化工工藝學教案

化工工藝學教案

（無機部分）

學院、系：化學與制藥工程學院

任課教師：趙風云___________

授課專業(yè)：化學工程與工藝

課程學分：4.5______________

課程總學時：32

課程周學時：6

2008年8月2日

合成氨教學進程

周次上課方式學時章節(jié)及主要內容備注

第一章緒論

一、化學工程與化學工藝

二、氨的發(fā)現(xiàn)與制取

三、合成氨的原料

1講授2多媒體

四、氨的生產工藝分類

五、氨生產技術的發(fā)展

六、氨合成工業(yè)的發(fā)展方向

七、氨的性質和用途

第二章原料氣的制取

第一節(jié)煤氣化制取氨合成氣的基本原理

第二節(jié)煤氣化的工業(yè)方法

第三節(jié)間歇制氣過程及工藝條件

1、2講授6

第四節(jié)煤氣化工藝流程及存在的問題

第五節(jié)水煤漿加壓氣化制氣技術

第六節(jié)灰熔聚流化床制氣技術

第七節(jié)燒類蒸汽轉化法

第三章硫化物的脫除

第一節(jié)脫硫概述

第二節(jié)濕式氧化法脫硫

7講授4第三節(jié)對苯二酚氨水液相催化法

第四節(jié)拷膠法脫硫

第五節(jié)脫硫主要設備

第六節(jié)干法脫硫

第四章一氧化碳變換

第一節(jié)一氧化碳變換的基本原理

第二節(jié)變換催化劑

7講授4

第三節(jié)工藝流程第四節(jié)主要設備

第五節(jié)多段變換爐溫度曲線

第六節(jié)變換系統(tǒng)的熱能回收

第五章二氧化碳的脫碳

第一節(jié)二氧化碳的脫除概述

第二節(jié)氨水中和法脫除二氧化碳

8講授4

第三節(jié)熱碳酸鉀法脫除二氧化碳

第四節(jié)主要設備

第五節(jié)NHD脫碳

第六章原料氣的精制

8講授4第一節(jié)銅氨液洗滌法

第二節(jié)甲烷化法第三節(jié)深冷分離法

第十童.初合成

第一節(jié)氨合成原理及熱力學基礎

第二節(jié)氨合成催化劑

9講授4

第三節(jié)氨合成工藝條件

第四節(jié)氨的分離及氨合成流程

第五節(jié)主要設備

10講授2復習

2

河北科技大學教案用紙

上次課復習：

本次課題（或教材章節(jié)題目）：第一章緒論

教學要求：了解氨的生產發(fā)展歷程和氨的性質及用途，掌握氣態(tài)燃蒸汽轉化法制取合成氨原料氣

的原理、工藝條件的制定原則。

重點：1、氨的性質，氨合成工業(yè)的發(fā)展：單系列、大型化、生產規(guī)模、生產能力、勞動強度。

2、氣態(tài)燃蒸汽轉化法的原理、工藝條件、主要設備。

難點：1、氨與空氣或氧的混合物在一定濃度范圍能夠發(fā)生爆炸，有飽和水蒸氣存在時，氨-空氣

混合物的爆炸界限較窄。

2、氣態(tài)燃蒸汽轉化法的原理和工藝條件的制定。

教學手段及教具：多媒體

講授內容及時間分配：

學習本課程的意義及要求3分鐘

一、氨的發(fā)現(xiàn)與制取4分鐘

二、合成氨的原料2分鐘

三、氨的生產工藝分類4分鐘

四、合成氨生產的進展4分鐘

五、我國氨合成工業(yè)發(fā)展4分鐘

六、氨的性質和用途5分鐘

七、健康危害和導致后果3分鐘

課后作業(yè)1對本課程的學習有哪些意見和建議？

《合成氨》河北化工學校程桂花

《合成氨與甲醇》趙育祥

《合成氨工藝與節(jié)能》張成芳

《無機化工工藝學（一）合成氨》陳五平

參考資料

《合成氨工學第一第三卷》姜圣階

《甲醇生產工藝與操作》楊福升齊淑芳

《甲靜的生產》孟廣鈴黃裕培

《尿素生產工藝與操作（中級本）》陳觀平趙元凱

3

0河北科技大學教案用紙

第一章緒論

一、氨的發(fā)現(xiàn)與制取

氨是在1754年由普里斯特利（P利estey）發(fā)現(xiàn)的，1910年建成了80goM的合成氨試驗裝置；置11

年，米塔希（M心asch）研究成功了以鐵為活性組分的氨合成催化劑至今，但直到1913年在德國奧保

（OPPau）建成世界上第一座合成氨廠。

1909年，哈伯用俄催化劑，在17.5-20.OMpa和500-600溫度下獲得6%的氨；提出氨生產工藝為

（1）采用循環(huán)方法；（2）采用成品液氨蒸發(fā)實現(xiàn)離開反應器氣體中氨的冷凝分離，（3）用離開反應器的熱

氣體預熱進入反應器的氣體，以達到反應溫度。合成氨方法的研究成功，不僅為獲取化合態(tài)氮開辟了廣

0

闊的道路，而且也促進了許多科技領域（例如高壓技術、低溫技術、催化、特殊金屬材料、固體燃料氣

化、燒類燃料的合理利用等）的發(fā)展。

二、合成氨的原料

空氣：氮氣的來源

水：氫氣的來源。

燃料：天然氣、煤、焦炭、石油煉廠氣、焦爐氣、石腦油等是氫氣來源的原料。

三、合成氨的主要生產過程和生產工藝分類

合成氨的生產過程包括三個主要步驟：

第一步是原料氣的制備：

