Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY39熱風(fēng)加壓煤氣化工藝的開發(fā)與應(yīng)用馮娜夏德宏余濤侯英武(北京科技大學(xué))(張家口市新工業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司)摘要針對固定床煤制氣工藝中煤氣熱值低、氣化強(qiáng)度低等固有的問題,研制開發(fā)了熱風(fēng)加壓煤氣化工藝,并成功地進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。煤氣發(fā)生爐應(yīng)用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,提高了煤氣發(fā)生爐的生產(chǎn)率和煤氣熱值,同時也解決了爐內(nèi)高溫結(jié)渣及焦油堵塞的問題,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞熱風(fēng)煤氣化氣化爐固定床The development and application of a new coal gasificationprocess with pressured and preheated airFeng Na Xia Dehong Yu Tao( University of Science and Technology Beijing )Hou Yingwu( Zhangjiakou new Industrial Technology Development Co. , Ltd)Abstract There are some problems in the fixed bed gasifier ，such as low heat value of gas and lowgasification intensity. Aimed at these problems ,a new gasification process with pressurized and pre-heated air has been developed and put into practice successfully. With the application of this newgasification technology，the gasification productivity has been intensified and the heat value of gas canbe increased. Meanwhile , clinker and tar jam can be sovled by improved configuration of gasifier andcontrolled operation. This gasifier is good for economic benefit.Keywords preheated air coal gasification gas generator fixed bed新技術(shù)、新工藝,使煤炭資源的使用從真正意義1前言上實現(xiàn)清潔與高效。本文將煤氣化的理論與生產(chǎn)煤氣化技術(shù)在我國已有幾十年的歷史。在冶實踐結(jié)合起來,開發(fā)了熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,并金、化工、建材等行業(yè)的各種窯爐上都有許多成將其應(yīng)用于軋鋼行業(yè)作為供熱設(shè)施, 取得了顯著功的應(yīng)用范例。20 世紀(jì)中葉以后,國外發(fā)達(dá)國的經(jīng)濟(jì)效益。家很注重煤氣化技術(shù)的研究,開發(fā)出了流化床的2固定床煤氣化工藝U一gas法和氣流床的Shell、Texaco 法等比較先進(jìn)的煤氣化工藝,代表著煤氣化可持續(xù)發(fā)展的方中國煤化工粘結(jié)性煙煤、無煙煤向。