煤氣發(fā)生爐基礎知識與氣化原理教學講義

1、第一章 基礎知識與氣化原理隨著我國經濟的不斷發(fā)展，對能源的充分利用和環(huán)境保護工作逐步提高到較高境界。在我們冶金行業(yè)中，混合發(fā)生爐煤氣已經得到了廣泛的使用。要保證煤氣設施的安全、經濟、穩(wěn)定順行，就必須熟悉和了解有關煤氣的生產和使用方面的知識，本章簡要介紹與煤氣發(fā)生爐有關的幾個方面的基礎知識。第一節(jié) 基礎知識一、溫度（一）溫度的概念。物質的熱與冷，用分子運動學解釋是由于分子的平均運動速度快與慢，或者說分子平均動能大與小的原因引起的。物體的熱與冷的特性用一個量去衡量，這個量就是溫度。溫度是標志物體冷熱程度的參數(shù)。我們常用的測量溫度的標準尺度為攝氏溫標,用表示。（二）溫度表示法。攝氏溫標又名國際百度溫

2、標，它規(guī)定純水在一個標準大氣壓下，開始結冰的溫度為0，而純水沸騰時的溫度為100。在0100之間百等分，每等分為1。零以上為正值，零以下為負值，或稱為零上幾度或零下幾度。在實際使用中，為保證設備、人身的安全，保證設備的順行，通過對溫度參數(shù)的控制來達到較理想的運行狀態(tài)，滿足安全生產的要求。例如，控制煤氣的爐出溫度400550，氣化劑的溫度4565，生產中工業(yè)加熱爐爐溫等。二、壓力（一）壓力的基本概念。單位面積上所受的垂直力稱為壓力強度，即壓強。我們平時習慣把壓強稱為壓力，其公式：pfs 式中：p壓強 f垂直力 s受力面積。用分子運動學解釋壓力概念，由于存在容器內的流體分子不斷地運動，對容器的壁產

3、生撞擊，在單位面積中所受的垂直的撞擊力就是壓力，壓力的大小與撞擊時力的大小和單位面積內撞擊的次數(shù)有關，若撞擊力大，撞擊次數(shù)多，壓力就高，若撞擊力小和撞擊次數(shù)少壓力就低。影響氣體壓力大小的因素，一是氣體的壓縮程度：一定體積的氣體，充滿不同體積的容器，氣體的壓力便發(fā)生變化，壓縮程度較大，壓力較大，反之較小。二是壓力和溫度有關：同體積的氣體，溫度較高，分子運動加劇，碰撞次數(shù)增多，壓力增大,反之,壓力減小.如果氣體分子間的作用力忽略不計，壓力與分子的數(shù)量和分子的平均動能成正比。（二）壓力的表示法1用單位面積上所受的力表示一般常用的標準表示壓力的單位是帕斯卡（pa），千帕（kpa），兆帕（mpa）。國內

4、公制壓力表示為：公斤厘米2（kg/cm2），稱為1工程大氣壓；帕斯卡與公斤厘米2間的換算關系：1kg/cm20.9807105pa98.07kpa0.09807mpa0.1 mpa2液柱表示法液柱表示法是用盛有某種液體的玻璃管的垂直液面高度來表示壓力。常用液體一般為蒸餾水或水銀，其液面的垂直高度，即表示壓力的大小，單位用mm水柱和mm水銀柱高表示，單位換算關系是：1工程大氣壓1kg/cm210000mm水柱高（10m水柱高）735.6mm水銀柱高3標準大氣壓國際規(guī)定標準大氣壓為760mmhg柱高，但由于地理位置、氣候和海拔高度的差異，當?shù)氐臉藴蚀髿鈮河幸欢ú町?，理論精確計算時，要依當?shù)亍敃r的

