造气气化原理学
昝锐
在小氮肥生产中，煤气发生炉制取半水煤气其消耗占生产成本的55％左右。以无烟煤
为原料，固定床气化炉为主要设备的煤气发生炉，要以最低的投入，最少的煤耗，生产较高质量的半水煤气，以求降低消耗和成本。所以，造气车间操作人员的理论水平，技术素质就显得非常重要。为此，浅谈造气炉的气化原理。
1 必须理解固定床发生炉内燃料分配情况
在煤气发生炉中，煤炭与气化剂呈相反方面运动，当气化剂自下而上经过燃料层进行气化反应时，同时伴随有物理反应。从气化炉的燃料分布看其内共分六层，从下到上即灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层。在实际生产中，气化时间分层进行的，但各层虽无明显的界线，甚至它们有时相互交错，但是各层次仍然存在，各层次都有各自的作用。
(1)灰渣层，在燃料的最下层，支撑和稳定着其它层次。在该层没有化学反应，其高度高出风帽大约15~25 mm。气化正常时，中间稍偏高，两边稍偏低，呈馒头形，分布均匀。灰层的正常与否，反应着其它层次的正常与否。由于灰渣层疏松地分布在炉箅上，气化剂通过后被重新分配，如果灰渣层厚薄粒度均匀，无扒块，则气化剂会被分布均匀，气体阻力均匀，同时，对炉箅起保护作用，因灰渣层的温度较低，火层不能直接与炉箅接触，炉箅不致于烧坏变形。当然，如果炉底温度偏高，则炉箅烧坏、变形的可能性就会增大；其原因往往是火层下移或层次偏斜或百分比循环调整不当之故。另外，当气化剂温度较低，在通过灰层后就会被预热，一般温度可达250"(2以上，对氧化反应有利。
(2)气化层：又称火层，正常生产中其厚度为25-35 mm，一般取原料的平均粒度的
3-5倍，其作用是由鼓风机送来的空气中的氧和煤气炉中的炭进行剧烈的热化学反应，生成
大量的二氧化碳，放出大量的热量并畜热于炉中，其反应式为： C+02=C02+97650千卡／公斤分子 (1)
2C+02=2C0+58860千卡／公斤分子 (2)
2C0+02=2C02+136440千卡／公斤分子 (3)
C02+C=2C0．38790千卡，公斤分子 (4)
前三个为放热反应，在煤气炉实际操作温度范围内反应速度快，而且较彻底，可视为不可逆反应，第四个二氧化碳的反应，是一个吸热和体积增大的可逆反应。所以，氧化层的温度最高，一般温度大约1200--1300"C ，生产中根据煤种来选择炉温的高低，以不结疤为准，通常用探火来估测氧化层温度与厚度。
(3)还原层：还原层是生产主要可燃气体的层次，常分第一还原层和第二还原层；第一还原层靠近火层，温度较高，约在1000．．-1150"C 。此层中进行的反应为吸热化学反应，第二还原层温度较低在700,-,1000"C ，厚度为第一还原层的1．5~2倍，还原层的总厚度约45-60mm 。其作用是氧化层来的高温气流(指二氧化碳和水蒸汽) 与干馏层下来的炭进行还原反应，生成可燃的一氧化碳和氢气，吸收热量后使炉内温度下降，吹蒸汽的反应式为：
c+H20。C0+H2。28380千卡／公斤分子 (5)
C+2H20=C02+2H2．17970千卡／公斤分子 (6)
C+C02=2CO-38790千卡／公斤分子 (7)
CO+H20=C02+H2+10410千卡／公斤分子 (8)
C+2H2=CH4+Q千卡／公斤分子 (9)
从反应式看，前3个为吸热增加体积的反应，提高温度，降低压力，促进一氧化碳和氢的生成，后两个为放热反应，提高温度和降低压力，则抑制一氧化碳的变换反应和甲烷的生成，压力的变化对一氧化碳的变换反应没有影响。所以控制炉温是还原层的主要参数，只有还原层积蓄的热量多、温度适当，生成的一氧化碳和氢气就多，也是制气的关键所在。
