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第一篇 固体燃料气化1

第一章 煤的性质1

第一节 概述1

一、煤的成因及主要组分1

表1-1-1 各地质年代植物生长及成煤情况1

表1-1-2 各种腐殖煤的主要特征2

表1-1-3 宏观煤岩成分性能比较2

二、煤的化学组分和结构2

表1-1-4 各种煤的元素组成3

第二节 煤的分析化验3

一、煤的工业分析4

二、煤的元素分析4

四、煤分析基准和测定结果换算5

三、煤的发热量5

第三节 煤的性质7

一、煤物理性质7

二、煤（焦）活性9

三、煤的灰渣特性9

第四节 煤的风化与自然9

第五节 煤的热解和粘结性9

一、煤的热解9

二、煤的粘结性和膨胀性10

第二章 各种煤气化方法概述11

第一节 煤气化技术发展概况11

表1-2-1有代表性气化炉型分类汇总表11

第二节 粉煤气流床气化技术12

一、柯柏斯-托切克常压气化技术12

图1-2-1 柯柏斯-托切克粉煤气化工艺流程图13

二、加压气化技术14

表1-2-2 生产1000m3（标）（CO+H2）的指标14

图1-2-2 Prenflo煤气化工艺流程图15

表1-2-3 SCGP气化炉用的原料煤性质16

图1-2-3 Demkolec厂以SCGP气化技术为基础的ICGCC发电装置流程图17

图1-2-4 SCGP气化炉结构示意图18

图1-2-5 GSP粉煤加压气化工艺流程图20

图1-2-6 GSP气化炉结构示意图21

表1-2-4 GSP工艺试验典型数据21

表1-2-5 SCGP气化工艺与Texaco水煤浆气化工艺指标对比22

第三节 流化床气化技术22

一、温克勒（Winkler）煤气化技术22

表1-2-6 燃料颗粒在空气中的极限沉降速度（m/s）23

图1-2-7 沸腾床气化工艺流程图24

二、高温温克勒（H．T．W）煤气化技术25

表1-2-7 沸腾床气化炉气化褐煤的指标25

图1-2-8 H．T．W煤气化工艺流程图26

表1-2-8 常压和高温温克勒气化炉数据27

三、Hygas法煤气化27

表1-2-9 Hygas中试装置煤的典型分析27

图1-2-9 Hygas中试装置气化炉图28

四、Bigas法煤气化29

图1-2-10 Bigas法煤气化工艺示意流程图29

五、Synthane煤气化法29

图1-2-11 Synthane煤气化工艺示意流程图30

六、循环流化床煤气化技术30

表1-2-10 不同气化床数据的比较31

图1-2-12 鲁奇CFB气化技术流程示意图31

图1-2-13 循环流化床气化炉流程示意图32

表1-2-11 鲁奇公司循环流化床气化实验数据32

二、U-gas气化法33

一、概述33

第四节 灰熔聚流化床煤气化技术33

图1-2-14 U-gas煤气化工艺流程图35

表1-2-12 中国科学院山西煤化所1983年灰熔聚流化床试验数据37

三、西屋（Westing House）煤气化技术38

图1-2-15 西屋法煤气化工艺流程图39

第五节 熔融床气化炉39

一、Saarberg-Otto法（S-O法）39

图1-2-16 Saarberg-Otto煤气化工艺流程图40

第六节 固定层变压煤气化技术41

一、概述41

图1-2-17 变压煤气发生炉结构示意图41

二、试验情况41

一、概述42

第七节 两段气化炉42

四、存在问题42

图1-2-18变压煤气化炉试验装置工艺流程图42

三、工艺流程说明42

二、制取合成氨原料气两段炉气化工艺特点43

三、两段炉对原料煤的要求43

四、生产流程说明43

图1-2-19两段气化炉工艺流程图44

参考文献44

第三章 常压固定层气化技术45

第一节 固定层气化对原料的要求45

一、对原料的物理化学性质要求45

表1-3-1灰分中各种混合物的熔点46

二、对原料的物理性质要求46

一、煤气化过程发生主要反应47

第二节 固定层煤气化原理47

表1-3-3 无烟块煤质量指标47

表1-3-4 气化过程中发生的主要反应方程式47

表1-3-2 焦炭质量指标47

三、对焦炭质量具体要求指标47

三、间歇式固定层煤气化炉制气原理48

图1-3-1 燃料层分区情况48

表1-3-5 气化炉内原料层各区域的特性48

二、气化固体原料时煤气发生炉内原料层的分区48

第三节 间歇式固定层煤气化炉制取水煤气及半水煤气的生产方法49

图1-3-1 一个循环制气的全过程50

表1-3-6 制造水煤气操作循环的时间分配51

第四节 间歇式固定层煤气化炉制取半水煤气工艺流程51

图1-3-3 固定层煤气炉制取半水煤气工艺流程图52

第五节 间歇式固定层煤气化炉制取半水煤气的物料和热量衡算53

第六节 主要设备物料和热量衡算55

一、燃烧室物料及热量衡算55

四、对无烟块煤质量具体要求指标57

二、废热锅炉热量衡算58

三、洗气箱热量衡算60

四、洗气塔热量衡算61

第七节 主要设备选型计算及筒图62

一、煤气发生炉62

图1-3-4 φ3000mm煤气发生炉63

图1-3-5 φ3600mm煤气发生炉64

二、空气鼓风机65

三、燃烧室65

图1-3-6 燃烧室筒图66

四、废热锅炉66

图1-3-7 废热锅炉筒图71

五、洗气箱71

六、煤气洗涤塔（填料塔）72

图1-3-8 洗气箱简图72

七、煤气洗涤塔（旋流板式）78

图1-3-9 木格填料煤气洗涤塔简图78

图1-3-10 塔板计算图81

图1-3-11 旋流板式煤气洗涤塔简图81

八、φ3000mm气化炉（日产氨260～300t）主要设备一览表81

表1-3-7φ3000mm气化炉（日产氨260～300t）主要设备一览表82

九、φ3600mm气化炉（日产氨600t）主要设备一览表83

表1-3-8φ3600mm气化炉（日产氨600t）主要设备一览表83

第八节 间歇式固定层煤气炉制取半水煤气消耗定额84

