[ 作者： 2011-05-02 點選： 1072 ]
摘要：通過對乾餾段低溫乾餾熱量平衡的計算，分析了影響發生爐中上行煤氣供給量的相關引數，並就影響上下段煤氣比例調節的煤質、發生爐結構及上段煤氣淨化工藝等因素進行了系統分析，並提出了相關解決方案。指出上下段煤氣比例的調節，是兩段式煤氣發生爐的重要操作環節，應該根據入爐煤的氣化反應活性、煤中水分和揮發分等相關煤質指標進行適當調整，同時在發生爐的結構和上段煤氣淨化工藝的設計中，應該充分考慮上行煤氣的調整餘量。
關鍵詞：兩段式煤氣發生爐；煤氣比例；熱量平衡；煤質；發生爐結構；淨化工藝
1 引言
我國是世界上煤炭資源較為豐富的國家之一，煤炭在我國能源構中占有舉足輕重的地位，大力開發潔淨煤應用技術符合我國能源安全戰略，煤氣化是煤炭潔淨利用技術的一種，其中常壓固定床氣化技術，就其生產規模、投資成本、建設週期而言，符合多數冶金、化工、建材和機械等行業的用氣要求，特別是兩段式煤氣發生爐的應用比較廣泛。
兩段式煤氣發生爐的乾餾段的作用，是對入爐煤進行乾燥和乾餾，其熱量**於氣化段產生的部分煤氣的顯熱，在發生爐的操作過程中，需要根據入爐煤的相關性質，調整該部分煤氣的供給量，即對發生爐的上下段煤氣比例進行有效調節，對入爐煤進行徹底的乾燥和乾餾，從而在保證發生爐系統正常穩定生產的前提下，提高煤氣熱值。
2 兩段式煤氣發生爐生產與上下段煤氣比例調節
2.1 兩段式煤氣發生爐生產及平衡計算
2.1.1 兩段式煤氣發生爐生產
（1）煤氣發生爐內固態物質行程
通過加煤機將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發生爐內，加入煤氣發生爐中的煤首先進入乾餾段，煤在乾餾段中緩慢下移，在此經歷乾燥及低溫乾餾過程。首先煤炭中的水分被乾燥出來，隨著煤炭的不斷下移，溫度進一步公升高，乾餾出焦油和乾餾煤氣。經過乾燥和乾餾後呈半焦狀態的煤繼續下移，進入氣化段，在氣化段經過氧化還原反應，形成以co和h2為主要成分的煤氣。
煤炭中的灰分及極少部分未參與反應的煤炭以灰渣形式繼續下移，由灰刀將其清出爐外。
（2）煤氣發生爐內氣態物質行程
如圖1所示，作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在1100－1200℃條件下，與進入氣化段的呈半焦狀態的煤發生氧化還原反應，形成以co和h2為主要成分的煤氣m。煤氣分兩部分向上執行，其中一部分m2通過下段煤氣夾層通道上移，最後從下段煤氣出口匯出，該部分煤氣被稱為下段煤氣；而另一部分煤氣m1則在煤氣發生爐料層內上行進入乾餾段，通過與緩慢下移的氣化用煤直接接觸，將其熱量直接傳給氣化用煤，進行上面敘述的乾餾和乾燥的過程，同時產生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的乾餾煤氣m3。這部分上行煤氣及乾餾過程中產生的乾餾煤氣一起由上段煤氣出口匯出，形成上段煤氣。
圖1 兩段式煤氣發生爐煤氣生產過程示意
2.1.2 乾餾段低溫熱量平衡
假設，低溫乾餾過程的產品只有半焦、煤焦油和乾餾煤氣及乾燥出的水，不考慮乾餾過程產生的苯、酚、h2s等類化學產品的影響。
（1）收入熱量
① 上行煤氣m1物理熱：上行煤氣m1比熱容通常取1.453 kj/(nm3℃)。
（1）—上行煤氣m1物理熱，kj
—上行煤氣m1體積，nm3
—上行煤氣m1溫度，℃
② 入爐煤物理熱：水的比熱容取4.2kj/(kg.℃)。
（2）（3）—入爐煤的物理熱，kj
—入爐煤的質量，kg
—煤中所含水分，%
—幹煤的比熱容，kj/(kg.℃)
—入爐煤的溫度，℃
—煤乾基灰分，%
③ 入爐煤化學熱
（4）—入爐煤化學熱，kj
