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一．煤气化简介 煤炭气化是煤炭转化的主要途径之一。气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或焦炭为原料，以氧气（空气﹑富氧或工业纯氧）﹑水蒸气或氢气为气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时得到的可燃性气体成为煤气，进行气化的设备称之为煤气化发生炉。 发生炉煤气根据所采用气化剂的不同可分为 ① 空气煤气，以空气为气化剂，煤气主要成分是一氧化碳和氮气。 ② 水煤气，以水蒸汽为气化剂，采用空气和水蒸气分阶段吹入发生炉而得到，煤气主要成分是一氧化碳和氢气。 ③ 混合发生炉煤气，以空气和水蒸气混合气体为气化剂生产煤气，煤气主要成分是一氧化碳和氢气，还含有大量氮气，混合发生炉煤气克服了空气煤气和水煤气的气化效率低和能耗高的缺点，因而广泛应用于工业生产。本公司开发的煤气发生炉为混合发生炉。 二. 技术指标 1、气化系统反应器尺寸内径为50mm ，长1.2m ，采用2520不锈钢管制成；反应器外部有加热炉，三段加热，每段3KW ，总热功率为9KW ； 2、空气预热器内径为280mm ，长450mm ，加热功率为3KW ； 3、水蒸气发生器加热功率6KW ，最大蒸发量8kg/h； 4、吸收塔内径50mm ，塔高1.2m ，内装46mm 玻璃螺旋填料； 5、反应系统反应器尺寸内径38mm ，长1m ；加热炉为三段电加热，每段加热功率为1.5KW ； 6、本设备含有一台美国科学器材公司生产的SS Ⅱ型平流泵； 7、本设备配备湿式气柜1M 一个及0.5M 储气罐一个。 33 三. 制气原理 将煤加入到反应炉中，通入空气和水蒸气，在常压下炉内同时发生碳与氧﹑碳与水蒸气的反应。由于碳与氧反应生成一氧化碳的反应是放热反应，而碳与水蒸气的反应为吸热反应，因此，理想的制取，煤气的过程是两个反应同时发生，碳氧化放出的热量用于水蒸气汽化热源，以此实现煤的气化。 1. 理论发生炉煤气 理想发生炉煤气的基本反应，理论上制取发生炉煤气是按下列两个反应进行 2C O 23. 76N 22CO 3. 76N 2∆H -246. 3MJ /kmol H 2O C CO H 2∆H 118. 8MJ /kmol 理想发生炉煤气的组成决定于这两个反应的热平 衡条件，即放热反应的热效应与吸热反应的热效应平衡等。为了达到这个目的，每2Kmol 碳与空气起反应时，与水蒸气起反应的碳应为246.3/118.82.07Kmol。因此满足热平衡时的方程式为 2C O 23. 76N 22CO 3. 76N 2∆H -246. 3MJ /kmol 2. 07H 2O 2. 07C 2. 07CO 2. 07H 2∆H 246. 3MJ /kmol 则其综合反应式为 4. 07C O 22. 07H 2O 3. 76N 24. 07CO 2. 07H 23. 76N 2 由上式得出，4.07kmol 碳与水蒸气空气混合物相互作用，在理论上产生的煤气量为4.072.073.769.9kmol。 理想发生炉煤气的几项指标煤气组成（体积分数）为CO 41.1、H 2 20.9、N 2 38.0。 2. 实际发生炉煤气 实际气化过程并非理想情况，无法满足上述假设条件，因为 ① 气化原料是煤或焦炭而不是纯碳，含有水分、挥发组分及灰分等，气化后不可能都转化成CO ；另外还存在副反应CO H 2O CO 2H 2。 ② 气化剂量也比按化学方程式计算量要高，气 化反应也不能进行到平衡，碳不可能完全气化，CO 2也不完全还原。 ③ 气化工程不可避免有热损失，此外实际生产过程中尚存在干馏过程，产生的干馏煤气混入发生炉煤气中。 因此，实际发生炉煤气与理想发生炉煤气有差别。实际发生炉煤气中有CO 2、水蒸气和CH 4等烃类，N 2比例在煤气中也多，而CO 和H 2含量要比理想的少。