氮氣制備有兩種方法：

01、化學法：在高溫下，以固體燃料煤、焦炭）液體燃和氣體煌與空氣作用，以燃燒除去空氣中的氧,

剩下的氮即可作為氮氫混合氣中的氮。

2、物理法：空分法【將空氣冷卻至低溫（一170——190℃）使之液化，再利用氮氣和氧氣沸點的不同

進行分離，可得到純度較高的氫氣和氧氣?！?/p>

氫氣來源于水和含有碳氫化合物的各種燃料：

九、以煤為原料的合成氨流程

我國以煤為原料的中型合成氨廠多數(shù)采用60年代開發(fā)的三催化劑凈化流程，即采用脫琉、低溫變

換和甲烷化三種催化劑來凈化氣體。而以煤為原料的小型合成氨廠則采用碳化工藝流程。用濃氨水脫除

二氧化碳，生成的碳孩氫鏤經結晶、分離后即為產品。

0

（二）以天然氣為原料的合成氨流程

天然氣、煉廠氣等氣體原料制氨的工藝流程。使用了七、八種催化劑，需要有高凈化度的氣體凈化

技術配合。例如，使用鉆鋁加氫催化劑和氧化鋅脫硫劑，可以把天然氣中的硫的含量體積分數(shù)脫除到

ppm以下，不僅保護了轉化催化劑，而且也為使用耐硫性能較差的低變催化劑創(chuàng)造了條件。再通過高凈

化度的脫碳方法，可使氣體中一氧化碳和二氧化碳的體積分數(shù)總和小于o.7%。這樣就能采用甲烷化

法將氣體中殘余的?氧化碳和二氧化碳體積分數(shù)之和降到（5-10）X10%

（三）以重油為原料制氨流程

以重油為原料制氨時，采用部分氧化法制氣。從氣化爐出來的原料氣先清除炭黑，經一氧化碳耐硫

變換、低溫甲醇洗和液氮洗，再壓縮、合成得到氨。該流程中需設置空分裝置.提供氧氣供油氣化，氮

4

氣用于液氮洗滌脫除殘余一氧化碳等組分。

第二步是原料氣的凈化：將制備的原料氣中影響氨合成的其他組分脫除。

第三步是氨的合成與分離：將氫氣和氮氣在一定條件下合成為氨。

四、合成氨生產的進展

20世紀50年代，由于天然氣、石油資源大量開采，為合成氨提供了豐富的原料.促進了世界合

成氨工業(yè)的迅速發(fā)展。以廉價的天然氣、石腦油和重油來代替固體原料生產合成氨，從工程投資、能量

消耗和生產成本來看具有顯著的優(yōu)越性。隨著石腦油蒸汽轉化催化劑的試制成功，缺乏天然氣的國家開

發(fā)了以石腦油為原料的生產方法。

20世記60年代以后，開發(fā)了多種活性好的新型催化劑，能量的回收與利用更趨合理。大型化工

程技術等方面的進展，促進了合成氨工業(yè)的高速度發(fā)展，引起合成氨裝置的重大變革，其主要有幾個方

面：

九、單系列大型化

受高壓設備制做的約束，30世紀50年代以前，氨合成塔單塔最大生產能力為200t。D1,60年代

初期為400t.DL規(guī)模大的氨廠，需要若干個平行的系列裝置。1966年，美國凱洛格（Kell088）公司建

成1000t.D」單系列合成氨裝置。從20世紀60年代中期開始，世界上新建的以氣態(tài)和液態(tài)燒類為原料

的大型氨廠，大都采用單系列的大型裝置。目前世界上最大的合成氨裝置能力為1800t.D\

（二）熱能綜合利用

合成氨為高能耗過程，20世紀60年代以前，以天然氣為原料的合成氨廠，每噸氨耗電lOOOkw.H

左右。隨著裝置的大型化和蒸汽透平驅動的高壓離心式壓縮機研制成功，在工藝設計中把生產產品和生

產動力結合起來，利用系統(tǒng)余熱生產高壓蒸汽，經汽輪機驅動離心式壓縮機泵，乏汽作為工藝蒸汽相加

熱介質，使能耗大大下降，每噸氨耗電僅6kw.H左右。

（三）高度自動化

大型合成氨廠為單系列裝置，設備都是單臺，尺寸較大。20世紀60年代，將全流程控制點的二次儀

表全部集中于主控室顯示并監(jiān)視控制。進入70年代后，計算機技術應用于合成氨生產過程，操作控制上

產生了飛躍。大型合成氨廠基本都采用集散控制系統(tǒng)（簡稱Des）。

五、我國氨合成工業(yè)的發(fā)展：

我國合成氨工業(yè)的發(fā)展是從建設中型氨廠開始的。50年代初，在恢復、擴建老廠的同時，從前蘇

聯(lián)引進三套以煤為原料的年產50kt的合成氨裝置，后又試制成功了高壓往復式壓縮機和氨合成塔。

70年代后，小氮肥廠經歷了原料、擴大生產能力、節(jié)能降耗、以節(jié)能為中心的設備定型化、技術

上臺階等五個階段的改造，部分企業(yè)達到噸氨能耗4L87GJ的水平?，F(xiàn)在，全國有一百多家氮肥廠，1995

年氨產量1619Mt,占全國總產量的58.64%。

我國大型合成氨廠是在70年代中期開始建設的。隨著農業(yè)生產對化肥需求量的日益增長和我國石

油、天然氣資源的大規(guī)模開發(fā)，1973年開始，從美國、荷蘭、日本、法國引進了13套年產300kt合成

氨的成套裝置。其中以天然氣為原料的10套，以石腦油為原料的3套。1978年又引進了3套以重油為

原料、1套以煤為原料的年產300kt合成氨的裝置。

除已建成的二十多套大型合成氨裝置外，考慮到我國是農業(yè)大國，化肥需求量逐年增長，在“九五”

