
(唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063020)
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摘要:根據(jù)褐煤的性質(zhì),從褐煤在常壓固定床氣化爐中的氣化特點(diǎn)出發(fā),結(jié)合兩段爐的結(jié)構(gòu)和兩段爐熱煤氣加壓工藝的特點(diǎn),分析并指出利用兩段爐氣化褐煤時,干餾熱解產(chǎn)生的焦油幾乎全部由下段煤氣導(dǎo)出,上段煤氣焦油含量較少。兩段爐加壓熱煤氣站工藝中除焦及除塵設(shè)備的配置不適合氣化褐煤的生產(chǎn),利用此工藝氣化褐煤,由于下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進(jìn)入煤氣加壓機(jī),致使煤氣管道極易容易堵塞,同時煤氣加壓機(jī)的故障率較高。
關(guān)鍵詞:褐煤;兩段式煤氣發(fā)生爐;熱煤氣;氣化反應(yīng)活性;氧化層溫度;干燥;干餾;煤氣凈化
Existing Problems of Crude Gas Production From Lignite Gasification by Double-stage Coal Gasifier
Yuan-Weijun Li-Jian
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd, Hebei Tangshan 063020 )
Abstract: According to the lignite nature, basing on the gasifying feature of lignite in the fixed-bed atmospheric pressure coal gasifier and combining with the double-stage coal gasifier’s structure and the feature of double-stage crude coal gas pressurization technology, an analysis is made to point out that when gasifying the lignite by double-stage coal gasifier, almost all the tar came out along with the lower gas, only a little tar is in the upper gas. In double-stage crude coal gas station (pressurization type) technology, the configuration of tar and dust removing device is not suitable for the lignite gasification. If using this technology to gasify the lignite, the tar in lower gas will go into the gas compressor directly so as to block the coal gas pipeline. At the meanwhile, the failure rate of gas compressor will be much high.
Keywords: Lignite; Double-stage coal gasifier; Crude coal gas; Gasifying reactivity; Oxidation layer temperature; Drying; Pyrolysis
引言
我國的褐煤資源量為3194億噸,占煤炭資源總量的5.7%,褐煤探明保有資源量為1291億噸,占全國探明保有資源量的12.7%【1】。褐煤的水分及灰分含量較大、熱穩(wěn)定性較差,但由于其氣化反應(yīng)活性較好,就近利用褐煤進(jìn)行氣化,向周邊燃耗企業(yè)提供中低熱值煤氣,其投資及運(yùn)行成本符合多數(shù)企業(yè)的利益要求。
褐煤在常壓固定床氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化具有與煙煤氣化不同的特點(diǎn),胡永康【2】和李琛祥【3】分別介紹了利用小龍?zhí)逗置汉驮l諾爾褐煤在3АД13型煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行連續(xù)氣化的實(shí)驗(yàn)情況,指出了褐煤常壓固定床氣化的部分特殊性,由于這些不同于煙煤氣化的特殊性的存在,致使某些比較成熟的氣化煙煤的爐型和生產(chǎn)工藝,不一定適合褐煤的氣化生產(chǎn),本文僅就利用兩段爐氣化褐煤的加壓熱煤氣站工藝存在的問題進(jìn)行簡要的分析和介紹。
1. 褐煤常壓固定床氣化的特點(diǎn)
褐煤在室內(nèi)放置一段時間后,隨著外在水分的蒸發(fā)煤呈片狀,其特點(diǎn)是灰分和水分含量高,固定碳含量低,揮發(fā)份較高,熱穩(wěn)定性較差,氣化反應(yīng)活性較好,以霍林河古城褐煤為例,該煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)參見表1,其CO2還原率(α)數(shù)據(jù)參見表2。
表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)
水分Mad% | 灰分Aad% | 揮發(fā)份Vad% | 固定碳FCad% | 熱值Qbad(KJ/Kg) | 灰熔點(diǎn)ST℃ |
14.49 | 31.81 | 33.66 | 20.04 | 3592×4.18 | 1228 |
表2 霍林河古城褐煤氣化反應(yīng)活性