热值比理想的低。 四. 装置流程及面板布置图 1. 装置流程图 2. 面板布置图 移动床巡检测温移动床上段控温吸收塔塔顶测压固定床1上段控温预热1控温 移动床测压移动床中段控温吸收塔顶釜测温固定床1中段控温预热2控温 空气进口测压移动床下段控温吸收塔塔釜差压 固定床1下段控温巡检测温 蒸汽炉控温空气预热控温气液分离出口测压 固定床2上段控温固定床1测压 保温控温 固定床2中段控温固定床2测压 循环泵调速加液泵调速 固定床2下段控温 蒸汽流量 开 开 关 固定床1上段控温 固定床1中段控温 固定床1下段控温 预热1 控温 预热2 控温 巡检 测温 关 移动床 移动床 空气进口 蒸汽炉 蒸汽炉 吸收塔 吸收塔 吸收塔气液分离巡检测温 测压 测压 控温 流量塔顶测压顶釜测温塔釜差压出口测压 固定床2上段控温 固定床2 固定床2 中段控温 下段控温 固定床1 测压 固定床2 测压 移动床 移动床 移动床 空气预热 控温上段控温中段控温下段控温保温 控温 循环泵加液泵抽气泵天津大学北洋化工实验设备公司 天津大学北洋化工实验设备公司 五. 实验步骤 1. 实验准备原料是煤，先将煤块通过粉碎机，使之粉碎为120目左右的煤粉（要求达到实验用量），做成煤粒还要添加一些物料，成分组成为12淀粉、1.5K2CO 3、1.5CaCO3、85煤粉，先将淀粉用热水打成糊状，然后加入如上比例的配料及煤粉，和成面团后用成丸机成丸，再由烘箱烘干即成煤粒（粉碎机和成丸机的使用请参阅该机说明书）。 2. 设备试漏用空气打压到0.1Mpa 左右，用肥皂水涂抹各管道接口，看是否有漏气点，如有漏气接点，及时处理（注意试漏前玻璃容器接点处用无孔垫安装）。 3. 分析准备因本套煤气化设备分析的主要成分是一氧化碳和二氧化碳及氮气和氢气，色谱柱是气体分析专用，绝对不能测试液体，此柱失活比较快，所以在使用一段时间后要将柱温加到200℃活化色谱柱3-4小时，以保证气体的分析结果准确。 4. 实验步骤 ① 加料将做好的煤粒加入到W101煤粉粒计量瓶中，煤粒将随之下降，到达M101煤粒排料器（开始会有一些煤粒掉到V101灰收集瓶中），待煤粒加到计 量瓶上口时停止加料，盖上计量瓶上口旋塞盖。 ② 向R101蒸气发生器中加入水，水位由液位计观察，要求加到液位计快满为止。向V202吸收剂罐中加入低浓度氨水或低浓度碱溶液。 ③ 根据流程图检查流程，所有气体流过的地方要求是通路，检查电路及传感器是否有断路或脱落的地方。 ④ 开始接通总电源，当使用空气和水蒸气做为气化剂时，调节氮气进气量为30L/min,打开各段加热开关，设置初始加热温度，气化炉上段设为500℃，气化炉中段和下段设为850℃（温度可根据实际使用的煤粒组成决定）；当使用氮气和水蒸气做为气化剂时，调节氮气进气量为5L/min,打开各段加热开关，设置初始加热温度，气化炉上段设为800℃，气化炉中段和下段设为950℃空气预热设置为200℃，保温设为100℃, 蒸汽发生器设置为90℃；先将进入P203抽气泵的入口软管断开放到窗外。 ⑤ 煤气炉加热后一定要开启冷却水。 ⑥ 尾气吸收系统主要是吸收产生的气体中的一部分酸和焦油。开启尾气吸收系统，先将一定量的吸收液通过P202齿轮泵加入到T201吸收塔中，在不断加入液体的同时，可以看到吸收塔的釜压差传感器读 数增加，设置好排料压差，打开吸收塔P201循环泵，调节变频器使之流量为200ml/min。 ⑦ 待煤气化炉测温达到设置温度时，调整蒸气控温到108度（具体温度以实际使用情况为准），使水蒸气马上进入煤粒床层发生反应。同时进行气体组成测定，由R202脱氧剂后的取样口取样，如有一氧化碳产生，立即打开P203抽气泵，同时接通抽气泵入口软管，使产生的煤气进入到气包中保存，当测定煤气中没有一氧化碳了，立即关掉抽气泵电源开关，把入口软管放到窗外，这时说明煤粒已燃烧充分，通过M101排料器排掉一部分燃烧后的煤灰粒，新煤粒又到达了燃烧位置，如此循环操作，最终收集满后可以进行下一变换反应。 ⑧ 再制造煤气时要时刻观察水蒸气水位的变化、旋风分离器产生的废料、气液分离器的水位、吸收液的水位，水位低时一定要加水，蒸汽发生炉的水位不能低于发生器的加热棒，收集器内的水要及时外排。 ⑨ 做好实验数据的记录。 ⑩ 当气包中有一定量煤气时，变换反应就可以开始了，先使R301A 和R301B 固定床升温，温度可控制在180-300℃之间，待温度到达预定温度时开启气 源阀门，调节进气流量和进水流量，进气流量可控制在3-5L 之间，进水流量可控制在20-40ml 之间，测量入口的气体含量，再测定出口的气体含量。 停车时，降温，停水停电，注意最后关掉总电源。 附升温与温度控制 温度控制仪的参数较多，不能任意改变，因此在控制方法上必须详细阅读控温仪表说明书后才能进行。升温时要将仪表参数Oph 控制在40-50，此时加热仅以40-50的强度进行，电流值不大，以后可根据需要提高或降低该值。以防止过度加热，而热量不能及时传给反应器则造成炉丝烧毁。控温仪表的使用应仔细阅读AI 人工智能工业调节器的使用说明书，没有阅读 该使用说明书的人，不能随意改动仪表的参数，否则仪表不能正常进行温度控制。 注意 反应器温度控制是靠插在加热炉内的热电偶感知其温度后传送给仪表去执行的，它紧靠加热炉丝，其值要比反应器内高，反应器的测温热偶是插在反应器的催化剂床层内，故给定值必须微微高些指吸热反应 。预热器的热电偶直接插在预热器内，用此温度控温, 温度不要太高，对液体进料来说能使它气化既可。也可不安装预热器而直接将物料进入反应器顶部，因 为反应器有很长的加热段，起预热作用。值得注意的是在操作中给定电流不能过大，过大会造成加热炉丝的热量来不及传给反应器，因过热而烧毁炉丝 当改变流速时床内温度要改变的，故调节温度一定要在固定的流速下进行。 5. 分析气体组成 a 注射器取样进样分析 ① 氮气测定色谱安装5A 分子筛柱，用氢气做载气，柱温、检测器、汽化器温度均为室温，TCD 电流为100mA ，柱前压设定在0.1Mpa ，进气量为40-60ml 。 ② 一氧化碳和二氧化碳测定色谱安装TDX-01碳分子筛柱，用氢气做载气，柱温、检测器、汽化器温度均为100℃，TCD 电流为100mA ，柱前压设定在0.1Mpa ，进气量为40-60ml 。 ③ 变换反应进出口气体测定色谱安装TDX-01碳分子筛柱，用氢气做载气，柱温、检测器、汽化器温度均为100℃，TCD 电流为100mA ，柱前压设定在0.1Mpa ，进气量为40-60ml 。 b 六通阀取样进样分析 ① 六通阀进行在线取样分析时，要先将六通阀与色谱连接好。 ② 取样时，将六通阀转到取样位置，维持一秒钟左右，再将六通阀转回到进样位置，同时启动色谱工作站，即可。 六. 实验数据和测试结果 1. 当同时通入空气和水蒸气，气化炉内温度930度，色谱分析条件色谱柱为TDX-01碳分子筛填充柱，柱长2m ，柱前压0.1Mpa ，柱箱、汽化室、检测器均为100℃，TCD 电流调节为100mA ，进样量为40ml 时，色谱分析图如下 ─────────────────────────── 序号 保留时间 名称 峰面积 峰面积 ─────────────────────────── 1 0.596 氮气 94.22 227262 2 0.991 一氧化碳 5.778 13937 ─────────────────────────── 总计 100 241199 2. 当同时通入空气和水蒸气，气化炉内温度990度，色谱分析条件色谱柱为TDX-01碳分子筛填充柱，柱长2m ，柱前压0.1Mpa ，柱箱、汽化室、检测器均为100℃，TCD 电流调节为100mA ，进样量为40ml 时，色谱分析图如下 ─────────────────────────── 序号 保留时间 名称 峰面积 峰面积 ─────────────────────────── 1 0.690 氮气 84.26 203087 2 1.117 一氧化碳 15.74 37949 ─────────────────────────── 总计 100 241036 3. 