年产30万吨合成氨造气工段工艺大学本科毕业论文.doc

年产30万吨合成氨造气工段工艺设计
The Design of Producing Coal Gas about Synthesis of
Ammonia 300000t/a

目 录
摘要 I
Abstract II
引言 1
第一章 绪论 3
1.1 煤气化发展史 3
1.2 国内外发展现状 4
第二章 生产方法的选择 5
2.1生产方法的介绍 5
2.1.1 固定床气化法 5
2.1.2 流化床气化 5
2.1.3 气流床气化 6
2.2 生产方案的选择及论证 6
第三章 常压固定床间歇气化法 8
3.1 固定床气化法的特点 8
3.2 半水煤气定义 8
3.3 半水煤气制气原理 8
3.3.1 煤气发生炉构造及气化反应的分区 8
3.3.2 制气原理 9
3.4 生产半水煤气对固体原料性能的要求 10
3.5 间歇式制半水煤气的工艺条件 11
3.6 生产流程的选择及论证 12
3.7 间歇式气化的工作循环 13
3.8 间歇式制半水煤气工艺流程 14
3.9 各主要设备简介 15
3.9.1 煤气发生炉 15
3.9.2 燃烧室 15
3.9.3 废热锅炉 16
3.9.4 洗气箱 16
3.9.5 洗涤塔 16
3.9.6 烟囱 17
3.9.7 自动机 17
第四章 工艺计算 18
4.1 已知条件 18
4.2 物料及热量衡算 20
4.2.1 吹风阶段的计算 20
4.2.2 制气阶段的计算 22
4.2.3 总过程计算 26
4.3 配气计算 29
4.4 消耗定额 30
4.5 吹净时间核算 30
4.6 废热锅炉的热量衡算 30
4.6.1 已知条件 30
4.6.2 热量衡算 32
4.6.3 热量平衡和总固体平衡 35
4.7 夹套锅炉的物料及热量衡算 35
4.7.1 已知条件 35
4.7.2 产气量及消耗量计算 36
第五章 设备计算选型 37
5.1 煤气炉指标 37
5.2 煤气台数的确定 38
5.3 空气鼓风机的选型及台数确定 39
5.4 废热锅炉的选型 39
结 论 41
致 谢 42
参考文献 43

年产30万吨合成氨造气工段工艺设计
摘要：本设计是年产能力为30万吨合成氨造气工段（半水煤气）的工艺设计，造气工段是获得合成气的首要工段。本设计首先简单介绍了合成氨工业，阐述了煤气化的发展历程和方法。介绍了半水煤气的定义和制气原理，以及常见的生产方法和工艺流程。结合我国合成氨现状及生产成本综合考虑，本设计采用常压固定床间歇制气法, 块煤送入造气炉制气，工艺流程选择利用吹风气持有热和上行煤气显热的流程。通过查阅相关文献和设计资料对工艺环节进行了相关计算，先对煤气发生炉的的吹风阶段、制气阶段和总过程进行了物料衡算和热量衡算，从而确定了煤气炉的型号，并对废热锅炉和鼓风机进行了相关计算和选型。
关键词：合成氨；半水煤气；工艺设计

I

The Design of Producing Coal Gas about Synthesis of Ammonia 300000t/a
Abstract：The instructions is the design of the annual production capacity of 300,000 tons of synthetic ammonia syngas production (semi-water gas) process design, syngas production is the primary section to obtain syngas. First, a brief introduction to the design of synthetic ammonia industry, describes the history and development of coal gasification methods. Introduces the definition and principles of semi-water gas gas, as well as common production methods and processes. Considering the current situation of our country and costs of ammonia production, atmospheric fixed bed intermittent method is used in this design, lump coal into gas furnace gas, rocess Blown holders the option of using heat and sensible heat of the gas flow upstream. The gasification process of the design has been calculated through accessing to relevant documents and design information, first , material balance and heat balance has been calculated for gas furnace blower stage gas phase and the total process in order to determine the gas stove models, and waste heat boilers and blowers for the relevant calculation and selection.
