间歇式固定层煤气发生炉的工艺操作与节能探讨.doc

间歇式固定层煤气发生炉的工艺操作与节能探讨
作者/来源：孟新东(湖南金信化工有限公司冷水江417506)日期：2007-2-13

0前言
据了解，在我国合成氨生产中，中小型氮肥大厂占有很大比重，而中小型氮肥厂合成氨原料气的制备，80％以上采用固定层煤气炉生产。煤气炉生产原料气的能耗和成本占合成氨总能耗和总成本的60％左右。因此，如何搞好固定层煤气炉的调优与节能，是当前中小型氮肥厂十分重要的工作。本文从固定层煤气炉的生产原理及制气效率入手，根据本人多年来工作实践及近年来兄弟厂的技术改造经验，谈谈如何进行固定层煤气炉最佳工艺条件的选择及技术改造，从而达到降低能耗，减少成本，提高经济效益的目的。
1固定层煤气炉的生产原理及其制气效率
在合成氨生产中，需要制备氢氮比为3∶1的原料气。在中小型氮肥厂中，大都以空气和蒸气为气化剂，间歇通入固定层煤气炉，与灼热的炭起反应，生产半水煤气。根据生产工艺和安全需要，制气循环为吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹、吹净五个阶段，概括起来可分为吹风和制气两个阶段。
吹风阶段将空气通入固定层煤气炉中，空气中的氧与灼热的炭起反应，其主要反应式如下：
2C+O2=2CO+234.08kJ(Ⅰ-1-1)
C+O2=CO+401.93kJ(Ⅰ-1-2)
CO2+C=2CO－172.28kJ(Ⅰ-1-3)
进行吹风的目的是将碳与氧气的反应所产生的热量贮存于炭层中，供碳与蒸汽反应生成水煤气使用。这一阶段中，在消耗一定炭量情况下，贮存于炭层中热量越多，其吹风效率越高。
E吹风=(Q’反－Q’气)／Q’燃×100％(Ⅰ-2)
式中：E吹风——吹风阶段的效率；
Q’燃——吹风阶段消耗的燃料所具有的热值；
Q’反——吹风时反应放出的热量；
Q’气——吹风气带走的热量。
在制气阶段中，将蒸汽通入固定层煤气炉中，蒸汽与灼热的炭反应，生产半水煤气。其主要反应式如下：
C+CO2=CO+H2－131.38kJ(Ⅰ-3-1)
C+2H2O=CO2+2H2－90.196kJ(Ⅰ-3-2)
CO+H2O=CO2+H2+41.19kJ(Ⅰ-3-3)
其主要副反应有：
C+2H2=CH4+74.898kJ(Ⅰ-3-4)
这一阶段反应主要是吸热反应，吹风阶段贮存于炭层中的热量越高，制气反应越有利，制气效率越高，其制气效率E制气是指所获得的水煤气的热值Q气与气化时消耗的燃料所具有的热值Q燃、气化剂所带入热量Q蒸与吹风时蓄积于燃料层内可利用的热量Q利用三者和之比，可用下式表示：
E制气=Q气／(Q燃+Q蒸+Q利用)×100％(Ⅰ-4)
吹风时蓄积于燃料层内可利用的热量Q利用应相当于气化反应时所吸收的热Q反，反应后水煤气所带走的热量Q煤气水与热损失Q损三者之和。制造水煤气的总效率E总，即为上述两阶段的综合结果，可用下式表示：
E总=Q气/[(Q燃+Q蒸+(Q反+Q水煤气+Q损)/E吹风)]×100％(Ⅰ-5)
2选择最佳工艺条件
如何选择最佳工艺条件，减少热损，以提高制气效率非常重要。工艺操作条件选择是否合理，直接关系到气体的产最、质量及消耗。下面，从吹风速率、炉温、蒸汽用量、炭层高度等几个主要方面加以阐述探讨。
(1)提高吹风速率，缩短吹风时间
在吹风阶段，炭与氧反应放出热量。入炉空气总量的多少，决定了煤气炉生产负荷的高低。入炉空气总量的调节，可通过吹风速率的大小和吹风时间长短来进行。一般情况下在原料允许的范围内，应尽量提高吹风速率，缩短吹风时间，可使炭的燃烧反应加快，即有利于Ⅰ-1-1，Ⅰ-1-2反应进行，而缩短二氧化碳和赤热炭接触时间，使得吹风中反应不朝Ⅰ-1-3式进行，以减少吹风中一氧化碳含量，从而减少吹风带走的潜热，亦即有利于提高Q’反，减少Q’气，提高吹风效率和提高煤气炉气化强度。但过高吹风率，将会使炭层吹凹，甚至吹翻，轻者使带吹物增加，重者使气化层受到破坏，因此，吹风速效大小，应以炭层不吹凹为原则。不同的原料选择不同的吹风速率。同时，吹风速率增大还受到风机能力的限制。
(2)采用高炉温
高炉温是指煤气炉气化层维持较高的温度，提高炉温对气化反应是有利的。
气化反应属气固相系统的多相反应。整个过程包括物理和化学两个过程，物理过程和气体扩散有关，化学过程和化学反应速度有关。当这两个过程中有一个因素较慢时，该较慢的因素就决定了整个气化过程。
根据质量作用定律，以各组分气体压表示平衡常数Kp。
Kp=(PmC+PnD)／(PpA+PqB)(Ⅱ-1)
上式中，PA、PB、Pc、PD各为A、B、C，D气体组份的分压。
温度对平衡常数Kp的影响，可用下式表示：
等容反应：dlnkc／dT=Qv／RT2
等压反应：dlnkp／dT=Qp／RT2
上式中，Qv和Qp为等容等压下的反应热效应。
在吹风阶段，反应Ⅰ-1-1和Ⅰ-1-2属放热反应，经研究表明，