表1-3-9 间歇式固定层煤气炉制取半水煤气消耗定额表84

第九节 三废排放及处理85

表1-3-10 三废排放及处理表85

四、设置煤气防护站86

一、改进气化炉炉箅86

第十一节 固定层气化改进措施86

五、操作安全注意事项86

二、煤气发生炉主厂房的性质86

三、设计采取的安全措施86

一、煤气发生炉系统生产的特点86

第十节 安全措施86

图1-3-12 XD-1型炉箅87

图1-3-13 均布型炉箅87

图1-3-14 多边形炉箅88

图1-3-15 LZ螺旋锥形炉箅88

二、采用微机或DCS控制系统88

三、提高废热锅炉蒸汽压力89

四、进一步回收吹风气及半水煤气热量89

五、利用过热蒸汽制气89

第十二节 固定层煤气炉富氧连续气化89

二、富氧气化工艺流程90

一、富氧气化原理90

三、主要设备简述91

图1-3-16 固定层煤气炉富氧连续气化工艺流程图91

四、生产工艺条件和气化技术指标92

表1-3-11 中型氨肥厂富氧连续气化工艺条件及气化技术指标表（φ2740mm煤气炉气化实例）92

五、正常工艺条件93

六、间歇式气化与富氧连续气化技术经济比较94

表1-3-12 两种原料（煤和焦）富氧连续气化的技术指标94

表1-3-13 中型氮肥厂两种气化方法的投资比较94

表1-3-14 小型氮肥厂技能改造两种气化方法投资比较95

表1-3-15 小型氮肥厂两种气化方法投资比较95

图1-3-16 两种气化方法吨氨生产费用比较95

图1-3-17 富氧连续气化经济效益与大、小块煤价差的关系96

一、入炉煤粒径的影响97

表1-4-1 几种煤的比表面积97

第一节 煤质对碎煤移动床加压气化的影响97

第四章 碎煤移动床加压气化97

表1-4-2 国内外各种碎煤移动床加压气化炉的设计参数和粗煤气出炉的操作速度99

图1-4-1 在不同压力下煤粒径、气化能力与阻力降的关系100

表1-4-3 沈北褐煤粒径对煤耗、氧耗、蒸汽消耗的影响100

二、入炉煤中水分含量对煤气化的影响101

图1-4-2 美国西部煤水含量（无灰基）和热值关系101

图1-4-3 在2．0Mpa下各项煤气化指标间相互关系102

三、煤的粘结性与碎煤加压气化的关系102

表1-4-4 煤的粘结性对气化指标的影响103

表1-4-5 t=550℃时不同压力下粘结性R和焦强度P试验结果104

表1-4-6 压力、温度对煤的挥发分产率，粘结指数R，焦块机械强度的影响105

表1-4-7 煤在不同鼓风气组成和不同压力下进行气化时的粘结性变化数据105

图1-4-5 压力下测定煤的活性及煤种与热值的关系106

四、煤焦活性对碎煤移动床加压气化的影响106

图1-4-4 几种试验用煤的CO2活性106

图1-4-6 煤焦活性与m3 （标）有效气氧耗关系107

图1-4-7 煤焦活性对气化过程气固相温度的影响108

图1-4-8 床层最高温度与理论温度关系108

表1-4-8 煤焦活性对蒸汽分解率的影响109

表1-4-9 三种煤焦活性对水蒸气分解率的影响109

表1-4-10 煤焦活性对粗煤气组成和粗煤气温度的影响109

五、煤中灰分对碎煤加压气化的影响110

图1-4-9 未燃烧炭的热损失与灰分，灰渣中炭含量与燃料发热值的关系110

表1-4-11 灰渣的化学组成111

表1-4-12 各种煤灰熔点112

图1-4-10 煤气化气氛中铁氧化物相平衡曲线112

图1-4-11 几种试验用煤的结渣特性113

图1-4-12 某些褐煤和烟煤的结渣性113

表1-4-13 国内外煤气化工厂使用的煤质指标和设计数据114

表1-4-14 国外几种加压气化试验用煤的分析数据117

表1-4-15 碎煤加压气化试验操作条件与产率118

表1-4-16 气化试验之物料平衡119

表1-4-17 各气化试验的单耗、产率和热效率之比较119

表1-4-18 煤粘结性、半焦活性、蒸汽/氧气比和煤气产率关系120

表1-4-19 气化试验结果对于英国西田标准煤气化结果之比值120

表1-4-20 中国几种试验用煤煤质分析结果121

表1-4-21 中国几种煤加压气化试验经济技术指标121

第二节 碎煤移动床加压气化过程123

一、碎煤移动床加压气化过程特点123

图1-4-13 碎煤加压气化过程123

图1-4-14 煤在气化过程中经历的物理化学变化124

二、碎煤加压气化过程原理124

图1-4-16 加压气化时褐煤的临界水分126

图1-4-15 煤在气化炉中干燥层高度126

表1-4-23 褐煤各种不同水分时湿煤气产率127

表1-4-24 湿煤气和煤的水当量127

表1-4-22 褐煤组成127

表1-4-25 煤在干燥过程中粉碎情况128

表1-4-26 煤开始时热分解温度128

表1-4-27 干馏时发生的化学反应128

表1-4-28 煤干熘后，挥发物与焦炭的热量分配129

表1-4-29 低温干馏、中温干馏、高温干馏所得产物130

表1-4-30 煤干馏时加热速度130

图1-4-17 在缓慢干馏时气体成分与温度的关系130

图1-4-18 温度、时间和加热速度对干馏过程产品产率的影响131

图1-4-19 压力对干馏过程的影响131

表1-4-31 压力与干馏煤气中的热值131

表1-4-33 常压干馏煤气中氮元素分布132

表1-4-32 压力与干馏煤气中组成影响132

表1-4-34 煤中硫在热分解产物中的分布133

图1-4-20 煤干馏后粒径分布变化133

图1-4-21 煤气组成随气化压力变化情况136

图1-4-22 净煤气组成和高发热值随气化压力和变化情况136

图1-4-23 表面的稳定热速度137

表1-4-35 蒸汽-氧燃烧反应理论温度138

第三节 碎煤移动床加压气化工艺流程138

图1-4-24 有废热回收的制气工艺流程图139

图1-4-25 无废热回收的制气工艺流程图140

第四节 碎煤加压气化主要工艺条件的确定141

一、碎煤加压气化操作温度的确定141

