苑衛(wèi)軍 蘇亞斌 徐東海 王輝
（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063300）
摘要：簡要介紹了KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐熱煤氣站工業(yè)化系統(tǒng)的基本情況，并對其終端煤氣當量熱值和系統(tǒng)有效能源利用效率進行了計算和說明。通過對比KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐熱煤氣站與3Q兩段式煤氣發(fā)生爐熱煤氣站，說明前者的終端煤氣當量熱值高于后者，指出KM5Q兩段爐熱煤氣站在玻璃熔窯中的應用效果要優(yōu)于3Q兩段爐熱煤氣站。同時指出：采取充分回收利用系統(tǒng)清理出的焦粉和焦油的措施，和強化保溫效果，以提高終端煤氣溫度的措施，都可以有效提高系統(tǒng)的能源利用效率。
關(guān)鍵詞：KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐；3Q兩段式煤氣發(fā)生爐；煤氣；焦油；當量熱值；能源利用效率
Summary and analysis of industrial application of KM5Q two-stage gasifier hot gas station
YUAN Wei-jun SU Ya-bin XU Dong-hai Wang Hui
（ Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd, Hebei Tangshan 063300）
Abstract: This article briefly introduces the basic situation of the industrialization system of the KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station, and calculates and explains the terminal gas equivalent calorific value and the effective energy utilization efficiency of the system. A comparison between KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station and 3Q double-stage coal gasifier hot gas station shows that the terminal gas equivalent calorific value of the former is higher than that of the latter. It is pointed out that the application effect of KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station in glass melting furnace is better than 3Q double-stage coal gasifier hot gas station. At the same time, it was pointed out that the measures to fully recycle the coke powder and tar removed by the system, and the measures to strengthen the heat preservation effect to increase the temperature of the terminal gas can effectively improve the energy efficiency of the system.
Keywords: KM5Q Double-stage coal gasifier; 3Q Double-stage coal gasifier; Coal gas; Tar; Equivalent calorific value; Energy efficiency
1. 引言
煤氣發(fā)生爐煤氣站作為玻璃熔窯的燃料供應單元，應用極為廣泛。雖然近幾年國家環(huán)保形勢趨緊，“煤改氣”政策頻出，但基于國家現(xiàn)行環(huán)保標準及目前的能源安全形勢分析，煤氣發(fā)生爐作為潔凈煤轉(zhuǎn)化的技術(shù)裝備，符合我國的能源結(jié)構(gòu)要求，輔以先進技術(shù)的發(fā)生爐煤氣站可以達到或優(yōu)于國家的現(xiàn)行環(huán)保標準要求【1】【2】，故而，煤氣發(fā)生爐在玻璃行業(yè)仍然具有其合理性的發(fā)展需求。對煤氣發(fā)生爐先進技術(shù)的研究和探討，具有現(xiàn)實性和儲備性的意義。基于以上考慮，本文就KM5Q發(fā)生爐熱煤氣站在水玻璃熔窯的工業(yè)化應用過程，進行總結(jié)和分析，旨在探究先進的發(fā)生爐工藝技術(shù)在玻璃行業(yè)的應用，繼而不斷提高煤氣發(fā)生爐的技術(shù)水平。
