两段炉上下段煤气比例调节影响因素分析

两段炉上下段煤气比例调节影响因素分析[作者：2011-05-02点击：1072]此专题内所有文章禁止转载或者拷贝上传到其他网站上煤气发生炉摘要：通过对干馏段低温干馏热量平衡的计算，分析了影响发生炉中上行煤气供给量的相关参数，并就影响上下段煤气比例调节的煤质、发生炉结构及上段煤气净化工艺等因素进行了系统分析，并提出了相关解决方案。指出上下段煤气比例的调节，是两段式煤气发生炉的重要操作环节，应该根据入炉煤的气化反应活性、煤中水分和挥发分等相关煤质指标进行适当调整，同时在发生炉的结构和上段煤气净化工艺的设计中，应该充分考虑上行煤气的调整余量。关键词：两段式煤气发生炉；煤气比例；热量平衡；煤质；发生炉结构；净化工艺1引言我国是世界上煤炭资源较为丰富的国家之一，煤炭在我国能源构中占有举足轻重的地位，大力开发洁净煤应用技术符合我国能源安全战略，煤气化是煤炭洁净利用技术的一种，其中常压固定床气化技术，就其生产规模、投资成本、建设周期而言，符合多数冶金、化工、建材和机械等行业的用气要求，特别是两段式煤气发生炉的应用比较广泛。两段式煤气发生炉的干馏段的作用，是对入炉煤进行干燥和干馏，其热量来源于气化段产生的部分煤气的显热，在发生炉的操作过程中，需要根据入炉煤的相关性质，调整该部分煤气的供给量，即对发生炉的上下段煤气比例进行有效调节，对入炉煤进行彻底的干燥和干馏，从而在保证发生炉系统正常稳定生产的前提下，提高煤气热值。2两段式煤气发生炉生产与上下段煤气比例调节2.1两段式煤气发生炉生产及平衡计算2.1.1两段式煤气发生炉生产（1）煤气发生炉内固态物质行程通过加煤机将储煤仓中的煤分批次注入煤气发生炉内，加入煤气发生炉中的煤首先进入干馏段，煤在干馏段中缓慢下移，在此经历干燥及低温干馏过程。首先煤炭中的水分被干燥出来，随着煤炭的不断下移，温度进一步升高，干馏出焦油和干馏煤气。经过干燥和干馏后呈半焦状态的煤继续下移，进入气化段，在气化段经过氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气。煤炭中的灰分及极少部分未参与反应的煤炭以灰渣形式继续下移，由灰刀将其清出炉外。（2）煤气发生炉内气态物质行程如图1所示，作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，在1100－1200℃条件下，与进入气化段的呈半焦状态的煤发生氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气M。煤气分两部分向上运行，其中一部分M2通过下段煤气夹层通道上移，最后从下段煤气出口导出，该部分煤气被称为下段煤气；而另一部分煤气M1则在煤气发生炉料层内上行进入干馏段，通过与缓慢下移的气化用煤直接接触，将其热量直接传给气化用煤，进行上面叙述的干馏和干燥的过程，同时产生一部分以烷烃类高热值气体为主的干馏煤气M3。这部分上行煤气及干馏过程中产生的干馏煤气一起由上段煤气出口导出，形成上段煤气。图1两段式煤气发生炉煤气生产过程示意2.1.2干馏段低温热量平衡假设，低温干馏过程的产品只有半焦、煤焦油和干馏煤气及干燥出的水，不考虑干馏过程产生的苯、酚、H2S等类化学产品的影响。（1）收入热量①上行煤气M1物理热：上行煤气M1比热容通常取1.453KJ/(Nm3•℃)。（1）—上行煤气M1物理热，KJ—上行煤气M1体积，Nm3—上行煤气M1温度，℃②入炉煤物理热：水的比热容取4.2KJ/(kg.℃)。（2）（3）—入炉煤的物理热，KJ—入炉煤的质量，kg—煤中所含水分，%—干煤的比热容，KJ/(kg.