图1-4-26 在相同条件不同活性煤气化时温度分布141

图1-4-29 汽氧比和燃烧层最高温度的关系142

二、碎煤加压气化蒸汽氧比的确定142

图1-4-27 在2．0MPa压力下气化褐煤，温度对粗煤气组成的影响142

图1-4-28 气化操作温度和汽氧比的关系142

图1-4-30 汽氧比与灰熔点的关系143

图1-4-31 汽氧比对煤气组成的影响143

三、碎煤加压气化压力的确定143

图1-4-32 H2/CO与H2O/O2的关系144

图1-4-33 水蒸气分解率与汽氧比的关系144

图1-4-34 压力与煤气中生成甲烷的关系144

图1-4-35 气化压力与氧气消耗量、氧气利用率的关系147

表1-4-36 气化压力对煤气组成和副产品的影响147

四、碎煤加压气化气化剂组成及其温度的确定148

图1-4-38 水碳比一定时添加CO2 量与气体组成关系149

图1-4-39 水碳比一定时添加CO2 量与气体组成关系149

图1-4-37 水碳比一定时添加CO2 与（CO+H2）/C及氧耗关系149

图1-4-36 一定水碳比时添加CO2与CO/H2的关系149

图1-4-40 在气化剂中添加CO2 对气化的影响150

图1-4-41 在气化剂中添加CO2 对粗煤气组成的影响150

表1-4-37 在气化剂中添加CO2 对气化的影响150

表1-4-38 碎煤固态排渣加压气化的气体成分151

表1-4-39 碎煤固态排渣加压气化各项指标151

图1-4-43 气化剂温度与气化指标152

图1-4-42 煤价与成本关系152

表1-4-40 气化剂温度与煤气化关系153

五、气化强度的确定153

表1-4-41 不同煤种设计和气化强度差别154

第五节 碎煤加压气化技术的发展155

一、碎煤液态排渣炉加压气化技术特点155

二、鲁尔-100型碎煤固态排渣高压气化技术开发155

一、碎煤加压气化副产品产率的确定156

第六节 碎煤加压气化副产品156

三、扩大气化炉内径，增加单炉生产能力156

表1-4-42 液态排渣与固态排渣气化数据比较156

表1-4-43 几种典型煤加压气化过程副产品产率157

二、碎煤加压气化副产品性质和组成157

表1-4-44 小龙潭褐煤与一般烟煤低温干馏焦油的区别157

表1-4-45 几种煤在碎煤加压气化中所得焦油性质158

表1-4-46 小龙潭褐煤加压气化焦油各馏分组成159

表1-4-47 小龙潭褐煤加压气化煤气中轻质油和焦油中170℃分馏出轻质油比较表159

三、焦油副产品的利用160

表1-4-48 焦油等副产品加工利用方案161

图1-4-44 煤气化装置与副产品关系图161

图1-4-45 碎煤加压气化副产品加工工艺示意图161

表1-4-50 变换进出口焦油与轻质油含量变化162

表1-4-52 变换前后有机硫变化162

表1-4-51 变换采用I．G．I．25-2-D2钴钼型变换催化剂对副产品的影响162

表1-4-49 粗煤气通过SB-2钴钼型催化剂变换前后焦油组分变化162

四、粗煤气变换时对粗煤气中所含副产品产率和组成的影响162

表1-4-53 CO变换过程中对重焦油性质和组成的影响163

表1-4-54 CO变换过程中对轻质油性质和组成的影响163

五、煤气冷凝水的处理和副产品回收163

表1-4-55 几个大型煤气厂加压气化煤气冷凝水成分163

表1-4-56 典型煤种中煤气化成分中的微量元素含量164

六、焦油/尘水的分离165

图1-4-46 焦油分离器负荷确定166

图1-4-47 油分离器结构166

表1-4-57 焦油/尘——油分离器效率167

第七节 碎煤加压气化工艺计算167

一、入炉煤粒径确定计算167

表1-4-58 煤粒径分析168

表1-4-59 煤质变化情况168

二、煤气平衡组成的计算169

表1-4-61 不同温度、压力下计算的煤气平衡组成171

表1-4-60 平衡常数值171

三、用牛顿-特劳斯特法计算煤气组成172

四、碎煤加压气化数学模型172

表1-4-62 数学模型的化学反应和物理过程及有关组分174

表1-4-63 反应空间的分段175

表1-4-64 计算输入的原始数据177

表1-4-65 煤气化过程主要化学反应的活化能和频率因子178

表1-4-66 频率因子数值变化对模型计算结果的敏感性178

表1-4-67 建立该模型时所作的假定和简化179

表1-4-68 无因子坐标分层纵向分布相对值179

表1-4-69 无因子坐标分层纵向分布数值179

表1-4-70 计算值和实际值比较180

一、碎煤加压气化物料和热量衡算181

第八节 碎煤加压气化物料、热量平衡和主要物料消耗及技术经济指标计算181

表1-4-71 碳平衡表183

表1-4-72 氢平衡表184

表1-4-73 氧平衡表186

表1-4-74 氮平衡表187

表1-4-75 硫平衡表187

表1-4-76 氯平衡表188

表1-4-77 煤气化过程物料平衡表188

表1-4-78 气化过程热平衡计算结果189

二、主要物料消耗和技术经济指标190

表1-4-79 主要物料消耗和副产品三废量表190

表1-4-80 主要技术经济指标190

五、每小时每台炉需煤箱气量191

四、每一加煤周期补入的煤气量191

三、第二次充压用煤气量191

二、第一次充压用气量191

一、已知条件191

第九节 煤箱气的计算191

六、煤箱气的组成计算192

第十节 碎煤加压气化床层阴力降计算192

图1-4-48 床层中颗粒之间含量与孔隙度之间关系193

图1-4-49 固定层粒径阻力系数用的图表193

第十一节 加压碎煤气化主要设备194

一、碎煤加压气化炉194

图1-4-50 气化炉结构图195

二、煤锁196

三、灰锁196

四、加料流槽196

表1-4-81 主要设备技术数据表197

九、主要设备技术数据198

八、液压装置198

参考文献198

六、膨胀冷却器198

七、废热锅炉198

