化工工艺学教案

化工工艺学教案

（无机部分）

学院、系：化学与制药工程学院

任课教师：赵风云___________

授课专业：化学工程与工艺

课程学分：4.5______________

课程总学时：32

课程周学时：6

2008年8月2日

合成氨教学进程

周次上课方式学时章节及主要内容备注

第一章绪论

一、化学工程与化学工艺

二、氨的发现与制取

三、合成氨的原料

1讲授2多媒体

四、氨的生产工艺分类

五、氨生产技术的发展

六、氨合成工业的发展方向

七、氨的性质和用途

第二章原料气的制取

第一节煤气化制取氨合成气的基本原理

第二节煤气化的工业方法

第三节间歇制气过程及工艺条件

1、2讲授6

第四节煤气化工艺流程及存在的问题

第五节水煤浆加压气化制气技术

第六节灰熔聚流化床制气技术

第七节烧类蒸汽转化法

第三章硫化物的脱除

第一节脱硫概述

第二节湿式氧化法脱硫

7讲授4第三节对苯二酚氨水液相催化法

第四节拷胶法脱硫

第五节脱硫主要设备

第六节干法脱硫

第四章一氧化碳变换

第一节一氧化碳变换的基本原理

第二节变换催化剂

7讲授4

第三节工艺流程第四节主要设备

第五节多段变换炉温度曲线

第六节变换系统的热能回收

第五章二氧化碳的脱碳

第一节二氧化碳的脱除概述

第二节氨水中和法脱除二氧化碳

8讲授4

第三节热碳酸钾法脱除二氧化碳

第四节主要设备

第五节NHD脱碳

第六章原料气的精制

8讲授4第一节铜氨液洗涤法

第二节甲烷化法第三节深冷分离法

第十童.初合成

第一节氨合成原理及热力学基础

第二节氨合成催化剂

9讲授4

第三节氨合成工艺条件

第四节氨的分离及氨合成流程

第五节主要设备

10讲授2复习

2

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上次课复习：

本次课题（或教材章节题目）：第一章绪论

教学要求：了解氨的生产发展历程和氨的性质及用途，掌握气态燃蒸汽转化法制取合成氨原料气

的原理、工艺条件的制定原则。

重点：1、氨的性质，氨合成工业的发展：单系列、大型化、生产规模、生产能力、劳动强度。

2、气态燃蒸汽转化法的原理、工艺条件、主要设备。

难点：1、氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能够发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨-空气

