅炉下部管间。进炉气体一般为500~700℃出炉后可降至200℃左右。 由于废热锅炉上部装有气泡，为保持炉体重心达到平衡，避免基础受力不均而下陷，故安装时，锅炉炉体倾斜7°，用以促进对流，使热交换效率提高。 4.6.4 洗气箱
洗气箱的作用是防止水封以后的煤气倒回煤气炉和空气发生爆炸，并兼冷却除尘的作用。
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