2. KM5Q兩段式發(fā)生爐熱煤氣站的工業(yè)化應用
2.1 煤氣站基本情況
福建南平某水玻璃生產(chǎn)企業(yè)選用KM5Q3.2兩段式煤氣發(fā)生爐熱煤氣站，為水玻璃熔窯供應煤氣。KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐【3】【4】結(jié)構(gòu)如圖1示意，其氣化段產(chǎn)生的煤氣M全部上行，進入干餾段對煤進行干餾和干燥，同時生成干餾煤氣M，和焦油，M和M，匯總后導出爐外。煤氣發(fā)生爐熱煤氣站工藝流程如圖2所示，KM5Q兩段式煤氣爐出煤氣（煤氣溫度420℃）經(jīng)旋風除塵器捕除粉塵后，經(jīng)過隔斷水封，然后通過廠區(qū)煤氣管道輸送至煤氣交換機后供熔窯燃燒。煤氣交換機前煤氣溫度約為300℃，煤氣交換機后煤氣溫度約為240℃。
煤氣站以神府煤田的弱粘結(jié)性煙煤作為氣化用煤，其工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1，發(fā)生爐煤氣成分化驗數(shù)據(jù)如表2，實測灰渣含碳量為5.5-6.6%，依據(jù)以上數(shù)據(jù)進行碳平衡計算，結(jié)果顯示該煤的產(chǎn)氣率約為3.1Nm3/kg。煤氣發(fā)生爐單爐耗煤量為40t/d，單爐產(chǎn)氣量約為5200Nm3/h（單爐生產(chǎn)負荷約為70%）。煤氣站裝機功率及實際耗電情況如表3。
2.2 煤氣析出物清理
煤氣站系統(tǒng)的煤氣析出物清理節(jié)點包括旋風除塵器、隔斷水封、廠區(qū)煤氣管道沉降室及煤氣交換機。旋風除塵器每8h清理一次，清理出的物質(zhì)為經(jīng)過干燥和熱解后的焦粉；隔斷水封每8h清理一次，其清理物以焦粉為主，并混有少量焦油；廠區(qū)煤氣管道沉降室每隔7天清理一次，其主要物質(zhì)是焦油；煤氣交換機每8h清理一次，由于此節(jié)點處煤氣溫降較大，焦油析出量也比較多，其清理物質(zhì)為焦油。表4所列為各清理節(jié)點的物質(zhì)清理基本情況。
2.3 終端煤氣當量熱值及系統(tǒng)有效能源利用效率
2.3.1 終端煤氣當量熱值計算
依據(jù)其他相關(guān)冷煤氣站和半冷煤氣站的工業(yè)化數(shù)據(jù)，KM5Q兩段式煤氣發(fā)生爐氣化神府煤田的煙煤，其焦油產(chǎn)率約為入爐煤量的7.5%左右【5】【6】。據(jù)此推算，本煤氣發(fā)生爐爐出煤氣的焦油含量約為：(40×〖10〗^6×7.5%)/(24×5200)=24.04g/Nm3干煤氣。由表4可知，煤氣輸送過程中24h焦油析出量為：100+5=105kg，折合數(shù)據(jù)為：(105×〖10〗^3)/(24×5200)=0.84g/Nm3干煤氣。即入熔窯前煤氣中焦油含量約為：24.04-0.84=23.2 g/Nm3干煤氣。焦油低位發(fā)熱量按照7800×4.18kJ/kg計算，煤氣中所含焦油的發(fā)熱量為：23.2×10-3×7800×4.18=756kJ/Nm3干煤氣。
入熔窯前煤氣溫度為240℃，煤氣比熱容取1.453kJ/（Nm3?℃），則煤氣的物理顯熱為：1.453×240=349kJ/Nm3干煤氣。根據(jù)表2數(shù)據(jù)計算，干煤氣低位發(fā)熱量為6220kJ/Nm3。綜上計算，入熔窯前終端煤氣當量熱值為：6200+756+349=7305kJ/Nm3干煤氣。
2.3.2 系統(tǒng)有效能源利用效率【7】計算
本煤氣站系統(tǒng)能源輸入項主要包括氣化用煤和系統(tǒng)耗電，系統(tǒng)有效輸出項為入熔窯的發(fā)生爐煤氣。輸入項中氣化用煤提供的熱量為：(40×〖10〗^3×28.03×〖10〗^3)/(24×5200)=8984kJ/Nm3干煤氣；根據(jù)表4數(shù)據(jù)計算，煤氣站系統(tǒng)用電耗能量為：(483.80×3600)/(24×5200)=14kJ/Nm3干煤氣。綜合以上數(shù)據(jù)計算，煤氣站系統(tǒng)有效能源利用效率為：7305/(8984+14)=81.2%。
3 工業(yè)化應用的總結(jié)與分析
3.1與3Q兩段爐熱煤氣站的應用比較