混合物的爆炸界限较窄。

2、气态燃蒸汽转化法的原理和工艺条件的制定。

教学手段及教具：多媒体

讲授内容及时间分配：

学习本课程的意义及要求3分钟

一、氨的发现与制取4分钟

二、合成氨的原料2分钟

三、氨的生产工艺分类4分钟

四、合成氨生产的进展4分钟

五、我国氨合成工业发展4分钟

六、氨的性质和用途5分钟

七、健康危害和导致后果3分钟

课后作业1对本课程的学习有哪些意见和建议？

《合成氨》河北化工学校程桂花

《合成氨与甲醇》赵育祥

《合成氨工艺与节能》张成芳

《无机化工工艺学（一）合成氨》陈五平

参考资料

《合成氨工学第一第三卷》姜圣阶

《甲醇生产工艺与操作》杨福升齐淑芳

《甲静的生产》孟广铃黄裕培

《尿素生产工艺与操作（中级本）》陈观平赵元凯

3

0河北科技大学教案用纸

第一章绪论

一、氨的发现与制取

氨是在1754年由普里斯特利（P利estey）发现的，1910年建成了80goM的合成氨试验装置；置11

年，米塔希（M心asch）研究成功了以铁为活性组分的氨合成催化剂至今，但直到1913年在德国奥保

（OPPau）建成世界上第一座合成氨厂。

1909年，哈伯用俄催化剂，在17.5-20.OMpa和500-600温度下获得6%的氨；提出氨生产工艺为

（1）采用循环方法；（2）采用成品液氨蒸发实现离开反应器气体中氨的冷凝分离，（3）用离开反应器的热

气体预热进入反应器的气体，以达到反应温度。合成氨方法的研究成功，不仅为获取化合态氮开辟了广

0

阔的道路，而且也促进了许多科技领域（例如高压技术、低温技术、催化、特殊金属材料、固体燃料气

化、烧类燃料的合理利用等）的发展。

二、合成氨的原料

空气：氮气的来源

水：氢气的来源。

燃料：天然气、煤、焦炭、石油炼厂气、焦炉气、石脑油等是氢气来源的原料。

三、合成氨的主要生产过程和生产工艺分类

合成氨的生产过程包括三个主要步骤：

第一步是原料气的制备：

氮气制备有两种方法：

01、化学法：在高温下，以固体燃料煤、焦炭）液体燃和气体煌与空气作用，以燃烧除去空气中的氧,

剩下的氮即可作为氮氢混合气中的氮。

2、物理法：空分法【将空气冷却至低温（一170——190℃）使之液化，再利用氮气和氧气沸点的不同

进行分离，可得到纯度较高的氢气和氧气。】

氢气来源于水和含有碳氢化合物的各种燃料：

九、以煤为原料的合成氨流程

我国以煤为原料的中型合成氨厂多数采用60年代开发的三催化剂净化流程，即采用脱琉、低温变

换和甲烷化三种催化剂来净化气体。而以煤为原料的小型合成氨厂则采用碳化工艺流程。用浓氨水脱除

二氧化碳，生成的碳孩氢镂经结晶、分离后即为产品。

0

（二）以天然气为原料的合成氨流程

天然气、炼厂气等气体原料制氨的工艺流程。使用了七、八种催化剂，需要有高净化度的气体净化

技术配合。例如，使用钻铝加氢催化剂和氧化锌脱硫剂，可以把天然气中的硫的含量体积分数脱除到

ppm以下，不仅保护了转化催化剂，而且也为使用耐硫性能较差的低变催化剂创造了条件。再通过高净

化度的脱碳方法，可使气体中一氧化碳和二氧化碳的体积分数总和小于o.7%。这样就能采用甲烷化

法将气体中残余的•氧化碳和二氧化碳体积分数之和降到（5-10）X10%

（三）以重油为原料制氨流程

以重油为原料制氨时，采用部分氧化法制气。从气化炉出来的原料气先清除炭黑，经一氧化碳耐硫

变换、低温甲醇洗和液氮洗，再压缩、合成得到氨。该流程中需设置空分装置.提供氧气供油气化，氮

4

气用于液氮洗涤脱除残余一氧化碳等组分。

第二步是原料气的净化：将制备的原料气中影响氨合成的其他组分脱除。

第三步是氨的合成与分离：将氢气和氮气在一定条件下合成为氨。

四、合成氨生产的进展

20世纪50年代，由于天然气、石油资源大量开采，为合成氨提供了丰富的原料.促进了世界合

成氨工业的迅速发展。以廉价的天然气、石脑油和重油来代替固体原料生产合成氨，从工程投资、能量

消耗和生产成本来看具有显著的优越性。随着石脑油蒸汽转化催化剂的试制成功，缺乏天然气的国家开

发了以石脑油为原料的生产方法。

20世记60年代以后，开发了多种活性好的新型催化剂，能量的回收与利用更趋合理。大型化工

程技术等方面的进展，促进了合成氨工业的高速度发展，引起合成氨装置的重大变革，其主要有几个方

面：

九、单系列大型化

受高压设备制做的约束，30世纪50年代以前，氨合成塔单塔最大生产能力为200t。D1,60年代

初期为400t.DL规模大的氨厂，需要若干个平行的系列装置。1966年，美国凯洛格（Kell088）公司建

成1000t.D」单系列合成氨装置。从20世纪60年代中期开始，世界上新建的以气态和液态烧类为原料

的大型氨厂，大都采用单系列的大型装置。目前世界上最大的合成氨装置能力为1800t.D\

（二）热能综合利用

合成氨为高能耗过程，20世纪60年代以前，以天然气为原料的合成氨厂，每吨氨耗电lOOOkw.H

左右。随着装置的大型化和蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，在工艺设计中把生产产品和生

产动力结合起来，利用系统余热生产高压蒸汽，经汽轮机驱动离心式压缩机泵，乏汽作为工艺蒸汽相加

热介质，使能耗大大下降，每吨氨耗电仅6kw.H左右。

（三）高度自动化

大型合成氨厂为单系列装置，设备都是单台，尺寸较大。20世纪60年代，将全流程控制点的二次仪

表全部集中于主控室显示并监视控制。进入70年代后，计算机技术应用于合成氨生产过程，操作控制上

产生了飞跃。大型合成氨厂基本都采用集散控制系统（简称Des）。

五、我国氨合成工业的发展：

我国合成氨工业的发展是从建设中型氨厂开始的。50年代初，在恢复、扩建老厂的同时，从前苏

联引进三套以煤为原料的年产50kt的合成氨装置，后又试制成功了高压往复式压缩机和氨合成塔。

70年代后，小氮肥厂经历了原料、扩大生产能力、节能降耗、以节能为中心的设备定型化、技术

上台阶等五个阶段的改造，部分企业达到吨氨能耗4L87GJ的水平。现在，全国有一百多家氮肥厂，1995

年氨产量1619Mt,占全国总产量的58.64%。

我国大型合成氨厂是在70年代中期开始建设的。随着农业生产对化肥需求量的日益增长和我国石

油、天然气资源的大规模开发，1973年开始，从美国、荷兰、日本、法国引进了13套年产300kt合成

氨的成套装置。其中以天然气为原料的10套，以石脑油为原料的3套。1978年又引进了3套以重油为

原料、1套以煤为原料的年产300kt合成氨的装置。

除已建成的二十多套大型合成氨装置外，考虑到我国是农业大国，化肥需求量逐年增长，在“九五”