Key words：synthesis ammonia; semi-water gas; technology design

II

引 言
本设计说明书是年产30万吨合成氨厂造气工段的初步设计。
氨在国民经济中占有重要地位，它是一种重要的化工原料，现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。合成氨工业是氮肥工业的基础，随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其他化工产品的氨用量也在增长，在化学工业中合成氨工业已成为重要的支柱产业[1]。为了生产合成氨，首先必须提供原料氮和氢。传统的制氮方法是在低温下将开启液化、分离，以及水电解制氢。由于电解制氢法耗能大，成本高，所以大都还是采用高温下将各种燃料与水蒸气反应制氨。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等。除电解水方法以外，不管用什么原料得到的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等。因此，在把粗原料气送去氨合成以前需将这些杂质彻底除去。这样，合成氨生产的原料气过程就包括下述主要步骤[2]：
一是造气，即制备含H2和CO等组分的煤气；二是净化，即采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气；三是压缩和合成，即将氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。
我国合成氨工业原料路线实行煤、气、油并举的方针，但由于过去的中小型厂多采用煤为原料，全国现有1000多家大中小型以煤为原料的合成氨厂[3]。中国煤炭煤炭资源占很大比重现已探明的可采储量为8000多亿吨，产量居世界第一。又随着油价的不断上涨，今后将停止以油为原料的新设备建设，并要求进行以煤代油的技术改造，所以在短时期内中国仍不会改变以煤和焦炭为主的原料路线。
合成氨造气，是以煤或焦碳为原料，用氧气（空气、富氧或纯氧）水蒸汽或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或焦碳中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化包括煤的热解、气化和燃烧三部分。煤炭气化时所得的可燃气体称气化煤气。气化煤气可用于城市煤气、工业燃气和化工原料气及联合循环发电等。煤气化在各方面的应用都依赖于煤气化技术的发展，这主要因为煤气化环节往往在总投资及生产成本中占相当大的比重。
总之，由于各国自然资源和社会条件的不同，具体的能源政策也各不相同，但可以预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。对于我国来说，随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，应积极进行煤气化的研究，掌握和运用国内外的先进煤气化及其应用技术，对加快我国实现四个现代化有着重要的意义。

第一章 绪论
1.1煤气化发展史
煤炭气化，是以煤或焦碳为原料，用氧气（空气、富氧或纯氧）水蒸汽或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或焦碳中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化包括煤的热解、气化和燃烧3部分。煤炭气化时所得的可燃气体的过程称气化。
煤炭气化至今已有150多年的历史，19世纪50年代第一台阶梯式炉篦的西门子煤气化发生炉正式诞生，20世纪20年代研制成功沸腾床气化炉（1926年温克勒气化炉），30年代出现了加压气化技术，50年代出现了气流夹带床粉煤气化技术。这些早期的煤气化技术大都使用块煤和小粒煤为原料制合成气，如各种常压移动床气化炉、温克勒气化炉和K-T炉气化炉等气化方法，通称为第一代煤气化工艺。进入20世50年代后期，由于石油、天然气工业的兴起，煤制气技术的开发研究工作受到冲击。70年代初，世界范围内发生了“石油危机”，一些工业发达国家又重新重视煤炭转化技术，各种新型的气化方法和气化炉型应运而生。80年代后，煤气化技术取得了重大成果并进行了商业化运行。采用先进的气流床反应器，以干粉煤或水煤浆为原料，加压气化，如Texaco法、Shell法和液态排渣鲁奇炉气化等，通称为第二代煤气化工艺[4~6]。目前成熟工业化的气化技术主要有三个：
