煤制氢装置工艺说明书Word格式.docx

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物料平衡简图

本装置的界区自原料煤库出来的第一条输煤皮带的下料开始，至产品氢出口的最后一个阀门为止。

注：

以上所有虚线框内的单元均属于本装置的界区。

装置特点：

本装置选用国内研制成功的新型催化剂和先进的工艺流程及设备，能有效的降低生产成本和能耗，提高了装置运转的可靠性。

2.5.1煤储运装置的特点

2.5.1.1贮煤方式：

本装置以干煤棚贮煤与露天堆场贮煤相结合，其中干煤棚可贮煤约5000吨，可供气化装置连续运行约10天，再考虑露天堆场的贮煤量，总贮煤量可供运行15天左右。

同时干煤棚的半封闭结构有利于空气流通，其内部的倒运设备连续的运行操作均大大降低了煤堆自燃发生的可能性。

2.5.1.2运煤系统及筛分设备：

⑴输煤系统采用单路输送气化用煤；

⑵系统采用集中操作方式，同时在控制室显示。

系统的主要设备之间采用联锁方式控制，逆流开车，顺流停车。

也可切换为单机操作，在系统线路上设置判断故障保护装置。

各调设备兼有就地手动开关，以便单机调试。

⑶在带式输送机沿线每隔40米安装一组有能复位的双向拉绳开关，置于带式输送机沿运行通道内侧的适当位置。

当带式输送机出现故障时，操作人员可在带式输送机的任何部位拉动拉绳开关，切断电源使设备停车；

此外当发出开车信号后，如现场不允许开车，也可以拉动拉绳开关，制止起动，避免发生设备和人身事故。

⑷运煤系统的带式输送机选用Y系列三相异步电动机与DCY型硬齿面圆锥圆柱减速机配合的驱动装置，优点为转动惯量大，强度高，且维修时更换零部件方便。

⑸煤的计量通过在带式输送机上安装的电子皮带秤来完成，便于正常生产时成本等技术经济指标的统计和核算。

⑹在煤栈桥中转站的筛分楼顶面设置了除尘系统，既改善了现场的操作环境，排放气质量也达到了环保要求。

2.5.2造气装置的特点

2.5.2.1造气炉炉型：

根据用气量、制氢成本等因素，本装置选择φ2.8米的固定床间歇煤气炉。

9台炉子（8开1备）可满足生产30000Nm3/h氢气的要求。

2.5.2.2造气流程的选用：

制气工艺流程等同于一般煤化工企业造气流程，九台φ2800造气炉以四炉为一组，中间位置的5#炉可切换并入任何一个炉组。

每个炉组共用一台风机、一台煤气显热回收器（热管式锅炉），水煤气经由显热回收器、煤气总管和洗气塔进入气柜；

共三台空气鼓风机，可相互切换替用；

共两组油泵站，每炉组配置一套；

原料自煤库、筛分装置由输送带送到四楼，经输送带皮带秤计量后入各炉的料仓，由各炉的加煤机加入炉中；

气柜采用容积一万方的三节钟罩式的湿式气柜，三节钟罩全升起时气柜静压约400mm水柱。

为提高入炉蒸汽的分解率，降低蒸汽和煤消耗，所有入炉蒸汽均采用过热蒸汽，蒸汽的过热热源来自煤气本身的热量。

2.5.2.3造气三位一体DCS综合控制系统的应用

造气工序采用先进的三位一体DCS综合控制系统：

⑴采用“机电一体化自动加煤技术”，每天可减少因人工加煤造成的单炉停炉时间约60分钟，既增加了造气炉的有效制气时间又减少或避免了造气炉的显热损失，使造气生产的安全得到了保证；

同时应用自动加煤后可使造气生产中每个循环减少纯吹风时间约3秒钟左右，这既能节煤，又能增加产气量。

另外机电一体化自动加煤改人工集中大量加煤（1200kg左右）为每个循环下吹阶段少量加煤（每次75kg左右），这样使煤燃烧更充分，灰渣的残炭量大幅下降，降低了煤耗。