5、大氣壓力為標準。（三）表壓力、絕對壓力、負壓力和真空度表壓力：是容器中氣體的實際壓力與外界大氣壓力之差，用pb表示。實際中從表上讀取均為表壓力。絕對壓力：是表壓力與大氣壓力之和，用p表示。負壓力：是容器中的壓力低于外界大氣壓力時一種表壓力（pb）。真空度：是容器中負壓值與外界大氣壓的百分比。真空度（pbb）100（b標準大氣壓）各壓力間的關系可用圖1-1表示ppb（正壓）bpb（負壓）p圖1-1 壓力關系示意圖正壓狀態(tài)：pbpb負壓狀態(tài)：pbpb三、氣體的密度與比容單位容積內所含物質的質量稱為密度。用表示mv 式中：m質量 v體積密度的倒數(shù)為氣體的比容，用表示1vm比容也是基本狀態(tài)參數(shù)，要與壓

6、力、溫度兩個狀態(tài)參數(shù)一起可以決定氣體所處的狀態(tài)。一個標準大氣壓 溫度20時，常見物質密度。 表1-1 常見物質密度表 （g/cm3）名稱鋁汞鐵銅銀金石棉水酒精密度2.713.67.878.9310.519.320.810.79名稱o2空氣干煤氣濕煤氣飽和蒸汽coco2h2n2ch4密度1.4310-31.2910-31.0410-31.1410-30.810-31.2410-31.9410-30.0910-31.2510-30.7210-3四、熱量熱量是表示物體吸熱或放熱多少的物理量。高溫物質和低溫物質接觸，就要產生冷熱交換的現(xiàn)象，交換過程中就是熱量的交換，熱量交換的程度，用溫度值來體現(xiàn)。熱量

7、的單位用卡來表示；一卡的熱量是指1克純水溫度升高1度吸收的熱量。國際單位為焦耳或千焦耳熱量單位，卡與焦耳的關系式是：1卡4.1816焦耳1千卡4.1816千焦耳五、煤氣的流速及流量（一） 氣的流速：單位時間內煤氣在管路中流動通過的距離，用v表示 vms 式中：m距離（米） s時間（秒）（二）煤氣的流量：單位時間內通過某一不變管徑截面的煤氣體積, 用q表示qls 式中：l體積（米3） s時間（秒）理論上管路中允許的煤氣流速見下表1-2。表1-2 煤氣管路允許流速表煤氣種類管道種類允許流速（米秒）熱煤氣總管26冷煤氣半凈煤氣管48排送機前48排送機后排送機出口1520dg20040024dg400

8、60046dg600800610實際操作中，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的煤氣流量，有利于煤氣爐穩(wěn)定運行。通過觀察流量的變化，能夠及時反應出生產節(jié)奏的快慢，反應出煤氣爐運行狀態(tài)的變化情況，反應出煤氣質量變化的情況，控制全站供氣系統(tǒng)中設備運行能力的相互匹配等。六、物質的三態(tài)變化由于溫度和壓力條件的不同，在自然界中物質的存在狀態(tài)有三種：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，稱之為物質的三態(tài)。當物質所處的溫度或壓力條件發(fā)生變化，同種物質會發(fā)生在三態(tài)間的變化。 冷卻 降溫例如：蒸汽 水 冰 加熱 加熱物質的三態(tài)相互轉化過程是一個物理變化過程，變化前后物質的化學成份不升華固態(tài)液態(tài)氣態(tài)汽化熔化 凝固液化凝華圖1-2 物質的物理狀態(tài)變化示意發(fā)

9、生變化，只是物理狀態(tài)發(fā)生變化。見圖1-2。（一）物質由固態(tài)轉化為液態(tài)稱為熔化或溶解，它是一個吸熱過程，如冰化成水的過程。（二）物質由液態(tài)轉化為固態(tài)稱為凝固。凝固是一個放熱過程，如鋼水鑄成鋼錠的過程。（三）物質由液態(tài)轉化為氣態(tài)稱為汽化。汽化是一個吸熱過程，如水變成蒸汽的過程。（四）物質由氣態(tài)轉化為液態(tài)稱為液化。液化是一個放熱過程，如水蒸汽變成水的過程。（五）物質由固態(tài)不經液態(tài)轉換而直接轉化為氣態(tài)稱為升華。升華是一個吸熱過程。如煤氣生產脫硫劑再生過程中使用420以上過熱蒸汽加熱脫硫劑，使其中的固態(tài)硫變成氣態(tài)硫的逸出的過程。（六）物質由氣態(tài)不經液態(tài)轉換，而直接轉化為固態(tài)稱為凝華。凝華是一個放熱過程，