℃)—入炉煤的温度，℃—煤干基灰分，%③入炉煤化学热（4）—入炉煤化学热，KJ—入炉煤的干基发热量，KJ/kg（2）支出热量①半焦物理热：假设，半焦进入气化段温度与上行煤气M1温度相同。（5）—半焦物理热，KJ—生产半焦的质量，kg—半焦的比热容，KJ/(kg.℃)②半焦化学热：（6）—半焦化学热，KJ—半焦的发热量，KJ/kg③煤焦油物理热：假设上段煤气出口温度为＜150℃，此时煤焦油基本以液态形式存在，其比热容与其成分相关，暂以表示。（7）—煤焦油物理热，KJ—煤焦油的质量，kg—上段煤气出口温度，℃—煤焦油的成分及组成比例关系—煤焦油比热容，KJ/(kg.℃)④煤焦油化学热：发生炉低温干馏煤焦油的发热量与其成分相关，暂以表示。（8）—煤焦油化学热，KJ—煤焦油热值，KJ/kg⑤干馏煤气M3物理热：发生炉干馏煤气比热容与其成分及比例组成相关，暂以表示。（9）—干馏煤气M3物理热，KJ—干馏煤气M3体积，Nm3—干馏煤气的成分及组成比例关系—干馏煤气比热容，KJ/(Nm3.℃)⑥干馏煤气M3化学热：发生炉干馏煤气的发热量与其成分及比例组成相关，暂以表示。（10）—干馏煤气M3化学热，KJ—干馏煤气热值，KJ/Nm3⑦干燥水汽热量：（11）—干燥水汽热量，KJ—煤中干燥出的水分，kg⑧上行煤气M1带出物理热：（12）—上行煤气M1带出物理热，KJ⑨干馏段散热及其他热损失：取干馏段散热及其他热损失占低温干馏总耗热量的5%。（13）—干馏段散热及其他热损失，KJ据干馏过程物料平衡可知：（14）—干馏煤气密度，kg/Nm3（1）—（14）联立，可以得出：（15）2.2上下段煤气比例调节两段式煤气发生炉中，当入炉煤确定后，即、和一定，在正常操作前提下，相应确定，此时随着及煤质因素的不同而相应变化；和代表了不同干馏产物的产率，、和与其有连带的相关性，且受干馏温度及升温速率等的影响；与入炉煤中含水相关。两段式煤气发生炉出气化段的煤气温度一般为500-600℃，假设其下段煤气流量为，则气化段产生的煤气量，两段炉设置干馏段的目的，是通过对入炉煤进行彻底的干燥和干馏。对于两段炉而言，用于煤炭干燥和干馏的的量是主要的，根据入炉煤种不同，调整干馏段上行煤气流量，在保证对入炉煤的充分干燥和干馏，尽量提高干馏煤气的产率，从而提高煤气热值。3影响煤气比例调节的煤质因素3.1气化用煤气化反应活性两段式煤气发生炉中进行的煤炭干馏为低温干馏，干馏后至气化段的半焦其挥发分大约5-6%左右，半焦气化反应活性的趋势一般与入炉煤相对应，即入炉煤的气化反应活性强，经过低温干馏后半焦的反应活性同样较强，文献［3,4］指出，气化反应活性强的煤或半焦，气化反应所需反应温度较低，气化段生产的煤气温度较低，则用于干馏的上行煤气温度也较低。一般气化反应活性强的煤，其煤化程度较低，挥发分和含水量相对较高，干馏起始温度较低，低一些的上行煤气温度同样具有较好的干馏效果，但需要加大上行煤气量，以保证足够的干燥和干馏热量。3.2气化用煤水分根据其结合状态区分，煤中的水分可分为游离水和结晶水两种，游离水又分“外在水分”和“内在水分”，“外在水分”受外界湿度环境影响较大。游离水一般在105-110℃左右，经1-2h的干燥后从煤中逸出，而结晶水通常要在200℃以上才能分解析出。煤中的游离水和结晶水，在两段式煤气发生炉的干馏段上部被干燥析出，以气态形式混入煤气中，根据煤在低温干馏时的数据，每千克含水5-10%的烟煤的热消耗理论值为1250-1500KJ［5］。