五、洗涤冷却器198

第五章 加压水煤浆气化199

第一节 概述199

一、生产原理199

二、国内外开发概况200

图1-5-1 1973年德士古试验装置加压水煤浆试验情况200

三、工业生产情况201

图1-5-1 伊斯曼气化炉示意生产流程图201

图1-5-2 冷水工程生产示意流程图202

图1-5-3 SAR厂生产示意流程图204

图1-5-4 复合化学厂生产示意流程图204

四、加压水煤浆气化的优点205

表1-5-2 世界水煤浆气化装置205

一、煤种的选择206

表1-5-3 蒙德培罗中试装置试验的煤种206

表1-5-4 豪伯赫森示范装置试验煤种206

第二节 水煤浆气化对煤质要求206

第三节 水煤浆气化工艺条件选择208

一、水煤浆气化工艺条件的分析208

图1-5-5 煤气中CO、H2、CO2与水煤比的关系208

图1-5-6 每mol原料碳生成（CO+H2）mol数与水煤比的关系208

图1-5-7 每mol原料碳生成的（CO+H2）mol数与水煤比的关系209

图1-5-8 CO/H2mol比与CO2加入量的关系209

图1-5-9 每mol原料煤的碳所生成的（CO+H2）量及每mol（CO+H2）的耗O2量与CO2加入量的关系209

图1-5-11 CO、H2、H2O、CO2、CH4与CO2加入量的关系210

二、加压水煤浆气化压力的选择210

图1-5-10 煤气中的主要成分与CO2加入量的关系210

图1-5-12 气化炉出口气CH4与温度的关系211

三、气化炉操作温度的选择211

图1-5-13 不同温度下煤浆浓度和气化炉效率的关系211

四、水煤浆气化炉气体停留时间211

图1-5-14 气化炉出口碳转化率与水煤浆浓度和操作温度的关系212

图1-5-15 不同操作温度下，气化炉出口碳转化率与水煤浆浓度的关系212

表1-5-5 国外水煤浆气化炉规格212

五、水煤浆的浓度，粒度分布和粘度212

图1-5-16 水煤浆粘度、浓度水煤浆粒度分布的关系213

图1-5-17 不同粒度的煤浆对碳转化率的影响213

六、水煤浆输送管路设计213

七、水煤浆管路的阻力降计算213

一、加压水煤浆气化有三种不同流程214

图1-5-18 气化炉激冷流程图214

第四节 加压水煤浆气化工艺流程214

图1-5-19 气化炉废锅流程图215

图1-5-20 气化炉废锅、激冷联合流程图215

二、水煤浆气化工艺流程有效能分析216

表1-5-6 原料煤成分工业分析217

表1-5-7 原料煤元素分析217

表1-5-8 粗煤气组成217

图1-5-21 各子系统物料流程图219

表1-5-9 子系统流程有效能及焓值219

表1-5-10 全系统热效率、热损失及有效能损失222

三、加压水煤浆气化工艺流程说明222

图1-5-22 水煤浆制备流程图223

图1-5-23 气化、冷却、洗涤、渣水处理流程图224

一、气化过程物料衡算225

第五节 水煤浆气化工艺计算225

表1-5-11上面计算整理结果232

第六节 主要设备选择及设备工艺计算233

一、称重皮带给料机233

图1-5-24 加压水煤浆气化炉图233

二、磨机234

三、气化炉234

四、文丘里洗涤器234

五、煤气洗涤塔234

图1-5-25 煤气洗涤塔示意图234

六、高压煤浆泵234

七、加压水煤浆气化设备一览表234

表1-5-12 3Mpa压力水煤浆气化设备一览表235

表1-5-13 4Mpa压力水煤浆气化设备一览表237

表1-5-14 6．5Mpa水爆浆气化设备一览表239

一、废气241

第八节 三废排放及治理241

第七节 消耗定额241

表1-5-15 水煤浆加压气化消耗定额表241

表1-5-16 废气排放表242

二、废水242

三、废渣242

第九节 安全技术措施242

一、安全系统所包括的阀门243

二、停车安全系统243

三、其他与安全有关设备243

一、天然气244

表2-1-1 天然气典型组成244

二、石脑油244

第一章 概述244

第二篇 以气态烃为原料制合成气244

第一节 气态烃原料的种类及典型组成244

表2-1-2 石脑油典型组成和性质245

三、焦炉气245

表2-1-3 焦炉气的典型组成245

四、炼厂气245

一、气态烃制合成气的现状与发展246

二、蒸汽转化法246

第二节 生产方法简述246

五、天然气制乙炔的尾气246

图2-1-1 烃类蒸汽转化方块流程图247

三、催化部分氧化法247

图2-1-2 烃类催化部分氧化方块流程图247

参考文献247

第二章 原料的脱硫及脱氯248

第一节 脱硫概述248

一、原料中硫的组分和制气工艺对硫含量的要求248

二、常用的脱硫方法及其选择249

表2-2-1 有机硫化合物的热分解温度250

一、有机硫的加氢转化反应250

二、钴钼催化剂250

第二节 有机硫化合物的加氢转化250

表2-2-2 常用的加氢转化催化剂规格表252

第三节 氧化锌脱硫253

一、反应253

二、氧化锌脱硫剂254

图2-2-1 氧化锌脱硫床层气体硫含量254

表2-2-3 温度对ZnO硫容的影响254

表2-2-4 氧化锌脱硫剂规格表255

第四节 脱硫工艺流程256

一、气体原料的脱硫流程256

图2-2-2 气体原料脱硫流程图256

图2-2-3 含低硫石脑油脱硫流程图257

二、石脑油的脱硫流程257

图2-2-4 含高硫石脑油脱硫流程图258

表2-2-5 典型石脑油脱硫物料平衡259

表2-2-5 石脑油换热器温度分布图260

第五节 主要设备261

一、加氢反应器261

表2-2-6 国内一些氨厂加氢反应器的设计参数262

二、氧化锌脱硫槽263

表2-2-7 国内一些氨厂氧化锌脱硫槽的设计参数264

图2-2-6 加氢反应器及脱硫槽简图265

三、石脑油脱氧塔和贮槽265

四、H2S汽提塔265

五、石脑油脱硫主要设备表265