期間將充分利用我國的天然氣和煤炭資源，再建成批大型合成氨裝置，并在一些資源豐富的地區(qū)形成

合成氨生產基地。新建的大、中型合成氨裝置要達到經濟規(guī)模，最小規(guī)模為：以天然氣為原料合成氨年

產量為200-300kt,以煤為原料合成氨年產量為80kt。新建裝置原則上國內自行設計制造，立足于國

產化。

5

六、氨的性質和用途

氨是一種可燃性氣體，自燃點為630"C,故一般較難點燃。氨與空氣或氧的混合物在一定濃度范圍

能夠發(fā)生爆炸，爆炸下限15.7%,上限27.4%。有飽和水蒸氣存在時，氨-空氣混合物的爆炸界限

較窄。

用途：

■用于制造化學肥料如尿素、硝酸鏤、硫酸筱、碳酸氫筱、磷酸錢等。

■作為生產其他化工產品的原料如硝酸、硝酸鹽、筱鹽、氟化物等無機物。

?用來制造胺、磺胺、懵等有機物。

■用于高科技原料如生產甘油等。

■用于制冷劑。

七、健康危害和導致后果

氨對上呼吸道有刺激和腐蝕作用，高濃度時可危及中樞神經系統(tǒng)，還可通三叉神經末梢的反射作用

而引起心臟停博和呼吸停止。急性中毒者出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽等，眼結膜、鼻粘膜、咽部

