2、固定床气化的过程原理 固定床气化炉内的气化过程原理如图4-17所示。
图4-17 固定床气化的原理
可见， 在固定床气化炉中的不同区域中，各个反应过程所对应的反应区 域界面比较明显。
当炉料装好进行气化时，以空气作为气化剂或以空气（氧气、富氧空气）与水蒸气作为气化剂时，炉内料层可分为六个层带，自上而下分别为：空层、干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层，气化剂不同，发生的化学反应不同。
由于各层带的气体组成不同，温度不同，固体物质的组成和结构不同，因此反应的生成物均有一定的区别。
各层带在炉内的主要反应和作用都不同。
(1)灰渣层 灰渣层中的灰是煤炭气化后的固体残渣，煤灰堆积在炉底的气体分布板上具有以下三个方面的作用。
①由于灰渣结构疏松并含有许多孔隙，对气化剂在炉内的均匀分布有一定的好处。
②煤灰的温度比刚入炉的气化剂温度高，可使气化剂预热。
③灰层上面的氧化层温度很高，有了灰层的保护，避免了和气体分布板的直接接触，故能起到保护分布板的作用。
灰渣层对整个气化操作的正常进行作用很大，要严格控制。
根据煤灰分含量的多少和炉子的气化能力制定合适的清灰操作。
灰渣层一般控制在100~400mm 较为合适，视具体情况而定。
如果人工清灰，要多次少清，即清灰的次数要多而每次清灰的数量要少，自动连续出灰效果要比人工清灰好。
清灰太少，灰渣层加厚，氧化层和还原层相对减少，将影响气化反应的正常进行，增加炉内的阻力；清灰太多，灰渣层变薄，造成炉层波动，影响煤气质量和气化能力，容易出现灰渣熔化烧结，影响正常生产。
灰渣层温度较低，灰中的残碳较少，所以灰渣层中基本不发生化学反应。
(2)氧化层 也称燃烧层或火层，是煤炭气化的重要反应区域，从灰渣中升上来的预热气化剂与煤接触发生燃烧反应，产生的热量是维持气化炉正常操作的必要条件。
氧化层带温度高，气化剂浓度最大，发生的化学反应剧烈，主要的反应为：
22CO O C →+
CO O C 222→+
2222CO O CO →+
上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。
考虑到灰分的熔点，氧化层的温度太高有烧结的危险，所以一般在不烧结的情况下，氧化层温度越高越好，温度低于灰分熔点的80～120℃为宜，约1200℃左右。
氧化层厚度控制在150～300mm 左右，要根据气化强度、燃料块度和反应性能来具体确定。
氧化层温度低可以适当降低鼓风温度，也可以适当增大风量来实现。
(3)还原层 在氧化层的上面是还原层，赤热的炭具有很强的夺取水蒸气和二氧化碳中的氧而与之化合的能力，水(当气化剂中用蒸汽时)或二氧化碳发生还原反应而生成相应的氧气和一氧化碳，还原层也因此而得名。
还原反应是吸热反应，其热量来源于氧化层的燃烧反应所放出的热。
还原层的主要化学反应如下：
CO CO C 22⇔+
CO H O H C +⇔+22
22222CO H O H C +⇔+
422CH H C ⇔+
O H CH H CO 2423+⇔+
42222CH CO H CO +⇔+
O H CH H CO 242224+⇔+
由上面的反应可以看出，反应物主要是碳、水蒸气、二氧化碳和二次反应产物中的氢气；生成物主要是一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳、氨气(用空气作气化剂时)和未分解的水蒸气等。
常压下气化主要的生成物是一氧化碳、二氧化碳、氢气和少量的甲烷，而加压气化时的甲烷和二氧化碳的含量较高。
还原层厚度一般控制在300～500mm 左右。
如果煤层太薄，还原反应进行不完全，煤气质量降低；煤层太厚，对气化过程也有不良影响，尤其是在气化黏结性强的烟煤时，容易造成气流分布不均，局部过热，甚至烧结和穿孔。
习惯上，把氧化层和还原层统称为气化层。
气化层厚度与煤气出口温度有直接的关系，气化层薄出口温度高；气化层厚，出口温度低。
因此，在实际操作中，以煤气出口温度控制气化层厚度，一般煤气出口温度控制在600℃左右。
(4)干馏层 干馏层位于还原层的上部，气体在还原层释放大量的热量，进入干馏层时温度已经不太高了，气化剂中的氧气已基本耗尽，煤在这个过程历经低温干馏，煤中的挥发分发生裂解，产生甲烷、烯烃和焦油等物质，它们受热成为气态而进入干燥层。
干馏区生成的煤气中因为含有较多的甲烷，因而煤气的热值高，可以提高煤气的热值，但也产生硫化氢和焦油等杂质。
(5)干燥层 干燥层位于干馏层的上面，上升的热煤气与刚入炉的燃料在这一层相遇并进行换热，燃料中的水分受热蒸发。
一般地，利用劣质煤时．因其水分舍量较大，该层高
度较大，如果煤中水分含量较少，干燥段的高度就小。
脱水过程大致分为以下三个阶段。
第一阶段(图4-18中I)，如前所述，煤中的水分分外在水分和内在水分。
干燥层的上部，上升的热煤气使煤受热，首先使煤表面的润湿水分即外在水分汽化，这时煤微孔内的吸附水即内在水分同时被加热。
随燃料下移温度继续升高。
第二阶段(图4-18中II)，煤移动到干燥层的中部，煤表面的外在水分已基本蒸发干净，微孔中的内在水分保持较长时间，温度变化不大，继续汽化，直至水分全部蒸发干净，温度才继续上升，燃料被彻底干燥。
第三阶段(图4-18中Ⅲ)，燃料移动到干燥层的下部时，水分已全部汽化，此时不需要大量的汽化热，上升的热气流主要是来预热煤料，同时煤中吸附的一些气体如二氧化碳逸出。
在干燥段的升温曲线如图4-18所示。
图4-18 燃料升温曲线
(6)空层空层即燃料层的上部，炉体内的自由区，其主要作用是汇集煤气，并使炉内生成的还原层气体和干馏段生成的气体混合均匀。
由于空层的自由截面积增大使得煤气的速度大大降低，气体夹带的颗粒返回床层，减小粉尘的带出量。
控制空层高度一是要求在炉体横截面积上要下煤均匀，下煤量不能忽大忽小；二是按时清灰。