溫度(℃) | 700 | 750 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 |
α(%) | 14.2 | 21.6 | 32.6 | 40.7 | 58.6 | 72.4 | 84.3 |
氧化層溫度較低,正常生產(chǎn)時對氣化爐進(jìn)行探釬操作,探火釬一般需要5-7分鐘才能燒成暗紅色。這主要與該褐煤的氣化反應(yīng)活性較強(qiáng)有關(guān),文獻(xiàn)【4】介紹煤氣發(fā)生爐內(nèi)CO2還原率一般為50-60%,由表2可知代表該煤氣化反應(yīng)活性的CO2還原率α指標(biāo)為50-60%時,其對應(yīng)的反應(yīng)溫度約為800-900℃左右,由此并結(jié)合上述探釬狀況判斷,該褐煤在氣化爐內(nèi)氣化,其氧化層溫度比一般煙煤的氧化層溫度低得多,約為800-900℃左右(一般煙煤氧化層溫度一般在1000-1100℃左右),由還原層產(chǎn)生的煤氣離開還原層時的溫度也比氣化一般煙煤要低許多,胡永康【2】和李琛祥【3】在一段爐中氣化褐煤的實(shí)驗(yàn)顯示,煤氣的爐出溫度較低,只有200-300℃左右。
降文萍【5】介紹煤的熱解過程大致可分為三個階段:第一階段,室溫—300℃為干燥脫氣階段,褐煤在300℃左右開始熱解。第二階段,300—600℃,這一階段褐煤不存在膠質(zhì)體形成階段,僅發(fā)生劇烈分解,析出大量煤氣和焦油,形成粉狀半焦。第三階段,600—1000℃,以縮聚反應(yīng)為主,半焦變成焦炭,該階段析出焦油量極少,產(chǎn)生的氣體主要是H2和CH4。如前所述在常壓固定床氣化爐中氣化褐煤,其煤氣離開還原層的溫度較低,一般只有200-300℃左右,據(jù)此可以看出,褐煤在氣化爐的干餾段內(nèi)干餾的進(jìn)行程度非常有限?;袅趾庸懦呛置涸诠苁綄?shí)驗(yàn)爐內(nèi)的試燒氣化實(shí)驗(yàn)也證明了這一觀點(diǎn),將管式實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)除氧化層外的煤料劃分為1-6區(qū)段,區(qū)段劃分如圖2所示,實(shí)驗(yàn)爐正常產(chǎn)氣4h后,對各區(qū)段煤料進(jìn)行取樣,對其水分和揮發(fā)分含量進(jìn)行測定,表4為測定數(shù)據(jù)。

圖1 管式氣化實(shí)驗(yàn)爐區(qū)段取樣示意圖
表3 區(qū)段取樣水分和揮發(fā)分測定數(shù)據(jù)
序號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Mad% | 3.08 | 4.58 | 11.45 | 13.74 | 14.57 | 15.02 |
Vad% | 10.89 | 24.79 | 26.17 | 28.30 | 23.12 | 26.10 |
圖1管式試驗(yàn)爐內(nèi)位于氧化層上方的的區(qū)段1為還原層,由表4數(shù)據(jù)可以看出,煤料的干餾過程在管式實(shí)驗(yàn)爐的區(qū)段1進(jìn)行完畢,水分干燥在區(qū)段2進(jìn)行完畢,區(qū)段3、4、5、6內(nèi)煤的水分和揮發(fā)分含量基本沒有任何變化,管式試驗(yàn)爐內(nèi)干餾段與還原層重合(即區(qū)段1),區(qū)段2為干燥段。褐煤在管式實(shí)驗(yàn)爐氣化,由于區(qū)段2-6的溫度較低(低于300℃),無法進(jìn)行熱解干餾,干餾層被迫下移與還原層接近或重合,還原層溫度較高,干燥后的褐煤在此熱解,析出大量煤氣和焦油,同時形成粉狀半焦。
2. 兩段爐氣化煙煤與氣化褐煤的不同
2.1 兩段爐氣化煙煤的生產(chǎn)過程
通過加煤機(jī)將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發(fā)生爐內(nèi),加入煤氣發(fā)生爐中的煤首先進(jìn)入干餾段,煤在干餾段中緩慢下移,在此經(jīng)歷干燥過程。經(jīng)過干燥后的煤繼續(xù)下移,進(jìn)入氣化段,在氣化段經(jīng)過氧化還原反應(yīng),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(yīng)的煤炭以灰渣形式繼續(xù)下移,由灰刀將其清出爐外。
如圖2所示,作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi),在1100-1200℃條件下,與進(jìn)入氣化段的呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應(yīng),形成以CO和H2為主要成分的煤氣M=M1+M2。煤氣分兩部分向上運(yùn)行,其中一部分M2通過下段煤氣夾層通道上移,最后從下段煤氣出口導(dǎo)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(fā)生爐料層內(nèi)上行進(jìn)入干餾段,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(jìn)行上面敘述的干餾和干燥的過程,同時產(chǎn)生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣M3。這部分上行煤氣及干餾過程中產(chǎn)生的干餾煤氣一起由上段煤氣出口導(dǎo)出,形成上段煤氣。由于煤的干餾熱解過程是在干餾段進(jìn)行的,其干餾熱解位置高于下段煤氣到出口,所以,下段煤氣幾乎不含焦油,幾乎所有焦油全部隨上段煤氣導(dǎo)出。

圖2 兩段爐氣化煙煤生產(chǎn)過程示意
2.2 兩段爐氣化褐煤的生產(chǎn)過程