充血、水腫，胸部x線征象符合支氣管炎或支氣管炎。

中度中毒，出現(xiàn)呼吸困難；嚴重者可發(fā)生中毒性肺水腫，或有呼吸窘迫綜合癥，激烈咳嗽、咯大量血、

休克等。液氨或高濃度氨可致眼灼傷；液氨可致皮膚灼傷。人對氨的嗅覺閾為0.5~lmg/m3,濃度50mg/m^

以上鼻咽部有刺激感和眼部灼痛感，500mg/m3以上短時內即出現(xiàn)強烈刺激癥狀，1500mg/m3以上可危

及生命，3500mg/m3以上可即時死亡。

國家衛(wèi)生標準為30mg/m3。

急救處理原則：

迅速將患者移至空氣新鮮處，合理吸氧，解除支氣管痙攣，維持呼吸、循環(huán)功能，立即用2%硼

酸液或清水徹底沖洗污染的眼或皮膚；為防治肺水腫應臥床休息，保持安靜，根據(jù)病情及早、足量、

短期應用糖皮質激素，在病程中應嚴密觀察以防病情反復，注意窒息或氣胸發(fā)生，預防繼發(fā)感染，

有嚴重喉頭水腫及窒息預兆者宜及早施行氣管切開，對危重病員應進行血氣監(jiān)護。注意眼、皮膚灼

傷的治療。

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上次課復習：

氮的性質和用途

本次課題（或教材章節(jié)題目）：第二章原料氣的制取

第一節(jié)燒類蒸汽轉化法

教學要求：掌握氣態(tài)燒（甲烷）蒸汽轉化法制取合成氨原料氣的原理。

熟悉：熟悉流程的基本組成；工藝條件的分析；主要設備。

了解：兩段轉化的工藝目的。

重點：1、燒類（甲烷）蒸汽轉化制氣方法。

2、氣態(tài)炫蒸汽轉化法的原理、平衡組成、工藝條件、主要設備。

難點：1、氨與空氣或氧的混合物在一定濃度范圍能夠發(fā)生爆炸，有飽和水蒸氣存在時，氨-空氣混

合物的爆炸界限較窄。

2、氣態(tài)燃蒸汽轉化法的原理和工藝條件的制定。

教學手段及教具：多媒體

講授內容及時間分配：

一、燒類蒸汽轉化的原料

二、合成氨對原料氣的要求

三、化學反應及化學平衡

四、影響甲烷蒸汽轉化反應平衡組成的因素

五、反應機理（反應的微觀步驟）

催化劑

七、工藝條件

八、工藝流程

九、主要設備

1簡述氨的性質和用途？

2以氣態(tài)煌為原料制取合成氨原料氣的方法有哪幾種?每種方法的原理和特點是什么？

3銀催化劑在使用之前為什么要進行還原？已還原的銀催化劑若與空氣接觸為何要進行

課后作業(yè)鈍化？

4什么是析炭現(xiàn)象?有何危害?如何防止析炭?發(fā)生析炭后應如何處理？

5甲烷蒸汽轉化為什么要分兩段轉化?二段轉化爐所發(fā)生的主要化學反應有哪些？

6在甲烷蒸汽轉化過程中，確定操作壓力、溫度、水碳比和空速的依據(jù)分別是什么？

《合成氨與甲醇》趙育祥

《合成氨工藝與節(jié)能》張成芳

參考資料《無機化工工藝學（一）合成氨》陳五平

《合成氨工學》第一…--第三卷姜圣階

《尿素生產工藝與操作（中級本）》陳觀平趙元凱

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第二章原料氣的制取

第一節(jié)燒類蒸汽轉化法

一、燒類蒸汽轉化的原料

氣態(tài)烽包括天然氣、油田氣、煉廠氣、焦爐氣及裂化氣等；液態(tài)燒包括原油、輕油和重油。其中

除原油、天然氣和油III氣是地下藥藏的天然礦外，其余皆為石油煉制工業(yè)、煉焦工業(yè)和基本有機合成

工業(yè)的產品。

二、合成氨對原料氣的要求

氫氮比3：1

甲烷含量小于0.5%

有害物質少

三、化學反應及化學平衡

在蒸汽轉化過程中，各種燒類主要進行如下反應：

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

甲烷蒸汽轉化反應:

主反應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.化學平衡

CH+HQ(g).TCO+3H2A/4=206.29kJ?moL(2-1)

1

CO+H2O(g)x==^CO2+H2-41.19kJ?mol-(2-6)

兩反應均為可逆反應，反應的平衡常數(shù)分別為

-T—?-=~~~yxp2

>

ACH4PH2OycoJXHJO

“ACO^H^O^CO^HJO

其平衡常數(shù)與溫度的關系可用下列經驗式表示：

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——轉化溫度，K。

8

四、工藝條件

(1)水碳比：表示轉化操作所用的工藝蒸汽量。在約定條件下，水碳比愈高，甲烷平衡含量愈低。

(2)溫度：燒類蒸汽轉化是吸熱、可逆反應，溫度增加，甲烷平衡含量下降。反應溫度每降低10℃,

甲烷平衡含量約增加1T.3%

(3)壓力：燒類蒸汽轉化為體積增大的可逆反應，增加壓力，甲烷平衡含量也隨之增大。

(4)二段轉化的空氣量：加入空氣量的多少，可從二段爐出口溫度上反映出來，但不能用它來控制爐溫

和出口甲烷含量的手段。因為空氣量加入多少有合成反應的氫氮比決定。

(5)二段出口甲烷含量：二段爐出口殘余甲烷每降低0.1%,合成氨產量可增加1.1-1.4%。一般控制

在020.4%。

五、反應機理(反應的微觀步驟)

在催化劑的表面，甲烷轉化的速度比甲烷分解的速度快的多，中間產物中不會有碳生成。其機理

為在催化劑表面甲烷和水蒸氣解離次甲基成和原子態(tài)氧，在催化劑表面被吸附并互相作用，最后生成

CO、C02和也。

六催化劑

甲烷蒸汽轉化是吸熱、可逆反應，提高溫度對化學平衡和反應速度均有利。但無催化劑存在時，

溫度1000C反應速度還很低。因此，需要采用催化劑以加快反應速度。

由于煌類蒸汽轉化是在高溫下進行的，并存在著析炭問題，因此，除了要求催化劑有高活性和高

強度外，還要求有較好的耐熱性和抗析炭性。

1.催化劑的組成

(1)活性組分和促進劑在元素周期表上第vm族的過渡元素對燒類蒸汽轉化部有活性，但從性能

和經濟上考慮，以銀為最佳。在銀催化劑中，銀以氧化銀形式存在，含量約為4%—30%：使用時還

原成金屬銀。金屬鎂是轉化反應的活性組分，-一般而言，鎂含量高，催化劑的活性高。一段轉化催化

劑要求有較高的活性，良好的抗忻炭性，必要的耐熱性能和機械強度。為了增加催化劑的活性，?段

轉化催化劑中銀含量較高。二段轉化催化劑要求有更高的耐熱性和耐磨性，因此，鎂含量較低。為增

加抗析炭能力加入促進劑，銀催化劑的促進劑有氧化鋁、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈣、氧化銘、氧化釧