首先是固定床煤气化技术，可分为常压与加压两种。固定床气化典型工艺有常压UGI炉，加压Lurgi炉等几种。Lurgi加压煤气化技术成熟可靠，适合处理灰分高、水分高的块状褐煤，主要用于城市煤气的生产。其次是流化床气化技术，气化过程中，燃料与气化剂逆流接触，当气流速度达到一定程度时，床层膨胀，颗粒被气流悬浮起来。与固定床相比，流化床气化技术具有入炉煤加工要求低、气化原料粒度小，床内混合剧烈，炉内脱硫，气化效率和气化强度高等优点。流化床煤气化可以直接利用碎粉煤，不用加工成形，备煤加工费最低，正符合煤炭机械化开采水平提高后粉煤率增加的特点。流化床内物料、温度均匀，便于操作控制，炉内存在的大量可燃物可保证生产的安全性，并且炉内温度足以裂解煤热解中产生的高烃类物质，简化了煤气净化及污水处理工艺，对煤的灰含量敏感性不大，适合于高灰劣质煤的利用。最后是气流床气化技术，气流床是指在固体燃料气化过程中，气化剂将煤粉夹带进入气化炉，进行并流式燃烧和气化反应。受反应区空间的限制，气化反应必须在数秒完成。煤和气化剂的相对速度很低，气化反应朝着反应物浓度降低的方向进行。气流床气化采用粉煤气化使煤的比表面积比大大增加，对提高热、质传递速率，气化压力为数十大气压，床内煤粉体积仅占2%左右，煤粒各自被气流隔开，在固定床、流化床中有重要影响的自由膨胀系数等煤的物理性质差异对气化过程已没有影响[7]。已工业化的气流床炉型有：常压气流床粉煤气化；粉煤加压气化（Shell煤气化）等，并且煤粉进料的Shell气化炉则占工业化装置的20%左右。
1.2国内外发展现状
近年来国内外大力发展先进煤气化技术，煤气化将来发展的总趋势可归纳以下几点：
1、提高煤气化操作压力和操作温度，几乎各种类型的新开发的气化炉都采用加压气化的工艺。
2、拓宽煤种适应性，气化原料煤种向多样化、固态排渣向液态排渣发展。
3、气化向大型化方向发展，因为大型化可以提高单位设备的生产能力。但由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，必须在有限的设备尺寸上，通过提高单位时间单位体积的处理能力和处理效率实现大规模高效，其途径只能是：提高温度、增加压力、强化混合。因此大规模高效煤气化过程必须在极为苛刻的高温（1300～1700 ℃）、高压（3.0～8.5 MPa）和多相流动条件下进行，由此产生了一系列需要解决的技术问题。
4、实现能量的高效转化与合理回收 回收煤气显热的技术有两种，即激冷工艺和废热锅炉工艺，前者特别适合于煤基化学品的生产，后者更适合于IGCC发电[8]。激冷工艺设备简单，投资省，但能量回收效率低。废热锅炉热量回收效率高，但设备庞大，投资巨大，以Shell技术为例，日处理1000 t煤气化炉废热锅炉高达50余米，投资1.5亿元以上，因此开发新的热量回收技术势在必行。
总之，由于各国自然资源和社会条件的不同，具体的能源政策也各不相同，但可以预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。对于我国经过长期的开发、引进、消化和吸收，我国煤气化技术的研究开发也取得了重要进展，然而由于诸多主客观因素的限制，国际上先进的煤气化技术多为国外公司所垄断，随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，应积极进行煤气化的研究，开发高效率的煤气化技术，掌握和运用国内外的先进煤气化及其应用技术，提高行业竞争力和保障国家的能源安全，以满足国民经济发展对煤炭清洁利用的迫切需求。

第二章 生产方法的选择
2.1生产方法的介绍
煤气化法按不同的分类有多种，分叙如下[9]：
1.按制取煤气的热值分类为（1）制取低热值煤气方法，煤气热值低于8347kJ/m3；（2）制取中热值煤气方法，煤气热值16747~33494kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于33494kJ/m3。
2.按供热方式分类，气化过程的供热方式有（1）蓄热法；（2）富氧空气气化法；（3）外热法。
3.按反应器的形式分类，气化方法有（1）移动床（固定床）；（2）流化床；（3）气流床。