期间将充分利用我国的天然气和煤炭资源，再建成批大型合成氨装置，并在一些资源丰富的地区形成

合成氨生产基地。新建的大、中型合成氨装置要达到经济规模，最小规模为：以天然气为原料合成氨年

产量为200-300kt,以煤为原料合成氨年产量为80kt。新建装置原则上国内自行设计制造，立足于国

产化。

5

六、氨的性质和用途

氨是一种可燃性气体，自燃点为630"C,故一般较难点燃。氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围

能够发生爆炸，爆炸下限15.7%,上限27.4%。有饱和水蒸气存在时，氨-空气混合物的爆炸界限

较窄。

用途：

■用于制造化学肥料如尿素、硝酸镂、硫酸筱、碳酸氢筱、磷酸钱等。

■作为生产其他化工产品的原料如硝酸、硝酸盐、筱盐、氟化物等无机物。

・用来制造胺、磺胺、懵等有机物。

■用于高科技原料如生产甘油等。

■用于制冷剂。

七、健康危害和导致后果

氨对上呼吸道有刺激和腐蚀作用，高浓度时可危及中枢神经系统，还可通三叉神经末梢的反射作用

而引起心脏停博和呼吸停止。急性中毒者出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽等，眼结膜、鼻粘膜、咽部

充血、水肿，胸部x线征象符合支气管炎或支气管炎。

中度中毒，出现呼吸困难；严重者可发生中毒性肺水肿，或有呼吸窘迫综合症，激烈咳嗽、咯大量血、

休克等。液氨或高浓度氨可致眼灼伤；液氨可致皮肤灼伤。人对氨的嗅觉阈为0.5~lmg/m3,浓度50mg/m^

以上鼻咽部有刺激感和眼部灼痛感，500mg/m3以上短时内即出现强烈刺激症状，1500mg/m3以上可危

及生命，3500mg/m3以上可即时死亡。

国家卫生标准为30mg/m3。

急救处理原则：

迅速将患者移至空气新鲜处，合理吸氧，解除支气管痉挛，维持呼吸、循环功能，立即用2%硼

酸液或清水彻底冲洗污染的眼或皮肤；为防治肺水肿应卧床休息，保持安静，根据病情及早、足量、

短期应用糖皮质激素，在病程中应严密观察以防病情反复，注意窒息或气胸发生，预防继发感染，

有严重喉头水肿及窒息预兆者宜及早施行气管切开，对危重病员应进行血气监护。注意眼、皮肤灼

伤的治疗。

6

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上次课复习：

氮的性质和用途

本次课题（或教材章节题目）：第二章原料气的制取

第一节烧类蒸汽转化法

教学要求：掌握气态烧（甲烷）蒸汽转化法制取合成氨原料气的原理。

熟悉：熟悉流程的基本组成；工艺条件的分析；主要设备。

了解：两段转化的工艺目的。

重点：1、烧类（甲烷）蒸汽转化制气方法。

2、气态炫蒸汽转化法的原理、平衡组成、工艺条件、主要设备。

难点：1、氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能够发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨-空气混

合物的爆炸界限较窄。

2、气态燃蒸汽转化法的原理和工艺条件的制定。

教学手段及教具：多媒体

讲授内容及时间分配：

一、烧类蒸汽转化的原料

二、合成氨对原料气的要求

三、化学反应及化学平衡

四、影响甲烷蒸汽转化反应平衡组成的因素

五、反应机理（反应的微观步骤）

催化剂

七、工艺条件

八、工艺流程

九、主要设备

1简述氨的性质和用途？

2以气态煌为原料制取合成氨原料气的方法有哪几种?每种方法的原理和特点是什么？

3银催化剂在使用之前为什么要进行还原？已还原的银催化剂若与空气接触为何要进行

课后作业钝化？

4什么是析炭现象?有何危害?如何防止析炭?发生析炭后应如何处理？

5甲烷蒸汽转化为什么要分两段转化?二段转化炉所发生的主要化学反应有哪些？

6在甲烷蒸汽转化过程中，确定操作压力、温度、水碳比和空速的依据分别是什么？

《合成氨与甲醇》赵育祥

《合成氨工艺与节能》张成芳

参考资料《无机化工工艺学（一）合成氨》陈五平

《合成氨工学》第一…--第三卷姜圣阶

《尿素生产工艺与操作（中级本）》陈观平赵元凯

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第二章原料气的制取

第一节烧类蒸汽转化法

一、烧类蒸汽转化的原料

气态烽包括天然气、油田气、炼厂气、焦炉气及裂化气等；液态烧包括原油、轻油和重油。其中

除原油、天然气和油III气是地下药藏的天然矿外，其余皆为石油炼制工业、炼焦工业和基本有机合成

工业的产品。

二、合成氨对原料气的要求

氢氮比3：1

甲烷含量小于0.5%

有害物质少

三、化学反应及化学平衡

在蒸汽转化过程中，各种烧类主要进行如下反应：

3«+1

烷危CH4+^CO2

4

CH<+HQ=CO+3Hz

CH<4-2HtO-CO,+4H,

C.H„+yH.O-r^CH.+yCO,

或C.Hbi+2nHQ・wCO+3HH2

甲烷蒸汽转化反应:

主反应CH4+HtO+3H,

CH44-2HXO==CCZ+4HW

CH44-CO2^=^2CO4-2Ht

CH44-2CO2『-3CO+H什H,

CT+3C5^=^4CO-h2H2O

8+H.O

1.化学平衡

CH+HQ(g).TCO+3H2A/4=206.29kJ・moL(2-1)

1

CO+H2O(g)x==^CO2+H2-41.19kJ•mol-(2-6)

两反应均为可逆反应，反应的平衡常数分别为

-T—?-=~~~yxp2

>

ACH4PH2OycoJXHJO

“ACO^H^O^CO^HJO

其平衡常数与温度的关系可用下列经验式表示：

lgK“二一9孥，75+8.36661gT-2.0814X10-3T+

1.8737X10T—13.882

值"=零^-0.093611g?,4-0.632X103T—

1.08X107T*—2.298

式中T——转化温度，K。

8

四、工艺条件

(1)水碳比：表示转化操作所用的工艺蒸汽量。在约定条件下，水碳比愈高，甲烷平衡含量愈低。

(2)温度：烧类蒸汽转化是吸热、可逆反应，温度增加，甲烷平衡含量下降。反应温度每降低10℃,

甲烷平衡含量约增加1T.3%

(3)压力：烧类蒸汽转化为体积增大的可逆反应，增加压力，甲烷平衡含量也随之增大。

(4)二段转化的空气量：加入空气量的多少，可从二段炉出口温度上反映出来，但不能用它来控制炉温

和出口甲烷含量的手段。因为空气量加入多少有合成反应的氢氮比决定。

(5)二段出口甲烷含量：二段炉出口残余甲烷每降低0.1%,合成氨产量可增加1.1-1.4%。一般控制

在020.4%。

五、反应机理(反应的微观步骤)