10、如由脫硫再生后的氣態(tài)硫，遇水冷卻后生成硫塊的過程。七、物理變化和化學變化（一）物理變化：是物質在變化過程中的存在狀態(tài)發(fā)生了變化，并沒有新的物質生成。物質的三態(tài)變化；固態(tài)變成液態(tài)、液態(tài)變成氣態(tài)、鋼坯制成型材均屬物理變化。（二）化學變化：是物質在變化過程中發(fā)生了分子結構本質的變化，變化后生成了和原來不同性質的新的物質?；瘜W變化主要有分解反應、化合反應、置換反應。分解反應：一種物質經過反應后生成兩種或兩種以上物質的反應。caco3=cao+co2 化合反應：兩種或兩種以上物質經過反應后生成一種新物質的反應。co2co2置換反應：由一種單質和一種化合物反應，生成另一種單質，另一種化合物的反應。ch2o

11、coh2從廣義的角度上可將上述反應分為氧化、還原兩種反應；從狹義的角度，我們可以把氧化反應理解為：和氧反應生成氧化物的反應；把還原反應理解為：將氧化物分解失去氧的反應。八、電工基礎知識（一）電路：電路就是電流通過的路徑。它是由電源、負載，連接導線和開關組成。（二）電流：導體中的自由電子在電場力的作用下，作有規(guī)則的定向運動，就形成了電流。正電荷移動的方向為電流方向。電流的方向和自由電子實際移動方向相反。（三）電流強度：電流的大小即為電流強度，表示單位時間內通過導體截面的電荷量，用符號i表示 iqt式中：i電流強度q通過導體截面的電荷量t通過電荷量所用的時間電流強度的單位有：千安（ka），安（a）

12、，毫安（ma）表示電流的大小用電流表測量，測量時將電流表串聯(lián)在被測電路中，如圖1-3所示。（四）電位、電壓：電場中某點的電位，在數(shù)值上等于單位正電荷沿任意路徑從該點移至無限遠處的過程中電場力所做的功。其單位為伏特（v），簡稱伏（v）。在電場中電位等于零的點叫做參考點，凡電位高于零電位的點，電位為正，凡電位低于零電位的點，其電位為負。通常往往以大地作為參考點。電場中兩點之間的電位差，稱為電壓，其表達式為uaq式中：a電場力所作的功q電荷量u兩點之間的電位差，即電壓電壓的單位可用千伏（kv）、伏（v）、毫伏（mv）表示。電壓的大小用電壓表測量，測量時將電壓表并聯(lián)在被測電路中如圖13。（五）歐姆定律

13、：是表示電壓、電流和電阻三者關系的基本定律，即通過電阻的電流，與電阻兩端的電壓成正比，與電阻的大小成反比，即:iur （uir或rui）r2-+-電流表ai +-+-ai11v+-r1r2r1、 r2-電阻（負載）v-電壓表 圖1-3 電流表、電壓表的連接示意圖其它方面的電工基礎知識及計控方面的基礎知識，可結合所在崗位，根據(jù)需要做到進一步的掌握。九、飽和濕空氣及飽和溫度自然界的空氣中都含有一定量的水蒸汽，這種空氣稱為濕空氣。濕空氣中含水蒸汽量的多少，可用濕空氣中水蒸汽的分壓大小來表示，這個分壓在一定溫度下都有相對應的最高值。當一定溫度下，水蒸汽分壓值達到最大值時，此時的濕空氣處于飽和狀態(tài)，此時

14、的濕空氣稱為飽和濕空氣。在一定溫度下，空氣中只能容納一定的水蒸汽，水蒸汽超過最大含量時，就有部分以水珠形式析出，此時的混合空氣處于飽和狀態(tài)，亦稱為飽和濕空氣，此時的溫度稱之為飽和溫度。由此，我們可以看出，控制濕空氣中水蒸汽的含量有兩種方法，一是控制水蒸汽的飽和分壓；二是控制濕空氣的溫度。在煤氣生產工藝中，控制飽和溫度的辦法比較簡便易行，飽和溫度越高，濕空氣中的水蒸汽含量越大；飽和溫度越低，濕空氣中水蒸汽含量越小?；旌习l(fā)生爐煤氣生產中，飽和溫度一般在4565之間，其氣化劑中水蒸汽的含量為100160克米3之間。氣化劑在煤氣發(fā)生爐運行中的作用是：控制爐溫、調整爐況、調整煤氣成分、提供氣化原料、回收

