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1、第一章 基础知识与气化原理随着我国经济的不断发展，对能源的充分利用和环境保护工作逐步提高到较高境界。在我们冶金行业中，混合发生炉煤气已经得到了广泛的使用。要保证煤气设施的安全、经济、稳定顺行，就必须熟悉和了解有关煤气的生产和使用方面的知识，本章简要介绍与煤气发生炉有关的几个方面的基础知识。第一节 基础知识一、温度（一）温度的概念。物质的热与冷，用分子运动学解释是由于分子的平均运动速度快与慢，或者说分子平均动能大与小的原因引起的。物体的热与冷的特性用一个量去衡量，这个量就是温度。温度是标志物体冷热程度的参数。我们常用的测量温度的标准尺度为摄氏温标,用表示。（二）温度表示法。摄氏温标又名国际百度温

2、标，它规定纯水在一个标准大气压下，开始结冰的温度为0，而纯水沸腾时的温度为100。在0100之间百等分，每等分为1。零以上为正值，零以下为负值，或称为零上几度或零下几度。在实际使用中，为保证设备、人身的安全，保证设备的顺行，通过对温度参数的控制来达到较理想的运行状态，满足安全生产的要求。例如，控制煤气的炉出温度400550，气化剂的温度4565，生产中工业加热炉炉温等。二、压力（一）压力的基本概念。单位面积上所受的垂直力称为压力强度，即压强。我们平时习惯把压强称为压力，其公式：pfs 式中：p压强 f垂直力 s受力面积。用分子运动学解释压力概念，由于存在容器内的流体分子不断地运动，对容器的壁产

3、生撞击，在单位面积中所受的垂直的撞击力就是压力，压力的大小与撞击时力的大小和单位面积内撞击的次数有关，若撞击力大，撞击次数多，压力就高，若撞击力小和撞击次数少压力就低。影响气体压力大小的因素，一是气体的压缩程度：一定体积的气体，充满不同体积的容器，气体的压力便发生变化，压缩程度较大，压力较大，反之较小。二是压力和温度有关：同体积的气体，温度较高，分子运动加剧，碰撞次数增多，压力增大,反之,压力减小.如果气体分子间的作用力忽略不计，压力与分子的数量和分子的平均动能成正比。（二）压力的表示法1用单位面积上所受的力表示一般常用的标准表示压力的单位是帕斯卡（pa），千帕（kpa），兆帕（mpa）。国内

4、公制压力表示为：公斤厘米2（kg/cm2），称为1工程大气压；帕斯卡与公斤厘米2间的换算关系：1kg/cm20.9807105pa98.07kpa0.09807mpa0.1 mpa2液柱表示法液柱表示法是用盛有某种液体的玻璃管的垂直液面高度来表示压力。常用液体一般为蒸馏水或水银，其液面的垂直高度，即表示压力的大。ノ挥胢m水柱和mm水银柱高表示，单位换算关系是：1工程大气压1kg/cm210000mm水柱高（10m水柱高）735.6mm水银柱高3标准大气压国际规定标准大气压为760mmhg柱高，但由于地理位置、气候和海拔高度的差异，当地的标准大气压有一定差异，理论精确计算时，要依当地、当时的

5、大气压力为标准。（三）表压力、绝对压力、负压力和真空度表压力：是容器中气体的实际压力与外界大气压力之差，用pb表示。实际中从表上读取均为表压力。绝对压力：是表压力与大气压力之和，用p表示。负压力：是容器中的压力低于外界大气压力时一种表压力（pb）。真空度：是容器中负压值与外界大气压的百分比。真空度（pbb）100（b标准大气压）各压力间的关系可用图1-1表示ppb（正压）bpb（负压）p图1-1 压力关系示意图正压状态：pbpb负压状态：pbpb三、气体的密度与比容单位容积内所含物质的质量称为密度。用表示mv 式中：m质量 v体积密度的倒数为气体的比容，用表示1vm比容也是基本状态参数，要与压

