
唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063300
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摘要:從煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)及造氣過程著手,對干餾式煤氣發(fā)生爐與一段式和兩段式煤氣發(fā)生爐進行了較為系統(tǒng)的對比分析。就煤氣質(zhì)量和產(chǎn)量、焦油回收、資源的節(jié)約利用、設(shè)備的操作維護等方面,干餾式煤氣發(fā)生爐都優(yōu)于一段式煤氣發(fā)生爐和兩段式煤氣發(fā)生爐,干餾式煤氣發(fā)生爐特別適合于氣化含水分、揮發(fā)分和灰分較高的煙煤。
關(guān)鍵詞:一段式煤氣發(fā)生爐;兩段式煤氣發(fā)生爐;干餾式煤氣煤氣發(fā)生爐;煤氣;焦油;資源節(jié)約利用;設(shè)備操作維護
Advantage Analysis Comparing Pyrolysis Coal Gasifier with Other Coal Gasifiers
ZHANG Yan1 YUAN Wei-jun2 CHEN Xue-feng2
(1 Shandong Gude Chemical Co., Ltd, Shandong Laiwu 271114
2 Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd, Hebei Tangshan 063300)
Abstract: In terms of the inner structure and gas producing process, a contrastive analysis between pyrolysis coal gasifier and single-stage and double-stage coal gasifier has been made to show the pyrolysis coal gasifier is superior to be used in the respect of coal gas quality and output, tar recycling, resource conservation, the operation maintenance of the equipment, etc. The pyrolysis coal gasifier is particularly suitable to be used for gasifying the bituminous coal with high water content, high volatile matter and high ash content.
Keywords:Single-stage coal gasifier; Double-stage coal gasifier; Pyrolysis coal gasifier; Coal gas; Tar; Resource conservation; Equipment operation maintenance
1. 引言
近年來受國際石油價格波動及國內(nèi)石油、天然氣供應(yīng)能力和供應(yīng)構(gòu)架的影響,國內(nèi)石油、液化石油氣及天然氣的價格在不斷攀升,而中國煤炭資源相對豐富,其供應(yīng)價格相對較低,受國際能源價格的影響較小,其供應(yīng)構(gòu)架也比較符合市場經(jīng)濟規(guī)律,但同時煤炭作為直接燃料的應(yīng)用又受到國家嚴格的環(huán)保政策的制約,在這種形式下,煤氣發(fā)生爐作為煤炭資源潔凈利用的一種形式,既符合中國能源安全戰(zhàn)略和環(huán)保政策,又符合相關(guān)燃耗企業(yè)的利益要求,得到了諸如玻璃、陶瓷、冶金、機械、化工等燃耗較大行業(yè)的廣泛應(yīng)用。通過對一段式煤氣發(fā)生爐、兩段式煤氣發(fā)生爐和兩段干餾式煤氣發(fā)生爐三種爐型進行系統(tǒng)的對比分析,從而揭示相應(yīng)爐型的優(yōu)缺點,為企業(yè)提供煤氣發(fā)生爐爐型選擇的相關(guān)理論依據(jù),在某種程度上可以有效避免或減少企業(yè)的失誤性投資。
2. 煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)及造氣過程分析