15、余熱、保護爐篦。十、化學基本知識（一）元素符號：c（碳）、h（氫）、o（氧）、n（氮）、s（硫）、p（磷）分子式：co（一氧化碳）、co2（二氧化碳）、h2（氫氣）、o2（氧氣）、n2（氮氣）、cmhn、（碳氫化合物）、ch4（甲烷）熱量單位：kcal（千卡）、kj（千焦耳）、cal（卡）、j（焦耳） 體積單位：m3（立方米）、nm3（標準立方米）、l（升）、ml（毫升） 壓力單位：pa（帕）、kpa（千帕）、mpa（兆帕）、atm（標準大氣壓）、kg/cm2（工程大氣壓）（二） 發(fā)生爐爐內發(fā)生的主要化學反應c+o2 = co22c+o2 =2coc+co2=2coc+2h2o=co2+2h2

16、c+h2o=co+h2co+3h2=ch4+h2o2co+2h2=ch4+co2co+h2o=co2+h2 第二節(jié) 煤炭的性質一、煤炭的分類根據(jù)國家有關部門推薦的中國煤炭分類方案，我國煤炭分為十類，見表1-3。表1-3 煤炭分類表類別無煙煤貧煤瘦煤焦煤肥煤揮發(fā)分0101020142014302637膠質層厚度y（mm）-0(粉狀)0（或塊）881212252530類別氣煤弱粘結不粘結煤長焰煤褐煤揮發(fā)分30203720373740膠質層厚度y（mm）9250（或塊）80（或塊）90（粉狀）05一般將瘦煤、焦煤、肥煤、氣煤、弱粘結煤、不粘結煤，長焰煤統(tǒng)稱為煙煤，貧煤稱為半無煙煤，揮發(fā)份大于40的稱

17、為褐煤。煤炭按粒度可分為：大、中、小、末煤及混煤等種類，其粒度分級見表1-4。表1-4 煤炭粒度分級表分類特大塊大塊中塊小塊末煤混煤粒度（mm）10050100255013250130500100二、煤炭的物理性質煤炭的物理性質一般包括比重、熱穩(wěn)定性、灰熔點、機械強度等，不同煤種的物理性能見表1-5。（一）比重1真比重：煤炭的真比重是指煤炭在20，本身重量與同溫度、同體積水的重量的比，在測定、計算時不包括煤炭內外部吸附的水分。2假比重（視比重）：是指煤炭在20時本身重量與同溫度、同體積水的重量之比，測定時包括煤炭內外部吸附的水分。3堆積比重：單位體積內堆積煤的重量，即煤的堆積密度。（二）熱穩(wěn)定

18、性熱穩(wěn)定性是指煤炭在高溫燃燒和氣化過程中的穩(wěn)定程度，也就是煤塊在高溫作用下是否易碎裂、保持原來粒度的特性。以原來粒度的百分比例來表示。煤炭的熱穩(wěn)定性對生產煤氣影響較大，熱穩(wěn)定性差，入爐受熱后原煤塊碎裂，甚至變成粉沫，造成爐內阻力不均，氣化不均，爐況惡化，煤氣帶出物增多，最終造成結渣，操作困難，降低煤氣質量，嚴重影響煤氣爐的安全、經濟、穩(wěn)定運行。煤炭的熱穩(wěn)定性是由煤炭自身化學成份決定的，由于煤種不同，礦別的不同，其煤炭的熱穩(wěn)定性不同。選用混合發(fā)生爐用煤必須保證熱穩(wěn)定性指標符合要求，混合煤氣發(fā)生爐用煤熱穩(wěn)定性最好大于65。（三）灰熔點灰分熔點是指灰分在一定溫度下變成熔融狀。此時的溫度即為灰熔點。煤