本设计按反应器的分类方法来分别简要介绍各种方法。
2.1.1 固定床气化法
煤的固定床气化是以块煤为原料，煤由气化炉顶部间歇加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得很完全，灰渣中残碳少，产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，而且灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化剂效率高，这是一种理想的完全气化方式。
（1）固定床常压气化
此方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，即要求用块煤，低灰熔点的煤难以使用常压方法用空气或空气-水蒸汽作为气化剂，制得低热值煤气。
（2）固定床加压气化
固定床加压气化最成熟的炉型是鲁奇炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应床。所不同的是采用氧气-水蒸汽或空气-水蒸汽为气化剂，在2.0-3.0Mpa和900~1100℃的湿度条件下连续气化方法。
2.1.2 流化床气化
流化床气化又称沸腾床气化，它是以小颗粒煤为原料，将气化剂（蒸汽和富氧或氧气）送入炉内，是煤颗粒的炉内呈沸腾状态进行气化反应。它是一种介于逆流操作和顺流操作这两种情况之间的操作。
（1）温克勒法
温克勒法是最早开发的流化方法，在常压下，把煤粒度为0-8mm的褐煤、弱粘结性烟煤或焦碳经给煤机加入到气化炉内。在炉底部通入空气或氧气作介质，没与经过预热的气化剂发生反应。
（2）高温温克勒法
将含水分5%~12%的褐煤输入到充压至0.98Mpa的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。白云石、石灰石或石灰经给料机输入炉内。煤与白云石类添加物在炉内与经过预热的气化剂（氧气/蒸汽或空气/蒸汽）发生气化反应。粗煤气由气化炉上方逸出进入第一旋风分离器，在此分离出的较粗颗粒、灰粒循环返回气化炉。粗煤气再进入第二旋风分离器，在此分离出的细颗粒通过密闭的灰锁系统将灰渣排出，除去煤尘。煤气经废热锅炉生产水蒸气以回收余热，然后经水洗塔进一步冷却和除去。
（3）灰团聚气化法
它是在流化床中导入氧化性高速气流，使煤灰在软化而未熔融的状态下在锥形床层中相互熔聚而粘结成含碳量低的球状灰渣，有选择性地排出炉内。它与固态排渣相比，降低了灰渣的碳损失。
（4）加氢气化法
所谓加氢气化就是在煤气化过程中直接用氢或富含H2的气体作为气化剂，生成富含CH4的煤气化方法，其总反应方程式可表示为：煤＋H2→CH4＋焦
2.1.3 气流床气化
它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。它有以下两种方法：
（1）K—T法
此法是最早工业化的气流床气化方法，它采用干法进料技术，因在常压下操作，存在问题较多。它是1948年德国海因里希-柯柏斯和托切克博士提出的一种气流床气化粉煤的方法。
（2）德士古法
它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺，气化炉是由美国德士古石油公司所属德士古开发公司开发的气流床气化炉。
2.2 生产方案的选择及论证
与固定床气化相比其它气化方法的优点是：（1）气化能力大；（2）气化用煤广；（3）生产灵活性强，开停车容易；（4）碳转化率高；（5）环境污染小。但是如果采用这些方法不但其主体设备及相关必要设备的投资就将大大增加而且能耗也将大大增大，这对我国氨需求量大而技术又相对落后而且资金短缺这一基本国情是不相符的。所以，虽然固定床其工艺较其它气化工艺有其不足之处且工艺较为落后，但其气化工艺较之其它工艺更成熟。根据我国基本国情及合成氨现状，本设计采用常压固定床间歇气化法。

第三章 常压固定床间歇气化法
3.1 固定床气化法的特点
固定床间歇法制气是指，以无烟煤、焦炭或各种煤球为原料，在常压煤气发生炉内，
高温条件下，与空气（富氧空气）和水蒸气交替发生一系列化学反应，维持热量平衡，生成可燃气体，回收水煤气，并排出残渣的过程。固定床气化法其煤气发生炉的排渣和加料不是连续的，而是间断的排渣和加料，其致密的煤层在气化过程中是静止不动的，随着气化反应的进行，以温度化分的各区域将逐渐上移，必须经过间歇排渣和加炭后各区域才恢复到原来的位置[10]。