目前,在我國的氣化爐中,固定床氣化爐占或MHCN MH G畢氣和水蒸氣的混合物80%~90%1。固定床煤氣發(fā)生爐普遍存在制作為氣化劑,爐內(nèi)的煤料與氣化劑逆流接觸,煤氣熱值低、氣化強(qiáng)度低等問題 ,因此應(yīng)積極開發(fā)料在氣化爐內(nèi)從上到下大致分為干燥層、干餾層、還原層、氧化層及灰渣層(2)。氣化劑在灰收稿日期2006 -07-21馮娜< 19月方數(shù)狽士生100083北京 市海淀區(qū)。渣層中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),僅與灰渣進(jìn)行熱交換,冶金能源Vol.26 No. 140ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007氣化劑經(jīng)過此層吸收爐渣顯熱被預(yù)熱,灰渣則冷提高對其反應(yīng)速率的提高影響巨大。卻后排出。在氧化層主要發(fā)生碳的燃燒反應(yīng)，燃( 1 )溫度與反應(yīng)生成物組成的關(guān)系燒反應(yīng)速率快且不可逆,處于擴(kuò)散控制狀態(tài)。其從發(fā)生爐的反應(yīng)機(jī)理可知:氧化層的溫度越反應(yīng)速率受氣流速率的控制,氣流速率越快,反高,則還原層的溫度越高,還原層的反應(yīng)時間越應(yīng)速率就越快,為氣化反應(yīng)過程提供熱量,反應(yīng)短,反應(yīng)進(jìn)行得越完全。但是,由于受煤灰熔點方程式為:的約束,氧化層的溫度并不能無限提高。因而,C+O2- +CO2 + 406.4kJ/mol(1)將氧化層的溫度控制在略低于灰熔點時,發(fā)生爐在還原層主要發(fā)生二氧化碳還原和水蒸氣氣.可達(dá)到最佳的反應(yīng)狀態(tài)。二氧化碳還原反應(yīng)是強(qiáng)化等氣-固相反應(yīng),同時還進(jìn)行平衡反應(yīng)與甲烷吸熱反應(yīng),它要通過不斷得到熱量才能提高其正化等氣相反應(yīng),使熱量得到相應(yīng)的補(bǔ)充。氣化劑反應(yīng)的完全性。經(jīng)過還原層之后，氣體中的CO和H2含量迅速參加氣化反應(yīng)的蒸汽在一定溫度條件 下會分升高,水蒸汽含量迅速下降,主要反應(yīng)式為:解成可燃?xì)怏wCO和H2,可是在低溫操作狀態(tài)C+CO2-→2CO- 162. 4kJ/mol(2)下分解率很低,通常只有35%左右。因此提高C+ H2O >CO+ H2 - 118. 8k]/mol(3)反應(yīng)溫度對蒸汽分解是非常有利的。當(dāng)溫度達(dá)到C+ 2H2O→CO2 + 2H2 - 73.5kJ/mol(4)1000C時化學(xué)反應(yīng)趨于不可逆狀態(tài),在升溫幅度CO+ H2O→CO2 + H2 + 43.6kJ/mol(5)較小時,生成CO2 +2H2的反應(yīng)速率大;當(dāng)溫度C+ 2H2-→>CH4 + 74.84kJ/mol(6)達(dá)到1300C以上時,生成CO+H2的反應(yīng)速率進(jìn)入氣化爐的煤料首先在干燥層吸收上升氣非?？?3。而生成的CO+ H2的總熱量大于2H2流中的顯熱而脫水干燥,干燥后的煤料溫度進(jìn)一的熱值,并且減少了CO2帶走的物理熱。因此,步升高,在干餾層發(fā)生熱解反應(yīng)而逸出煤中揮發(fā)提高爐溫有助于生成較多的CO和H2.進(jìn)而提物,被析出的揮發(fā)物有時還會發(fā)生裂解和聚合反高煤氣熱值。應(yīng),生成高度粘稠并富含殘?zhí)嫉慕褂?以霧狀物(2)溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系的形式夾帶于生成氣體中, -起從氣化爐引出。