(4)干馏层：干馏层是位于还原层之上，干燥层之下，产生大量挥发物的一个层次，．
煤炭入炉后经干燥后，在250-300~C时开始析出挥发分物质等其它干馏产物。这些产物与还原层来的煤气混合后从炉出口捧出。所以煤气中的硫、焦油由此层产生，这样提高了煤气的热值，碳氢化合物因温度低而未被裂解。干馏层的厚度小于干燥层。
(5)干燥层：是料层最上的一层，燃料含有一定的水分，当煤
入炉后，由于下层高温燃料和炉壁的热辐射和下面来的高温气流的导热，水份受热蒸发变为蒸汽，而煤逐步变得干燥。干燥层的厚度与加入原料的量有关。
(6)空层：指总燃料层上面的空间，一般正常时维持空层在一定高度。空层高度指燃料层上面到探火孔或炉口的距离。如果温度控制不当，在空层中还可能进行水煤气的平衡反应。以上是煤气发生炉气化时各层的分布情况，各层有各层的用途。在生产中密切关注炉条机的使用、排渣情况，吹风和水蒸汽的使用及百分比的分配，保持气化时有效炭层高度。
2 了解吹风过程的放热现象
在半水煤气的生产中，吹风是一个放热的过程。它的目的是使用碳燃烧所放出的热量积蓄于炉内炭层中，提高气化层的温度，为制气提供有利的化学反应条件。因此如何消耗最少的碳而使气化层达到应有的高温，是我们首先要探讨的问题。
在碳与氧的反应机理中，当碳与氧反应生成二氧化碳时所放出的热量，要比反应等量的一氧化碳时放出的热量多4倍。因此在吹风过程中，希望反应的结果是消耗的碳最少而生成的二氧化碳为最多，以求放出大量的热量达到高炉温的目的，但是，在碳与氧的反应中，一氧化碳和二氧化碳是同时出现的，而一氧化碳与过剩的氧发生燃烧反应生成二氧化碳，少量的二氧化碳在还原层与灼热的碳反应，被还原为一氧化碳。(快慢与接触时间有关) ，二氧化碳是在较低的温度下生成的，而一氧化碳是在较高的温度下生成的。这就出现了一个矛盾， 既要提高炉温，生成一氧化碳，又要保持促成二氧化碳生成。为此我们必须掌握一氧化碳、
二氧化碳两者生成的不同条件。二氧化碳的生成速度很快，几乎是不可逆的，而二氧化碳在
还原层中被灼热的碳还原生成一氧化碳的速度却很缓慢，它需要有一个较长的反应接触时
间。为此，我们就可以采用提高吹风时空气的流速，来减少二氧化碳在还原层中与碳的接触
时间，从而抑制了二氧化碳的还原，也就减少了一氧化碳的生成，同时也就减少了碳的损失。
所以实际生产中采用强风短吹是一个合理的措施，但是必须防止风速
过大，以防带出物增加
或将料层吹翻，出现风洞，产生偏流等不正常现象。
3 了解制气过程的吸热现象
制气是一个吸热的过程，反应所需的热量由高温的炭层提供。我们知道，影响制气反应
的主要因素是温度，提高炉温将有利于氧化反应的进行。所谓提高炉温，指吹风后期，制气
前期的气化层温度。因为在间歇式气化炉温是不断变化的，只有在吹风后期，制气前期这阶
段中气化层蓄热所具有的温度，才是气化反应的决定性温度。如果气化层的温度过高，超过
灰熔点的温度，会造成挂炉和结疤，对气化反应不利。由于目前尚无法对气化层的温度直接
进行检测，故只能根据观察探火时的情况和灰渣的结块情况，炉底炉面的温度变化及半水煤
气成份情况进行综合判断估测。所以炉温的提高又受到灰熔点的限制。当烧用较好的原料时，
灰熔点较高，在1300'C 左右，炉温控制在接近灰熔点附近制气，反应已在扩散控制区，可
以提高蒸汽流速的方法，(以提高扩散速度) 就能进一步提高气化反应的速度，生产的气质
就好。但如果烧用灰熔点较低的劣质原料时，且固定碳含量又较低时，气化层的温度受到限
制，不能过高．约在l 100"C 以下气化处于化学动力学控制区，蒸汽用量流速就会受到限制，
故气化效率就会降低。如果还采用增加蒸汽流速的方法，不但不能加快反应的速度，相反，
将造成炉温波动，蒸汽分解率下降，对气化反应不利。