6、力、温度两个状态参数一起可以决定气体所处的状态。一个标准大气压 温度20时，常见物质密度。 表1-1 常见物质密度表 （g/cm3）名称铝汞铁铜银金石棉水酒精密度2.713.67.878.9310.519.320.810.79名称o2空气干煤气湿煤气饱和蒸汽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、热量热量是表示物体吸热或放热多少的物理量。高温物质和低温物质接触，就要产生冷热交换的现象，交换过程中就是热量的交换，热量交换的程度，用温度值来体现。热量

7、的单位用卡来表示；一卡的热量是指1克纯水温度升高1度吸收的热量。国际单位为焦耳或千焦耳热量单位，卡与焦耳的关系式是：1卡4.1816焦耳1千卡4.1816千焦耳五、煤气的流速及流量（一） 气的流速：单位时间内煤气在管路中流动通过的距离，用v表示 vms 式中：m距离（米） s时间（秒）（二）煤气的流量：单位时间内通过某一不变管径截面的煤气体积, 用q表示qls 式中：l体积（米3） s时间（秒）理论上管路中允许的煤气流速见下表1-2。表1-2 煤气管路允许流速表煤气种类管道种类允许流速（米秒）热煤气总管26冷煤气半净煤气管48排送机前48排送机后排送机出口1520dg20040024dg400

8、60046dg600800610实际操作中，保证系统稳定的煤气流量，有利于煤气炉稳定运行。通过观察流量的变化，能够及时反应出生产节奏的快慢，反应出煤气炉运行状态的变化情况，反应出煤气质量变化的情况，控制全站供气系统中设备运行能力的相互匹配等。六、物质的三态变化由于温度和压力条件的不同，在自然界中物质的存在状态有三种：固态、液态、气态，称之为物质的三态。当物质所处的温度或压力条件发生变化，同种物质会发生在三态间的变化。 冷却 降温例如：蒸汽 水 冰 加热 加热物质的三态相互转化过程是一个物理变化过程，变化前后物质的化学成份不升华固态液态气态汽化熔化 凝固液化凝华图1-2 物质的物理状态变化示意发

9、生变化，只是物理状态发生变化。见图1-2。（一）物质由固态转化为液态称为熔化或溶解，它是一个吸热过程，如冰化成水的过程。（二）物质由液态转化为固态称为凝固。凝固是一个放热过程，如钢水铸成钢锭的过程。（三）物质由液态转化为气态称为汽化。汽化是一个吸热过程，如水变成蒸汽的过程。（四）物质由气态转化为液态称为液化。液化是一个放热过程，如水蒸汽变成水的过程。（五）物质由固态不经液态转换而直接转化为气态称为升华。升华是一个吸热过程。如煤气生产脱硫剂再生过程中使用420以上过热蒸汽加热脱硫剂，使其中的固态硫变成气态硫的逸出的过程。（六）物质由气态不经液态转换，而直接转化为固态称为凝华。凝华是一个放热过程，

10、如由脱硫再生后的气态硫，遇水冷却后生成硫块的过程。七、物理变化和化学变化（一）物理变化：是物质在变化过程中的存在状态发生了变化，并没有新的物质生成。物质的三态变化；固态变成液态、液态变成气态、钢坯制成型材均属物理变化。（二）化学变化：是物质在变化过程中发生了分子结构本质的变化，变化后生成了和原来不同性质的新的物质。化学变化主要有分解反应、化合反应、置换反应。分解反应：一种物质经过反应后生成两种或两种以上物质的反应。caco3=cao+co2 化合反应：两种或两种以上物质经过反应后生成一种新物质的反应。co2co2置换反应：由一种单质和一种化合物反应，生成另一种单质，另一种化合物的反应。ch2o

11、coh2从广义的角度上可将上述反应分为氧化、还原两种反应；从狭义的角度，我们可以把氧化反应理解为：和氧反应生成氧化物的反应；把还原反应理解为：将氧化物分解失去氧的反应。八、电工基础知识（一）电路：电路就是电流通过的路径。它是由电源、负载，连接导线和开关组成。（二）电流：导体中的自由电子在电场力的作用下，作有规则的定向运动，就形成了电流。正电荷移动的方向为电流方向。电流的方向和自由电子实际移动方向相反。（三）电流强度：电流的大小即为电流强度，表示单位时间内通过导体截面的电荷量，用符号i表示 iqt式中：i电流强度q通过导体截面的电荷量t通过电荷量所用的时间电流强度的单位有：千安（ka），安（a）