由于煤的干燥比干馏需要的温度低，所以，干馏段中的煤要先进行干燥，然后进行干馏，如果煤中含水量较大，而干馏段上行煤气所提供热量不足，则干燥段下移，有效干馏高度缩短，从而影响其干馏效果，由此可知，当煤气含水量较高时，需要提高上行煤气供给量。3.3气化用煤挥发分煤干馏反应后，其中的挥发分会从煤机体中以气态和液态形式挥发出来，即干馏煤气和煤焦油，两段式煤气发生炉干馏段中进行的是低温干馏过程，其干馏温度一般在600℃以下，基本无气相二次反应发生，随着裂解温度的升高，干馏煤气产率上升，焦油产率下降［6］。入炉煤挥发分增高，相应干馏需要的热量加大，即需要增加上行煤气供给量。上行煤气供给量的增加，提高了干馏过程的升温速率，有利于增加干馏煤气的产率［6,7］，从而提高煤气热值。3.4气化用煤灰分煤中的灰分一般由高岭石、碳酸盐、石英和硫铁矿等矿物质组成，一方面灰分组成物质的比热容相对较小，干馏过程中吸热较少，另一方面这些矿物质对煤的干馏具有催化作用［6］，理论上灰分的存在有利于煤的干馏，可以有效降低入炉煤干馏的耗热量，减少上行煤气最小需求量。4影响煤气比例正确调节的其他因素4.1煤气发生炉的结构就两段式煤气发生炉而言，其上下段煤气比例正确调节的硬件条件，是发生炉具有足够的上行煤气流量调节空间，这主要体现在干馏段的气体流通空间的大小，以及上段煤气出口通径的设计方面，如果干馏段气体流通空间小、上段煤气出口通径不足，当上行煤气流量加大到一定程度后，上行煤气阻力急剧增大，发生炉无法正常运行。文献［8］介绍美国FW-Stoic两段式煤气发生炉，其最大上段煤气流量占全部气化段产生煤气流量的75-85%，美国能源研究和发展管理局对其鉴定试验的结论是：该炉对含水量超过20%的煤难以气化。我国设计的某些两段式煤气发生炉，一直延续上下段煤气1:2甚至1：3的设计比例，而我国气化煤种较为复杂，有的气化用煤水分和挥发分含量较高，特别是南方潮湿地区，煤的含水量有时超过35%，此时，1:3或1:2的煤气比例设计显然不能满足入炉煤充分干燥和干馏所需的热量供给。4.2上段煤气净化工艺两段式煤气发生炉的上段煤气，一般需要经过旋风预除焦器，然后进入电捕焦油器，最后与预净化后的上段煤气汇合，共同进行深度净化和冷却。两段式煤气发生炉操作规程中规定，上段煤气出口温度需要控制在80-120℃之间，实际操作中发现如果上段煤气温度超过150℃，其电捕焦油器前的煤气管道和设备堵塞概率明显提高，这主要是因为在此温度下，煤气中的水呈气态（煤气未达到饱和状态），焦油以粒径微小的气雾态存在，煤气中的粉尘被气雾态焦油湿润，但此时的焦油粒径微小，无法以流态形式将该部分粉尘带出，于是经过焦油湿润后的粉尘便沉积粘附于煤气管道和设备内壁上，慢慢形成堵塞。对于北方干燥地区气化水分较低的烟煤，两段式煤气发生炉中，煤炭干燥耗热量较小，在上行煤气量较小的情况下，上段煤气温度就会超过120℃，但由于干馏段截面积较大，较小流量的上行煤气在干馏段内出现偏流现象，只能对部分煤炭进行干馏，致使干馏效果明显下降，此时需要加大上行煤气流量，但同时煤气出口温度会急剧增高，部分煤气管道和设备堵塞压力加大。鉴此，应该在靠近上段煤气出口处，对炉出煤气进行冷却，使煤气中的部分焦油呈液体流动状态，从而将煤气中的粉尘带出设备，这样，既保证了煤炭的充分干馏，又避免了管道及设备的堵塞。5结语上下段煤气比例的调节，是两段式煤气发生炉的重要操作环节，上行煤气的供给量必须优先保障，应该根据入炉煤的气化反应活性、煤中水分和挥发分等相关煤质指标进行适当调整，同时在发生炉的结构和上段煤气净化工艺的设计中，应该充分考虑上行煤气的调整余量和有效的防堵塞措施。上下段煤气比例的正确调节，可以有效保证煤的充分干燥和干馏，从而使发生炉系统稳定运行，并有效提高煤气热值。