造气气化原理学
昝锐
在小氮肥生产中，煤气发生炉制取半水煤气其消耗占生产成本的55％左右。以无烟煤
为原料，固定床气化炉为主要设备的煤气发生炉，要以最低的投入，最少的煤耗，生产较高质量的半水煤气，以求降低消耗和成本。所以，造气车间操作人员的理论水平，技术素质就显得非常重要。为此，浅谈造气炉的气化原理。
1 必须理解固定床发生炉内燃料分配情况
在煤气发生炉中，煤炭与气化剂呈相反方面运动，当气化剂自下而上经过燃料层进行气化反应时，同时伴随有物理反应。从气化炉的燃料分布看其内共分六层，从下到上即灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层。在实际生产中，气化时间分层进行的，但各层虽无明显的界线，甚至它们有时相互交错，但是各层次仍然存在，各层次都有各自的作用。
(1)灰渣层，在燃料的最下层，支撑和稳定着其它层次。在该层没有化学反应，其高度高出风帽大约15~25 mm。气化正常时，中间稍偏高，两边稍偏低，呈馒头形，分布均匀。灰层的正常与否，反应着其它层次的正常与否。由于灰渣层疏松地分布在炉箅上，气化剂通过后被重新分配，如果灰渣层厚薄粒度均匀，无扒块，则气化剂会被分布均匀，气体阻力均匀，同时，对炉箅起保护作用，因灰渣层的温度较低，火层不能直接与炉箅接触，炉箅不致于烧坏变形。当然，如果炉底温度偏高，则炉箅烧坏、变形的可能性就会增大；其原因往往是火层下移或层次偏斜或百分比循环调整不当之故。另外，当气化剂温度较低，在通过灰层后就会被预热，一般温度可达250"(2以上，对氧化反应有利。
(2)气化层：又称火层，正常生产中其厚度为25-35 mm，一般取原料的平均粒度的
3-5倍，其作用是由鼓风机送来的空气中的氧和煤气炉中的炭进行剧烈的热化学反应，生成
大量的二氧化碳，放出大量的热量并畜热于炉中，其反应式为： C+02=C02+97650千卡／公斤分子 (1)
2C+02=2C0+58860千卡／公斤分子 (2)
2C0+02=2C02+136440千卡／公斤分子 (3)
C02+C=2C0．38790千卡，公斤分子 (4)
前三个为放热反应，在煤气炉实际操作温度范围内反应速度快，而且较彻底，可视为不可逆反应，第四个二氧化碳的反应，是一个吸热和体积增大的可逆反应。所以，氧化层的温度最高，一般温度大约1200--1300"C ，生产中根据煤种来选择炉温的高低，以不结疤为准，通常用探火来估测氧化层温度与厚度。
(3)还原层：还原层是生产主要可燃气体的层次，常分第一还原层和第二还原层；第一还原层靠近火层，温度较高，约在1000．．-1150"C 。此层中进行的反应为吸热化学反应，第二还原层温度较低在700,-,1000"C ，厚度为第一还原层的1．5~2倍，还原层的总厚度约45-60mm 。其作用是氧化层来的高温气流(指二氧化碳和水蒸汽) 与干馏层下来的炭进行还原反应，生成可燃的一氧化碳和氢气，吸收热量后使炉内温度下降，吹蒸汽的反应式为：
c+H20。C0+H2。28380千卡／公斤分子 (5)
C+2H20=C02+2H2．17970千卡／公斤分子 (6)
C+C02=2CO-38790千卡／公斤分子 (7)
CO+H20=C02+H2+10410千卡／公斤分子 (8)
C+2H2=CH4+Q千卡／公斤分子 (9)
从反应式看，前3个为吸热增加体积的反应，提高温度，降低压力，促进一氧化碳和氢的生成，后两个为放热反应，提高温度和降低压力，则抑制一氧化碳的变换反应和甲烷的生成，压力的变化对一氧化碳的变换反应没有影响。所以控制炉温是还原层的主要参数，只有还原层积蓄的热量多、温度适当，生成的一氧化碳和氢气就多，也是制气的关键所在。