12、，毫安（ma）表示电流的大小用电流表测量，测量时将电流表串联在被测电路中，如图1-3所示。（四）电位、电压：电场中某点的电位，在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移至无限远处的过程中电场力所做的功。其单位为伏特（v），简称伏（v）。在电场中电位等于零的点叫做参考点，凡电位高于零电位的点，电位为正，凡电位低于零电位的点，其电位为负。通常往往以大地作为参考点。电场中两点之间的电位差，称为电压，其表达式为uaq式中：a电场力所作的功q电荷量u两点之间的电位差，即电压电压的单位可用千伏（kv）、伏（v）、毫伏（mv）表示。电压的大小用电压表测量，测量时将电压表并联在被测电路中如图13。（五）欧姆定律

13、：是表示电压、电流和电阻三者关系的基本定律，即通过电阻的电流，与电阻两端的电压成正比，与电阻的大小成反比，即:iur （uir或rui）r2-+-电流表ai +-+-ai11v+-r1r2r1、 r2-电阻（负载）v-电压表 图1-3 电流表、电压表的连接示意图其它方面的电工基础知识及计控方面的基础知识，可结合所在岗位，根据需要做到进一步的掌握。九、饱和湿空气及饱和温度自然界的空气中都含有一定量的水蒸汽，这种空气称为湿空气。湿空气中含水蒸汽量的多少，可用湿空气中水蒸汽的分压大小来表示，这个分压在一定温度下都有相对应的最高值。当一定温度下，水蒸汽分压值达到最大值时，此时的湿空气处于饱和状态，此时

14、的湿空气称为饱和湿空气。在一定温度下，空气中只能容纳一定的水蒸汽，水蒸汽超过最大含量时，就有部分以水珠形式析出，此时的混合空气处于饱和状态，亦称为饱和湿空气，此时的温度称之为饱和温度。由此，我们可以看出，控制湿空气中水蒸汽的含量有两种方法，一是控制水蒸汽的饱和分压；二是控制湿空气的温度。在煤气生产工艺中，控制饱和温度的办法比较简便易行，饱和温度越高，湿空气中的水蒸汽含量越大；饱和温度越低，湿空气中水蒸汽含量越小。混合发生炉煤气生产中，饱和温度一般在4565之间，其气化剂中水蒸汽的含量为100160克米3之间。气化剂在煤气发生炉运行中的作用是：控制炉温、调整炉况、调整煤气成分、提供气化原料、回收

15、余热、保护炉篦。十、化学基本知识（一）元素符号：c（碳）、h（氢）、o（氧）、n（氮）、s（硫）、p（磷）分子式：co（一氧化碳）、co2（二氧化碳）、h2（氢气）、o2（氧气）、n2（氮气）、cmhn、（碳氢化合物）、ch4（甲烷）热量单位：kcal（千卡）、kj（千焦耳）、cal（卡）、j（焦耳） 体积单位：m3（立方米）、nm3（标准立方米）、l（升）、ml（毫升） 压力单位：pa（帕）、kpa（千帕）、mpa（兆帕）、atm（标准大气压）、kg/cm2（工程大气压）（二） 发生炉炉内发生的主要化学反应c+o2 = co22c+o2 =2coc+co2=2coc+2h2o=co2+2h2

16、c+h2o=co+h2co+3h2=ch4+h2o2co+2h2=ch4+co2co+h2o=co2+h2 第二节 煤炭的性质一、煤炭的分类根据国家有关部门推荐的中国煤炭分类方案，我国煤炭分为十类，见表1-3。表1-3 煤炭分类表类别无烟煤贫煤瘦煤焦煤肥煤挥发分0101020142014302637胶质层厚度y（mm）-0(粉状)0（或块）881212252530类别气煤弱粘结不粘结煤长焰煤褐煤挥发分30203720373740胶质层厚度y（mm）9250（或块）80（或块）90（粉状）05一般将瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、弱粘结煤、不粘结煤，长焰煤统称为烟煤，贫煤称为半无烟煤，挥发份大于40的称