氣化爐中所使用的燃料為-多孔介質(zhì)物料,其中CO2的還原反應(yīng)(2)和水蒸氣分解(3)其反應(yīng)主要在孔內(nèi)表面進(jìn)行,因此整個反應(yīng)可設(shè)(4)是處于化學(xué)反應(yīng)動力區(qū)的吸熱反應(yīng),燃燒溫想由以下步驟組成4):度越高,正反應(yīng)速率就越快,產(chǎn)生的CO和H2①氣體反應(yīng)劑從主流經(jīng)氣膜擴(kuò)散到固體外表就越多。平衡反應(yīng)(5)在-定的氣體組成和溫.面;度條件下控制出爐氣體成分,甲烷化反應(yīng)(6)②氣體反應(yīng)劑經(jīng)孔內(nèi)擴(kuò)散到固體內(nèi)表面;是在壓力作用下活躍的反應(yīng)。同時,隨著壓力的③氣體反應(yīng)劑與固體在內(nèi)表面進(jìn)行反應(yīng);增加也使?fàn)t內(nèi)氣化強(qiáng)度加大。因此,爐內(nèi)的反應(yīng)④氣體產(chǎn)物由孔內(nèi)擴(kuò)散到固體外表面;溫度和反應(yīng)壓力是決定煤氣化過程優(yōu)劣的兩個主⑤氣體產(chǎn)物由固體外表面擴(kuò)散到氣相主流。要因素。上述各步的速率往往差別很大,總速率取決于速率最慢的階段。隨著溫度的增加,化學(xué)反應(yīng)3溫度和壓力對煤制氣工 藝的影響速率也增加。當(dāng)溫度上升到一定值后,反應(yīng)速率3.1 溫度對煤制氣工藝的影響變化減慢,反應(yīng)受擴(kuò)散的影響加大。煤氣中有效成分(CO+ H2 )的含量主要取隨著反應(yīng)溫度的提高,反應(yīng)速率快速地增決于CO2的還原反應(yīng)和水蒸氣分解反應(yīng)在一-定加中國煤化工,不僅能改善煤氣質(zhì)爐溫下進(jìn)行的狀況。從熱力學(xué)角度分析,這兩項量HCNMH G氣量。爐內(nèi)氣化反應(yīng)反應(yīng)均為吸熱反應(yīng),爐溫的提高,有利于CO和溫度的高低，對CO2的還原率起著至關(guān)重要的H2平衡濃度的增加。從動力學(xué)角度分析,在通作用。在高溫下,不到10秒的時間CO2的還原常的發(fā)生爐操作溫度下，上述兩反應(yīng)的反應(yīng)速率率可達(dá)到95%以上,但是由于煤氣爐內(nèi)的溫度均處于動歷孕范圍即在低溫操作區(qū),因而爐溫的帶分布并不均勻，為一拋物線形態(tài){5]。因此,Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY41為了使還原反應(yīng)進(jìn)行完全, 應(yīng)在確保不熔渣的情冷空氣的預(yù)熱可以采取余熱回收的方式。余熱利況下,盡可能提高燃燒溫度,使反應(yīng)成為擴(kuò)散制用閉環(huán)系統(tǒng)流程如圖1所示:約反應(yīng)。(2)提高爐底鼓風(fēng)壓力3.2壓力對煤制氣工藝的影響常壓煤氣發(fā)生爐的爐出氣壓力一般在1kPa( 1 )壓力與反應(yīng)生成物組成的關(guān)系左右,采用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)量甲烷主要是由煤經(jīng)干餾而產(chǎn)生的。在煤的干比普通煤氣爐多,煤氣發(fā)生爐內(nèi)壓力損失較大,餾過程中熱裂解造成斷鏈而產(chǎn)生碳?xì)浠衔?，年必須改變鼓風(fēng)機(jī)型號,增加輸出壓力以克服這部烷的熱值可達(dá)35. 881MJ/m'。甲烷化反應(yīng)屬于分增加的壓損,滿足出爐煤氣壓力達(dá)到3kPa以體積縮小的反應(yīng),但是在煤氣爐內(nèi)反應(yīng)趨近于大上。氣壓,對于反應(yīng)后要縮小體積的化學(xué)反應(yīng)很難進(jìn)(3 )增加防結(jié)渣裝置行,所以甲烷生成量少,只有1.5%~ 2.0%(21。