3.2 半水煤气定义
半水煤气是以水蒸气为主加入适量的空气为气化剂与赤热的炭反应，所生成的煤气称为半水煤气，它是合成氨的原料气，其成分中CO2+H2一般在68%左右，用于合成氨的半水煤气要求n(H2+CO)/n(N2)=3.1~3.2。
3.3 半水煤气制气原理
灰渣层
氧化层
干馏层
干燥层
还原层
3.3.1 煤气发生炉构造及气化反应的分区
在煤气发生炉中固体燃料气化过程，燃料与气化呈相反方向和顺时针方向运动，当气化剂经过燃料层时，进行燃料的气化反应，同时伴随物理变化，燃料层大致可分为如图所示的5个区层[12]：
（1）干燥层 新加入的燃料由于下层高温燃料和炉壁的辐射热以及下面的高温气流的导热，使燃料中的水分蒸发，形成干燥层，干燥层的厚度与加入燃料有关。
（2）干馏层 干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发

图3.1燃料层分区示意图

蒸发至差不多后，在高温条件下，燃料便发生分解，放出挥发分，燃料本身也逐渐碳化，干馏层厚度小于干燥层。
（3）还原层 气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。
气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。
（4）氧化层 在这层中，从下面来的空气与碳反应，生成碳的氧化物，因为氧化速度较快，故其厚度比还原层薄。如用水蒸汽作气化剂时，在该层中还进行碳与水蒸汽的氧化反应，一般将还原层和氧化层通称之为气化区。
（5）灰渣层 氧化层下面就是灰渣层，没有化学反应发生，起作用是能分布热空气和保护炉。
必须指出，各层之间并没有严格的界限，即没有明显的分层，各层高度随燃料的种类性质和气化条件不同而异。
3.3.2 制气原理
固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。
表3.1 以空气为气化剂主要反应方程
序号
反应方程式
1
C＋O2（3.76N2）=CO2（+3.76N2）
2
C＋O2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）
3
C＋CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）
4
2C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2
表3.2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式
序号
反应方程式
1
C＋H2O（汽）=CO＋H2
2
C＋2H2O（汽）=CO2＋2H2
3
CO＋2H2O（汽）=CO2＋H2
4
2H2＋O2=2H2O（汽）
5
C＋H2=CH4
6
CO＋3H2=CH4＋H2O
7
CO2＋4H2=CH4＋2H2O（汽）
间歇法制取水煤气生产中，由于料层温度不断发生变化，因此此水煤气组成也相应发生变化。在气化炉燃烧层中，炭与空气和水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行：
2C＋O2＋3.76N2=2CO2＋3.76N2
C＋H2O（汽）=CO＋H2
这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气（习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中（CO＋H2）：N2=3要求，但是在实际生产中要求半水煤气（CO＋H2）：N2≧3.2[13]。
3.4 生产半水煤气对固体原料性能的要求
（1）水分
燃料中水分含量过高，会影响煤气发生炉的气化效率，在气化过程中因水分蒸发吸热造成炉温下降使燃料消耗增加，降低打气量，增加烧渣中碳含量，炉子操作条件恶化，影响水煤气产量和质量。因此，要求入炉煤的水分含量小于5%。
（2）挥发份
燃料中如果挥发份含量高，则制出的半水煤气中甲烷和焦油含量高。
①甲烷存在直接影响原料消耗定额和氨的合成能力。
②焦油含量高，煤粒相互粘结成焦拱，破坏透气性，增大床层阻力，妨碍气化剂均匀分布。