目前，玻璃行業(yè)3Q兩段爐熱煤氣站的應用相對較多，3Q兩段式煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)示意如圖3，其爐內(nèi)煤氣導出流程與KM5Q兩段爐不同，其氣化段產(chǎn)生煤氣M分兩部分M1和M2，其中M1上行進入干餾段對煤進行干餾和干燥，同時生成干餾煤氣M3和焦油，M1和M3組成上段煤氣導出爐外；M2則通過下段煤氣夾層通道，不經(jīng)過干餾段直接以下段煤氣的形式導出爐外。3Q兩段爐熱煤氣站工藝流程如圖4所示，下段爐出煤氣（煤氣溫度450-470℃）進入旋風除塵器，捕除煤氣中攜帶的粉塵后進入隔斷水封，同時上段爐出煤氣（煤氣溫度80-120℃）也進入隔斷水封，上下段煤氣在隔斷水封處匯合后，通過廠區(qū)煤氣管道輸送至煤氣交換機，然后進入熔窯燃燒。
表5為煤氣發(fā)生爐副產(chǎn)煤焦油的餾程試驗數(shù)據(jù)，輕質(zhì)煤焦油的初餾點溫度為188℃，重質(zhì)煤焦油的初餾點溫度為177℃。3Q兩段式發(fā)生爐上段煤氣溫度范圍為80-120℃，此溫度范圍已遠低于煤焦油的初餾溫度，說明3Q兩段爐上段煤氣中攜帶的焦油已經(jīng)全部冷凝為液態(tài)，以液滴或霧滴狀態(tài)隨煤氣漂移。
3Q兩段爐上下段煤氣流通體積比一般為1:2，假設上段煤氣溫度為120℃，下段煤氣溫度為470℃。在不考慮液態(tài)焦油汽化吸熱的前提下，假設上下段煤氣在隔斷水封處進行絕熱狀態(tài)下的充分混合，混合后的煤氣溫度為353℃。實際情況是上下段煤氣在低于353℃的情況下，僅進行短暫時間的混合，則上段煤氣攜帶的液態(tài)焦油絕大部分不可能得以汽化，仍然以液態(tài)形式存在于混合后的煤氣中。 即3Q兩段爐煤氣自發(fā)生爐出口開始至熔窯前，其所含焦油絕大部分一直以液態(tài)形式存在。而KM5Q兩段爐爐出煤氣溫度為420℃，至煤氣交換機前煤氣溫度為300℃，煤氣中的焦油在煤氣輸送過程中，大部分時間是以氣態(tài)形式存在的。如此可以推斷：KM5Q兩段爐熱煤氣站的焦油清出量要低于3Q兩段爐熱煤氣站，其終端煤氣由于焦油含量高，其當量熱值也高于后者。綜合以上分析，KM5Q兩段爐熱煤氣站在玻璃熔窯中的應用，其效果應該優(yōu)于3Q兩段爐熱煤氣站。
3.2 系統(tǒng)優(yōu)化措施
3.2.1 系統(tǒng)清理物利用
由表4數(shù)據(jù)可知，煤氣站自旋風除塵器等處不斷清理出焦粉和焦油等高熱值物質(zhì)，造成系統(tǒng)能耗指標增加，嚴重影響了系統(tǒng)的有效能源利用效率。可以考慮將這些焦粉和焦油，再配以煤氣站篩下煤粉和少量灰渣，混合后壓制成氣化型煤，將其回爐氣化【8】，從而有效提高系統(tǒng)的能源利用效率。這部分物質(zhì)如果得以充分利用，系統(tǒng)有效輸出能量增加量為：(5932×〖10〗^3)/(24×5200)=48kJ/Nm3干煤氣，則系統(tǒng)有效能源利用效率提高為：(7305+48)/(8984+14)=81.7%，較采取此措施前提高了0.5%。
3.2.2 強化煤氣輸送過程的設備及管道保溫
本煤氣站自煤氣發(fā)生爐出口至煤氣交換機后，煤氣溫度降低了180℃，干煤氣物理顯熱減少量為：1.453×180=262kJ/Nm3干煤氣。采取有效措施，強化煤氣輸送設備及管道的保溫效果，可以有效提高系統(tǒng)的有效能源利用效率。假設在充分回收利用系統(tǒng)清理物的前提下，再將終端煤氣溫度提高60℃，則系統(tǒng)有效能源利用效率可以提高為：(7305+48+（1.453×60）)/(8984+14)=82.7%，較采取此措施前提高1%。
4. 結(jié)論
（1）綜合考慮干煤氣的低位發(fā)熱量、煤氣中焦油的熱量和煤氣物理顯熱等因素，KM5Q兩段式發(fā)生爐熱煤氣站入熔窯前煤氣的當量熱值為7305kJ/Nm3干煤氣，煤氣站系統(tǒng)有效能源利用效率為81.2%。
（2）KM5Q兩段爐熱煤氣站的焦油清出量低于3Q兩段爐熱煤氣站，其終端煤氣的當量熱值高于后者，其在玻璃熔窯中的應用效果也優(yōu)于后者。
（3）將系統(tǒng)清理出的焦粉和焦油，配以煤氣站篩下煤粉和少量灰渣，混合后壓制成氣化型煤，將其回爐氣化，系統(tǒng)的能源利用效率可以達到81.7%。
（4）強化煤氣輸送設備及管道的保溫效果，提高終端煤氣的溫度，可以有效提高系統(tǒng)的能源利用效率。在充分回收利用系統(tǒng)清理物的前提下，再將終端煤氣溫度提高60℃，則系統(tǒng)有效能源利用效率可以達到82.7%。
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第一作者
姓名：苑衛(wèi)軍（1968-），男，河北省霸州市，高級工程師，工程碩士，1990年本科畢業(yè)于華北理工大學；從事工作內(nèi)容：煤炭氣化行業(yè)；研究方向：煤氣化工藝及設備；聯(lián)系電話： 13703243469； E-mail：2329081462@qq.com。
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