料層在爐內(nèi)變化過程中的最高溫度,根據(jù)煤如果把煤氣爐壓力從通常的1.0~1.2kPa提高到質(zhì)不同一般情況低于灰熔點100C，但在實際操3.0kPa以上,甲烷含量可以增加到2.5% ~作中,即便在很保守的溫度下燃燒,如果入爐煤3.2% , 這也是增加煤氣熱值的一個有效途徑。種更換或操作稍有不當(dāng),燃燒溫度就會迅速超過(2)壓力與氣化強(qiáng)度的關(guān)系灰熔點,爐內(nèi)均布的煤粒因此而軟化、粘結(jié),結(jié)固定床煤氣發(fā)生爐的操作壓力-般均維持在成堅硬的大塊,堵住向上的氣流，繼而造成偏微正壓,爐出壓力控制在1kPa以下, 但是越來爐、燒穿、冒火現(xiàn)象,這是司爐工作非常頭痛的越多的氣化爐向加壓的方向發(fā)展。例如,新一代事情,輕時用鋼釬加大錘打碎,嚴(yán)重時只好被迫的魯南爐和魯爾100型爐的操作壓力高達(dá)停爐。9.8MPao氣化壓力的提高,可使反應(yīng)氣化的密雖然應(yīng)用熱風(fēng)技術(shù)的高溫燃燒更趨近于灰熔度增加，反應(yīng)速率加快,從而大大提高爐內(nèi)的氣點溫度,但是爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象的根本原因是操作中化強(qiáng)度,常壓氣化爐的氣化強(qiáng)度通常為150~不能有效的控制爐況。據(jù)此,設(shè)計出了-套防結(jié)300kg/ ( m?h),而加壓氣化爐的氣化強(qiáng)度達(dá)到渣裝置,在爐況出現(xiàn)異常情況時,比如煤種變換了850~ 1500kg/ ( m2h$6。因此,提高氣化壓和開停車時,通過溫度反饋系統(tǒng)向燃燒段吹入蒸力其生產(chǎn)能力也就相應(yīng)提高,氣化強(qiáng)度增加。另汽使燃燒段溫度穩(wěn)定地保持在灰熔點以下，使煤外,由于加壓氣化條件下氣體運動線速率下降，氣發(fā) 生爐在高溫狀態(tài)下經(jīng)濟(jì)安全的運行,實現(xiàn)高反應(yīng)氣體與煤料的接觸時間延長,會使煤氣中的產(chǎn)低耗。帶出物減少,氣化效率提高,氣化強(qiáng)度加大。(4)設(shè)計專用爐箅由以上分析可知,爐內(nèi)溫度和壓力是影響煤爐箅是煤氣爐實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵,它要求的氣化強(qiáng)度和煤氣成分的主要因素。因此,提高通風(fēng)面積能適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷的提高, 破渣排渣能力操作溫度和操作壓力,是提高煤氣產(chǎn)量與煤氣質(zhì)強(qiáng)，破渣筋耐磨損,氣化劑分布均勻。量的首要方法。專用爐箅的爐底中心孔設(shè)計為漸擴(kuò)管段式入口結(jié)構(gòu)，以利于氣化劑在爐箅內(nèi)的分布;改進(jìn)常4工業(yè)設(shè)計與措施規(guī)流道設(shè)計結(jié)構(gòu),保證具有足夠的流道面積,阻(1)利用余熱提高鼓風(fēng)溫度大多數(shù)煤氣發(fā)生爐屬低溫操作,爐內(nèi)的操作熱煤氣險小鯉加熱爐中國煤化工溫度在生產(chǎn)實踐中為900~ 1200C ,其爐出溫度熱煙氣-般控制在450~ 550C左右,這也是大多數(shù)混.MHCNMHG_合煤氣發(fā)生爐煤氣質(zhì)量差、氣化強(qiáng)度低的根本原物理熱熱交換器。 物理熱因。為提高爐內(nèi)溫度,可以在保證爐內(nèi)不結(jié)渣的水蒸氣前提下預(yù)熱冷空氣,將燃燒溫度提高到1250~圖1余熱利用 閉環(huán)系統(tǒng)流程圖1280C,使氧花擺的燃燒溫度趨近煤的灰熔點。