⑵采用造气生产综合优化控制技术，实现煤造气生产过程的程序控制、阀位检测和报警连锁，实现自动加煤的炭层高度和加煤量控制，实现自动下灰及炉盘转速和下灰量的控制，实现吹风时间及上、下吹制气时间和入炉蒸汽流量及蒸汽分解率的优化控制，实现水夹套及汽包液位自动调节，实现鼓风机和油压系统的管理、报警和联锁，最终达到煤造气整个系统的稳产、高产、低耗和安全，确保了造气炉况的优化与稳定，降低了单位产品的煤耗，节能效果明显。

⑶采用完善可靠的油压控制系统，实现油压控制阀门的快速切换，延长了有效的制气时间，提高了单炉的产气量。

2.5.2.4加煤方式的选择

造气原料煤的输送采用皮带自动输送，上煤输送中转站设置筛分装置，确保造气用煤质量的同时，实现造气煤仓加煤的自动化。

考虑到装置的连续稳定运行，同时设计了人工吊碳加煤装置，确保在自动化加煤装置出现故障时能实现制气过程的连续稳定。

2.5.2.5造气装置安全设施设计技术的综合利用

⑴造气装置最大的危险是系统中氧含量高。

系统工作时处于正压状态，氧含量高的原因只能是制气工序阀门内漏窜气、罗茨机抽负、压缩机抽负。

为了防止阀门内漏造成氧高，设计了油压安全联锁的吹风防过氧阀和下行防过氧阀，排除了因设备故障造成氧高的安全隐患。

⑵造气装置采用安全可靠、性能稳定的液压驱动阀门，主要液压阀都采用阀门阀位监测装置，同时油压系统采用油压和油位报警装置。

⑶造气除尘器各排灰口油压圆盘阀设计为手控油压阀控制，操作位置在一楼，防止出灰时因联络出错而发生误操作。

⑷与共用煤气总管相连的煤气总阀和与共用吹风气总管相连的吹风气回收阀都采用双阀，保证安全和维修时切断的方便。

⑸造气水夹套给水汽包和煤气显热回收器给水汽包还设置过低液位连锁停炉保护措施，确保锅炉系统运行的本质安全。

⑹气柜设置高度高低位报警装置，并设计高位自动放空装置，防止气柜过高冒顶；

同时实现气柜高度过低连锁停机保护系统。

仪表形式上选用三选二仪表，最大限度地提高气柜运行时的安全系数。

⑺在装置的相应部位设置了安全阀、防爆板、置换放空管等安全装置元件。

2.5.2.6造气装置附属设备的选用

⑴上行煤气除尘器：

采用高效铸铁除尘器，利用精确铸造的旋涡结构保证旋风分离的气体速度，改善除尘效果，除尘器本体采用渐扩式结构有利于灰渣的分离和沉降。

⑵显热回收器

在造气水煤气显热回收器结构形式的选择上，采用RLG型组合式热管锅炉，其中热管式蒸汽过热器阻力仅为管壳式的1/3~1/4,系统阻力下降，保证了制气强度的提高；

热管表面渗入镍铬合金，大耐高温和冲刷、耐腐蚀，热能回收效率高，既可增加蒸汽产量，又可降低煤气洗涤冷却水耗量。

⑶水煤气气柜

煤气气柜的作用主要是储存煤气，考虑到造气工序造气炉的间歇特性和投资、占地等因素，为确保为后工序正常供气，煤气气柜采用1个10000m3规格的直升直降式湿式气柜。

2.5.3余热回收装置的特点

本装置采用一套三废混燃炉余热回收系统。

三废混燃炉不仅回收造气吹风气中约9%可燃组分的化学热及物理显热（250℃）、变压吸附提氢装置解析气中约50%可燃组分的化学热，还燃烧掉约含14%残C量的造气炉所产生的全部炉渣（造气炉渣与含C约75%的无烟粉煤末以2：