③焦油含量高，因易沉积在管道和罗茨鼓风机转子和机内壳上，更严重的会沉积在一段压缩机入口管道和活门上，给生产带来极大不利。因此，要求燃料中挥发份小于6%。
（3）灰份
煤中含灰分其主要成份为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质，这些物质的含量对灰份有决定性影响。灰份高的燃料，不仅增加运输费用和排灰设备磨损，而且降低煤气发生炉的生产能力，所以要求燃料中灰份小于15%。
（4）硫份
煤中的硫份在气化过程中转化为含硫气体，不仅对设备和系统管道有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程特点，对含硫量有一定的要求，并应在净化过程中将其除去。
（5）化学活性
化学活性高的燃料，有利于气体物质和气化率的提高。至于对气化效率的影响，则因所选用的煤气发生炉炉型不同而有所差异。
（6）机械强度
机械强度高，以免燃料在炉内或上料过程中受碰撞和挤压而发生碎裂，机械强度低会使炉内阻力和气体带出物增加，气化能力下降，消耗增高。
（7）热稳定性
热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。热稳定性差的燃料，不仅增加炭阻力和气体带出物，而且会堵塞炉膛和系统管道，增加动力消耗，影响制气产量。
（8）粒度
固体原料粒度大小和均匀性也是影响气化指标的重要指标的重要因素之一。粒度小，与气化剂接触面积大，气化效率和煤气质量好。但粒度太小，会增加床层阻力，不仅增加电耗，而且煤气带走灰渣也相应增多，使煤耗增大。粒度大，则气化不完全，灰渣中碳含量增加。所以，特别以23~50mm的粒度最好。
总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产取得良好的气化指标，应采用热稳定性好、机械强度高、不粘结、粒度均匀、水分较少、灰分和挥发分不高，灰分熔点较高的原料[11]，本设计采用无烟块煤。
3.5 间歇式制半水煤气的工艺条件
选择生产工艺条件时，要求气化效率高，炉子生产强度大，煤气质量好，气化效率指制得半水煤气所具有的热值与制气投入的热量之比。投入的热量包括气化所消耗的燃料热值和气化剂带入的热量（后者主要指蒸汽的潜热）。它是用来表示气化过程中的热能利用率。气化效率高，燃料利用率高，生产成本低。气化效率用X表示：
X=Q半/(Q燃＋Q蒸)×100%
式中：Q半----------半水煤气的热值
Q燃--------------消耗燃料的热值
Q蒸---------------消耗蒸汽的热值
生产强度是指每平方米炉膛截面在每小时生产的煤气量，以煤标准状态下的立方米表示。煤气质量则根据生产要求以热值或以指定成分要求来衡量[16]。为了达到以上的要求，气化过程的工艺条件有：
（1）温度 反应温度沿着燃料层高度而变化，其中氧化层温度最高。操作温度一般主要是指氧化层的温度，简称炉温。炉温高，反应速度快，蒸汽分解率高，煤气产量高，质量好。但炉温高，吹风气中一氧化碳含量高，燃烧发热少，热损失大。此外，炉温还受燃料及灰渣熔点的限制，高温熔融将造成炉内结疤。故炉温通常应比灰熔点低50℃左右，工业上采用炉温范围1000~1200℃[17]。
（2）吹风速度 提高炉温的主要手段是增加吹风速度和延长吹风时间，后者使制气时间缩短，不利于提高产量，而前者对制气时间无影响，通过提高吹风速度，迅速提高炉温，缩短二氧化碳在还原层的停留时间，以降低吹风气中的一氧化碳含量，减少热损失。
（3）蒸汽用量 蒸汽用量是改善煤气产量与质量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制气时间愈长，则煤气产量愈大。但要受到燃料活性、炉温和热平衡的限制。当燃料活性好。炉温高时，加大蒸汽流量可加快气化反应，煤气产率和质量也得到提高。但同时因燃料层温下降快而应缩短吹入蒸汽的时间。但燃料活性较低时，宜采用较小的蒸汽流量和较长的送入时间。
（4）燃料层高度 在制气阶段，较高的燃料层将使水蒸汽停留时间加长，而且燃料层温度较为稳定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹风阶段，由于空气与燃料接触时间加长，吹风气中CO含量增加，更重要的是，过高的燃料层由于阻力增加，使输送空气的动力消耗增加。根据实践经验，对粒度较大、热稳定性较好的燃料，可采用较高的燃料层，但对颗粒小或热稳定性差的燃料，则燃料层不宜过高。