19、燃燒后的灰分，并不是簡單成份的化合物，而是不同結構的化學結合物，所以熔點不同。不同的煤種，不同的礦別，其煤炭的灰熔點不同，除液態(tài)排渣煤氣爐外，混合煤氣發(fā)生爐要求煤的灰熔點應在1200以上，最好大于1300，才有利于創(chuàng)造較好的爐內氣化條件。（四）機械強度機械強度是指煤炭的抗破碎和耐磨性能。機械強度的高低，必然影響煤塊在運輸、入爐過程中的破碎程度，影響煤塊的使用率和煤氣爐經濟運行指標?；旌厦簹鉅t用煤的機械強度要求大于60。（五）粘結性煤的粘結性是指煤在干餾過程中（400450），發(fā)生熔融、微發(fā)生或不發(fā)生熔融現(xiàn)象。前者為粘結性煤，后者為弱粘結性和不粘結性煤。煤的粘結性一般用煤的膠質層厚度來表示。膠質

20、層厚度（y值）：煤加熱到350450時，煤發(fā)生軟化、熔融，在焦炭顆粒表面形成一種熔化的瀝青層。隨著溫度提高，其厚度先增大后減少，膠質層的最大厚度y就是煤的粘結性的標準。在一般情況下，膠質層y值應在12mm以下，1216mm之間氣化困難。20mm以上不適合氣化。表1-5 不同煤種的物理性能項 目褐煤煙煤無煙煤真比重0.81.51.21.71.51.8假比重0.550.750.750.8堆積比重0.650.850.80.950.91.0熱穩(wěn)定性（）507585機械強度較小一般較高粘結性較好較弱較差三、煤氣爐用煤標準參考 不同的氣化工藝，煤氣爐用煤要求不同，煤氣爐用煤標準參考見表1-6。表1-6 煤

21、氣爐用煤標準參考項 目無 煙 煤煙 煤粒度（mm）1325；2550；501001325；2550;50100灰分（）2020揮發(fā)分（）102040含硫量（）0.61膠質層厚度（mm）8機械強度（）6060灰熔點（t2、c）12501200熱穩(wěn)定性（）65煤粉含量（）1013810含矸率（）22含水份（）66第三節(jié) 煤炭的氣化原理一、煤炭的氣化概述煤炭的氣化是一種復雜的物理、化學過程，它是煤炭經干餾后殘留下來的焦炭在空氣或氧氣、水蒸汽混合氣以及其他氣體的作用下，生成可燃氣體的過程。也就是說，氣化是通過一定的工藝方法使固體燃料變成氣體燃料。（一）煤炭的氣化條件1應用合適的氣化劑：空氣、空氣與蒸汽

22、、蒸汽與氧氣。2應有合格的燃料煤。3具備能使原料與氣化劑進行物理化學反應的設備（煤氣發(fā)生爐）及輔助設備。（二）混合發(fā)生爐煤氣的生產氣化劑采用空氣和水蒸汽的混合氣，用溫度控制氣化劑中的水蒸汽含量，控制爐內化學反應的適當溫度，降低煤氣的出爐溫度，提高煤氣爐的熱效率。二、混合發(fā)生爐煤氣化學過程混合發(fā)生爐煤氣生產過程中主要熱化學反應式：c+o2=co2+408840 千焦/千摩爾c+1/2o2=co+123217千焦/千摩爾c+co2=2co-162405千焦/千摩爾c+2h2o=co2+2h2-75235千焦/千摩爾c+2h2=co+h2-118821千焦/千摩爾c+2h2=ch4+86325千焦/

23、千摩爾co+3h2=ch4+h2o+206200千焦/千摩爾2co+2h2=ch4+co2+247440千焦/千摩爾co+h2o=co2+h2+43588千焦/千摩爾h2+1/2o2=h2o+242039千焦/千摩爾煤氣生產的全過程是煤和氧氣、水蒸汽之間反應過程。煤的主要成份是c元素，空氣的成份n2占79，o2占21，氮氧比為79213.76，而n2自始至終并不參加反應，吸收一定熱量，造成熱量損失。三、混合煤氣發(fā)生爐內層次的劃分和氣體組分變化為了便于研究混合煤氣發(fā)生爐內的物理、化學反應變化情況，形象理解煤氣產生的過程，目前常用分層理論來具體分析。圖1-4為混合煤氣發(fā)生爐層次示意。煤炭c空層co