通過加煤機(jī)將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發(fā)生爐內(nèi),加入煤氣發(fā)生爐中的煤首先進(jìn)入干餾段,在干餾段中緩慢下移,由于此區(qū)段內(nèi)溫度較低(200-300℃),無法進(jìn)行熱解干餾,只能完成褐煤的干燥過程。干餾層被迫下移與還原層接近或重合,還原層溫度較高,干燥后的褐煤在此熱解,析出大量煤氣和焦油,同時形成粉狀半焦。經(jīng)過干燥和干餾后呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤繼續(xù)下移,進(jìn)入氣化段,在氣化段(氧化層+還原層)經(jīng)過氧化還原反應(yīng),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(yīng)的煤炭以灰渣形式繼續(xù)下移,由灰刀將其清出爐外。
如圖3所示,作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi),在800-900℃條件下,與進(jìn)入氣化段(氧化層+還原層)的呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應(yīng),形成以CO和H2為主要成分的煤氣M=M1+M2,同時在緊鄰還原層上部的干餾層處,褐煤進(jìn)行干餾熱解過程,有焦油和干餾煤氣M3=M3-1+M3-2析出。然后煤氣分兩部分向上運(yùn)行,其中一部分M2+M3-2進(jìn)入下段煤氣夾層通道上移,最后從下段煤氣出口導(dǎo)出形成下段煤氣;而另一部分煤氣M1+M3-1則在煤氣發(fā)生爐料層內(nèi)上行進(jìn)入干餾段,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,由于上行煤氣溫度較低(200-300℃),無法對煤進(jìn)行干餾熱解,所以由上段煤氣出口導(dǎo)出的上段煤氣只有M1+M3-1。
由于褐煤的干餾熱解位置接近于還原層,該位置位于下段煤氣到出口下方,致使干餾所產(chǎn)生的大部分焦油霧滴隨下段煤氣(M2+M3-2)導(dǎo)出,另外一部分焦油霧滴隨煤氣(M1+M3-1)上行,這部分隨煤氣上行的焦油霧滴在上行過程中與冷態(tài)煤層進(jìn)行換熱冷卻,由于干餾段處煤層溫度較低,這部分焦油由小霧滴聚集成大霧滴,最終吸附在煤料表面隨煤料下行,返回至接近還原層的位置,重新蒸發(fā)成焦油霧滴后也隨下段煤氣導(dǎo)出。如此可以看出,利用兩段爐氣化褐煤時,干餾熱解產(chǎn)生的焦油幾乎全部由下段煤氣導(dǎo)出,而上段煤氣焦油含量較少。

圖3 兩段爐氣化褐煤生產(chǎn)過程示意
3. 兩段式煤氣發(fā)生爐氣化褐煤熱煤氣站存在的問題
兩段爐熱煤氣加壓工藝的生產(chǎn)流程如圖4所示,上段煤氣經(jīng)過預(yù)除焦器和靜電除焦器兩級除焦處理,除去煤氣中的焦油及粉塵,下段煤氣僅經(jīng)過旋風(fēng)除塵器除去煤氣中大顆粒的粉塵,然后上下段煤氣混合后經(jīng)過煤氣加壓機(jī)輸送至用氣點(diǎn)。利用兩段爐氣化褐煤時,上段煤氣焦油含量較少,而下段煤氣焦油含量較多,而由圖4可以看出,兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設(shè)備的配置是完全顛倒的,所有除焦設(shè)備全部設(shè)置在上段煤氣處,下段煤氣只設(shè)置旋風(fēng)除塵,卻無任何除焦設(shè)備,致使下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進(jìn)入煤氣加壓機(jī),致使煤氣管道極易容易堵塞,同時由于煤氣中焦油的存在,造成煤氣加壓機(jī)的故障率大幅度增高。由此可以看出,兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設(shè)備的配置不適合于氣化褐煤的生產(chǎn)。

圖4 除焦加壓兩段爐熱煤氣站工藝流程圖
4. 結(jié)論
(1)由于褐煤氣化反應(yīng)活性較強(qiáng),其氧化層溫度一般較低,煤氣離開還原層的溫度一般只有200-300℃左右,無法對煤進(jìn)行熱解干餾,干餾層被迫下移并接近或重合于還原層,致使褐煤干餾所產(chǎn)生的大部分焦油霧滴隨下段煤氣導(dǎo)出,另外一部分焦油霧滴隨上行煤氣上行過程中與煤層進(jìn)行換熱冷卻,最終吸附在煤料表面隨煤料下行,返回至接近還原層位置,重新蒸發(fā)成焦油霧滴后也隨下段煤氣導(dǎo)出。
(2)利用兩段爐熱煤氣加壓工藝,所有除焦設(shè)備全部設(shè)置在上段煤氣處,下段煤氣只設(shè)置旋風(fēng)除塵,卻無任何除焦設(shè)備,而利用兩段爐氣化褐煤時,干餾熱解產(chǎn)生的焦油幾乎全部由下段煤氣導(dǎo)出,上段煤氣焦油含量較少。下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進(jìn)入煤氣加壓機(jī),致使煤氣管道極易容易堵塞,同時造成煤氣加壓機(jī)的故障率大幅度增高,兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設(shè)備的配置不適合于氣化褐煤的生產(chǎn)。
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作 者 簡 介
第一作者
姓名:苑衛(wèi)軍(1968—),男,河北霸州,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業(yè)于河北理工大學(xué)機(jī)械制造專業(yè),現(xiàn)從事煤炭氣化方面工作,E-mail:ywj680820@sohu.com
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