当通入氮气和水蒸气时，气化炉内温度920度，色谱分析条件色谱柱为TDX-01碳分子筛填充柱，柱长2m ，柱前压0.1Mpa ，柱箱、汽化室、检测器均为100℃，TCD 电流调节为100mA ，进样量为40ml 时，色谱分析图如下 ───────────────────────────── 序号 保留时间 名称 峰面积 峰面积 ───────────────────────────── 1 0.520 氮气 45.95 72274 2 0.703 一氧化碳 17.79 27973 3 1.757 1.572 2472 4 3.606 二氧化碳 34.7 54567 ───────────────────────────── 总计 100 157286 4. 当同时通入空气和水蒸气，气化炉内温度850度，色谱分析条件色谱柱为5A 分子筛填充柱，柱长2m ，柱前压0.1Mpa ，柱箱、汽化室、检测器均为室温，TCD 电流调节为100mA ，进样量为40ml 时，色谱分析图如下 ─────────────────────────── 序号 保留时间 名称 峰面积 峰面积 ─────────────────────────── 1 0.244 1.828 4264 2 0.400 94.73 220983 3 1.266 3.435 8014 ─────────────────────────── 总计 100 233261 七. 注意事项 1. 升温操作一定要有耐心，不能忽高忽低乱改乱动； 2. 流量的调节要随时观察及时调节，否则温度也不容易稳定； 3. 不使用时，应将装置放在干燥通风的地方 4. 预热炉和反应炉如果再次使用，一定 在低电流下通电加热一段时间以除去加热炉保温材料吸附的水分。 5. 每次试验后一定要将气液分离器的液体放净。 6. 要经常检查除油装置及脱硫、脱氧装置内的填 装物，如发现 已经失活要及时更换。 7. 要随时检查各个储液罐内的水位，如发现液体 过少要及时补充。 8.由于本实验设备产物为CO 和H 2，所以实验现场 一定要确保通风良好，并且严禁使用明火。 9. 在实验设备开启过程中，实验现场一定要有专 人负责，无人时实验设备禁止开启。 10. 在使用实验设备的各个仪表之前一定要详细 阅读使用说明书，禁止无关人员开启本设备。 八. 故障处理 1、开启电源开关指示灯不亮，并且没有交流接触器吸合声，则保险坏或电源线没有接好。 2、开启仪表各开关时指示灯不亮，并且没有继电器吸合声，则分保险坏或接线有脱落的地方。 3、开启电源开关有强烈的交流震动声，则是接触器接触不良，应反复按动开关可消除。 4、控温仪表、显示仪表出现四位数字，则告知热电偶有断路现象。 5、反应系统压力突然下降，则有大泄露点, 应停车检查。 6、电路时通时断，有接触不良的地方。 7、压力增高，尾气流量减少，系统有堵塞的地方，应停车检查。 8、转子流量计没有示数，说明管路有堵塞的地方， 应停车检查。 9、当摇动移动床放料阀时，如果不下料，应轻轻 震动移动床的外壁；如果仍然不下料，应当停车， 待温度降为常温后，检查放料阀内的搅动棒是否脱 落，如脱落，将其重新装好即可。 10、如果发现吸收塔塔釜液位下降速度过快，则有 可能吸收塔出现液泛现象，此时应停止循环泵及加 液泵，加大产气量，当发现塔釜内液位上升时，即 证明吸收塔内液泛现象已解决，可重新开启循环泵 及加液泵，并将产气量调节到初始值。 11、如果发现循环泵或加液泵不进液时，应检查泵 头前的过滤器，查看过滤器内部的丝网是否堵塞， 将丝网清理干净重新装回到过滤器内即可。 12、如若发现移动床测温热偶温度远远高于所给定 的控制温度时，可能移动床内部的煤颗粒已经燃 烧，此时可摇动移动床底部的放料阀，将已经充分 燃烧的煤颗粒排除即可。 21
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