表2-2-8 石脑油脱硫主要设备表266

一、合成氨及制氢生产中氯的危害268

第六节 原料气脱氯268

表2-2-10 国外主要脱氯剂型号及性能269

表2-2-9 国产主要脱氯剂型号及性能269

参考文献270

第三章 蒸汽转化法271

第一节 生产原理271

一、烃类转化的热力学基础271

表2-3-1 甲烷转化及一氧化碳变换反应平衡常数271

表2-3-2 烷烃及不饱和烃蒸汽转化和加氢反应的平衡常数272

图2-3-1 热力学的最小蒸汽比273

图2-3-2 积碳反应的平衡常数273

二、转化气的平衡组成274

图2-3-3 甲烷平衡浓度和温度、压力、甲烷水碳比的函数关系274

图2-3-4 CO平衡浓度和温度、压力、甲烷水碳比的函数关系275

图2-3-5 CO2平衡浓度和温度、压力、甲烷水碳比的函数关系275

图2-3-8 CO2平衡浓度和温度、压力、石脑油水碳比的函数关系276

图2-3-6 甲烷平衡浓度和温度、压力、石脑油水碳比的函数关系276

图2-3-7 CO平衡浓度和温度、压力、石脑油水碳比的函数关系276

图2-3-9 氢的平衡浓度和温度、压力、石脑油水碳比的函数关系277

图2-3-10 氨厂二段转化炉的平衡数据277

表2-3-3 加CO2的转化平衡气体组成278

三、转化的工艺条件278

图2-3-11 不同转化压力下气体压缩功率比较279

图2-3-12 低变气回收热量266～113℃与压力及水碳比的关系280

表2-3-4 二段转化气中氨浓度估计281

第二节 工艺流程282

一、工艺流程说明282

图2-3-13 天然气为原料蒸汽转化制氨合成气的典型流程图（一）283

表2-3-5天然气为原料蒸汽转化法制氨合成气的典型流程（一）物料平衡表284

图2-3-14 石脑油为原料蒸汽转化制氨合成气的典型流程图（二）285

表2-3-6 石脑油为原料蒸汽转化制氨合成气的典型流程（二）物料平衡表286

表2-3-7 石脑油组分不同对一段转化炉设计参数的影响287

表2-3-8 石脑油与石脑油加炼厂干气为原料时合成氨装置工艺参数289

二、几种改进的工艺流程289

图2-3-15 燃气透平排气用于一段转化炉助燃空气的蒸汽转化流程图（三）290

图2-3-16 采用箱式顶部烧嘴温和型一段转化炉及下进气二段转化炉流程图（四）291

表2-3-9 采用燃气透平（排气为一段炉助燃空气）蒸汽转化流程（三）物料平衡表292

表2-3-10 箱式顶部烧嘴温和型蒸汽转化流程（四）物料平衡表292

表2-3-11 侧烧转化炉蒸汽转化流程（五）物料平衡表293

图2-3-17 采用对流段在旁边的侧烧转化炉及直流废热锅炉的转化流程图（五）294

图2-3-18 采用梯台炉和冷箱净化工艺的转化流程图（六）295

表2-3-12 三种蒸汽转化流程设计参数比较表296

表2-3-13 采用梯台炉冷箱净化工艺蒸汽转化流程（六）物料平衡表296

表2-3-19 采用天然气饱和塔的转化流程图（七）297

一、转化催化剂的组成及其特性298

第三节 转化催化剂298

表2-3-14 采用天然气饱和塔的蒸汽转化流程（七）物料平衡表298

表2-3-15 二段转化催化剂的镍挥发量299

表2-3-16 Mg（OH）2的分解分压300

二、催化剂的中毒300

表2-3-17 硫对一段转化的影响300

图2-3-20 硫对一段转化的影响301

三、对催化剂性能的要求301

表2-3-21 催化剂颗粒对活性的影响302

四、催化剂的装填303

图2-3-22 炉管阻力测试装置303

五、转化催化剂的还原和氧化304

图2-3-23 氧化镍的还原条件304

六、催化剂用量及空速306

七、常用的烃类蒸汽转化催化剂306

表2-3-18 一段转化炉用催化剂规格307

表2-3-19 二段炉用催化剂规格310

第四节 烃类蒸汽转化法制合成气的工艺计算312

一、估算法312

二、一、二段转化物料及热量衡算314

表2-3-20 天然气蒸汽转化物料平衡表322

三、一、二段转化的物料及热量衡算电算框图329

图2-3-24 烃类蒸汽二段转化物料热量平衡计算流程图329

图2-3-25 电算总框图329

图2-3-26 转化物料热量平衡子程序框图330

四、一段转化炉的工艺计算330

表2-3-21 各种类型转化炉的设计数据330

表2-3-22 托普索公司一段转化炉的计算结果331

图2-3-27 炉子分区示意图335

图2-3-28 近炉管区烟气流动模型338

图2-3-29 一段炉计算框图340

图2-3-30 顶烧炉内催化剂温度tem，管外壁温度ts，烟气温度tg1和tg2转化气中甲烷含量CH4（干基）随管长的分布342

表2-3-23 顶烧炉计算结果342

表2-3-24 侧烧炉计算结果344

图2-3-31 侧烧炉内温度沿管长的分布345

图2-3-32 托普索一段炉对流段分布示意图345

图2-3-33 凯洛格一段炉对流段分布示意图346

表2-3-25a 湍流时的εL值347

表2-3-25b 滞流时的εL值347

图2-3-34a 管束的排列形式348

图2-3-34b 系数CH之值348

图2-3-35 管排数的校正系数348

图2-3-36 翅片效率Ω349

图2-3-37 管排的有效吸收因素α350

表2-3-27 各种弯头的？值354

表2-3-26 常用管道的粗糙度354

图2-3-38 摩擦系数与雷诺数的关系图354

表2-3-28 烟气流速表355

图2-3-39 烟气温度与粘度关系图355

图2-3-40a 烟气通过错列管排的摩擦系数356

图2-3-40b 环形翅片管排列图356

五、二段转化炉的工艺计算357

图2-3-41a 二段转化炉计算框图361

图2-3-41b 二段转化炉计算框图361

图2-3-41c 二段转化炉计算框图362

图2-3-41d 二段转化炉计算框图363

表2-3-29 A、B、C三厂二段转化炉有关参数363