(4)干馏层：干馏层是位于还原层之上，干燥层之下，产生大量挥发物的一个层次，．
煤炭入炉后经干燥后，在250-300~C时开始析出挥发分物质等其它干馏产物。这些产物与还原层来的煤气混合后从炉出口捧出。所以煤气中的硫、焦油由此层产生，这样提高了煤气的热值，碳氢化合物因温度低而未被裂解。干馏层的厚度小于干燥层。
(5)干燥层：是料层最上的一层，燃料含有一定的水分，当煤
入炉后，由于下层高温燃料和炉壁的热辐射和下面来的高温气流的导热，水份受热蒸发变为蒸汽，而煤逐步变得干燥。干燥层的厚度与加入原料的量有关。
(6)空层：指总燃料层上面的空间，一般正常时维持空层在一定高度。空层高度指燃料层上面到探火孔或炉口的距离。如果温度控制不当，在空层中还可能进行水煤气的平衡反应。以上是煤气发生炉气化时各层的分布情况，各层有各层的用途。在生产中密切关注炉条机的使用、排渣情况，吹风和水蒸汽的使用及百分比的分配，保持气化时有效炭层高度。
2 了解吹风过程的放热现象
在半水煤气的生产中，吹风是一个放热的过程。它的目的是使用碳燃烧所放出的热量积蓄于炉内炭层中，提高气化层的温度，为制气提供有利的化学反应条件。因此如何消耗最少的碳而使气化层达到应有的高温，是我们首先要探讨的问题。
在碳与氧的反应机理中，当碳与氧反应生成二氧化碳时所放出的热量，要比反应等量的一氧化碳时放出的热量多4倍。因此在吹风过程中，希望反应的结果是消耗的碳最少而生成的二氧化碳为最多，以求放出大量的热量达到高炉温的目的，但是，在碳与氧的反应中，一氧化碳和二氧化碳是同时出现的，而一氧化碳与过剩的氧发生燃烧反应生成二氧化碳，少量的二氧化碳在还原层与灼热的碳反应，被还原为一氧化碳。(快慢与接触时间有关) ，二氧化碳是在较低的温度下生成的，而一氧化碳是在较高的温度下生成的。这就出现了一个矛盾， 既要提高炉温，生成一氧化碳，又要保持促成二氧化碳生成。为此我们必须掌握一氧化碳、
二氧化碳两者生成的不同条件。二氧化碳的生成速度很快，几乎是不可逆的，而二氧化碳在
还原层中被灼热的碳还原生成一氧化碳的速度却很缓慢，它需要有一个较长的反应接触时
间。为此，我们就可以采用提高吹风时空气的流速，来减少二氧化碳在还原层中与碳的接触
时间，从而抑制了二氧化碳的还原，也就减少了一氧化碳的生成，同时也就减少了碳的损失。
所以实际生产中采用强风短吹是一个合理的措施，但是必须防止风速
过大，以防带出物增加
或将料层吹翻，出现风洞，产生偏流等不正常现象。
3 了解制气过程的吸热现象
制气是一个吸热的过程，反应所需的热量由高温的炭层提供。我们知道，影响制气反应
的主要因素是温度，提高炉温将有利于氧化反应的进行。所谓提高炉温，指吹风后期，制气
前期的气化层温度。因为在间歇式气化炉温是不断变化的，只有在吹风后期，制气前期这阶
段中气化层蓄热所具有的温度，才是气化反应的决定性温度。如果气化层的温度过高，超过
灰熔点的温度，会造成挂炉和结疤，对气化反应不利。由于目前尚无法对气化层的温度直接
进行检测，故只能根据观察探火时的情况和灰渣的结块情况，炉底炉面的温度变化及半水煤
气成份情况进行综合判断估测。所以炉温的提高又受到灰熔点的限制。当烧用较好的原料时，
灰熔点较高，在1300'C 左右，炉温控制在接近灰熔点附近制气，反应已在扩散控制区，可
以提高蒸汽流速的方法，(以提高扩散速度) 就能进一步提高气化反应的速度，生产的气质
就好。但如果烧用灰熔点较低的劣质原料时，且固定碳含量又较低时，气化层的温度受到限
制，不能过高．约在l 100"C 以下气化处于化学动力学控制区，蒸汽用量流速就会受到限制，
故气化效率就会降低。如果还采用增加蒸汽流速的方法，不但不能加快反应的速度，相反，
将造成炉温波动，蒸汽分解率下降，对气化反应不利。