煤氣發生爐的基本氣化原理
常壓固定床煤氣發生爐的基本氣化原理 固體燃料用氣化劑進行熱加工，得到可燃性氣體的過程稱為固體燃料的氣化，又稱為造氣，所得的氣體統稱為氣化煤氣，用來與燃料進行氣化反應的氣體稱為氣化劑。 常壓固定床煤氣發生爐，一般以塊狀無煙煤或煙煤等為原料，用蒸汽或蒸汽與空氣的混合氣體作氣化劑，生產以一氧化碳和氫氣為主要可燃成分的氣化煤氣。1.煤氣爐內燃料層的分 固體燃料的氣化反應，按煤氣爐內生產過程進行的特性分為五層，如圖2-1所示：干燥層——在燃料層頂部，燃料與熱的煤接觸，燃料中的水分得以蒸發；干餾層——在干燥層下面，由于溫度條件與干餾爐相似，燃料發生熱分解，放出揮發分及其它干餾產物變成焦炭，焦炭由干餾層轉入氣化層進行熱化學反應；氣化層——煤氣爐內氣化過程的主要區域，燃料中的炭和氣化劑在此區域發生激烈的化學反應，鑒于反應條件的不同，氣化層還可以分為氧化層和還原層。（1）氧化層：碳被氣化劑中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳，并放出大量的熱量。煤氣的熱化學反應所需的熱量靠此來維持。氧化層溫度一般維持在1100～1250℃，這決定于原料煤灰熔點的高低。（2）還原層：還原層是生成主要可燃氣體的區域，二氧化碳與灼熱碳起作用，進行吸熱化學反應，生產可燃的一氧化碳；水蒸氣與灼熱碳進行吸熱化學反應，生成可燃的一氧化碳和氫氣，同時吸收大量的熱。灰渣層—氣化后爐渣所形成的灰層，它能預熱和均勻分布自爐底進入的氣化劑，并起著保護爐條和灰盤的作用。 燃料層里不同區層的高度，隨燃料的種類、性質的差別和采用的氣化劑、氣化條件不同而異。而且，各區層之間沒有明顯的分界，往往是互相交錯的。2.固體燃料氣化反應的基本原理 固定床煤氣發生爐制造燃氣，首先使得空氣通過燃料層，碳與氧發生放熱反應以提高溫度。隨后使蒸汽和空氣混合通過燃料層，碳與蒸汽和氧氣發生吸熱和放熱的混合反應以生成發生爐煤氣。2.1 以空氣作為氣化劑的氣化反應空氣從爐底經過，經灰渣層預熱后到達氧化層，此時氣體中的氧與熾熱的碳接觸，發生如下反應：2C+O2=2CO+221.2kJ (2-1)2CO+O2=2CO2+566.0 kJ (2-2)C+O2=CO2+393.8 kJ (2-3)氣體往上升，到還原層，氣體中的CO2與碳發生化學反應：CO2+C=2CO-172.6kJ (2-4)2.2 蒸汽為氣化劑的氣化反應 水蒸汽與碳的氣化反應，主要是灼熱的碳將氫從其氧化物水中還原出來，在煤氣生產中，通常叫作蒸汽分解。蒸汽通過高溫燃料層時，最先通過的氣化層稱為主還原層，隨后通過的氣化層稱為次還原層。在還原層里，主要發生如下反應：C+2H2O=CO2+2H2-90.2 kJ (2-5)C+H2O=CO+H2-131.4 kJ (2-6)在主還原層生成的二氧化碳，在次還原層被還原成一氧化碳：C+CO2=2CO-172.6 kJ (2-7) 從造氣階段的化學反應原理，希望形成有利于蒸汽分解和二氧化碳還原反應的條件，所以可以認為：提高氣化層的厚度和溫度是有利的，適當地降低蒸汽的流速也是很有利的。