图2-3-42 气体组成的纵向图（A厂）364

图2-3-43 气体温度和CH4转化率的纵向分布（A厂）364

表2-3-30 凯洛格A、B、C三厂计算结果365

一、一段转化炉367

表2-3-31 某些工厂二段转化炉的设计参数367

第五节 蒸汽转化法主要设备367

图2-3-44 单管型顶烧方箱炉369

表2-3-32 单管型顶烧方箱炉技术特性表370

图2-3-45 热底管排型顶烧方箱炉371

表2-3-33 热底管排型顶烧方箱炉技术特性表372

图2-3-46 冷底管排型顶烧方箱炉373

表2-3-34 冷底管排型顶烧方箱炉技术特性表374

图2-3-47 侧烧箱式炉375

表2-3-35 侧烧箱式炉技术特性表376

图2-3-48 梯台炉377

表2-3-36 梯台炉技术特性表378

二、二段转化炉379

图2-3-49 带水夹套二段转化炉380

图2-3-50 喷头型混合器结构图381

图2-3-51 空气混合器结构图382

图2-3-52 下进气型二段转化炉383

图2-3-53 无喷头带环形分布器二段转化炉384

图2-3-54 无水夹套带空气分布器二段转化炉385

图2-3-55 带空气分布器二段转化炉的混合器结构386

图2-3-56 无水夹套带空气喷头二段转化炉387

图2-3-57 带空气喷头二段转化炉的混合器结构388

表2-3-37 二段转化炉技术特性389

三、废热锅炉389

图2-3-58 废热锅炉生产原理图389

表2-3-38 转化气废热锅炉的水质要求390

表2-3-39 双套管式废热锅炉的设计参数391

图2-3-59 双套管（刺刀）式废热锅炉392

图2-3-60 U形管式废热锅炉A393

图2-3-61 U形管式废热锅炉B394

表2-3-40 U形管式废热锅炉A设计参数395

表2-3-41 U形管式废热锅炉B设计参数395

图2-3-62 薄管板火管废热锅炉396

表2-3-42 薄管板火管废热锅炉设计参数397

表2-3-43 浮头式废热锅炉设计参数397

图2-3-63 浮头式废热锅炉398

四、蒸汽转化法各种流程的主要设备表399

表2-3-44 天然气为原料传统转化流程主要设备399

表2-3-45 石脑油为原料蒸汽转化流程主要设备402

表2-3-46 燃气透平排气作一段炉助燃空气转化流程主要设备403

表2-3-47 箱式顶部烧嘴转化流程主要设备406

表2-3-48 梯台炉和冷箱的转化流程主要设备409

表2-3-49 采用天然气饱和塔转化流程主要设备410

表2-3-50 一些氨厂的设计生产控制指标411

一、生产控制指标411

第六节 生产控制指标及主要消耗定额411

二、各种转化流程的主要消耗定额413

表2-3-51 各种转化流程合成氨设计主要消耗定额（以吨氨计）413

第七节 蒸汽转化操作和安全控制系统414

一、正常操作414

表2-3-52 典型顶烧炉炉管转化情况415

表2-3-53 典型侧烧炉炉管转化情况415

图2-3-64 烟道气中氧含量与空气过剩系数的关系416

图2-3-65 由转化炉烟道气分析求过剩空气416

图2-3-66 二段转化炉在低空气流量时加入的蒸汽流量417

二、事故紧急停车及安全控制系统418

表2-3-54 转化停车联锁419

图2-3-67 惰性气体发生工艺流程图420

表2-3-55 惰性气体发生装置主要设备表421

三、惰性气体发生装置421

第八节 热力学分析与节能423

一、天然气蒸汽转化过程的热力学分析与节能423

表2-3-56 各物料流及能量流的性质424

表2-3-57 天然气蒸汽转化能量衡算424

表2-3-58 天然气蒸汽转化损耗功分析425

参考文献425

第四章 日产200吨氨蒸汽转化装置426

第一节 生产方法及特点426

一、生产方法426

二、生产原理426

表2-4-1 不同温度下一些气态烃的标准生成自由能kJ/mol427

第二节 工艺流程427

图2-4-1 蒸汽转化工艺流程图428

三、水碳比的控制429

二、转化压力的控制429

一、转化深度和温度的控制429

第三节 生产控制429

第四节 物料衡算与热量衡算430

第五节 主要工艺设备选择430

一、一段转化炉430

图2-4-2 一段转化炉431

表2-4-2 合成氨产量为9．15t/h的工艺数据表432

二、二段转化炉433

三、废热锅炉433

图2-4-3 二段转化炉434

图2-4-4 二段炉废热锅炉435

第六节 消耗定额436

参考文献436

表2-4-4 消耗定额表436

表2-4-3 蒸汽转化主要设备表436

四、某中型合成氨厂蒸汽转化主要设备436

第五章 天然气换热转化新工艺437

第一节 天然气换热转化工艺的发展和特点437

一、天然气换热转化工艺的发展437

二、天然气换热转化工艺的特点437

第二节 天然气换热式造气工艺流程438

图2-5-1 天然气换热式转化造气工艺流程图439

第三节 换热式转化造气设计参数和物料平衡439

一、水碳比变化对设计参数的影响439

表2-5-1 水碳比变化对设计参数的影响439

二、在3．0MPa转化压力下，换热式转化和传统蒸汽转化法几项设计参数的对比439

一、换热式转化炉结构440

表2-5-3 物料平衡表440

第四节 换热式转化主要设备440

表2-5-2 换热式转化和传统蒸汽转化几项设计参数的比较表440

三、物料平衡440

图2-5-2 浮头式内件换热式一段转化炉441

图2-5-3 转化管有外套管换热式一段转化炉441

图2-5-4 国外引进一段换热式转化炉443

图2-5-5 ICI一段转化炉443

二、换热式转化炉的选材443

第六章 以炼厂干气为原料采用自热转化法制合成气445

第一节 生产方法及原理445

第二节 炼厂干气组成446

第三节 自然转化法特点及生产流程446

一、自热转化法特点446

二、自热转化法生产流程447