在催化剂的表面，甲烷转化的速度比甲烷分解的速度快的多，中间产物中不会有碳生成。其机理

为在催化剂表面甲烷和水蒸气解离次甲基成和原子态氧，在催化剂表面被吸附并互相作用，最后生成

CO、C02和也。

六催化剂

甲烷蒸汽转化是吸热、可逆反应，提高温度对化学平衡和反应速度均有利。但无催化剂存在时，

温度1000C反应速度还很低。因此，需要采用催化剂以加快反应速度。

由于煌类蒸汽转化是在高温下进行的，并存在着析炭问题，因此，除了要求催化剂有高活性和高

强度外，还要求有较好的耐热性和抗析炭性。

1.催化剂的组成

(1)活性组分和促进剂在元素周期表上第vm族的过渡元素对烧类蒸汽转化部有活性，但从性能

和经济上考虑，以银为最佳。在银催化剂中，银以氧化银形式存在，含量约为4%—30%：使用时还

原成金属银。金属镁是转化反应的活性组分，-一般而言，镁含量高，催化剂的活性高。一段转化催化

剂要求有较高的活性，良好的抗忻炭性，必要的耐热性能和机械强度。为了增加催化剂的活性，•段

转化催化剂中银含量较高。二段转化催化剂要求有更高的耐热性和耐磨性，因此，镁含量较低。为增

加抗析炭能力加入促进剂，银催化剂的促进剂有氧化铝、氧化镁、氧化钾、氧化钙、氧化铭、氧化钏

和氧化钛等。

(2)银催化剂的载体保催化剂中的载体应具有分散和稳定活性组分微晶的作用。对蒸汽转化催

化剂，由于操作温度很高，银微晶易于熔解而长大。金属银的熔点为1445C,烧类蒸汽转化温度都在

熔点温度的一半以上，分散的银微晶在这样高的温度下很容易互相靠近而熔结。这就要求载体能耐高

温，并且有较高的机械强度。所以，转化催化剂的裁体都是熔点在2000C以上的难熔的金属氧化物或

耐火材料。

2.催化剂的还原

转化催化剂大都是以氧化银形式提供的，使用前必须还原成为具有活性的金屑保，反应为

NiO-，-Hj^^Ni+H/Xg)△，；=-1.26kJ,mol-1

工业生产中，一般都不采用纯氧气还原，而是通入水蒸气和天然气的混合物，只要催化剂局部地

方有微弱活性并产生极少量的氢，就可进行还原反应，还原的镇立即具有催化能力而产生更多的氢。

为使顶部催化剂得到充分还原，也可以在天然气中配入一些氢气。

还原了的催化剂不能与氧气接触，否则会产生强烈的氧化反应，即

Ni+yO,—NiO-240kJ•mol

9

如果水蒸气中含有1%的氧气，就可产生130℃的温升，氮气中含1%的氧气则会造成165℃的

温升。所以在停车催化剂需氧化时，应严格控制载气中氧的含量，还原态的银在高于200℃时不得与

空气接触。

3.催化剂的中毒与再生

当原料气中含有硫化物、碎化物、氯化物等杂质时，都会使催化剂中毒而失去活性。催化剂中毒

分为暂时性中毒和永久性中毒。保催化剂对硫化物十分敏感，不论是无机硫还是有机硫化物都能使催

化剂中毒。硫化氢能与金属银作用生成硫化银而使催化剂失去活性。

原料气中的有机硫能与氢气或水蒸气作用生成硫化氢，而使银催化剂中毒。中毒后的催化剂可以

用过量蒸汽处理，并使硫化氢含量降到规定标准以下，催化剂的活性就可以逐渐恢复。为了确保催化

剂的活性和使用寿命，要求原料气中总硫含量的体积分数小于。.5X10%氯及其化合物对镁催化剂

的毒害和琉相似，也是暂时性中毒。碎中毒是不可逆的永久性中毒，微量的碑都会在催化剂上积累而

使催化剂逐渐失去活性。

七、工艺条件

1、温度:一段炉温110012001；二段炉温：800-850V

2、压力:2~4Mpa

3、水碳比：3~5

4、空气加入量

防止析碳的原则：

第、应使转化过程不在热力学析碳的条件下进行，这就是用量提高到大于理论最小水碳比，是保证

不会使炭黑生成的前提。

第二，选用适宜的催化剂并保持活性良好以避免进入动力学可能析碳区。对于含有易折碳组分烯煌的

炼厂气以及石脑油的蒸汽转化操作，要求催化剂应具有更高的抗析碳能力。

第三，选择适宜的操作条件，例如：含烧原料的预热温度不要太高,当催化剂活性下降时可适当加大水

碳比或减少原料的流量。

第四，检查转化管内是否有积碳，可通过观察管壁颜色，如出现“热斑、热带”、转化管内阻力增加，

可帮助判断。

第五，当洗碳较轻时，可采用降压、减量，提高水碳比的方法除碳。

八、工艺流程

10

九、主要设备

管式反应器结构、特点、用途：

可燃气体、反应原料都是天然气；设备设置时考虑热胀冷缩的问题；预热气体回收热量;

辐射段和对流段的作用：

一段转化炉:

二段转化炉:

1)