和氧化鈦等。

(2)銀催化劑的載體保催化劑中的載體應具有分散和穩(wěn)定活性組分微晶的作用。對蒸汽轉化催

化劑，由于操作溫度很高，銀微晶易于熔解而長大。金屬銀的熔點為1445C,燒類蒸汽轉化溫度都在

熔點溫度的一半以上，分散的銀微晶在這樣高的溫度下很容易互相靠近而熔結。這就要求載體能耐高

溫，并且有較高的機械強度。所以，轉化催化劑的裁體都是熔點在2000C以上的難熔的金屬氧化物或

耐火材料。

2.催化劑的還原

轉化催化劑大都是以氧化銀形式提供的，使用前必須還原成為具有活性的金屑保，反應為

NiO-，-Hj^^Ni+H/Xg)△，；=-1.26kJ,mol-1

工業(yè)生產中，一般都不采用純氧氣還原，而是通入水蒸氣和天然氣的混合物，只要催化劑局部地

方有微弱活性并產生極少量的氫，就可進行還原反應，還原的鎮(zhèn)立即具有催化能力而產生更多的氫。

為使頂部催化劑得到充分還原，也可以在天然氣中配入一些氫氣。

還原了的催化劑不能與氧氣接觸，否則會產生強烈的氧化反應，即

Ni+yO,—NiO-240kJ?mol

9

如果水蒸氣中含有1%的氧氣，就可產生130℃的溫升，氮氣中含1%的氧氣則會造成165℃的

溫升。所以在停車催化劑需氧化時，應嚴格控制載氣中氧的含量，還原態(tài)的銀在高于200℃時不得與

空氣接觸。

3.催化劑的中毒與再生

當原料氣中含有硫化物、碎化物、氯化物等雜質時，都會使催化劑中毒而失去活性。催化劑中毒

分為暫時性中毒和永久性中毒。保催化劑對硫化物十分敏感，不論是無機硫還是有機硫化物都能使催

化劑中毒。硫化氫能與金屬銀作用生成硫化銀而使催化劑失去活性。

原料氣中的有機硫能與氫氣或水蒸氣作用生成硫化氫，而使銀催化劑中毒。中毒后的催化劑可以

用過量蒸汽處理，并使硫化氫含量降到規(guī)定標準以下，催化劑的活性就可以逐漸恢復。為了確保催化

劑的活性和使用壽命，要求原料氣中總硫含量的體積分數(shù)小于。.5X10%氯及其化合物對鎂催化劑

的毒害和琉相似，也是暫時性中毒。碎中毒是不可逆的永久性中毒，微量的碑都會在催化劑上積累而

使催化劑逐漸失去活性。

七、工藝條件

1、溫度:一段爐溫110012001；二段爐溫：800-850V

2、壓力:2~4Mpa

3、水碳比：3~5

4、空氣加入量

防止析碳的原則：

第、應使轉化過程不在熱力學析碳的條件下進行，這就是用量提高到大于理論最小水碳比，是保證

不會使炭黑生成的前提。

第二，選用適宜的催化劑并保持活性良好以避免進入動力學可能析碳區(qū)。對于含有易折碳組分烯煌的

煉廠氣以及石腦油的蒸汽轉化操作，要求催化劑應具有更高的抗析碳能力。

第三，選擇適宜的操作條件，例如：含燒原料的預熱溫度不要太高,當催化劑活性下降時可適當加大水

碳比或減少原料的流量。

第四，檢查轉化管內是否有積碳，可通過觀察管壁顏色，如出現(xiàn)“熱斑、熱帶”、轉化管內阻力增加，

可幫助判斷。

第五，當洗碳較輕時，可采用降壓、減量，提高水碳比的方法除碳。

八、工藝流程

10

九、主要設備

管式反應器結構、特點、用途：

可燃氣體、反應原料都是天然氣；設備設置時考慮熱脹冷縮的問題；預熱氣體回收熱量;

輻射段和對流段的作用：

一段轉化爐:

二段轉化爐:

1)

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上次課復習：

燒類蒸汽轉化法制取原料氣的原理及其特點

本次課題：第二節(jié)固體燃料氣化法

教學要求：掌握固體燃料氣化法生產煤氣的方法、原理，工藝指標的確定原則；間歇

制氣的工藝循環(huán)和工藝特點，知道間歇法制半水煤氣為什么要把一個制氣循環(huán)分成若

干步驟；了解提高制氣效率，減低煤耗的措施。

重點：半水煤氣的制取

難點：半水煤氣生產的特點及其制備過程、安全注意事項

教學手段及教具：

講授內容及時間分配：第三節(jié)半水煤氣的制取

第二節(jié)：固體燃料氣化

一、化學反應

一、概述

二、燃料層的分區(qū)

二、基本概念

三、造氣對煤質的基本要求三、半水煤氣生產的特點

四、煤氣化的基本原理四、制氣過程

（一）、煤的氣化過程

五、氣化效率

（二）、煤氣化的工業(yè)方法

五、氣化爐類型及特點六、工藝條件

七、工藝流程

八、間歇、連續(xù)法造氣對比

九、節(jié)能措施

1.工業(yè)煤氣有哪幾種?組成如何？

2.固體燃料氣化制取合成氨原料氣的方法有那幾種?各有什么特點？

3.間歇法制半水煤氣為什么要把一個制氣循環(huán)分成若干步驟？

4.什么是吹風效率？如何提高吹風效率？

課后作業(yè)5.什么是制氣效率？如何提高制氣效率？

6.簡述評價間歇式制半水煤氣工藝條件優(yōu)劣的原則。對爐溫、料層高度、

循環(huán)時間的分配等幾個工藝條件的選擇進行分析。

7.間歇式制半水煤氣工藝流程的設置原則有哪幾點?對中型廠的UGI流

程與小型廠的節(jié)能型流程的異同點進行比較。

8.煤氣發(fā)生爐的結構如何？

同上

參考資料12

河北科技大學教案用紙

第二節(jié)固體燃料氣化法

一、概述

固體燃料（煤、焦炭或水煤漿）氣化：用氧或含氧氣化劑對固體燃料進行熱加工，使碳轉變?yōu)?/p>

可燃性氣體的過程。氣化所得的可燃氣體稱為煤氣，進行氣化的設備稱為煤氣發(fā)生爐，用來使煤氣

化的氣體稱為氣化劑。

二、基本概念

1、煤的固定碳；固體燃料煤除去灰分、揮發(fā)分、硫分和水分以外，其余的可燃物質稱為固定碳。

2、煤的發(fā)熱值：指1公斤煤在完全燃燒時所放出的熱量。

3、標煤：低位發(fā)熱值為7000kcal/kg的燃料4、空氣煤氣：以空氣作為氣化劑生成的煤氣，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氫氣。