2.1 一段式煤氣發(fā)生爐(單段式煤氣發(fā)生爐)

表1 一段式煤氣發(fā)生爐示意圖
一段式煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖1示意,該爐型特點是爐體較低,爐內(nèi)干餾層和干燥層較薄,約為300mm左右,加煤操作時爐頂處須保持1.5-2m的空層。一段式煤氣發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程:通過加煤機將煤加入煤氣發(fā)生爐爐膛內(nèi),煤入爐后首先進行較短時間的干燥和干餾熱解,然后進入氣化反應(yīng)層。作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi),高溫條件下與氣化反應(yīng)層煤發(fā)生氧化還原反應(yīng),形成以CO和H2為主要成分的煤氣M,M’為干餾熱解產(chǎn)生的干餾煤氣。
2.2 兩段式煤氣發(fā)生爐

表2 兩段式煤氣發(fā)生爐示意圖
兩段式煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖2示意,該爐型特點是在一段式煤氣發(fā)生爐基礎(chǔ)增加了6m左右的干餾干燥段,爐內(nèi)保持滿料層操作。兩段式煤氣發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程:作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi),在高溫條件下,與進入氣化段的呈半焦狀態(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。煤氣分兩部分向上運行,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,對煤進行干餾和干燥,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。
2.3 兩段干餾式煤氣發(fā)生爐【1,2】

表3 干餾式煤氣發(fā)生爐示意圖
兩段干餾式煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖3示意,該爐型與兩段式煤氣發(fā)生爐的不同之處在于該爐去掉了下段煤氣出口,爐內(nèi)產(chǎn)生的所有煤氣全部從爐頂煤氣出口導(dǎo)出爐外。兩段干餾式煤氣發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程:作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi),在高溫條件下,與進入氣化段的呈半焦性質(zhì)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。煤氣向上運行進入干餾段,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,對煤進行干餾和干燥,同時產(chǎn)生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣,這部分上行煤氣及干餾過程中產(chǎn)生的干餾煤氣一起由煤氣出口導(dǎo)出。
3. 兩段干餾式煤氣發(fā)生爐的優(yōu)勢分析
3.1 煤氣及焦油
由以上三種爐型的結(jié)構(gòu)可以看出,其灰層區(qū)、氧化層區(qū)和還原層區(qū)處的爐體結(jié)構(gòu)基本相同,不同之處在于其干餾層區(qū)的結(jié)構(gòu),而干餾層區(qū)結(jié)構(gòu)的不同直接影響到煤炭在此進行干餾熱解的傳熱介質(zhì)的變化,從而影響到干餾熱解過程中干餾煤氣及副產(chǎn)焦油的析出情況。降文萍【3】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,脫水主要發(fā)生在120℃以前,CH4、CO2和N2等氣體的脫除大致在200℃時完成;第二階段,300—600℃,以解聚和分解反應(yīng)為主,析出大量煤氣和焦油,450℃左右焦油析出量最大;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和少量CH4。崔銀萍等【4】指出溫度是影響干餾熱解產(chǎn)物的最主要因素,煤在干餾熱解過程中產(chǎn)生干餾煤氣,其中H2在400-600℃開始緩慢生成,600-900℃時H2生成量最大,CO的最大生成速度在700-800℃,CH4的釋放峰溫在550-700范圍內(nèi),C2、C3的烴類氣體釋放峰溫為500-600℃;400-700℃干餾熱解過程中焦油的產(chǎn)率最大,400-600℃時產(chǎn)生的焦油主要由脂肪烴、芳香烴以及含氧化合物組成,其密度和黏度較低;高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的焦油基本完全是芳烴,密度和黏度較高,而且由于二次反應(yīng)的存在,焦油產(chǎn)率明顯下降。