17、为褐煤。煤炭按粒度可分为：大、中、小、末煤及混煤等种类，其粒度分级见表1-4。表1-4 煤炭粒度分级表分类特大块大块中块小块末煤混煤粒度（mm）10050100255013250130500100二、煤炭的物理性质煤炭的物理性质一般包括比重、热稳定性、灰熔点、机械强度等，不同煤种的物理性能见表1-5。（一）比重1真比重：煤炭的真比重是指煤炭在20，本身重量与同温度、同体积水的重量的比，在测定、计算时不包括煤炭内外部吸附的水分。2假比重（视比重）：是指煤炭在20时本身重量与同温度、同体积水的重量之比，测定时包括煤炭内外部吸附的水分。3堆积比重：单位体积内堆积煤的重量，即煤的堆积密度。（二）热稳定

18、性热稳定性是指煤炭在高温燃烧和气化过程中的稳定程度，也就是煤块在高温作用下是否易碎裂、保持原来粒度的特性。以原来粒度的百分比例来表示。煤炭的热稳定性对生产煤气影响较大，热稳定性差，入炉受热后原煤块碎裂，甚至变成粉沫，造成炉内阻力不均，气化不均，炉况恶化，煤气带出物增多，最终造成结渣，操作困难，降低煤气质量，严重影响煤气炉的安全、经济、稳定运行。煤炭的热稳定性是由煤炭自身化学成份决定的，由于煤种不同，矿别的不同，其煤炭的热稳定性不同。选用混合发生炉用煤必须保证热稳定性指标符合要求，混合煤气发生炉用煤热稳定性最好大于65。（三）灰熔点灰分熔点是指灰分在一定温度下变成熔融状。此时的温度即为灰熔点。煤

19、燃烧后的灰分，并不是简单成份的化合物，而是不同结构的化学结合物，所以熔点不同。不同的煤种，不同的矿别，其煤炭的灰熔点不同，除液态排渣煤气炉外，混合煤气发生炉要求煤的灰熔点应在1200以上，最好大于1300，才有利于创造较好的炉内气化条件。（四）机械强度机械强度是指煤炭的抗破碎和耐磨性能。机械强度的高低，必然影响煤块在运输、入炉过程中的破碎程度，影响煤块的使用率和煤气炉经济运行指标。混合煤气炉用煤的机械强度要求大于60。（五）粘结性煤的粘结性是指煤在干馏过程中（400450），发生熔融、微发生或不发生熔融现象。前者为粘结性煤，后者为弱粘结性和不粘结性煤。煤的粘结性一般用煤的胶质层厚度来表示。胶质

20、层厚度（y值）：煤加热到350450时，煤发生软化、熔融，在焦炭颗粒表面形成一种熔化的沥青层。随着温度提高，其厚度先增大后减少，胶质层的最大厚度y就是煤的粘结性的标准。在一般情况下，胶质层y值应在12mm以下，1216mm之间气化困难。20mm以上不适合气化。表1-5 不同煤种的物理性能项 目褐煤烟煤无烟煤真比重0.81.51.21.71.51.8假比重0.550.750.750.8堆积比重0.650.850.80.950.91.0热稳定性（）507585机械强度较小一般较高粘结性较好较弱较差三、煤气炉用煤标准参考 不同的气化工艺，煤气炉用煤要求不同，煤气炉用煤标准参考见表1-6。表1-6 煤