—入爐煤的乾基發熱量，kj/kg
（2）支出熱量
① 半焦物理熱：假設，半焦進入氣化段溫度與上行煤氣m1溫度相同。
（5）—半焦物理熱，kj
—生產半焦的質量，kg
—半焦的比熱容，kj/(kg.℃)
② 半焦化學熱：
（6）—半焦化學熱，kj
—半焦的發熱量，kj/kg
③ 煤焦油物理熱：假設上段煤氣出口溫度為 ＜150℃，此時煤焦油基本以液態形式存在，其比熱容與其成分相關，暫以表示。
（7）—煤焦油物理熱，kj
—煤焦油的質量，kg
—上段煤氣出口溫度，℃
—煤焦油的成分及組成比例關係
—煤焦油比熱容，kj/(kg.℃)
④ 煤焦油化學熱：發生爐低溫乾餾煤焦油的發熱量與其成分相關，暫以表示。
（8）—煤焦油化學熱，kj
—煤焦油熱值，kj/kg
⑤ 乾餾煤氣m3物理熱：發生爐乾餾煤氣比熱容與其成分及比例組成相關，暫以表示。
（9）—乾餾煤氣m3物理熱，kj
—乾餾煤氣m3體積，nm3
—乾餾煤氣的成分及組成比例關係
—乾餾煤氣比熱容，kj/(nm3.℃)
⑥ 乾餾煤氣m3化學熱：發生爐乾餾煤氣的發熱量與其成分及比例組成相關，暫以表示。
（10）
—乾餾煤氣m3化學熱，kj
—乾餾煤氣熱值，kj/nm3
⑦ 乾燥水汽熱量：
（11）
—乾燥水汽熱量，kj
—煤中乾燥出的水分，kg
⑧ 上行煤氣m1帶出物理熱：
（12）
—上行煤氣m1帶出物理熱，kj
⑨ 乾餾段散熱及其他熱損失：取乾餾段散熱及其他熱損失佔低溫乾餾總耗熱量的5%。
（13）
—乾餾段散熱及其他熱損失，kj
據乾餾過程物料平衡可知：
（14）
—乾餾煤氣密度，kg/nm3
（1）—（14）聯立，可以得出：
（15）
2.2 上下段煤氣比例調節
兩段式煤氣發生爐中，當入爐煤確定後，即 、 和一定，在正常操作前提下， 相應確定，此時隨著及煤質因素的不同而相應變化； 和代表了不同乾餾產物的產率， 、 和與其有連帶的相關性，且受乾餾溫度及公升溫速率等的影響； 與入爐煤中含水相關。兩段式煤氣發生爐出氣化段的煤氣溫度一般為500-600℃，假設其下段煤氣流量為 ，則氣化段產生的煤氣量 ，兩段爐設定乾餾段的目的，是通過對入爐煤進行徹底的乾燥和乾餾。對於兩段爐而言，用於煤炭乾燥和乾餾的的量是主要的，根據入爐煤種不同，調整乾餾段上行煤氣流量 ，在保證對入爐煤的充分乾燥和乾餾，盡量提**餾煤氣的產率，從而提高煤氣熱值。
3 影響煤氣比例調節的煤質因素
3.1 氣化用煤氣化反應活性
兩段式煤氣發生爐中進行的煤炭乾餾為低溫乾餾，乾餾後至氣化段的半焦其揮發分大約5-6%左右，半焦氣化反應活性的趨勢一般與入爐煤相對應，即入爐煤的氣化反應活性強，經過低溫乾餾後半焦的反應活性同樣較強，文獻［3,4］指出，氣化反應活性強的煤或半焦，氣化反應所需反應溫度較低，氣化段生產的煤氣溫度較低，則用於乾餾的上行煤氣溫度也較低。一般氣化反應活性強的煤，其煤化程度較低，揮發分和含水量相對較高，乾餾起始溫度較低，低一些的上行煤氣溫度同樣具有較好的乾餾效果，但需要加大上行煤氣量 ，以保證足夠的乾燥和乾餾熱量。
3.2 氣化用煤水分
根據其結合狀態區分，煤中的水分可分為游離水和結晶水兩種，游離水又分「外在水分」和「內在水分」， 「外在水分」受外界濕度環境影響較大。游離水一般在105-110℃左右，經1-2h的乾燥後從煤中逸出，而結晶水通常要在200℃以上才能分解析出。煤中的游離水和結晶水，在兩段式煤氣發生爐的乾餾段上部被乾燥析出，以氣態形式混入煤氣中，根據煤在低溫乾餾時的資料，每千克含水5-10%的煙煤的熱消耗理論值為1250-1500kj［5］。
由於煤的乾燥比乾餾需要的溫度低，所以，乾餾段中的煤要先進行乾燥，然後進行乾餾，如果煤中含水量較大，而乾餾段上行煤氣所提供熱量不足，則乾燥段下移，有效乾餾高度縮短，從而影響其乾餾效果，由此可知，當煤氣含水量較高時，需要提高上行煤氣供給量。