1的比例进行配比，制成热值约为2900kcal/kg的混合料在三废炉底进行燃烧），真正做到对造气废物的“榨尽吃干”，同时生产出·

G、280℃的过热蒸汽约40t/h，除能满足整个煤制氢装置的用汽需求，多余的蒸汽还能输送给外界的蒸汽总管，经济效益显着；

同时避免了吹风气、提氢解析气、造气灰渣直接外排对环境的污染，环保效果显着。

三废流化混燃炉是第三代造气吹风气回收装置，和第二代吹风气回收装置相比有很大的优势，主要体现在以下几点：

⑴安全性能高：

三废流化混燃炉是以造气炉渣（或煤）为点火源，炉内始终长明火，爆炸的因素已排除，彻底改变了造气吹风气回收运行的不安全状态，克服了造气吹风气回收的爆炸现象。

⑵一炉多用、减少投资、便于管理：

综合煤化工企业，一台三废流化混燃炉就能达到全厂蒸汽自给。

⑶从三废混燃炉底出来的炉渣含C量仅为3%，灰分含量占97%，一天所产生的炉渣量有70多吨，可送水泥厂、砖瓦厂做建材；

三废混燃炉炉顶出来的高温烟气组分主要是CO2、N2及H2O气，另外含有少量的SO2及夹带的粉尘，烟气经锅炉装置回收热量后，由布袋除尘器除尘（除尘效率可达99%），再送动力站脱硫，达标后排放，解决了造气生产废气、废渣、废灰综合治理的难题，保护了环境，治理了现场。

同时还可将制氢等生产过程中其它工序的低热值废气一起处理掉，实现循环经济和环保效益的最佳配置。

⑷燃烧系统阻力低、不积灰、提高造气吹风效率。

⑸三废流化混燃炉是隔离燃烧，集中分离，集中热量回收，根本不存在锅炉排管的磨损和冷热不均产生应力而导致设备损坏的问题，因此三废流化混燃炉运行周期较长，生产稳定性突出，节能效果明显。

2.5.4脱硫装置的特点

2.5.4.1流程的优化

因脱硫系统是粗煤气初步净化的过程，系统中含有大量的煤灰及焦油、硫磺、富盐等多种杂质，为确保煤制氢装置的长周期连续稳定运行，脱硫系统采用两套双塔串联流程装置，正常作业方式为并联运行，单套装置的设计负荷按总负荷的75%设计；

开双塔时可脱高硫，开单塔可脱低硫，这样既可以有计划的按作业周期的长短安排每套装置的检修和系统清理，又可以提高整个装置的操作弹性。

由于设计中采用了双塔串联流程，可以脱除用高硫煤制取的水煤气H2S至设计指标，使该装置对煤种的适应性较强，另外高硫煤与低硫煤之间存在一定的差价，可以节约原料成本，具有较好的经济效益。

2.5.4.2PDS—600脱硫的工艺特点

⑴脱硫原理：

气体中的H2S溶于脱硫液后，首先与脱硫液中的碱反应

H2S+Na2CO3==NaHS+NaHCO3

在催化剂作用下，生成的NaHS又与溶液中的氧发生氧化析硫反应，生成单质硫和碳酸钠。

在脱硫塔内由于煤气中氧含量不足，溶液中生成的单质硫是不多的，所以当溶液吸收了足量的H2S后，溶液就失去了继续吸收的能力。

⑵再生原理：

为恢复溶液吸收H2S的能力，就必须对溶液进行再生，再生过程主要发生氧化析硫反应：

NaHS+NaHCO3==S+Na2CO3+H2O。

同时，由于气（空气）液相的相对剧烈运动，使析出的单质硫相互凝聚，并随上升气流浮出，离开循环脱硫液，从而使脱硫液双重新具有吸收H2S的能力。

⑶催化原理：

在脱硫过程中PDS—600催化剂最本质的作用是将气体或液体中的氧迅速地结合在催化剂分子上，同时又迅速地促使结合的氧与液体中的硫氢化钠反应，使化合态的硫转化成单质硫。

由于催化剂的这一作用，大大降低了化学反应的活化能，从而极大地加快了化学反应速度。

⑷脱硫效率高：

本工艺采用以纯碱为碱源的PDS—600脱硫方法，可将煤气是的H2S脱除至100mg/m3以下，脱除率大于97%。

PDS—600脱硫工艺再生过程中生成的硫泡沫采用连续熔硫专利技术实现硫磺的回收。

煤气脱硫装置将H2S转化成副产品硫磺，既满足了环保要求，又可用做生产硫酸的原料。

⑸脱硫及再生速度快

该催化剂不仅对脱硫过程与再生过程均有催化作用，而且可以比传统的ADA、栲胶、KCA等催化剂快1000倍以上的速率将液相中的硫氢酸根氧化成硫氢酸根氧化成单质硫，从而使液相中的硫化氢对气相的分压值大幅下降，进而大幅度增加煤气中的H2S溶解于液相中的速率，实现其高效脱除煤气中硫化氢的目的，同时，该催化剂对脱硫液所接触的设备、管道均具有明显的缓腐蚀作用。