21、气炉用煤标准参考项 目无 烟 煤烟 煤粒度（mm）1325；2550；501001325；2550;50100灰分（）2020挥发分（）102040含硫量（）0.61胶质层厚度（mm）8机械强度（）6060灰熔点（t2、c）12501200热稳定性（）65煤粉含量（）1013810含矸率（）22含水份（）66第三节 煤炭的气化原理一、煤炭的气化概述煤炭的气化是一种复杂的物理、化学过程，它是煤炭经干馏后残留下来的焦炭在空气或氧气、水蒸汽混合气以及其他气体的作用下，生成可燃气体的过程。也就是说，气化是通过一定的工艺方法使固体燃料变成气体燃料。（一）煤炭的气化条件1应用合适的气化剂：空气、空气与蒸汽

22、、蒸汽与氧气。2应有合格的燃料煤。3具备能使原料与气化剂进行物理化学反应的设备（煤气发生炉）及辅助设备。（二）混合发生炉煤气的生产气化剂采用空气和水蒸汽的混合气，用温度控制气化剂中的水蒸汽含量，控制炉内化学反应的适当温度，降低煤气的出炉温度，提高煤气炉的热效率。二、混合发生炉煤气化学过程混合发生炉煤气生产过程中主要热化学反应式：c+o2=co2+408840 千焦/千摩尔c+1/2o2=co+123217千焦/千摩尔c+co2=2co-162405千焦/千摩尔c+2h2o=co2+2h2-75235千焦/千摩尔c+2h2=co+h2-118821千焦/千摩尔c+2h2=ch4+86325千焦/

23、千摩尔co+3h2=ch4+h2o+206200千焦/千摩尔2co+2h2=ch4+co2+247440千焦/千摩尔co+h2o=co2+h2+43588千焦/千摩尔h2+1/2o2=h2o+242039千焦/千摩尔煤气生产的全过程是煤和氧气、水蒸汽之间反应过程。煤的主要成份是c元素，空气的成份n2占79，o2占21，氮氧比为79213.76，而n2自始至终并不参加反应，吸收一定热量，造成热量损失。三、混合煤气发生炉内层次的划分和气体组分变化为了便于研究混合煤气发生炉内的物理、化学反应变化情况，形象理解煤气产生的过程，目前常用分层理论来具体分析。图1-4为混合煤气发生炉层次示意。煤炭c空层co

24、 h2 ch4 n2等煤气炉体干燥层干馏层氧化层火层还原层炉篦灰层渣层出灰盘气化剂空气（n2 o2）、水蒸气（h2o）图1-4 混合煤气发生炉炉内层次示意图由图1-4可看出：混合煤气发生炉正常运行时由下而上可分为：灰层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层、下面逐个分析一下各层的变化及气体的组份情况。（一）灰层灰层又称渣层，是煤炭经燃烧气化后的残留物，是煤自上而下完成气化流程的最后一层，灰层的高度应在炉篦以上150250mm处。灰层的作用：1灰渣自上而下，温度较高，空气和水蒸汽自下而上经过炉渣进行热量交换，预热气化剂，一般预热到200以上，起节能作用。2灰渣和气化剂交换热量后，温度降低，铺在炉

25、篦上起保护作用。3灰渣分布疏松，气化剂经炉篦进入灰渣层可以起到均匀分布气化剂的作用。4灰渣是最底层，是其它各层的基。恼Ｓ胛榷ɑ嶂苯佑跋炱渌愕奈榷。实际生产中，根据不同结构的炉型，要定时检查边部灰渣和中部灰渣的厚度，保证炉况稳定顺行。此层气体组分并无变化，仍然为o2、n2、h2o（蒸汽），只是组分气体温度升高而已，在外界风压作用下，向火层移动。（二）氧化层氧化层亦称火层，是炉况正常运行最重要的一层，正常情况下其厚度为100200mm左右，其主要作用是：使空气中的氧气遇高温灼热的碳进行剧烈的化学反应生成大量的二氧化碳，同时放出大量的热，以后各层的吸热反应靠此热量维持，氧化层的温度一般保持