在碳與蒸汽的化學反應中，增加氣化層厚度、降低氣流速度等措施，可使得反應速度加快，又能使得一氧化碳的含量增加，提高蒸汽分解率。3.煤在帶干餾段煤氣發生爐內的氣化反應過程煤在帶干餾段煤氣發生爐內的氣化反應過程，可概括為圖2-2所示的狀況。 20~40mm的塊煤從爐頂部的加煤裝置被送入爐內，并且自上而下地緩緩移動，經過干燥、干餾、氣化，完成全部反應過程之后，形成爐渣從爐底排出。 由空氣和水蒸汽所組成的氣化劑，從爐底爐篦進入爐內，自下而上地逆流而上，并且均勻分布于各反應層之間，進行熱交換和一系列化學反應，所產生的煤氣，從頂部煤氣出口排出。在爐內自下而上大致形成以下幾個區段：（1）灰渣層處于爐篦上方，經燃燒反應所形成的灰渣層，通過與鼓進的氣化劑進行熱交換之后，溫度有所下降，既能保護爐篦使其不被燒壞，又對氣化劑起到一定的預熱作用。（2）氧化層爐內氣化反應過程的主要區段之一。經灰渣層預熱過的氣化劑，自下而上穿行，與灼熱的焦炭接觸反應，并放出大量的熱：C+O2→CO2+394.55kJ/mol爐內氧化層的溫度最高，通常可達到1100~1200℃。在氧化層內，氣化劑中的氧迅速被消耗殆盡并生成CO2，在氧化層上端截面上，CO2的生成量達到最大值。（3）還原層還原層是兩段爐內碳被氣化的重要場所。在該層下部，由新生成的CO2與水蒸氣和N2混合而成的氣流，以3~6m/s的速度向上流動，與以10~40cm/s的速度向下移動的灼熱的炭料接觸反應。此時CO2被還原成CO，同時也有CO的析碳反應：CO2+C→2CO-173.09kJ/mol2CO?C+CO2+172.2kJ/mol 上述的兩個反應中，CO與CO2之間的相互轉變都是不完全的。兩者的比例，由反應過程的溫度壓力以及體系內的氣相組分濃度和其它宏觀條件而定。上述反應，通常被稱為空氣煤氣反應過程。氣化劑中的水蒸氣，與碳質原料發生水蒸氣分解反應，并有調節爐溫、保護爐篦的功能：C+H2O→CO+H2-131.0kJ/molC+2H2O→CO2+2H2-88.9kJ/mol 上述反應過程是吸熱的。反應過程所需要的熱量，是來自氧化層焦炭燃燒時所釋放的熱。因此，高溫狀態下的氧化層，為還原層提供了熱源。在還原層中由于一部分熱量被消耗，使料層溫度下降，即低于氧化層。還原層上部，繼續進行CO2的還原反應，同時還有甲烷化反應存在，也進行CO的變換反應。這樣，通過還原層的氣體有CO、CO2、H2、CH4以及未被分解完的水蒸氣和氮。氧化層和還原層，統稱為氣化層。通過氧化層和還原層所生成的煤氣，稱為氣化煤氣，因甲烷量少熱值低也稱為貧煤氣，其中含有極少量的焦油和煤粒及灰塵。這部分高顯熱的氣化煤氣，上升到干餾層，為煤的低溫干餾提供熱源。（4）干餾層 通過氣化層上升的煤氣流進入干餾層。干餾層是帶干餾段煤氣爐極具特色的反應區段。進入干餾層內的載熱氣體，溫度約在700℃以下。在此區段基本上不再產生上述的小分子間的氣化反應，而是進行煤的低溫干餾，生成熱值較高的干餾煤氣（氣體組成有H2、CH4、C2H6、C3、C4組分和氣態焦油成分）、低溫干餾焦油和半焦（半焦中的揮發份約為7~10%），干餾煤氣和霧狀焦油同氣化段產生的貧煤氣一起從煤氣爐的頂部出口引出。生成的半焦下移到氣化段后進行還原與氧化反應。