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上次课复习：

烧类蒸汽转化法制取原料气的原理及其特点

本次课题：第二节固体燃料气化法

教学要求：掌握固体燃料气化法生产煤气的方法、原理，工艺指标的确定原则；间歇

制气的工艺循环和工艺特点，知道间歇法制半水煤气为什么要把一个制气循环分成若

干步骤；了解提高制气效率，减低煤耗的措施。

重点：半水煤气的制取

难点：半水煤气生产的特点及其制备过程、安全注意事项

教学手段及教具：

讲授内容及时间分配：第三节半水煤气的制取

第二节：固体燃料气化

一、化学反应

一、概述

二、燃料层的分区

二、基本概念

三、造气对煤质的基本要求三、半水煤气生产的特点

四、煤气化的基本原理四、制气过程

（一）、煤的气化过程

五、气化效率

（二）、煤气化的工业方法

五、气化炉类型及特点六、工艺条件

七、工艺流程

八、间歇、连续法造气对比

九、节能措施

1.工业煤气有哪几种?组成如何？

2.固体燃料气化制取合成氨原料气的方法有那几种?各有什么特点？

3.间歇法制半水煤气为什么要把一个制气循环分成若干步骤？

4.什么是吹风效率？如何提高吹风效率？

课后作业5.什么是制气效率？如何提高制气效率？

6.简述评价间歇式制半水煤气工艺条件优劣的原则。对炉温、料层高度、

循环时间的分配等几个工艺条件的选择进行分析。

7.间歇式制半水煤气工艺流程的设置原则有哪几点?对中型厂的UGI流

程与小型厂的节能型流程的异同点进行比较。

8.煤气发生炉的结构如何？

同上

参考资料12

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第二节固体燃料气化法

一、概述

固体燃料（煤、焦炭或水煤浆）气化：用氧或含氧气化剂对固体燃料进行热加工，使碳转变为

可燃性气体的过程。气化所得的可燃气体称为煤气，进行气化的设备称为煤气发生炉，用来使煤气

化的气体称为气化剂。

二、基本概念

1、煤的固定碳；固体燃料煤除去灰分、挥发分、硫分和水分以外，其余的可燃物质称为固定碳。

2、煤的发热值：指1公斤煤在完全燃烧时所放出的热量。

3、标煤：低位发热值为7000kcal/kg的燃料4、空气煤气：以空气作为气化剂生成的煤气，其中含有

大量的氮（50%以上）及一定量的•氧化碳和少量的二氧化碳和氢气。

5、混合煤气（发生炉煤气）：以空气和适量的蒸汽的混合物为气化剂生成的煤气，其发热量比空气煤气

为高。在工业上这种煤气一般作燃料用。

6、水煤气：以蒸汽作为气化剂而生成的煤气，其中氢及一氧化碳的含量高在85%以上，而氮含量较

低。

7：半水煤气：以蒸汽加适量的空气或富氧空气同时作为气化剂所创得的煤气或适当加有发生炉煤气的

水煤气，其含氮量为21—22%。

«（1-1-1）各曾工生媒气的姐成

气9HU体积%

煤气名称

%COCO,%CH?*0,

空气燃气・0・933.40.66九6。・5一一

水燃气50.037.36.55・50・30.20.2

混合就气11.027.56.056.00.30.2一

平水燥，S7.033.36.622.40.30.20.2

三、气化对煤质的基本要求

（1）保持高温和高气化剂流速

（2）使燃料层各处同一截面的气流速度和温度分布均匀。

1水分：＜5%

2挥发份：＜6%

气化挥发分较高的燃料所制得的煤气中甲烷含量也高.如果制得的煤气作燃料用，则增高甲烷含

量能提高煤气热值；制得的煤气作合成氨原料气，则甲烷为惰性气它不仅增加动力和燃料消耗，而且

降低炉子的制气能力。所以在固定层煤气发生炉中，用于制取合成氨原料气的燃料，要求其挥发分以

不超过6%为宜。

3灰份：15-20%

灰分主要组分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。这些物质的含量对灰

熔点有决定性影响。

各种煤的灰分含量，低的约为5%,高的可达30%以上。焦炭中的灰分含量随原煤中灰分含量而

定。灰分高的燃料，不仅增加运输费用，而且使气化条件变得复杂化。当灰分过高时，在气化过程中

由于部分碳表面为灰分所覆盖（特别是块状燃料），减小气化剂与碳表面的接触面积，因而降低了燃料

的反应活性。随灰渣排出的碳量增加，使热效率降低。

4硫分：＜1.5g/m^

煤中的硫分在气化过程中，转化为含硫的气体，不仅对金属有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。

5灰熔点:＞1250℃

6机械强度和热稳定性

机械强度是指它的抗破碎力。煤的机械强度决定于煤的岩相组成、矿物质的含量、分布及碳化的

程度。机械强度很差的燃料，在运输、破碎过程中甚至在进入固定层煤气发生炉后，易于破裂而生成

13

很多不能用于气化的煤屑，这不仅增大原煤的消耗和造气成本，增加处理煤屑的困难，而且还会影响

气化过程的正常进行。

燃料的热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。不同气化方法，对燃料热稳定性有不同的要求。

热稳定性差的燃料，在气化过程中易于碎裂，产生的大量粉尘及微粒，将被气流诺走或堵塞炉膛管这

使燃料层阻力增大，过多消耗动力，甚至影响制气产量。

7燃料的成渣性能

燃料的成渣性能是指燃料在气化时是否易于烧结成渣。易于成波的燃料在用于燃烧和气化而受到

高温时，容易软化熔融而生成蓄渣块，使排灰和气化剂的均匀分布发生困难，以致不得不降温操作，

从而导致气体质量和产量下降。一般认为，在灰分中的氧化铁、氧化钙、氧化镁和氧化亚铁的含量越

多，越易结渣；合氧化铝和二氧化硅越多，则熔点较高不易结渣。

8粘结性

粘结性是煤在高温下干储粘结的性能。对炼焦来说，煤具有粘结性是十分需要的；但是对制造煤

气来说，不宜采用黏结性的煤。因为在气化过程中煤粒相互粘结后，生成焦拱，破坏燃料层的透气性，

妨碍气化剂的均匀分机傻气化操作难以正常进行。

9燃料粒度25—100mm

入炉燃料粒度大小和粒度范围，影晌气化时的质交换和热交换条件。

粒度小的燃料，反应表面大，有利于气化反应，但是会使气化剂通过燃料层时的阻力增大，并限

制气化剂的最大流速（因为气化剂流速应在带出燃料量的允许范围以内）。粒度范围大，易产生小粒填

充大粒间隙的现象，使燃料层阻力增大。同时还会使加料入炉时大粒偏布炉壁，小粒集中中央，产生

所谓“偏析”现象，影响气流分布。

一般在制取水煤气或半水煤气的固定层煤气发生炉中所用的燃料采取分级过筛，粒度分为25-

lOOmni和10―40mm两种，可较粒度大小混烧的提高制气能力。发生炉煤气炉中用的燃料可在5—25mm。

四、煤气化的基本原理

C+O2+3.76N2=CO2+3.76N2+Q

C+H2O=CO+H2—Q

煤气化的工业方法：蓄热法：中小氮肥使用的方法

干♦区

富氧法：较节约和有发展前途的方法江星仅

蓄热法：若能充分利用太阳能最理想化

X化区

五、气化炉结构和燃料层的分区

区域区域名称用途及进行过程化学反应

1灰渣层分配气化剂，防止炉篦超温。

借灰渣的显热预热气化剂

II氧化区碳被气化剂中的氧氧化成C+O2=CO2

（燃烧区）CO、CO2,并放出热量2C+O2=2CO

III还原区CO2还原成CO,或蒸汽分解C+CO2=2CO

为氢；原料被气体预热C+H2O=CO+H2

C+2H2O=CO2+2H2

CO+H2O=CO2+H2

IV干干区原料依靠气体换热进行热分

解，并析出下列物质：水分、

挥发分、焦油

V干燥区依靠气体的显热，来蒸发原料

中的水分

VI空间起积聚煤气的作用

14

第三节半水煤气的制取

一、化学反应固体燃料的气化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。

以空气为气化剂的反应:

002=00△H0R=-393.770KJ/mol

2al/202=8△H0R=-110.595KJ/mol

0002=200△H°R=170.284KJ/mol

00+1/202=82△HOR=-283.183KJ/mol以蒸汽为气化剂的反应:

CH-H2OCg)=C0+H2△H0R=l31.39KJ/mol

C+2H2。(g)=0C)2+2H2△H°R=90.202KJ/mol

△H0=-41.19KJ/molC+2H=CH4△R

00+H20=C02+H2R2HO=

-74.9KJ/molCO+1/2屹=82

二、燃料层的分区

无论从那一种理论出发，在固定层煤气发生炉中，我们都可以认为在氧化区中存在着大量的二氧

比碳与一氧化碳。为了制取发生炉煤气那就必须将这些二氧化碳还原为--氧化碳，并且就在还原区中

进行。所以还原区是煤气发生炉中燃料层的最重要的区域，而反应682=28则为空气煤气生成过

程中的基本反应。该反应基本上决定了所制出气体质量和气化强度。此反应在高温800以上以显著的

速度进行；在低温下反应速度不大，几乎等于零。绝大多数研究者得出结论，C+C02=2C0的反应是复

杂的多相过程，并且是通过以下四步过程进行的：

第一阶段

CO2+C=^=^CO2+<6

《哌附》

第二阶段

（吸附）

第三阶段

（CxOy）—>1100+p（C）

（吸附）

也可能是由于气相中二氧化碳的作用：

（CQ，）+CO2―>mC0+g（C）

（吸附）

第四阶段一中间化合物分解成的CO（吸附）I

C0—（C）+CO

（吸附）

三、半水煤气的特点

分别以空气和蒸汽为气化剂制得空气煤气和水煤气混

合，得到半水煤气，其中一氧化碳含量大于30%,二氧

化碳含量应小于8%,氧含量小于0.5%。

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四制气过程

工作循环：间歇式气化时，自上一次开始送入空气至下一次再送入空气止，称为一个工作循环。

1.吹风：吹入空气，提高燃料层温度，回收显热和潜热后吹风气放空。

2.蒸汽一次上吹制气：自下而上送入水恭汽进行气化反应，燃料层上部温度升高，下部降低。

3.蒸汽下吹：水蒸汽自上而下进行气化反应，使燃料层温度趋于均衡。

4.二次上吹制气：将炉底部下吹煤气排净，为吹入空气作准备。

5.空气吹净：回收此部分吹风气，作为半水煤气中氮的主要来源。间歇式制气工作循环中各阶段气体

的流向如图

五气化效率间歇式制造半水煤气的过程中，吹风阶段的效率称为吹风效率，制气阶段的效率称

为制气效率，吹风效率与制气效率综合起来称为气化过程的总效率。

1.吹风效率

吹风效率是指积蓄于燃料层中的热量与吹风阶段消耗燃料煤的热值之比。若不考虑煤气发生炉的

热损失，积蓄于燃料层中的热虽应等于吹风阶段反应放出的热量与吹风气的烙值之差，因此吹风效率

可用下式表示

tnIin।/Ir

2.制气效率

制气效率是指制气阶段所产煤气的热值与制气阶段消耗燃料煤的热值、入炉蒸汽的熔值及吹风时

积蓄于燃料层中可以利用的热量三者之和之比，可用下式表示

„=_V"H"

H素+Q和电

3.气化总效率

气化总效率是指气化过程制得半水煤气的热值与气化过程所消耗燃料煤的热值和入炉蒸汽燃值的

和之比

VH

'（四+神）儿十“燕

随着燃料层温度上升，吹风气温度上升.二氧化碳含量下降,

吹风效率下降，但制气效率上升。所以温度对吹风效率和制气效

率有着不同的影响。在800-850C时总效率最高。

六工艺条件

1、燃料层的温度一般发生炉内燃料层的最高温度根据燃料性质不

同而控制在。如果影响发生炉燃料层温度的各因素

1000-1200CairZSSC

——燃料层高度、燃料质量、粒度、蒸汽一氧比、气化强度等为B(I-M)册

一定时，炉子出口气体温度对以稳定在一定范围内。但在炉内发

搦分M*加，

生变化时，炉子出口温度即会产生被动。这时，伴随着出口气体4—SftS&iSS!A脑依"