一段式煤氣發(fā)生爐的干餾熱解介質(zhì)為還原層產(chǎn)生的全部煤氣,其溫度約為550-650℃,煤氣“爐出溫度”約為500-550℃,由于一段式煤氣發(fā)生爐的干餾層較薄,煤炭在干餾層內(nèi)進行的低溫干餾熱解時間較短,煤中的揮發(fā)分只有一小部分在干餾層中通過低溫干餾熱解析出,大部分未脫除的揮發(fā)分隨煤進入還原層上部,在700-800℃下進行中溫?zé)峤饷摮?。由于爐內(nèi)主要進行的是中溫干餾熱解,干餾煤氣主要以H2和CO為主,CH4和C2、C3類物質(zhì)相對較少;另外熱解出的焦油中低溫干餾焦油比例較少,大部分為中溫干餾焦油,焦油的密度和黏度較高,同時焦油產(chǎn)率也明顯較少。入爐煤揮發(fā)分為25-28%時,一段式煤氣發(fā)生爐爐出煤氣熱值≥5643KJ/Nm3,焦油產(chǎn)率約為3%左右。
兩段式煤氣發(fā)生爐的干餾段較高,干餾段高度一般約為6m左右,兩段式煤氣發(fā)生爐上段煤氣“爐出溫度”只有80-120℃,由此可以判斷,盡管其干餾段高度較高,但其有效干餾層高度預(yù)計只有3m左右。由于干餾段內(nèi)的干餾熱解熱源只由氣化段產(chǎn)生的煤氣的一部分M1提供(熱介質(zhì)溫度約為550-650℃),所以盡管煤在兩段式煤氣發(fā)生爐干餾段內(nèi)進行的低溫?zé)峤鈺r間相對較長,但由于干餾熱量提供不足,致使低溫?zé)峤獬潭炔粔?,進入還原層的半焦揮發(fā)分含量偏高,還原層上部中溫?zé)峤饷摮膿]發(fā)分比例較高。與一段式煤氣發(fā)生爐相比,兩段式煤氣發(fā)生爐干餾煤氣主要以H2、CH4和C2、C3類物質(zhì)為主,煤氣熱值相對較高;另外熱解出的焦油中低溫干餾焦油比例也明顯增高,焦油的密度和黏度較低,同時焦油產(chǎn)率也明顯增高。入爐煤揮發(fā)分為25-28%時,兩段式煤氣發(fā)生爐爐出煤氣熱值≥6061KJ/Nm3,焦油產(chǎn)率約為5%左右。
兩段干餾式煤氣發(fā)生爐干餾段高度與兩段式煤氣發(fā)生爐相同,兩段干餾式煤氣發(fā)生爐煤氣“爐出溫度”一般在400-450℃左右,由此可以判斷,其有效干餾層高度應(yīng)該在5m左右,約為一段式煤氣發(fā)生爐的16倍左右,干餾段內(nèi)低溫干餾熱解時間是一段式煤氣發(fā)生爐的16倍左右,干餾熱解的熱介質(zhì)總量與一段式煤氣發(fā)生爐相同,是還原層產(chǎn)生的全部煤氣(熱介質(zhì)溫度約為550-650℃),單位時間內(nèi)提供的熱解熱量基本是兩段式煤氣發(fā)生爐的2倍以上。即兩段干餾式煤氣發(fā)生爐內(nèi)干餾段內(nèi)單位時間內(nèi)低溫?zé)峤鉄崃颗c一段式煤氣發(fā)生爐相同,低溫干餾熱解時間與兩段式煤氣發(fā)生爐相同,低溫干餾熱解程度高于其他兩種爐型。與另外兩種爐型相比,兩段干餾式煤氣發(fā)生爐干餾煤氣中H2、CH4和C2、C3類物質(zhì)的析出量較大,煤氣熱值相對較高;另外熱解出的焦油主要是低溫干餾焦油,焦油密度和黏度較低,同時焦油產(chǎn)率也明顯增高。入爐煤揮發(fā)分為25-28%時,兩段干餾式煤氣發(fā)生爐爐出煤氣熱值≥6479KJ/Nm3,焦油產(chǎn)率約為7%左右。
3.3 煤炭資源節(jié)約
一段式煤氣發(fā)生爐由于1.5-2m的空層的存在,加煤時出現(xiàn)大量的煤粉暴揚,隨煤氣導(dǎo)出爐外,另外插釬操作和煤料熱爆產(chǎn)生大量煤粉也會被煤氣攜出,從而造成大量的煤炭資源浪費。兩段式發(fā)生爐沒有空層,保持滿料層操作,克服了加煤時煤粉暴揚造成的煤炭資源浪費,但在插釬操作、煤料熱爆時產(chǎn)生的大量煤粉自下段煤氣導(dǎo)出口引出,也同樣造成一部分煤炭資源的浪費,但和一段式煤氣發(fā)生爐比較煤粉攜出量要少許多。與兩段式煤氣發(fā)生爐相比,兩段干餾式煤氣發(fā)生爐同樣沒有空層,保持滿料層操作,克服了加煤時煤粉暴揚造成的煤炭資源浪費;另外由于兩段干餾式煤氣發(fā)生爐沒有下段煤氣導(dǎo)出口,插釬操作和煤料熱爆產(chǎn)生大量煤粉隨煤氣進入干餾段,經(jīng)過厚厚的料層過濾后全部沉積下來,隨煤料下移進入還原層,重新進行還原造氣反應(yīng),入爐煤在爐內(nèi)得到充分的利用,有效節(jié)約了煤炭資源。
