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常压固定床煤气发生炉的基本气化原理
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固体燃料用气化剂进行热加工,得到可燃性气体的过程称为固体燃料的气化,又称为造气,所得的气体统称为气化煤气,用来与燃料进行气化反应的气体称为气化剂。

  常压固定床煤气发生炉,一般以块状无烟煤或烟煤等为原料,用蒸汽或蒸汽与空气的混合气体作气化剂,生产以一氧化碳和氢气为主要可燃成分的气化煤气。

1. 煤气炉内燃料层的分区

1-干燥层 2-干馏层 3- 还原层 4- 氧化层 5-灰渣层


  固体燃料的气化反应,按煤气炉内生产过程进行的特性分为五层,如图2-1所示:干燥层——在燃料层顶部,燃料与热的煤接触,燃料中的水分得以蒸发;干馏层——在干燥层下面,由于温度条件与干馏炉相似,燃料发生热分解,放出挥发分及其它干馏产物变成焦炭,焦炭由干馏层转入气化层进行热化学反应;气化层——煤气炉内气化过程的主要区域,燃料中的炭和气化剂在此区域发生激烈的化学反应,鉴于反应条件的不同,气化层还可以分为氧化层和还原层。

(1)氧化层:碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳,并放出大量的热量。煤气的热化学反应所需的热量靠此来维持。氧化层温度一般维持在1100~1250℃,这决定于原料煤灰熔点的高低。

(2)还原层:还原层是生成主要可燃气体的区域,二氧化碳与灼热碳起作用,进行吸热化学反应,生产可燃的一氧化碳;水蒸气与灼热碳进行吸热化学反应,生成可燃的一氧化碳和氢气,同时吸收大量的热。

灰渣层—气化后炉渣所形成的灰层,它能预热和均匀分布自炉底进入的气化剂,并起着保护炉条和灰盘的作用。 燃料层里不同区层的高度,随燃料的种类、性质的差别和采用的气化剂、气化条件不同而异。而且,各区层之间没有明显的分界,往往是互相交错的。

2. 固体燃料气化反应的基本原理

  固定床煤气发生炉制造燃气,首先使得空气通过燃料层,碳与氧发生放热反应以提高温度。随后使蒸汽和空气混合通过燃料层,碳与蒸汽和氧气发生吸热和放热的混合反应以生成发生炉煤气。

2.1 以空气作为气化剂的气化反应

空气从炉底经过,经灰渣层预热后到达氧化层,此时气体中的氧与炽热的碳接触,发生如下反应:

2C+O2=2CO+221.2kJ (2-1)

2CO+O2=2CO2+566.0 kJ (2-2)

C+O2=CO2+393.8 kJ (2-3)

气体往上升,到还原层,气体中的CO2与碳发生化学反应:

CO2+C=2CO-172.6kJ (2-4)

2.2 蒸汽为气化剂的气化反应

  水蒸汽与碳的气化反应,主要是灼热的碳将氢从其氧化物水中还原出来,在煤气生产中,通常叫作蒸汽分解。蒸汽通过高温燃料层时,最先通过的气化层称为主还原层,随后通过的气化层称为次还原层。

在还原层里,主要发生如下反应:

C+2H2O=CO2+2H2-90.2 kJ (2-5)

C+H2O=CO+H2-131.4 kJ (2-6)

在主还原层生成的二氧化碳,在次还原层被还原成一氧化碳:

C+CO2=2CO-172.6 kJ (2-7)

  从造气阶段的化学反应原理,希望形成有利于蒸汽分解和二氧化碳还原反应的条件,所以可以认为:提高气化层的厚度和温度是有利的,适当地降低蒸汽的流速也是很有利的。在碳与蒸汽的化学反应中,增加气化层厚度、降低气流速度等措施,可使得反应速度加快,又能使得一氧化碳的含量增加,提高蒸汽分解率。

3. 煤在带干馏段煤气发生炉内的气化反应过程

煤在带干馏段煤气发生炉内的气化反应过程,可概括为图2-2所示的状况。





  20~40mm的块煤从炉顶部的加煤装置被送入炉内,并且自上而下地缓缓移动,经过干燥、干馏、气化,完成全部反应过程之后,形成炉渣从炉底排出。

  由空气和水蒸汽所组成的气化剂,从炉底炉篦进入炉内,自下而上地逆流而上,并且均匀分布于各反应层之间,进行热交换和一系列化学反应,所产生的煤气,从顶部煤气出口排出。

在炉内自下而上大致形成以下几个区段:

(1)灰渣层

处于炉篦上方,经燃烧反应所形成的灰渣层,通过与鼓进的气化剂进行热交换之后,温度有所下降,既能保护炉篦使其不被烧坏,又对气化剂起到一定的预热作用。

(2)氧化层

炉内气化反应过程的主要区段之一。经灰渣层预热过的气化剂,自下而上穿行,与灼热的焦炭接触反应,并放出大量的热:

C+O2→CO2+394.55kJ/mol

炉内氧化层的温度最高,通常可达到1100~1200℃。在氧化层内,气化剂中的氧迅速被消耗殆尽并生成CO2,在氧化层上端截面上,CO2的生成量达到最大值。

(3)还原层

还原层是两段炉内碳被气化的重要场所。在该层下部,由新生成的CO2与水蒸气和N2混合而成的气流,以3~6m/s的速度向上流动,与以10~40cm/s的速度向下移动的灼热的炭料接触反应。此时CO2被还原成CO,同时也有CO的析碳反应:

CO2+C→2CO-173.09kJ/mol

2CO«C+CO2+172.2kJ/mol

  上述的两个反应中,CO与CO2之间的相互转变都是不完全的。两者的比例,由反应过程的温度压力以及体系内的气相组分浓度和其它宏观条件而定。上述反应,通常被称为空气煤气反应过程。

气化剂中的水蒸气,与碳质原料发生水蒸气分解反应,并有调节炉温、保护炉篦的功能:

C+H2O→CO+H2-131.0kJ/mol

C+2H2O→CO2+2H2-88.9kJ/mol

  上述反应过程是吸热的。反应过程所需要的热量,是来自氧化层焦炭燃烧时所释放的热。因此,高温状态下的氧化层,为还原层提供了热源。在还原层中由于一部分热量被消耗,使料层温度下降,即低于氧化层。还原层上部,继续进行CO2的还原反应,同时还有甲烷化反应存在,也进行CO的变换反应。这样,通过还原层的气体有CO、CO2、H2、CH4以及未被分解完的水蒸气和氮。氧化层和还原层,统称为气化层。

通过氧化层和还原层所生成的煤气,称为气化煤气,因甲烷量少热值低也称为贫煤气,其中含有极少量的焦油和煤粒及灰尘。这部分高显热的气化煤气,上升到干馏层,为煤的低温干馏提供热源。

(4)干馏层

  通过气化层上升的煤气流进入干馏层。干馏层是带干馏段煤气炉极具特色的反应区段。进入干馏层内的载热气体,温度约在700℃以下。在此区段基本上不再产生上述的小分子间的气化反应,而是进行煤的低温干馏,生成热值较高的干馏煤气(气体组成有H2、CH4、C2H6、C3、C4组分和气态焦油成分)、低温干馏焦油和半焦(半焦中的挥发份约为7~10%),干馏煤气和雾状焦油同气化段产生的贫煤气一起从煤气炉的顶部出口引出。生成的半焦下移到气化段后进行还原与氧化反应。

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