冶金能源Vol.26 No. 142ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007力適當(dāng),不易堵塞,帶出物少;爐箅增加分布器表1固定床煤氣爐料層厚度與蒸汽分解率數(shù)量,以改善氣化劑的流體特性,確保各流層流煤層厚度/mm100015002000道氣體的合理分布;同時在易磨損部位增加肋蒸汽分解率/%35268筋,增加爐箅的耐熱、抗磨性能,提高高溫下爐箅的使，用壽命。600C以上,并要求溫度變化幅度小，這樣煤氣(5)改進(jìn)除渣系統(tǒng)成分才穩(wěn)定,并且在較高溫度下有利于煤焦油的煤氣發(fā)生爐內(nèi)溫度帶分布呈拋物線型,尤其.流動。在生產(chǎn)操作中期望爐出溫度趨于一條水平在接近峰值處更易局部結(jié)渣熔結(jié)。影響煤的結(jié)渣直線,因此當(dāng)煤氣爐在不同負(fù)荷下操作時,要求性的因素較多, 除與煤的灰熔點、灰粘度、礦物煤粒都能穩(wěn)定持續(xù)的均勻加入爐內(nèi)。熱風(fēng)加壓煤質(zhì)含量多少有關(guān),還與礦物質(zhì)的組成有關(guān)。針對氣爐增加了爐底風(fēng)壓,造成爐內(nèi)空層氣壓的大幅煤氣發(fā)生爐的煤質(zhì)特性,加寬加高了排灰口, 并度提高,這也要求開發(fā)適合這種制氣工藝的加煤優(yōu)化了主、輔灰犁曲線設(shè)計,使除灰過程進(jìn)行順裝置。利,爐內(nèi)灰渣連續(xù)可靠排出。.針對這兩點開發(fā)了-種新型的加煤裝置,三(6)加高爐體結(jié)構(gòu)級密封氣缸聯(lián)動,利用PLC對產(chǎn)氣量、加煤量、應(yīng)用熱風(fēng)加壓煤氣化技術(shù),爐內(nèi)氣化強(qiáng)度比料層高度、排灰量等參數(shù)進(jìn)行綜合控制,并根據(jù)常規(guī)煤氣發(fā)生爐提高30%以上,因此需要增加發(fā)生爐的負(fù)荷確定加煤量,加煤量可以通過煤鎖爐內(nèi)料層厚度,加大高徑比。爐內(nèi)燃料層加厚的自動開啟時間來進(jìn)行調(diào)節(jié),并在加煤的同時不后,煤的蓄熱能力加強(qiáng),能充分吸收上升煤氣帶斷排灰,以保持發(fā)生爐內(nèi)料位的相對穩(wěn)定。來的大量顯熱,并使蒸汽和碳的接觸時間加長,5工業(yè)應(yīng)用與結(jié)果提高了蒸汽分解率(見表1 )。爐膛高度增加后,生產(chǎn)中氣化劑沿床層分布均勻, 在高負(fù)荷操作下河北永年某軋鋼廠原有3臺固定床混合煤氣生產(chǎn)穩(wěn)定,沒有吹翻、吹凹、漏炭現(xiàn)象,操作中發(fā)生爐生產(chǎn)熱臟煤氣,為軋鋼連續(xù)加熱爐提供燃增加了生產(chǎn)負(fù)荷的彈性調(diào)節(jié),避免在氣化強(qiáng)度加料,煤氣質(zhì)量很差,管道堵塞嚴(yán)重。應(yīng)用熱風(fēng)加大后,煤層太薄而使氧化層上移或外露,缺乏足壓煤氣化工藝對其成功改造后一直穩(wěn)定運行。夠的碳參與還原反應(yīng),使大量的熱以熱氣流的物(1)該軋鋼廠常年使用山西大同煤為氣化煤理熱形式輸出。種,改造前后煤氣出爐溫度及組成如表2。(7 )優(yōu)化加煤裝置使用相同煤種, 不同煤氣化工藝的結(jié)果表.加煤量是控制發(fā)生爐煤氣出口溫度的主要因明,改造后的煤氣發(fā)生爐,由于提高了爐內(nèi)反應(yīng)素,熱風(fēng)加壓煤氣化工藝要求煤氣出口溫度達(dá)到溫度和出爐溫度，氣化反應(yīng)快速且完全,空層處表2煤氣出爐溫 度及組成煤氣成分/%COHCH4CO2N2等煤氣熱值/k} m-3煤氣出爐溫度/C改造前2411.66.653.85114520改造后3016.52.53.7552. 7:6470630-氧化碳變換反應(yīng)也很慢,因此生成的二氧化碳此燃燒反應(yīng)進(jìn)行的相對完全, 爐內(nèi)氣化溫度、煤量少,煤氣中CO、H2比值大，熱值顯著提高，中國煤化工幅度提高,相比原來同時也使碳的轉(zhuǎn)化率、熱效率大大提高。