24、 h2 ch4 n2等煤氣爐體干燥層干餾層氧化層火層還原層爐篦灰層渣層出灰盤氣化劑空氣（n2 o2）、水蒸氣（h2o）圖1-4 混合煤氣發(fā)生爐爐內層次示意圖由圖1-4可看出：混合煤氣發(fā)生爐正常運行時由下而上可分為：灰層、氧化層、還原層、干餾層、干燥層、空層、下面逐個分析一下各層的變化及氣體的組份情況。（一）灰層灰層又稱渣層，是煤炭經燃燒氣化后的殘留物，是煤自上而下完成氣化流程的最后一層，灰層的高度應在爐篦以上150250mm處?；覍拥淖饔茫?灰渣自上而下，溫度較高，空氣和水蒸汽自下而上經過爐渣進行熱量交換，預熱氣化劑，一般預熱到200以上，起節(jié)能作用。2灰渣和氣化劑交換熱量后，溫度降低，鋪在爐

25、篦上起保護作用。3灰渣分布疏松，氣化劑經爐篦進入灰渣層可以起到均勻分布氣化劑的作用。4灰渣是最底層，是其它各層的基礎，它的正常與穩(wěn)定會直接影響其它層的穩(wěn)定。實際生產中，根據(jù)不同結構的爐型，要定時檢查邊部灰渣和中部灰渣的厚度，保證爐況穩(wěn)定順行。此層氣體組分并無變化，仍然為o2、n2、h2o（蒸汽），只是組分氣體溫度升高而已，在外界風壓作用下，向火層移動。（二）氧化層氧化層亦稱火層，是爐況正常運行最重要的一層，正常情況下其厚度為100200mm左右，其主要作用是：使空氣中的氧氣遇高溫灼熱的碳進行劇烈的化學反應生成大量的二氧化碳，同時放出大量的熱，以后各層的吸熱反應靠此熱量維持，氧化層的溫度一般保持

26、在11001250，溫度的高低可根據(jù)所用煤的灰熔點來確定，以不結渣為準。主要化學反應式為：c+o2+3.76n2co2+3.76n2+97650千卡此層氣體組分發(fā)生變化，o2幾乎全部消失，生成新的組分氣體co2，經過此層后氣體組分為：co2、n2、h2o（蒸汽），并在外界風壓的作用下向還原層移動。（三）還原層還原層是生成可燃氣體的主要層，其正常厚度為200400mm，此層的溫度大約在9001000。其主要作用：1氧化層生成的co2，進入還原層和高溫灼熱的碳發(fā)生吸熱還原反應，生成可燒氣體co，化學反應式為：c+co2+3.76n22co+3.76n2-38790千卡2高溫水蒸汽與灼熱碳發(fā)生吸熱還

27、原反應，生成可燃氣體co、h2和部分co2氣體。c+h2oco+h2-28380千卡c+2h2oco2+2h2-17970千卡3其次有部分co和多余h2o蒸汽反應生成co2、h2；co2又和灼熱的碳反應生成co，化學反應式為：co+h2oco2+h2+10410千卡co2+c2co-38790千卡4存在的部分化學反應還有：2c+o22co+58860千卡2h2+c=ch4+20630千卡co+3h2=ch4+h2o+49250千卡co2+4h2=ch4+2h2o+38900千卡實際煤氣爐內的化學反應要復雜的多，以上僅作為代表性供研究而已。此層的氣體最后組分為：n2、co、h2、ch4，少量h2o蒸汽，此時的氣體組分已變成煤氣的主要成份。（四）干餾層干餾層位于還原層之上。煤炭入爐內干燥后在400550溫度下析出揮發(fā)分及其它干餾產物（碳氫可燃化合物）變成焦炭。為還原層提供良好的熱化學反應條件。干餾層的厚度依煤種及操作不同而存在一定的差異。此層的氣體組分并無大的變化，仍為n2、co、h2、ch4，少量h2o蒸汽，只是干餾產物碳氫