煤氣發(fā)生爐的基本氣化原理
常壓固定床煤氣發(fā)生爐的基本氣化原理 固體燃料用氣化劑進(jìn)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(tǒng)稱為氣化煤氣，用來與燃料進(jìn)行氣化反應(yīng)的氣體稱為氣化劑。 常壓固定床煤氣發(fā)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(chǎn)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(nèi)燃料層的分 固體燃料的氣化反應(yīng)，按煤氣爐內(nèi)生產(chǎn)過程進(jìn)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(fā)；干餾層——在干燥層下面，由于溫度條件與干餾爐相似，燃料發(fā)生熱分解，放出揮發(fā)分及其它干餾產(chǎn)物變成焦炭，焦炭由干餾層轉(zhuǎn)入氣化層進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)；氣化層——煤氣爐內(nèi)氣化過程的主要區(qū)域，燃料中的炭和氣化劑在此區(qū)域發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，鑒于反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(diǎn)的高低。（2）還原層：還原層是生成主要可燃?xì)怏w的區(qū)域，二氧化碳與灼熱碳起作用，進(jìn)行吸熱化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)可燃的一氧化碳；水蒸氣與灼熱碳進(jìn)行吸熱化學(xué)反應(yīng)，生成可燃的一氧化碳和氫氣，同時(shí)吸收大量的熱?；以鼘印?dú)饣鬆t渣所形成的灰層，它能預(yù)熱和均勻分布自爐底進(jìn)入的氣化劑，并起著保護(hù)爐條和灰盤的作用。 燃料層里不同區(qū)層的高度，隨燃料的種類、性質(zhì)的差別和采用的氣化劑、氣化條件不同而異。而且，各區(qū)層之間沒有明顯的分界，往往是互相交錯(cuò)的。2.固體燃料氣化反應(yīng)的基本原理 固定床煤氣發(fā)生爐制造燃?xì)?，首先使得空氣通過燃料層，碳與氧發(fā)生放熱反應(yīng)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(fā)生吸熱和放熱的混合反應(yīng)以生成發(fā)生爐煤氣。2.1 以空氣作為氣化劑的氣化反應(yīng)空氣從爐底經(jīng)過，經(jīng)灰渣層預(yù)熱后到達(dá)氧化層，此時(shí)氣體中的氧與熾熱的碳接觸，發(fā)生如下反應(yīng)：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(fā)生化學(xué)反應(yīng)：CO2+C=2CO-172.6kJ (2-4)2.2 蒸汽為氣化劑的氣化反應(yīng) 水蒸汽與碳的氣化反應(yīng)，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(chǎn)中，通常叫作蒸汽分解。蒸汽通過高溫燃料層時(shí)，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(fā)生如下反應(yīng)：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(xué)反應(yīng)原理，希望形成有利于蒸汽分解和二氧化碳還原反應(yīng)的條件，所以可以認(rèn)為：提高氣化層的厚度和溫度是有利的，適當(dāng)?shù)亟档驼羝牧魉僖彩呛苡欣?。在碳與蒸汽的化學(xué)反應(yīng)中，增加氣化層厚度、降低氣流速度等措施，可使得反應(yīng)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(fā)生爐內(nèi)的氣化反應(yīng)過程煤在帶干餾段煤氣發(fā)生爐內(nèi)的氣化反應(yīng)過程，可概括為圖2-2所示的狀況?！ ?0~40mm的塊煤從爐頂部的加煤裝置被送入爐內(nèi)，并且自上而下地緩緩移動(dòng)，經(jīng)過干燥、干餾、氣化，完成全部反應(yīng)過程之后，形成爐渣從爐底排出?！ ∮煽諝夂退羝M成的氣化劑，從爐底爐篦進(jìn)入爐內(nèi)，自下而上地逆流而上，并且均勻分布于各反應(yīng)層之間，進(jìn)行熱交換和一系列化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的煤氣，從頂部煤氣出口排出。在爐內(nèi)自下而上大致形成以下幾個(gè)區(qū)段：（1）灰渣層處于爐篦上方，經(jīng)燃燒反應(yīng)所形成的灰渣層，通過與鼓進(jìn)的氣化劑進(jìn)行熱交換之后，溫度有所下降，既能保護(hù)爐篦使其不被燒壞，又對(duì)氣化劑起到一定的預(yù)熱作用。（2）氧化層爐內(nèi)氣化反應(yīng)過程的主要區(qū)段之一。經(jīng)灰渣層預(yù)熱過的氣化劑，自下而上穿行，與灼熱的焦炭接觸反應(yīng)，并放出大量的熱：C+O2→CO2+394.55kJ/mol爐內(nèi)氧化層的溫度最高，通?？蛇_(dá)到1100~1200℃。在氧化層內(nèi)，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(dá)到最大值。（3）還原層還原層是兩段爐內(nèi)碳被氣化的重要場(chǎng)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(dòng)，與以10~40cm/s的速度向下移動(dòng)的灼熱的炭料接觸反應(yīng)。此時(shí)CO2被還原成CO，同時(shí)也有CO的析碳反應(yīng)：CO2+C→2CO-173.09kJ/mol2CO?C+CO2+172.2kJ/mol 上述的兩個(gè)反應(yīng)中，CO與CO2之間的相互轉(zhuǎn)變都是不完全的。兩者的比例，由反應(yīng)過程的溫度壓力以及體系內(nèi)的氣相組分濃度和其它宏觀條件而定。上述反應(yīng)，通常被稱為空氣煤氣反應(yīng)過程。氣化劑中的水蒸氣，與碳質(zhì)原料發(fā)生水蒸氣分解反應(yīng)，并有調(diào)節(jié)爐溫、保護(hù)爐篦的功能：C+H2O→CO+H2-131.0kJ/molC+2H2O→CO2+2H2-88.9kJ/mol 上述反應(yīng)過程是吸熱的。反應(yīng)過程所需要的熱量，是來自氧化層焦炭燃燒時(shí)所釋放的熱。因此，高溫狀態(tài)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(xù)進(jìn)行CO2的還原反應(yīng)，同時(shí)還有甲烷化反應(yīng)存在，也進(jìn)行CO的變換反應(yīng)。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(tǒng)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(jìn)入干餾層。干餾層是帶干餾段煤氣爐極具特色的反應(yīng)區(qū)段。進(jìn)入干餾層內(nèi)的載熱氣體，溫度約在700℃以下。在此區(qū)段基本上不再產(chǎn)生上述的小分子間的氣化反應(yīng)，而是進(jìn)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(tài)焦油成分）、低溫干餾焦油和半焦（半焦中的揮發(fā)份約為7~10%），干餾煤氣和霧狀焦油同氣化段產(chǎn)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(jìn)行還原與氧化反應(yīng)。