⑹脱硫塔采用新型的聚丙烯格栅填料，格栅填料板片之间距离较大，空隙高，气体和固体有固定的走向，板间通道分布均匀，板间距的设计底部板间距离较大，随着气流的上升，板间距逐渐减小。

下塔底部气体进口H2S浓度高，吸收推动力大，板间距大，析出硫泡沫多，塔不易堵塞；

气体出口H2S浓度低，吸收推动力小，板间距小，传质面积大，传质效率高，保证了气体净化的同时，塔阻力较小，析出硫泡沫多，塔不易堵塞。

格栅填料不易持液，允许较高的液泛速度，可以设计较高的空塔气速，同样生产能力的条件下，设备尺寸较小，节省投资。

⑺采用目前最先进的连续熔硫专利技术。

2.5.5变换装置的特点

2.5.5.1采用技术成熟的全低温变换工艺流程，依据变换工艺参数的要求，设置四段变换，出口CO的指标控制在%以下，该工艺流程具有工艺设备体积小、CO变换率高、蒸汽消耗量低等优点。

2.5.5.2在循环热水回路的最佳位置排污和加入软水

饱和塔出来的热水在整个热水循环回路中温度最低，总固体含量最高，热水循环回路的排污由此引出，可减少系统热损失，同时降低循环水的固体杂质，有利于减少设备腐蚀和保护触媒。

饱和塔消耗的软水由软水总管分流下来，加入到饱和塔热水出口管的排污管接口之后进入热水塔的热水管上，可降低热水塔的入口水温，从而有效地提高了热水塔的热回收效果。

2.5.5.3采用两级循环水热量回收流程，有效地降低了蒸汽的消耗

循环热水从热水塔开始，依次经过一水加、调温水加逐级提高水温，回收CO变换反应热量，最后卷入饱和塔转化为CO变换所需要的蒸汽。

工艺计算表明，该流程饱和塔出口的汽气比R值达到左右，占总汽气比的%，从而有效地降低了CO变换所需的工艺蒸汽用量。

2.5.5.4采用增湿器段间喷化水冷激，降低一段、二段出口变换气的温度，进一步降低蒸汽消耗。

通过喷水冷激回收的蒸汽其汽气比达到左右，占总汽气比的%，每小时减少蒸汽9吨左右，大大降低了外供蒸汽的用量，外供蒸汽其汽气比仅为左右，占总汽气比的%。

2.5.5.5油分离炉过滤工艺很好地保护了CO变换触媒

更换CO变换触媒不仅耗用购买触媒的资金，更重要的是耽误装置的生产时间，所以保护好触媒，使触媒长期处于高活性状态，延长触媒使用寿命具有巨大的经济效益。

本装置中采用油分离炉过滤工艺彻底清除了从煤气和蒸汽带进触媒层的各种盐类、胶体和固体微粒对触媒表面活性中心的污染与覆盖，能够十分有力的保证触媒长期保持最佳的催化活性，这是直接从氮肥厂引进的CO变换触媒最佳保护工艺。