5、混合煤氣（發(fā)生爐煤氣）：以空氣和適量的蒸汽的混合物為氣化劑生成的煤氣，其發(fā)熱量比空氣煤氣

為高。在工業(yè)上這種煤氣一般作燃料用。

6、水煤氣：以蒸汽作為氣化劑而生成的煤氣，其中氫及一氧化碳的含量高在85%以上，而氮含量較

低。

7：半水煤氣：以蒸汽加適量的空氣或富氧空氣同時作為氣化劑所創(chuàng)得的煤氣或適當加有發(fā)生爐煤氣的

水煤氣，其含氮量為21—22%。

?（1-1-1）各曾工生媒氣的姐成

氣9HU體積%

煤氣名稱

%COCO,%CH?*0,

空氣燃氣?0?933.40.66九6。?5一一

水燃氣50.037.36.55?50?30.20.2

混合就氣11.027.56.056.00.30.2一

平水燥，S7.033.36.622.40.30.20.2

三、氣化對煤質的基本要求

（1）保持高溫和高氣化劑流速

（2）使燃料層各處同一截面的氣流速度和溫度分布均勻。

1水分：＜5%

2揮發(fā)份：＜6%

氣化揮發(fā)分較高的燃料所制得的煤氣中甲烷含量也高.如果制得的煤氣作燃料用，則增高甲烷含

量能提高煤氣熱值；制得的煤氣作合成氨原料氣，則甲烷為惰性氣它不僅增加動力和燃料消耗，而且

降低爐子的制氣能力。所以在固定層煤氣發(fā)生爐中，用于制取合成氨原料氣的燃料，要求其揮發(fā)分以

不超過6%為宜。

3灰份：15-20%

灰分主要組分為二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂等無機物質。這些物質的含量對灰

熔點有決定性影響。

各種煤的灰分含量，低的約為5%,高的可達30%以上。焦炭中的灰分含量隨原煤中灰分含量而

定?；曳指叩娜剂?，不僅增加運輸費用，而且使氣化條件變得復雜化。當灰分過高時，在氣化過程中

由于部分碳表面為灰分所覆蓋（特別是塊狀燃料），減小氣化劑與碳表面的接觸面積，因而降低了燃料

的反應活性。隨灰渣排出的碳量增加，使熱效率降低。

4硫分：＜1.5g/m^

煤中的硫分在氣化過程中，轉化為含硫的氣體，不僅對金屬有腐蝕作用，而且會使催化劑中毒。

5灰熔點:＞1250℃

6機械強度和熱穩(wěn)定性

機械強度是指它的抗破碎力。煤的機械強度決定于煤的巖相組成、礦物質的含量、分布及碳化的

程度。機械強度很差的燃料，在運輸、破碎過程中甚至在進入固定層煤氣發(fā)生爐后，易于破裂而生成

13

很多不能用于氣化的煤屑，這不僅增大原煤的消耗和造氣成本，增加處理煤屑的困難，而且還會影響

氣化過程的正常進行。

燃料的熱穩(wěn)定性是指燃料在受高溫后粉碎的程度。不同氣化方法，對燃料熱穩(wěn)定性有不同的要求。

熱穩(wěn)定性差的燃料，在氣化過程中易于碎裂，產生的大量粉塵及微粒，將被氣流諾走或堵塞爐膛管這

使燃料層阻力增大，過多消耗動力，甚至影響制氣產量。

7燃料的成渣性能

燃料的成渣性能是指燃料在氣化時是否易于燒結成渣。易于成波的燃料在用于燃燒和氣化而受到

高溫時，容易軟化熔融而生成蓄渣塊，使排灰和氣化劑的均勻分布發(fā)生困難，以致不得不降溫操作，

從而導致氣體質量和產量下降。一般認為，在灰分中的氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂和氧化亞鐵的含量越

多，越易結渣；合氧化鋁和二氧化硅越多，則熔點較高不易結渣。

8粘結性

粘結性是煤在高溫下干儲粘結的性能。對煉焦來說，煤具有粘結性是十分需要的；但是對制造煤

氣來說，不宜采用黏結性的煤。因為在氣化過程中煤粒相互粘結后，生成焦拱，破壞燃料層的透氣性，

妨礙氣化劑的均勻分機傻氣化操作難以正常進行。

9燃料粒度25—100mm

入爐燃料粒度大小和粒度范圍，影晌氣化時的質交換和熱交換條件。

粒度小的燃料，反應表面大，有利于氣化反應，但是會使氣化劑通過燃料層時的阻力增大，并限

制氣化劑的最大流速（因為氣化劑流速應在帶出燃料量的允許范圍以內）。粒度范圍大，易產生小粒填

充大粒間隙的現(xiàn)象，使燃料層阻力增大。同時還會使加料入爐時大粒偏布爐壁，小粒集中中央，產生

所謂“偏析”現(xiàn)象，影響氣流分布。

一般在制取水煤氣或半水煤氣的固定層煤氣發(fā)生爐中所用的燃料采取分級過篩，粒度分為25-

lOOmni和10―40mm兩種，可較粒度大小混燒的提高制氣能力。發(fā)生爐煤氣爐中用的燃料可在5—25mm。

四、煤氣化的基本原理

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

C+H2O=CO+H2—Q

煤氣化的工業(yè)方法：蓄熱法：中小氮肥使用的方法

干?區(qū)

富氧法：較節(jié)約和有發(fā)展前途的方法江星僅

蓄熱法：若能充分利用太陽能最理想化

X化區(qū)

五、氣化爐結構和燃料層的分區(qū)