26、在11001250，温度的高低可根据所用煤的灰熔点来确定，以不结渣为准。主要化学反应式为：c+o2+3.76n2co2+3.76n2+97650千卡此层气体组分发生变化，o2几乎全部消失，生成新的组分气体co2，经过此层后气体组分为：co2、n2、h2o（蒸汽），并在外界风压的作用下向还原层移动。（三）还原层还原层是生成可燃气体的主要层，其正：穸任200400mm，此层的温度大约在9001000。其主要作用：1氧化层生成的co2，进入还原层和高温灼热的碳发生吸热还原反应，生成可烧气体co，化学反应式为：c+co2+3.76n22co+3.76n2-38790千卡2高温水蒸汽与灼热碳发生吸热还

27、原反应，生成可燃气体co、h2和部分co2气体。c+h2oco+h2-28380千卡c+2h2oco2+2h2-17970千卡3其次有部分co和多余h2o蒸汽反应生成co2、h2；co2又和灼热的碳反应生成co，化学反应式为：co+h2oco2+h2+10410千卡co2+c2co-38790千卡4存在的部分化学反应还有：2c+o22co+58860千卡2h2+c=ch4+20630千卡co+3h2=ch4+h2o+49250千卡co2+4h2=ch4+2h2o+38900千卡实际煤气炉内的化学反应要复杂的多，以上仅作为代表性供研究而已。此层的气体最后组分为：n2、co、h2、ch4，少量h2

28、o蒸汽，此时的气体组分已变成煤气的主要成份。（四）干馏层干馏层位于还原层之上。煤炭入炉内干燥后在400550温度下析出挥发分及其它干馏产物（碳氢可燃化合物）变成焦炭。为还原层提供良好的热化学反应条件。干馏层的厚度依煤种及操作不同而存在一定的差异。此层的气体组分并无大的变化，仍为n2、co、h2、ch4，少量h2o蒸汽，只是干馏产物碳氢化合物、焦油进入煤气中，进一步提高煤气的发热值，并在外界风压的作用下继续上移。（五）干燥层料层的最上面的一层，煤炭中的水分被高温热煤气蒸发掉，煤炭被预热为下面几层提供良好运行条件。此层煤气组分亦无变化，只是煤气中水分含量稍微增多。（六）空层空层是煤气炉炉膛中尚有的

29、一定空间部分。其温度400600之间，高度是根据不同炉型及操作手法不同而确定。其主要作用：1测量空层高度，控制总料层厚度。2调整炉况，通过空层进行拨煤、投炉、插钎控制炉内的运行状况，从而达到较理想运行状态。3均匀煤气成分，保证煤气质量稳定。空层内可能会存在如下两种反应：2coco2cch4c2h2这两种反应会造成煤气热值降低，是两种负面反应。但这两种反应受限于空层的温度，空层温度小于600时，会大大减少这两种反应，因此，必须控制空层的温度不得高于600。此时空层积聚大量的煤气。煤气主要成份显而易见，主要是：n2、co、h2、co2、ch4等，其中n2、co2为不可燃成份。四、混合发生炉煤气的性

30、质（一）煤气性质：一般煤气为微带颜色和略有臭味的气体。混合发生炉煤气带有水蒸汽、灰尘和硫化物、焦油，呈灰黄色并带臭味。冷煤气或经清洗、除焦油的煤气一般呈浅灰白色。煤气是易燃、易爆、易中毒的危化品。易燃是由其成份中co、h2、ch4等气体的易燃性决定；易爆是在密闭空间内剧烈氧化反应的结果；易中毒是因为co、h2s是有毒性气体。（二）混合发生炉煤气的组分及低位发热值见表1-7表1-7 混合发生炉煤气的组分及低位发热值矿别（煤种）干煤气组分（）低位发热值（千卡标米3）co2coh2ch4cmhno2h2sn2抚顺（长焰煤）3.7528.1410.493.440.930.150.0853.021550鹤岗（气煤）4.7827.313.882.9-0.1-51.041440大同（弱粘煤）4.729.8142.20.60.20.148.41542阳泉（无烟煤）5.8624.1614.621.25-0.3-53.811220焦作（无烟煤）6.6325.915.30.8-0.10.0451.231250贵州（无烟煤）8.42518.90.9-0.20.4746.131322