（5）循环时间 制气过程一个循环时间包括五个阶段时间，各阶段的时间分配要根据燃料性质，气化剂配分比和煤气组成的要求而定，一个循环时间短时，炉温的波动小，煤气产量和质量也较稳定，故循环时间不宜长，但气化活化较低的燃料时，因反应速度慢，应采用较长的循环时间。
（6）气体成分 主要调节半水煤气中（H2+CO）与N2比值。方法是改变加氮气，或改变空气吹净时间。在生产中还应经常注意保持半水煤气中低的氧含量（≤0.5%）[18]，否则将引起后序工段的困难，氧含量过高还有爆炸的危险。
3.6 生产流程的选择及论证
根据水煤气生产工艺流程中废热利用的程度，可分为五类：
(1)不回收废热的流程
吹风直接放空，上下行煤气直接进入冷却净化系统，故其热效率差。一般为小型水煤气站采用。
(2)只利用吹风气特点持有热的流程
该流程在吹风阶段，将吹风气通过燃烧室，同时向燃烧室内送入二次空气，合使吹风气中的在燃烧室中燃烧，蓄热，高温燃烧后废热锅炉的收热量后放空。上行、下行煤气直接进入冷却净化系统，不进行热量回收。
(3)利用吹风气持有热和上行煤气显热的流程
这是我国目前广泛使用的一类流程，它可使大部分的废热得以回收利用。此流程适用于炉径大于2740mm[19]。
(4)完全利用吹风气所持有热及上、下行煤气显热的流程
该流程与流程（3）的差别仅在于下行煤气的显热亦于回收，废热的回收利用程度最高，废热锅炉的温度波动较小，蒸发量也较稳定。
(5)增热水煤气流程
在水煤气生产中，用油裂解来提高煤气热值的方法称为增热，它的热值高达16.7到18.8MJ/m3。但CO含量高达30%以上，故它不宜单独作为城市煤气，但可作为城市煤气的补充气源以备调峰之用[3]。
综上所述，以（2）和（3）两种流程为最佳，流程（4）效率高于（3）、（4）中由于加了回收下行煤气显热，使得阀门和管道增多，操作变得复杂，投资增加，且由于煤气温度不高于200℃，从经济效益上考虑，流程（3）比流程（4）更为实用，本设计采用流程（3）。
3.7间歇式气化的工作循环
常压固定床法制半水煤气其工艺流程气化过程按5个阶段分别叙述如下：
（1）吹风阶段 来自鼓风机的加压空气送入煤气发生炉底部，经与燃料层燃烧放出大量的热量储存于炭层内，生成吹风气由炉顶出，经旋风除尘器除去灰尘后，进入废热锅炉的管间的水换热，水受热蒸汽产生的低压蒸汽经气包蒸汽管道可供本炉制气用。吹风气被冷却降温后出废热锅炉，由烟囱放空。
（2）上吹制气阶段 蒸汽与加氮空气一起自炉底送入，经与灼热的燃烧层反应后，气体层上移，炉温下降，生成半水煤气由炉顶引出除去带出灰尘。进入废热锅炉回收气体中的显热后进入洗气箱至洗气塔洗净和冷却至常温由洗气塔上部引出送出气柜。
（3）下吹制气阶段 蒸汽自炉顶送入，经灼热的气化层反应，气化层下移，炉温继续下降，生成的水煤气由炉底引出，因下行煤气通过灰渣层降低温度，不再进入废热锅炉直接进入洗气箱、洗气塔洗净降温，由塔顶引出至气柜。
（4）二次吹气阶段 基本同一次上吹制气阶段，但不加入氮空气，其目的在于置换下部及管道中残存的煤气，防止爆炸现象。
（5）吹净阶段 其工艺流程同上吹制气阶段，但不用蒸汽而改用空气，以回收系统中的煤气至气柜。
以上5个阶段的工作循环，由液压或气压两种形式自动机控制，目前正在发展成微型程序制代替自动机控制。
间歇式制气工作循环各阶段气体的流向如图3.2：

图3.2 间歇式制气工作循环各阶段气体的流向图
表3.3 各阶段阀门开启情况
阶段
阀门开闭情况
1
2
3
4
5
6
7
吹风
O
X
X
O
O
X
X
一次上吹
X
O
X
O
X
O
X
下吹
X
X
O
X
X
O
O
二次上吹
X
O
X
O
X
O
X
空气吹净
O
X
X
O
X
O
X
注：O：阀门开启：X：阀门关闭
3.8间歇式制半水煤气工艺流程
如附图1所示，固体燃料由加料机从煤气发生炉炉顶间歇加入炉内，吹风时，空气经鼓风机加压自下而上通过燃料层，吹风气经燃烧室及回收热量后由烟囱放空。燃烧室中加入二次空气，将吹风气中的可燃气体燃烧，使室内的格子蓄热砖温度升高。燃烧室盖子具有安全阀作用，当系统发生爆炸时可泄压，以减轻设备的破坏。蒸汽上吹制气时，蒸汽和加氮空气从煤气炉底部进入，煤气经燃烧室及废热锅炉回收余热后，再经洗气箱及洗涤塔进入气柜。二次上吹时，气体流向与上吹相同。下吹制气时，蒸汽从燃烧室顶部进入，经预热后自上而下流经燃料层。由于煤气温度较低，可直接由洗气箱经洗涤塔进入气柜。空气吹净时，气体经燃烧室、废热锅炉、洗气箱和洗涤塔进入气柜，此时燃烧室不必加入二次空气，在上、下吹制气时，如配入加氮空气，则其送入时间应稍迟于水蒸汽的送入，并在水蒸汽停送之前切断，以避免空气与煤气相遇而发生爆炸。燃料气化后，灰渣经旋转炉蓖由刮刀刮入灰箱，定期排出炉外。