3.4 氣化煤種的適應(yīng)性
煤氣發(fā)生爐內(nèi)的干燥層和干餾層高度,隨入爐煤的水分含量發(fā)生變化,由于干燥脫水溫度較低,所以煤在干燥和干餾過程中,優(yōu)先進行干燥脫水,然后進行干餾熱解,如果氣化用煤的水分含量較高,干燥過程耗熱增加,干燥層高度相應(yīng)增加,干餾層高度隨之降低,為保證低溫干餾熱解充分,單位時間內(nèi)供應(yīng)的干餾熱解熱量必須提高;如果氣化用煤的揮發(fā)分含量較高,則干餾熱解所需要的熱量較多,必須有大量的高溫煤氣通過干餾段,而且干餾熱解時間必須足夠長,為煤炭干餾提供足夠的熱解熱量,才能保證低溫干餾熱解進行徹底;灰分含量較高的煤,一般固定碳含量較少,對于同樣規(guī)格的煤氣發(fā)生爐而言,氣化灰分含量較高的煤,其還原層內(nèi)單位時間產(chǎn)生的煤氣量較少,即單位時間內(nèi)向干餾層供應(yīng)的熱解熱量較少,這時就需要保持較高的干餾層以增加干餾熱解時間,從而達到充分低溫干餾熱解的目的。
利用一段式煤氣發(fā)生爐氣化高水分、高揮發(fā)分、高灰分的煤時,由于干餾層較薄、干餾時間較短,無法保證煤炭充分的低溫干餾熱解,煤中大部分揮發(fā)分在氣化層的上部高溫狀態(tài)下脫除,從而造成干餾煤氣中CO含量增加、CH4、C2、C3含量降低,煤氣熱值下降,同時焦油產(chǎn)率低,焦油密度和黏度較高。
利用兩段式煤氣發(fā)生爐氣化高水分、高揮發(fā)分、高灰分的煤時,還原層產(chǎn)生的煤氣量本身就較少,而且還有一部分煤氣M2不參與干餾熱解,直接從下段導(dǎo)出口引出形成下段煤氣,而作為干餾熱介質(zhì)的上行煤氣量M1提供的干餾熱解熱量嚴重不足,從而造成干餾段內(nèi)的煤炭低溫干餾熱解不徹底,煤中大部分揮發(fā)分在氣化層的上部高溫狀態(tài)下脫除,致使下段煤氣中出現(xiàn)大量密度和黏度較高的中高溫干餾焦油,同時煤氣熱值下降,焦油產(chǎn)率也降低。
利用干餾式煤氣發(fā)生爐氣化高水分、高揮發(fā)分、高灰分的煤時,還原層產(chǎn)生的高溫煤氣全部上行進入干餾段,干餾熱解熱量供應(yīng)充足,而且干餾式煤氣發(fā)生爐干餾段較高,低溫干餾熱解時間充裕,煤炭在干餾段內(nèi)進行的低溫干餾熱解充分,干餾煤氣中H2、CH4、C2、C3含量較高,爐出煤氣熱值較高,同時焦油產(chǎn)率較高,焦油密度和黏度較低,干餾式發(fā)生爐適于氣化水分、揮發(fā)分和灰分較高的煤。
3.5 操作與維護
一段式煤氣發(fā)生爐加煤時需要控制適當高度的空層和相對水平的料層,對加煤和爐內(nèi)布煤要求較為嚴格,必須按時探測空層高度,而且一旦出現(xiàn)頂部布料不均,必須及時進行撥煤操作;兩段式煤氣發(fā)生爐加煤為滿料層自動操作,不需要保持空層,而且對頂部料層的水平程度要求也比較寬松,但需要根據(jù)氣化用煤的水分、揮發(fā)份含量以及煤氣產(chǎn)量的不同,對上、下段煤氣流量比例進行適當?shù)恼{(diào)節(jié),否則會造成煤炭干餾段內(nèi)低溫干餾熱解不充分,既影響煤氣質(zhì)量,又會造成下段煤氣焦油含量增加【5】。干餾式煤氣發(fā)生爐在加煤方面與兩段式煤氣發(fā)生爐相同,保留了兩段式煤氣發(fā)生爐在料層控制方面簡單、容易操作的優(yōu)勢,同時與兩段式煤氣發(fā)生爐相比,由于取消了下段煤氣出口,還原層所生產(chǎn)的煤氣全部上行對煤進行低溫干餾熱解后導(dǎo)出爐外,所以不需要對煤氣進行流量比例的調(diào)節(jié),大大降低了煤氣發(fā)生爐的操作和維護的復(fù)雜程度。
4. 結(jié)論
綜上對三種煤氣發(fā)生爐爐型的結(jié)構(gòu)及造氣過程進行對比和分析,與一段式煤氣發(fā)生爐和兩段式煤氣發(fā)生爐相比,干餾式煤氣發(fā)生爐在煤氣熱值、副產(chǎn)焦油的質(zhì)量、炭資源的節(jié)約利用和設(shè)備操作與維護等方面存在諸多優(yōu)勢,而且干餾式煤氣發(fā)生爐特別適合于氣化水分高、揮發(fā)高和灰分高的煙煤或褐煤。
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