成分的变化.气体产率和质量也会有所变化。观察燃料层温度的

分布相沿炉膛截面的温度均匀与否，除了用仪表测量炉上炉下的

温度叭往往还采用试火棍的方法，观察燃料层沿炉膛纵向及横向的分布,并绘成所谓火层图来了解炉

内火层的分布情况。

2、蒸汽用量

入炉气化剂中加入蒸汽不仅是降低燃料层温度，不使过热结渣，同时也能把蒸汽分解而生成氢。

但是，加入蒸汽过多，除了会降低气体质量（即发生炉煤气中无效的二氧化碳增加）外，还会使气化区温

度降低，降低蒸汽分解率、热效率和气化强度。为了使入炉气化剂混合均匀，一般在入炉前即将蒸汽

与空气混合。由于在一定温度下空气已经饱和了蒸汽，故一般都根据混合气的饱和温度来调节加入炉

的蒸汽量。

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随着蒸汽消耗量的增加，被分解的蒸汽绝对量也在上升但蒸汽分解率及气体热值却不断下降，一

氧化碳也在下降，氢却有所上升。这表明：（1）随着蒸汽单位消耗量的增大，燃料层温度和蒸汽分解率

均下降；（2）随着蒸汽单位消耗量的增大，减少了水煤气向生成一氧化碳方向的反应，因而降低了气体

热值，稍稍增高了氢的含量。从图中可以看出，在蒸汽单位消耗量大于。.6公斤/公斤碳后，气体热

值和分解率曲线下降坡度转快。因此，在这种气化强度下，用这种燃料制取发生炉煤气时，除非为了

避免结渣，否则不希望超过此值。

对进入气化层的有效碳来说，适宜的蒸汽单位消耗量与燃料特性、气化强度和炉篦结构形式有关。

灰熔点高，操作温度和蒸汽分解率可以相应提高，因而蒸汽单位消耗量可以降低。化学活性高，在同

样温度下蒸汽分解率高反应吸热多，因而蒸汽单位消耗量也可以降低一些。

3吹风速度：提高吹风速度，氧化层反应加速，且使二氧化碳在还原层停留时间减少，吹风气中CO含

量降低，从而减少了热损失。但风量过大将导致飞灰增加，燃料损失加大，甚至燃料层出现风洞以致

被吹翻，造成气化条件严重恶化。

4碳层高度：制气阶段，碳层高度的增加，蒸汽分解率增加，吹风阶段，随碳层高度的增加停留时间

y

延长，二氧1（上砂增力口。

5系统阻力：阻力来自碳层高度和系统管径及弯头数量、洗气塔液位。阻力大，电耗高，制气强度差。

6气体组成：氧含量小于0.5%,

甲烷含量小于0.5-1.0%,

（H2+C0）/N2=3.1-3.2

硫化氢越低越好。

七工业方法和工艺流程

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09（I-2-IS）制造毕水燃气的近和a米发生炉系sfcifc和图L2Y4造气系统工艺漉程图

1—纷化2-*籍*，2—*7纪.出

■汽・冲.；2一汽也；II气炉；4一下行舞尘5一上行霾尘.；

6—废热旧炉；7一虢气■:8一洗气用：9—flflB：10—

八间歇、连续法造气对比

间歇连续备注

造气炭层温大小

度

煤种窄宽

热损高低

设备利用率高低

维修工作量大小

对环境污染大小

噪声大小

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九节能措施

1降低造气过程的热量损失

（一）、降低吹风气中可燃性气体含量，减少吹风热损失，

（二）、提高蒸汽分解率减少制气显热损失，

（三）、控制较低的炉顶温度，减少吹风热损失和制气显热损失,

（四）、降低炉渣中残炭含量和飞屑量，减少其小完全燃烧损失,

（五）、减少散热损失。

2造气系统降低原料煤单耗的措施

（一）、坚持高炉温操作

（~）加大吹风过程的空气流速

（三）、及时处理炉况，保证气流分布均匀

（四）、提高入炉煤质量，做到配煤入炉'

（五）、加强回收利用，减少跑冒滴漏

3降低蒸汽消耗的措施

（一）合理调节入护蒸汽流量，

（二）、采用过热蒸汽制气，防止蒸汽带水入炉

（三）、原料煤的性质和碳层厚度

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河北科技大学教案用纸

上次课复习：

煤气化反应原理

固定床反应制气的特点

能量回收

本次课题：第三章硫化物的脱除

教学要求：了解脱硫的目的和意义；脱硫方法的选择；湿法脱硫的原理。

重点：脱硫方法的选择与对比

难点：碱法脱硫的原理及工艺指标的确定

教学手段及教具：

讲授内容及时间分配：

第一节粉尘的清除及脱除方法

第二节原料气的脱硫

一、硫化物的来源及存在形式

二、脱硫的目的

三、湿式氧化法脱硫的基本原理

第三节氨水液相催化法

第四节榨胶脱硫

一、榜胶液的制备

二、楮胶脱硫脱硫机理

三、榜胶法脱硫主要指标

第五节NHD脱硫

第六节干法脱硫

1合成氨原料气为何要脱硫?脱硫方法有几类？

3.氧化锌法脱硫的原理是什么？其硫容的大小受到哪些因素的影响？