摘 要
本设计以常压固定床煤气化的设计过程为内容，包括对工艺流程的确定和说明、生产条件的确定和说明以及附属设备的选型等内容。进而深入了一层了解煤气化工艺，并得到化工工程设计的初步训练。本文从一定的层面上对常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程进行了简要综述。
关键词：常压固定床，煤气化发生炉，床层，炉壁，传热
一、煤气化原理
（一）煤气化的基本过程
煤的气化过程是一个有热效应的化学反应过程，反应物是煤和气化剂。气化剂一般为空气、氧气、水蒸气或氢气。煤和气化剂按照一定的比例，在一定温度和压力条件下发生化学反应，煤中的可燃成分转化为气体燃料，即产品煤气，灰分则以灰渣的形式出。
煤的气化分为完全气化和不完全气化，不完全气化即通常说的煤的干馏，其产品包括煤气、焦油和半焦；完全气化的产品是煤气或水煤气，本章所讲的煤的气化技术只讨论煤的完全气化技术
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。下图所示为典型的煤气化工艺流程。
图1 煤的气化过程
图2 典型的煤气化工艺流程
从包含的物理化学过程来看，煤的气化过程包括以下几个阶段：干燥脱水，热解，挥发分和残余固定碳的气化反应。
煤的干燥脱水过程去除了原煤中所含的全部水分，在温度达到350℃以上时，开始发生煤颗粒的热解反应，析出气体中间产物和焦油，统称为挥发分。剩余的是固体焦炭或半焦，煤的热解过程可以用下面的总体表达式表示：
热解?CH+其他气态烃+焦油+CO+CO+H+HO+焦炭或半焦（S） 煤???4222
式中，除了焦炭或半焦为固体产物，其余全部是气态产物，除此之外，还有少量含有机氮、硫等元素的气态中间产物。
（二）固定床反应器
固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
1. 固定床反应器分类
固定床反应器有三种基本形式：①轴向绝热式固定床反应器：流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。②径向绝热式固定床反应器：流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大，流体的压力降较小。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。③列管式固定床反应器：由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。
2．固定床气化法 （1）GI(Gas Integrale)法
常压下以空气及蒸汽气化块状高挥发份烟煤以间歇制取中热值煤气，意大利曾使用过。
（2）IFE（国家炉具公司）法
常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取低热值燃料气，系两段炉，英国开发。 （3）IGI两段法
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常压下以空气及蒸汽气化烟煤制取中热值煤气，意大利于上世纪40年代开发。 （4）Leuna（路易那）溶渣法
常压下以蒸汽与氧气化焦炭制取中热值煤气，德国Leuna厂开发。
（5）Lurgi（鲁奇）干灰法
2.5～3.2MPa下用蒸汽与氧使3～50mm次烟煤或褐煤气化。1936年由德国Lurgi公司工业化。我国云南解放军化肥厂有11台捷克制的Lurgi 型气化炉，炉径2.7m，在2.0MPa下将褐煤用纯氧加压气化。山西天脊煤化工集团则有Lurgi Ⅳ型炉在3.0MPa下气化块煤，炉径3.8m，共4台，用于生产合成氨后加工成硝酸磷肥。太原化工公司亦有一台用于制氨，气化压力2.5MPa，炉径2.8m。南非Sasol厂共有89台，年处理煤3300万吨用于生产合成油。
（三）常压固定床煤气发生炉的基本气化原理
固体燃料用气化剂进行热加工，得到可燃性气体的过程称为固体燃料的气化，又称为造气，所得的气体统称为气化煤气，用来与燃料进行气化反应的气体称为气化剂。常压固定床煤气发生炉，一般以块状无烟煤或烟煤等为原料，用蒸汽或水蒸汽与空气的混合气体作气化剂，生产以一氧化碳和氢气为主要可燃成分的气化煤气。
1. 煤气炉内燃料层的分层
煤气炉内燃料层固体燃料的气化反应，按煤气炉内生产过程进行的特性分为三层，干燥层——在燃料层顶部，燃料与热的煤接触，燃料中的水分得以蒸发；干馏层——在干燥层下面，由于温度条件与干馏炉相似，燃料发生热分解，放出挥发分及其它干馏产物变成焦炭，焦炭由干馏层转入气化层进行热化学反应；气化层——煤气炉内气化过程的主要区域，燃料中的炭和气化剂在此区域发生激烈的化学反应，鉴于反应条件的不同，气化层还可以分为氧化层和还原层：
（1）氧化层：碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳，并放出大量的热量，煤气的热化学反应所需的热量靠此来维持。氧化层温度一般维持在1100～1250℃，这决定于原料煤灰熔点的高低。
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（2）还原层：还原层是生成主要可燃气体的区域，二氧化碳与灼热碳起作用，进行吸热化学反应，生产可燃的一氧化碳；水蒸气与灼热碳进行吸热化学反应，生成可燃的一氧化碳和氢气，同时吸收大量的热。
2. 固体燃料气化反应的基本原理
固定床煤气发生炉制造燃气，首先使得空气通过燃料层，碳与氧发生放热反应以提高温度。随后使蒸汽和空气混合通过燃料层，碳与蒸汽和氧气发生吸热和放热的混合反应以生成发生炉煤气。
3. 常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程
常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程十分复杂。就传质来讲，不仅有气相和固相各自的本体运动，还有气固相间、固相颗粒内部向颗粒外部的传质过程。就传热而言，有气固相间、气固相与炉壁间、固相不同层面之间的各种传热过程。从机理上讲，传质过程有扩散传质和对流传质，传热过程有传导、对流和辐射等方式。传热过程包括以下各个步骤： （1） 颗粒内传导；
（2） 相接触的颗粒间传导； （3） 颗粒间辐射； （4） 颗粒流体间的对流； （5） 颗粒向流体的辐射； （6） 流体内传导； （7） 流体内辐射； （8） 流体混合； （9） 颗粒炉壁间传导； （10）颗粒炉壁间辐射； （11）流体炉壁间对流； （12）流体炉壁间辐射。
相对来讲，传质过程就要简单的多，其原因有以下三点：
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