图2-6-1 自热转化工艺流程图447

表2-6-1 炼厂干气组成447

第四节 物料平衡及热量平衡计算448

一、基础数据448

二、物料平衡计算448

三、转化炉热量平衡计算450

第五节 主要设备及设备工艺计算452

一、转化炉452

图2-6-2 自热转化炉图453

图2-6-2a 转化炉气体混合器454

二、转化气废热锅炉455

图2-6-3 转化气废热锅炉图456

三、蒸汽预热炉457

四、富氧空气预热炉457

图2-6-4 富氧空气预热炉图458

二、温度控制459

第七节 主要生产控制指标459

一、分析控制459

第六节 消耗定额459

表2-6-2 消耗定额459

三、压力控制460

四、流量控制460

第八节 安全技术措施460

参考文献460

第七章 以焦炉气为原料部分氧化法制合成气461

第一节 生产方法及特点461

第二节 工艺流程462

图2-7-1 焦炉气加压催化部分氧化法制取合成原料气工艺流程图462

二、温度463

图2-7-2 CH4：H2O富氧空气=1：1：1．5时干转化气中甲烷平衡含量463

一、催化剂的选择463

第三节 催化转化的控制463

三、压力464

图2-7-3 压力与冷凝液热量回收效率的关系464

四、水碳化464

图2-7-4 CH4平衡含量与温度、压力的关系464

五、主要控制指标464

表2-7-1 主要控制指标465

第四节 物料及热量衡算465

一、计算条件465

二、计算基准465

三、计算步骤466

表2-7-2 物料平衡表468

表2-7-3 热量平衡表468

第五节 主要工艺设备选择468

一、转化炉468

表2-7-4 转化炉各点气体流速469

图2-7-5 转化炉简图469

图2-7-5a 炉头混合器470

表2-7-5 部分氧化催化剂的物理性质470

二、废热回收器470

图2-7-6 废热回收器简图470

三、焦炉气预热器472

图2-7-7 焦炉气预热器简图473

四、主要设备473

表2-7-6 主要设备一览表473

第六节 消耗定额计算及消耗定额表475

一、转化气消耗指标475

二、干焦炉气消耗指标475

五、物料消耗定额476

参考文献476

表2-7-7物料消耗定额表476

四、蒸汽消耗指标476

三、空气消耗指标476

第三篇 重质油原料制合成气477

第一章 重质油原料概述477

第一节 重质油品种及其组成477

一、重质油品种477

表3-1-1 中国重质油技术规格表478

表3-1-2 中国主要原油、减压渣油性质479

二、重质油组成479

第二节 重质油原料的特性480

一、相对密度480

表3-1-3 燃料油的体积膨胀系数β480

图3-1-1 油品密度与温度的关系481

表3-1-4 相对密度d204 与 d？换算481

图3-1-2 液体相对密度通用线图482

图3-1-3 粘度换算图（一）483

二、粘度483

图3-1-4 粘度换算图（二）484

表3-1-5 恩氏粘度与运动粘度的换算数据485

图3-1-5 石油馏分在高压下的粘度486

三、比热容、焓486

图3-1-6 渣油、沥青粘度图487

图3-1-7 油品混合粘度图488

表3-1-6 0～200℃重油比热容489

图3-1-8 石油馏分液体比热容图490

图3-1-9 石油馏分焓图491

图3-1-10 相对密度对特性因素K的关系图492

四、凝点、流点或倾点、沸点、蒸发热492

五、闪点、燃点492

图3-1-11 石油馏分在常压时蒸发潜热与平均沸点关系图493

六、导热系数493

七、热值494

图3-1-12 石油馏分蒸发潜热校正图494

图3-1-13 石油产品在不同温度下导热系数495

图3-1-14 高热值与油品相对密度关系图496

图3-1-15 低热值与油品相对密度关系图497

图3-1-16 油品密度指数及特性系数对高热值关系图498

八、静电特性499

第三节 油品储运499

一、油罐区设计499

二、重质油液体输送500

图3-1-17 管径、流量、流速关系计算图500

第二章 重质油部分氧化制合成气502

第一节 气化机理502

一、基本原理502

二、重质油气化反应502

图3-2-1 在1427℃下不同压力生成合成气中各微量组分的浓度503

三、重质油气化反应平衡503

四、重质油气化反应速度504

第二节 重质油部分氧化工艺条件分析505

一、温度505

表3-2-1 甲烷平衡含量505

图3-2-2 重质油气化炉温对气体组分的影响506

表3-2-2 不同温度下碳转化反应的平衡常数506

图3-2-3 CO变换平衡常数图507

图3-2-4 甲烷转化平衡常数图507

图3-2-5 氧硫化碳水解平衡常数图508

图3-2-6 氧硫化碳转化平衡常数图508

表3-2-3 一氧化碳变换反应平衡常数508

图3-2-7 不同压力下合成气中甲烷平衡浓度508

图3-2-8 气化压力、蒸汽油比与甲烷平衡含量的关系508

二、氧油比509

图3-2-9 气化压力下与洗涤后干气中炭黑含量的关系509

表3-2-4 甲烷转化反应平衡常数510

图3-2-10 氧油比与温度及裂解气中炭黑含量的关系510

图3-2-11 氧油比与氧含量的关系511

图3-2-12 氧油比与裂解气中组分浓度的关系511

三、蒸汽油比511

四、重质油与氧预热512

五、气化炉内气体停留时间512

图3-2-13 气化炉燃烧室容积（低压部分）在不同气化压力下与产气量关系图512

图3-2-14 气化炉燃烧室容积（高压部分）在不同气化压力下与产气量关系图512

第三节 重质油部分氧化法工艺流程513

一、基本工艺过程513

二、部分氧化法各种工艺流程的特点513

三、几种常用的部分氧化法工艺流程叙述514

图3-2-15 德士古渣油气化激冷工艺流程图515

图3-2-16 谢尔渣油气化废热锅炉工艺流程图516