TYHCNMHG(2 )爐體壓力加大后,爐內(nèi)料層相應(yīng)增厚,表3改造前后煤氣發(fā)生爐的氣化強(qiáng)度氣化強(qiáng)度大幅度增加,表3為改造前后煤氣發(fā)生按燃料重量/kx( m2h)1按氣體產(chǎn)量/m( m2h) 1爐氣化強(qiáng)度對比表。2568453751238(3 )盱煤氧發(fā)生爐的爐內(nèi)操作溫度高,因Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY43制氣設(shè)備,產(chǎn)生的焦油不僅密度小、粘度低,而度地提高了煤氣發(fā)生爐的煤氣產(chǎn)量、氣化效率,且灰分和雜質(zhì)含量也較少,明顯優(yōu)于普通煤氣發(fā)更主要的是增加了煤氣熱值,同時也解決了爐內(nèi)生爐氣化所產(chǎn)生重質(zhì)焦油。保持出爐煤氣的高溫高溫結(jié)渣及焦油堵塞管路閥門問題。在生產(chǎn)實踐狀態(tài)是必要的,當(dāng)出爐溫度大于600C時,可以中,煤氣爐達(dá)到了穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、低耗等符合現(xiàn)代保證焦油從煤中析出完全并呈霧狀與煤氣混成一生產(chǎn)的目的。體參與燃燒,增加煤氣的熱值,也解決了長期以參考文獻(xiàn)來因焦油低溫沉淀堵塞管道和燒嘴而帶來的停產(chǎn)檢修等工作。1陳家仁,董耀.國內(nèi)外煤炭氣化的動向與中國特色(4)應(yīng)用熱風(fēng)加壓氣化工藝操作的煤氣爐,的潔凈煤技術(shù).工廠動力, 2003 ,(3): 33~40應(yīng)用在該廠年產(chǎn)60萬噸軋鋼連續(xù)加熱爐,爐子2寇公.煤炭氣化工程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.3中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部編. 發(fā)生爐煤氣的生產(chǎn)的工況指標(biāo)如表4。原理與使用.北京:科學(xué)普及出版社, 19856結(jié)論4項友謙.固定床煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型.煤化工,1999 ,(3): 8~11煤氣發(fā)生爐應(yīng)用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,大幅Predrag T. RAdulovic ,M. Usman Ghani ,L. DouglasSmoot. An improved model for fixed bed coal combus-表4改造前后工況指標(biāo)對比tion and gasification. Fuel ,1995 (4 )582 ~ 594工況指標(biāo)鋼坯氧化燒損可比單位能耗 煙氣排放溫度6步學(xué)朋.煤加壓氣化技術(shù)的研究開發(fā).煤化工，改造前2.0% -2.5% - 3000MJ/t~ 450C2004 ,( 10): 44~48改造后.<1.5%. 2000M]/t< 250C張長保編輯(上接第30頁)250200鎂碳磚650m號150f色100/鏌碳磚200mm50p-0203405石棉板厚度/mm圖4爐殼等效應(yīng)力隨石 棉板厚度的變化中國煤化工.MYHCNMHG手冊.北京:冶金工業(yè)出1楊治立,朱光俊,趙宏偉等.轉(zhuǎn)爐有效石棉板厚度版社,1991:58的計算.冶金能源, 2005 ,24(2):50~524楊世銘.傳熱學(xué)基礎(chǔ)(第2版) .北京:高等教育出2錢之榮,范廣舉.耐火材料實用手冊.北京:冶金工版社, 2003 : 200~ 204萬雪編輯