3.9各主要设备简介
3.9.1 煤气发生炉
在间歇法工艺中，用于生产半水煤气的发生炉主要为UGI水煤气炉。我国自行设计和制造了炉径为Φ1500，Φ2260，Φ3000，Φ3600等一系列半水煤气炉，他们的结构与UGI半水煤气炉基本相同。
水煤气发生炉的结构大致分为五个部分，起各部分的作用分叙如下：
（1）炉体
炉壳由钢板焊制，上部衬有耐火砖和保温砖硅藻砖，使炉壳免受高温的损害。外面包有石棉制品隔热保温衬铸刚护圈，内部衬有耐火砖和隔热层[14]。
（2）夹套锅炉
锅炉外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失，夹套锅炉的作用主要是降低氧化层温度，以防止熔渣粘壁并副产蒸汽，夹套锅炉两侧设有探火孔，用于测量火层，了解火层分布和温度情况上部装有液位计，水位自动调节器和安全阀等附件。
（3）底盘
底盘和炉壳通过大法兰连成一体，用紫铜薄板包石棉布填料密封。底盘底部有气体中心管与吹风和下吹管线呈倒Y型连接，中心管下部装有通风阀和清理门。底盘两侧有灰斗，底盘上设有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止气体外透，起安全作用。
（4）机械除灰装置
包括能够转动的灰盘和炉条及固定不动的会犁。灰犁固定在出灰口上，利用它与旋转灰盘之间的相对运动，以减弱机械磨损。
（5）传动装置
机械除灰装置的旋转是由电机提供动力，通过减速箱蜗杆、蜗轮来完成的。传动装置附有注油器，以减弱机械磨损。
3.9.2 燃烧室
燃烧室的上部都呈锥行，中部为柱体，内衬有耐火砖及蓄热用的格子砖。燃烧室的作用：
（1）向吹风气添加二次空气，使其中的CO等可燃物在其中燃烧，所生成的热量被积蓄在格子砖内。
（2）利用所蓄积的热量，预热下吹蒸汽和加氮空气，提高气体的入炉温度，提高分解率。
（3）除去煤气中的细灰，以减少对废热锅炉的损害。气体从下部入口切线方向进室，避免直接冲撞室壁，以减少对耐火砖的磨损，并使气体在室内分布均匀。燃烧室的顶盖起着泄压作用，当系统发生爆炸时，爆炸压力超过盖子弹簧的作用力，盖子张开，降低压力，避免设备损坏。
3.9.3 废热锅炉
废热锅炉主要用于回收吹风气和上行半水煤气的显热，生产0.49-1.18Mpa的蒸汽，为制气和其他用途提供一部分蒸汽来源。
煤气生产中常用火管立式废热锅炉，炉体为一直立的圆筒，用钢板焊接，两头装有钢板封头，内部装有若干根无缝钢管[15]。高温气从上而下与管间的水进行逆流热交换，汽水混合物从上循环管进入气包产生蒸汽。分离下来的 水及向气泡补充的新鲜水（软水）由下循环流入废热锅炉下部管间。进炉气体一般为500~700℃出炉后可降至200℃左右。
由于废热锅炉上部装有气泡，为保持炉体重心达到平衡，避免基础受力不均而下陷，故安装时，锅炉炉体倾斜7°，用以促进对流，使热交换效率提高。
3.9.4 洗气箱
洗气箱的作用是防止水封以后的煤气倒回煤气炉和空气发生爆炸，并兼冷却除尘的作用。洗气箱的外行是一个具有圆筒行容器，半水煤气进口管浸入水面以下75~125mm，水至箱顶加入，不断地从锥体部分的溢流管溢出，以保持一定的水面，起到安全水封的作用。它是煤气炉系统确保安全生产不可缺少的设备。进洗气箱的煤气温度约200℃，出气温度为70℃左右，洗气箱的冷却水用量大，其冷却作用主要靠水的蒸发，煤气主要因失去显热而降温，出洗气箱的煤气已被饱和。
3.9.5洗涤塔
洗涤塔的作用是冷却（降温），冷凝（蒸汽）和除尘，它可采用喷塔，也可采用填料塔，其外形一般为柱形。煤气由下部入塔，由上部出塔。由于进塔煤气被水汽饱和，所以，如想继续降温，必须使煤气中的水汽冷凝，由于冷凝热大，故必须用大量的水喷淋，使煤气继续冷却。
3.9.6 烟囱
烟囱也是煤气生产中不可缺少的设备，其主要作用是排放废气，另还兼有除尘的作用。
3.9.7 自动机
自动机的作用在于通过自动机的程序控制，使水煤气的生产操作基本实现自动化。自动机把高压水按时送到煤气炉各系统各个自动液压阀门，是阀门按照工艺循环的要求准时准备启动，准确控制和调节，保证生产稳定和安全。