區(qū)域區(qū)域名稱用途及進行過程化學反應

1灰渣層分配氣化劑，防止爐篦超溫。

借灰渣的顯熱預熱氣化劑

II氧化區(qū)碳被氣化劑中的氧氧化成C+O2=CO2

（燃燒區(qū)）CO、CO2,并放出熱量2C+O2=2CO

III還原區(qū)CO2還原成CO,或蒸汽分解C+CO2=2CO

為氫；原料被氣體預熱C+H2O=CO+H2

C+2H2O=CO2+2H2

CO+H2O=CO2+H2

IV干干區(qū)原料依靠氣體換熱進行熱分

解，并析出下列物質：水分、

揮發(fā)分、焦油

V干燥區(qū)依靠氣體的顯熱，來蒸發(fā)原料

中的水分

VI空間起積聚煤氣的作用

14

第三節(jié)半水煤氣的制取

一、化學反應固體燃料的氣化主要是碳與氧的反應和碳與蒸汽的反應，這兩個反應稱為固體燃料的氣

化反應。

以空氣為氣化劑的反應:

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以蒸汽為氣化劑的反應:

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、燃料層的分區(qū)

無論從那一種理論出發(fā)，在固定層煤氣發(fā)生爐中，我們都可以認為在氧化區(qū)中存在著大量的二氧

比碳與一氧化碳。為了制取發(fā)生爐煤氣那就必須將這些二氧化碳還原為--氧化碳，并且就在還原區(qū)中

進行。所以還原區(qū)是煤氣發(fā)生爐中燃料層的最重要的區(qū)域，而反應682=28則為空氣煤氣生成過

程中的基本反應。該反應基本上決定了所制出氣體質量和氣化強度。此反應在高溫800以上以顯著的

速度進行；在低溫下反應速度不大，幾乎等于零。絕大多數(shù)研究者得出結論，C+C02=2C0的反應是復

雜的多相過程，并且是通過以下四步過程進行的：

第一階段

CO2+C=^=^CO2+<6

《哌附》

第二階段

（吸附）

第三階段

（CxOy）—>1100+p（C）

（吸附）

也可能是由于氣相中二氧化碳的作用：

（CQ，）+CO2―>mC0+g（C）

（吸附）

第四階段一中間化合物分解成的CO（吸附）I

C0—（C）+CO

（吸附）

三、半水煤氣的特點

分別以空氣和蒸汽為氣化劑制得空氣煤氣和水煤氣混

合，得到半水煤氣，其中一氧化碳含量大于30%,二氧

化碳含量應小于8%,氧含量小于0.5%。

15

四制氣過程

工作循環(huán)：間歇式氣化時，自上一次開始送入空氣至下一次再送入空氣止，稱為一個工作循環(huán)。

1.吹風：吹入空氣，提高燃料層溫度，回收顯熱和潛熱后吹風氣放空。

2.蒸汽一次上吹制氣：自下而上送入水恭汽進行氣化反應，燃料層上部溫度升高，下部降低。

3.蒸汽下吹：水蒸汽自上而下進行氣化反應，使燃料層溫度趨于均衡。

4.二次上吹制氣：將爐底部下吹煤氣排凈，為吹入空氣作準備。

5.空氣吹凈：回收此部分吹風氣，作為半水煤氣中氮的主要來源。間歇式制氣工作循環(huán)中各階段氣體

的流向如圖

五氣化效率間歇式制造半水煤氣的過程中，吹風階段的效率稱為吹風效率，制氣階段的效率稱

為制氣效率，吹風效率與制氣效率綜合起來稱為氣化過程的總效率。

1.吹風效率

吹風效率是指積蓄于燃料層中的熱量與吹風階段消耗燃料煤的熱值之比。若不考慮煤氣發(fā)生爐的

熱損失，積蓄于燃料層中的熱雖應等于吹風階段反應放出的熱量與吹風氣的烙值之差，因此吹風效率

可用下式表示

tnIin?/Ir

2.制氣效率

制氣效率是指制氣階段所產煤氣的熱值與制氣階段消耗燃料煤的熱值、入爐蒸汽的熔值及吹風時

積蓄于燃料層中可以利用的熱量三者之和之比，可用下式表示

?=_V"H"

H素+Q和電

3.氣化總效率

氣化總效率是指氣化過程制得半水煤氣的熱值與氣化過程所消耗燃料煤的熱值和入爐蒸汽燃值的

和之比

VH

'（四+神）兒十“燕

隨著燃料層溫度上升，吹風氣溫度上升.二氧化碳含量下降,

吹風效率下降，但制氣效率上升。所以溫度對吹風效率和制氣效

率有著不同的影響。在800-850C時總效率最高。

六工藝條件

1、燃料層的溫度一般發(fā)生爐內燃料層的最高溫度根據(jù)燃料性質不

同而控制在。如果影響發(fā)生爐燃料層溫度的各因素

1000-1200CairZSSC

——燃料層高度、燃料質量、粒度、蒸汽一氧比、氣化強度等為B(I-M)冊

一定時，爐子出口氣體溫度對以穩(wěn)定在一定范圍內。但在爐內發(fā)

搦分M*加，

生變化時，爐子出口溫度即會產生被動。這時，伴隨著出口氣體4—SftS&iSS!A腦依"