2.5.5.6为提高装置操作的可靠性，确保装置长周期安全运行，宜选用成熟可靠的抗毒、耐硫低变催化剂。

2.5.6变脱、精脱装置的特点

变换后的流程增加了变脱、干法脱硫装置，装置出口变脱气中H2S降至以下，脱碳放空气中的H2S远低于国家排放标准，利于环保。

变脱工序在传统工艺流程的基础上增加了闪蒸装置，一方面回收了溶解在脱硫液里面的有效气体（CO和H2），H2的产率可提高%，降低了制氢成本；

另一方面降低了氧化再生槽顶部解析气中的可燃有毒介质的浓度，改善了操作环境，利于装置的安全运行。

2.5.7变压吸附装置的特点

采用PSA净化技术，简化了制氢装置流程，提高了氢气的质量，降低了装置的能耗。

⑴本装置采用10—2—5VPSA工艺流程，即：

装置的10个吸附塔中有两个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态。

其吸附和再生工艺过程由吸附、连续5次均压降压、逆放、抽真空、连续5次均压升压和产品气升压等步骤组成。

⑵本方案较传统流程多一次均压过程，可更有效地回收产品氢气，提高了产品氢回收率（可达98%）。

⑶变压吸附工艺过程采用DCS控制系统，具有运转平稳、操作可靠的特点。

并且具有在事故状态下，能自动或手动由十床操作切换到九、八、七、六、五床操作的功能。

⑷PSA程序控制阀是变压吸附装置的关键设备。

本装置选用华西公司的专利产品——气动程控阀，该阀具有体积小，重量轻，运行准确、平稳，开关速度快（小于2秒），开启速度可调、阀门密封性能好（ANSI六级），寿命长（100万次），自带阀位显示等特点。

2.5.8造气脱硫循环水装置的特点

2.5.8.1流程设计特点：

由于造气循环水与脱硫循环水水质不同，造气及脱硫循环水分开设置，自成体系；

每套系统实现闭路循环，满足了环保要求，同时减小了全厂污水处理系统的负担。

造气循环水与脱硫循环水均设置了加药装置，消除水中的各种杂质，并适当补水，以满足对水质的基本要求。

2.5.8.2主要设备

⑴冷却塔

设计中选用WGPL无填料喷雾冷却塔，该种类型的冷却塔采用分散冷却理论，即在大幅降低塔系统阻力、提高风量的情况下，将水在较低的压力下喷射成雾状，与轴流风机抽吸的冷风在极大的表面下进行充分（较长时间）的热交换，极大地提高了冷却塔的冷却能力。