3.3 氣化用煤揮發分
煤乾餾反應後，其中的揮發分會從煤機體中以氣態和液態形式揮發出來，即乾餾煤氣和煤焦油，兩段式煤氣發生爐乾餾段中進行的是低溫乾餾過程，其乾餾溫度一般在600℃以下，基本無氣相二次反應發生，隨著裂解溫度的公升高，乾餾煤氣產率上公升，焦油產率下降［6］。入爐煤揮發分增高，相應乾餾需要的熱量加大，即需要增加上行煤氣供給量。上行煤氣供給量的增加，提高了乾餾過程的公升溫速率，有利於增加乾餾煤氣的產率［6,7］，從而提高煤氣熱值。
3.4氣化用煤灰分
煤中的灰分一般由高嶺石、碳酸鹽、石英和硫鐵礦等礦物質組成，一方面灰分組成物質的比熱容相對較小，乾餾過程中吸熱較少，另一方面這些礦物質對煤的乾餾具有催化作用［6］，理論上灰分的存在有利於煤的乾餾，可以有效降低入爐煤乾餾的耗熱量，減少上行煤氣最小需求量。
4 影響煤氣比例正確調節的其他因素
4.1 煤氣發生爐的結構
就兩段式煤氣發生爐而言，其上下段煤氣比例正確調節的硬體條件，是發生爐具有足夠的上行煤氣流量調節空間，這主要體現在乾餾段的氣體流通空間的大小，以及上段煤氣出口通徑的設計方面，如果乾餾段氣體流通空間小、上段煤氣出口通徑不足，當上行煤氣流量加大到一定程度後，上行煤氣阻力急劇增大，發生爐無法正常執行。
文獻［8］介紹美國fw-stoic兩段式煤氣發生爐，其最大上段煤氣流量佔全部氣化段產生煤氣流量的75-85%，美國能源研究和發展管理局對其鑑定試驗的結論是：該爐對含水量超過20%的煤難以氣化。我國設計的某些兩段式煤氣發生爐，一直延續上下段煤氣1:
2甚至1：3的設計比例，而我國氣化煤種較為複雜，有的氣化用煤水分和揮發分含量較高，特別是南方潮濕地區，煤的含水量有時超過35%，此時，1:3或1:
2的煤氣比例設計顯然不能滿足入爐煤充分乾燥和乾餾所需的熱量供給。
4.2 上段煤氣淨化工藝
兩段式煤氣發生爐的上段煤氣，一般需要經過旋風預除焦器，然後進入電捕焦油器，最後與預淨化後的上段煤氣匯合，共同進行深度淨化和冷卻。兩段式煤氣發生爐操作規程中規定，上段煤氣出口溫度需要控制在80-120℃之間，實際操作中發現如果上段煤氣溫度超過150℃，其電捕焦油器前的煤氣管道和裝置堵塞概率明顯提高，這主要是因為在此溫度下，煤氣中的水呈氣態（煤氣未達到飽和狀態），焦油以粒徑微小的氣霧態存在，煤氣中的粉塵被氣霧態焦油濕潤，但此時的焦油粒徑微小，無法以流態形式將該部分粉塵帶出，於是經過焦油濕潤後的粉塵便沉積粘附於煤氣管道和裝置內壁上，慢慢形成堵塞。
對於北方乾燥地區氣化水分較低的煙煤，兩段式煤氣發生爐中，煤炭乾燥耗熱量較小，在上行煤氣量較小的情況下，上段煤氣溫度就會超過120℃，但由於乾餾段截面積較大，較小流量的上行煤氣在乾餾段內出現偏流現象，只能對部分煤炭進行乾餾，致使乾餾效果明顯下降，此時需要加大上行煤氣流量，但同時煤氣出口溫度會急劇增高，部分煤氣管道和裝置堵塞壓力加大。鑑此，應該在靠近上段煤氣出口處，對爐出煤氣進行冷卻，使煤氣中的部分焦油呈液體流動狀態，從而將煤氣中的粉塵帶出裝置，這樣，既保證了煤炭的充分乾餾，又避免了管道及裝置的堵塞。
5 結語
上下段煤氣比例的調節，是兩段式煤氣發生爐的重要操作環節，上行煤氣的供給量必須優先保障，應該根據入爐煤的氣化反應活性、煤中水分和揮發分等相關煤質指標進行適當調整，同時在發生爐的結構和上段煤氣淨化工藝的設計中，應該充分考慮上行煤氣的調整餘量和有效的防堵塞措施。上下段煤氣比例的正確調節，可以有效保證煤的充分乾燥和乾餾，從而使發生爐系統穩定執行，並有效提高煤氣熱值。
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