成分的變化.氣體產率和質量也會有所變化。觀察燃料層溫度的

分布相沿爐膛截面的溫度均勻與否，除了用儀表測量爐上爐下的

溫度叭往往還采用試火棍的方法，觀察燃料層沿爐膛縱向及橫向的分布,并繪成所謂火層圖來了解爐

內火層的分布情況。

2、蒸汽用量

入爐氣化劑中加入蒸汽不僅是降低燃料層溫度，不使過熱結渣，同時也能把蒸汽分解而生成氫。

但是，加入蒸汽過多，除了會降低氣體質量（即發(fā)生爐煤氣中無效的二氧化碳增加）外，還會使氣化區(qū)溫

度降低，降低蒸汽分解率、熱效率和氣化強度。為了使入爐氣化劑混合均勻，一般在入爐前即將蒸汽

與空氣混合。由于在一定溫度下空氣已經飽和了蒸汽，故一般都根據(jù)混合氣的飽和溫度來調節(jié)加入爐

的蒸汽量。

16

隨著蒸汽消耗量的增加，被分解的蒸汽絕對量也在上升但蒸汽分解率及氣體熱值卻不斷下降，一

氧化碳也在下降，氫卻有所上升。這表明：（1）隨著蒸汽單位消耗量的增大，燃料層溫度和蒸汽分解率

均下降；（2）隨著蒸汽單位消耗量的增大，減少了水煤氣向生成一氧化碳方向的反應，因而降低了氣體

熱值，稍稍增高了氫的含量。從圖中可以看出，在蒸汽單位消耗量大于。.6公斤/公斤碳后，氣體熱

值和分解率曲線下降坡度轉快。因此，在這種氣化強度下，用這種燃料制取發(fā)生爐煤氣時，除非為了

避免結渣，否則不希望超過此值。

對進入氣化層的有效碳來說，適宜的蒸汽單位消耗量與燃料特性、氣化強度和爐篦結構形式有關。

灰熔點高，操作溫度和蒸汽分解率可以相應提高，因而蒸汽單位消耗量可以降低。化學活性高，在同

樣溫度下蒸汽分解率高反應吸熱多，因而蒸汽單位消耗量也可以降低一些。

3吹風速度：提高吹風速度，氧化層反應加速，且使二氧化碳在還原層停留時間減少，吹風氣中CO含

量降低，從而減少了熱損失。但風量過大將導致飛灰增加，燃料損失加大，甚至燃料層出現(xiàn)風洞以致

被吹翻，造成氣化條件嚴重惡化。

4碳層高度：制氣階段，碳層高度的增加，蒸汽分解率增加，吹風階段，隨碳層高度的增加停留時間

y

延長，二氧1（上砂增力口。

5系統(tǒng)阻力：阻力來自碳層高度和系統(tǒng)管徑及彎頭數(shù)量、洗氣塔液位。阻力大，電耗高，制氣強度差。

6氣體組成：氧含量小于0.5%,

甲烷含量小于0.5-1.0%,

（H2+C0）/N2=3.1-3.2

硫化氫越低越好。

七工業(yè)方法和工藝流程

等K

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09（I-2-IS）制造畢水燃氣的近和a米發(fā)生爐系sfcifc和圖L2Y4造氣系統(tǒng)工藝漉程圖

1—紛化2-*籍*，2—*7紀.出

■汽?沖.；2一汽也；II氣爐；4一下行舞塵5一上行霾塵.；

6—廢熱舊爐；7一虢氣■:8一洗氣用：9—flflB：10—

八間歇、連續(xù)法造氣對比

間歇連續(xù)備注

造氣炭層溫大小

度

煤種窄寬

熱損高低

設備利用率高低

維修工作量大小

對環(huán)境污染大小

噪聲大小

17

九節(jié)能措施

1降低造氣過程的熱量損失

（一）、降低吹風氣中可燃性氣體含量，減少吹風熱損失，

（二）、提高蒸汽分解率減少制氣顯熱損失，

（三）、控制較低的爐頂溫度，減少吹風熱損失和制氣顯熱損失,

（四）、降低爐渣中殘?zhí)亢亢惋w屑量，減少其小完全燃燒損失,

（五）、減少散熱損失。

2造氣系統(tǒng)降低原料煤單耗的措施

（一）、堅持高爐溫操作

（~）加大吹風過程的空氣流速

（三）、及時處理爐況，保證氣流分布均勻

（四）、提高入爐煤質量，做到配煤入爐'

（五）、加強回收利用，減少跑冒滴漏

3降低蒸汽消耗的措施

（一）合理調節(jié)入護蒸汽流量，

（二）、采用過熱蒸汽制氣，防止蒸汽帶水入爐

（三）、原料煤的性質和碳層厚度

18

河北科技大學教案用紙

上次課復習：

煤氣化反應原理

固定床反應制氣的特點

能量回收

本次課題：第三章硫化物的脫除

教學要求：了解脫硫的目的和意義；脫硫方法的選擇；濕法脫硫的原理。

重點：脫硫方法的選擇與對比

難點：堿法脫硫的原理及工藝指標的確定

教學手段及教具：

講授內容及時間分配：

第一節(jié)粉塵的清除及脫除方法

第二節(jié)原料氣的脫硫

一、硫化物的來源及存在形式

二、脫硫的目的

三、濕式氧化法脫硫的基本原理

第三節(jié)氨水液相催化法

第四節(jié)榨膠脫硫

一、榜膠液的制備

二、楮膠脫硫脫硫機理

三、榜膠法脫硫主要指標

第五節(jié)NHD脫硫

第六節(jié)干法脫硫

1合成氨原料氣為何要脫硫?脫硫方法有幾類？

3.氧化鋅法脫硫的原理是什么？其硫容的大小受到哪些因素的影響？