因WGPL无填料喷雾冷却塔无填料的存在，不存在填料堵塞情况，塔体载荷大大减小，如采用混凝土结构，则不需更多支撑梁，可节约土建投资。

⑵斜管澄清器

造气循环水处理系统采用的固液分离设备选用组合式斜管澄清器，该设备主要运用浅池沉淀理论，利用斜板间距，迅速缩短沉淀时间，达到快速固液分离的效果。

主要特点表现为以下几个方面：

1采用组合设计，利于灵活分布，合理利用土地。

2可灵活设计设备备用率，启、停、检修方便。

3配置气力提升装置，取代传统的泥浆泵，操作维护简单，可实现计算机程序控制。

4比传统的辐射式沉淀池出泥泥浆浓度大，可节省浓缩面积。

第二章工艺原理及生产流程简述

1煤储运工序

任务：

为制气工序输送合格的原料煤。

工艺流程：

当造气炉上部的煤仓需要上煤时，由电动抓斗桥式起重机将煤卸入下煤斗，经往复式给煤机、1#带式输送机、2#带式输送机、3#带式输送机输送至筛分楼。

在筛分楼内，经振动筛筛分，合格料（≥13mm）直接进入4#带式输送机,不合格料（＜13mm）进入粉煤贮斗，由转运车送至三废炉作为燃料用煤。

进入4#带式输送机的合格块煤，通过计量皮带机计量后送入5#带式输送机，5#带式输送机通过卸料车送入造气炉上部的煤仓，保证输煤系统的正常运行。

2造气工序

任务与工艺原理：

2.1.1任务：

采用固定层间歇式常压气化法，以块煤为原料，在高温下，交替与空气和过热蒸汽进行气化反应，制得合格的水煤气供后工序连续生产的需要。

2.1.2工艺原理

采用空气和过热蒸汽交替与灼热的炭层进行反应，以制得合格的水煤气，同时保持了炉子的自热平衡，使生产得以连续进行。

用空气吹风蓄热时，发生下列反应：

C＋O2=CO2＋Q……………………………………………………………

（1）

2C＋O2=2CO＋Q……………………………………………………………

（2）

2CO＋O2=2CO2＋Q……………………………………………………………（3）

CO2＋C=2CO-Q…………………………………………………………（4）

吹风的目的是为了提高炉温，在反应过程中，由于炉温的逐渐提高，增加了二氧化碳的还原反应，见反应式（4），对主反应进行不利。

所以，生产中用提高空气流速，采用强风短吹来缩短接触时间，抑制二氧化碳还原反应的进行。

用蒸汽制气时，发生下列反应：

C＋H2O=CO＋H2-Q……………………………………………………………（5）

C＋2H2O=CO2＋2H2-Q……………………………………………………………（6）

C＋CO2=2CO-Q………………………………………………………………（7）

CO＋H2O=CO2＋H2＋Q……………………………………………………（8）

C＋2H2=CH4＋Q……………………………………………………………（9）

以蒸汽为气化剂的目的是为了得到氢气和一氧化碳。

因此，就必须提高反应温度，并增加反应接触时间，使二氧化碳充分还原成一氧化碳，以提高有效气体成分。

煤气发生炉原料层的区分和各层次的作用

煤气发生炉内燃料层自上而下可分为干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层五个区域。

其中氧化层和还原层是煤气炉气化反应的主要原料层，常称为气化层，是工艺操作的主要控制部位。

干燥层

加入的原料煤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，使煤的水份蒸发形成干燥。

干馏层

干燥层的下面温度高，在高温条件下煤发生分解，放出烃类气体（挥发份），煤的本身逐渐碳化。

还原层

空气是从下面进入炭层的，在还原层下面的氧化层已含有各种气体成分，并积蓄了大量的热量，而在这个区层更主要的是进行CO2的还原反应以及水蒸汽的分解。

氧化层

从下在来的空气与碳反应，生成碳的氧化物，因为氧化速度较快，其厚度比还原层厚，此反应为放热反应，热量被积蓄在炭层中。

灰渣层

氧化层的下面全部都是灰渣层，没有化学反应发生，起着预热和均匀分布自炉底进入的气化剂及保护炉箅的作用。

工艺流程简述

固定床间歇气化工艺是在计算机程序控制下通过周期性的开关吹风空气阀、吹风烟囱阀、上行和下行蒸汽阀、上行和下行煤气阀来实现工艺过程切换，达到煤气化的目的。

其主要工艺过程分为吹风蓄热阶段和蒸汽制气两个阶段组成。

但为了节约原料，保证水煤气质量，正常操作和安全生产，还必须包括一些辅助阶段，故制造水煤气工作循环由六个阶段组成：

2.3.1吹风阶段

由于煤的气化是吸热反应，所以煤制气的第一过程是将煤加热到能够进行气化反应的温度以上。

具体工艺过程是将空气（通常称为吹风空气）通过离心鼓风机升压到25kPa左右，经过空气管路从炉底加入炉内，空气经过炉篦的分布作用自下而上穿过灰渣层进入氧化层，空气中的氧气与氧化层中的碳元素迅速反应生成CO2，同时放出大量的热量将炭层和氮气加热到1000℃以上。

气体在向上流动中又先后将热量带到还原层、干馏层和干燥层。

将热量传给炉内炭层后，气体（此后称为吹风气）温度降到250~300℃左右离开炭层，在炉内上部空间分离出大的尘粒后，从煤气炉上部出口经上行煤气管道进入旋风除尘器，在离心力的作用下分离出90%以上的粉尘后，送吹风气余热回收锅炉与VPSA解析气一起进行二次燃烧，产生的热量生产蒸汽，燃烧烟气经布袋除尘后送动力站脱硫系统。

在制水煤气条件下吹风时间通常占间歇制气循环周期的25%左右。

在吹内阶段结束时，工艺要求气化层温度要提高到气化用煤的T2即软化点温度，固定床气化炉进入制气阶段。

2.3.2蒸汽吹净阶段：

通过计算机程序控制操作油压系统关闭入炉空气的吹风阀，同时打开上吹蒸汽阀和吹风气回收阀（或烟囱阀），这样由造气夹套锅炉和热管锅炉副产的饱和蒸汽通过热管锅炉的过热段过热到220℃左右，与吹风气余热回收工序三废混燃炉产生的过热蒸汽混合、缓冲后，由炉底进入煤气炉将炉内及管道内的残余吹风气吹出，送三废炉燃烧或由烟囱直接放空（在三废炉故障条件下），以免这部分吹风气在下一阶段混入水煤气系统，以保证水煤气质量。

2.3.3一次上吹制气阶段：

一次上吹制气阶段已经在蒸汽吹净阶段后，上吹蒸汽阀继续保持打开，同时关闭吹风气回收阀（或烟囱阀），打开上行煤气阀。

蒸汽通过炉篦和灰渣层进入气化层，同时蒸汽温度