图3-2-17 中型氮肥厂油气化废热锅炉工艺流程图516

图3-2-18 激冷-废热锅炉联合工艺流程图517

四、几种气化炉工艺数据518

表3-2-5 几种重质油气化典型操作数据518

表3-2-6 8．5MPa重质油气化炉激冷流程进出物料表518

表3-2-7 6．0 MPa重质油气化炉废锅流程进出物料表519

第四节 重质油部分氧化法工艺计算520

一、常规计算法521

图3-2-19 CO2kmol数与温度t的关系522

表3-2-8 气化炉出口气体平衡表524

二、电算法525

一、喷嘴527

第五节 重质油部分氧化法主要设备527

图3-2-20 德士古气化炉喷嘴528

图3-2-21 谢尔气化炉喷嘴外形图530

图3-2-22a 一次机械雾化、二次气流雾化的双套管外混式喷嘴531

图3-2-22b 双套管外混合喷嘴头部示意图531

图3-2-23a 三套管式喷嘴532

图3-2-23b 三套管内混合喷嘴头部示意图532

图3-2-24 二次气流雾化双套管喷嘴533

二、气化炉533

表3-2-9 渣油气化炉内衬刚玉砖的理化指标535

图3-2-25 8．5MPa带激冷室渣油气化炉设备简图536

图3-2-26 6．0MPa渣油气化炉带废热锅炉简图537

图3-2-27 蒙特卡提尼激冷型气化炉简图539

图3-2-28 废锅型气化炉简图540

图3-2-29 激冷室文丘里炭黑洗涤器541

图3-2-30 激冷管541

三、气体冷却和脱除炭黑设备541

图3-2-31 炭黑分离器543

图3-2-32 盘管式废热锅炉简图544

图3-2-33 列管式废热锅炉简图544

图3-2-34 文丘里炭黑洗涤器547

图3-2-35 填料型炭黑洗涤塔548

图3-2-36 浸没管型炭黑洗涤塔548

四、德士古油气化工艺和谢尔油气化工艺主要设备548

表3-2-10 8．53MPa渣油气化主要设备表（日产1000t氨）549

表3-2-11 6．0MPa谢尔油气化主要设备表（日产1000t氨）550

表3-2-12 中压3MPa重油气化带废热锅炉主要设备表551

表3-2-13 日产1000吨氨是双系列、一个单系列控制指标表553

表3-2-14 日产10000吨氨是双系列、一个单系列控制指标表553

二、谢尔6．0MPa重质油气化主要控制指标553

一、德士古8．53MPa重质油气化主要控制指标553

第六节 主要控制指标及消耗定额553

三、主要消耗定额554

表3-2-15 日产千吨氨厂两种油气化工艺主要物料消耗定额554

表3-2-16 以1000m3（标）（CO+H2）各种主要物料用量表554

第七节 重质油气化系统设计安全技术措施554

一、气化炉设计安全技术措施554

二、供氧系统安全技术措施555

三、供油系统安全技术措施555

四、工艺喷嘴及其冷却系统555

五、气体冷却系统556

第八节 火炬556

一、概述556

二、防护技术要求556

三、火炬系统的基本构成557

四、火炬的防火间距557

五、火炬头直径的设计558

第三章 炭黑水的处理回收559

第一节 炭黑回收的方法和流程559

一、德士古石脑油两段萃取工艺559

表3-3-1 德士古炭黑回收工艺主要物料表559

图3-3-1 石脑油炭黑回收工艺流程图560

二、谢尔重油萃取造粒工艺561

三、谢尔石脑油萃取炭墨造粒工艺561

图3-3-2 谢尔炭黑回收工艺流程图562

表3-3-2 谢尔炭黑回收工艺主要物料表563

四、重油萃取炭黑法564

五、重油直接洗涤炭黑法564

图3-3-3 机械过滤回收炭黑工艺流程图564

二、工艺计算565

一、计算条件565

第二节 炭黑回收工艺计算565

六、机械过滤回收炭黑工艺565

第三节 炭黑回收主要设备566

一、炭黑水澄清器566

二、炭黑萃取器566

图3-3-4 炭黑水澄清器简图567

图3-3-5 炭黑萃取器简图567

三、旋转筛567

图3-3-6 谢尔旋转筛简图568

四、石脑油汽提塔568

图3-3-7 石脑油汽提塔简图569

表3-3-8 谢尔石脑油汽提塔简图569

五、炭黑回收主要设备表570

表3-3-3 德士古炭黑回收工艺主要设备表570

表3-3-4 谢尔炭黑回收工艺主要设备表572

表3-3-6 6．0MPa废热锅炉流程油气化炭黑回收主要控制指标表574

表3-3-5 8．53MPa流程渣油气化炭黑回收主要控制指标表574

第四节 主要控制指标及消耗定额574

一、主要生产控制指标574

二、主要消耗定额575

表3-3-7 两种气化流程炭黑回收主要消耗定额575

第五节 含氰灰废水处理575

一、灰废水组成575

表3-3-8 德士古油气化工艺典型灰废水组成表575

表3-3-9 镇海石化总厂化肥厂废水组成表575

二、灰废水处理方法576

参考文献577

附录578

附录一 中国煤炭分类简表578

附录二 硬煤国际分类表579

附录三 生成焓多项式及其系数579

附录四 凯氏加和法用以计算混合气体的分子量、焓系数、临界温度、临界压力、临界粘度、临界导热系数等580

附录五 混合干气的生成焓581

附录六 水蒸气的生成焓581

附录七 气体混合物的粘度和导热系数582

附录八 混合气体的质量比热容582

附录九 气体的临界物理性质582

附录十 若干种物质标准热值和标准可用能表583

附录十一 常用气体在1atm及不同温度下的统一基准热值和可用能586

附录十二a 氨厂一、二段转化炉的理论热平衡587

附录十二b 氨厂一、二段转化炉的理论物料及热量平衡592

附录十二c 氨厂一段转化炉的生产特性597

附录十三 双面辐射管的有效吸收因数601

附录十四 常用气体（O2、H2、H2O、CO、CO2、N2、Ar、CH4等）20～1300℃的生成焓表十四（1）～十四（14）（本焓表系按附录一生成焓多项式计算得出的）603

附录十五 法定计量单位与非法定计量单位换算因数634

附录十六 常用单位换算表635