影響氣流床煤氣化工藝性能的主要影響分析

【摘 要】影響氣流床煤氣化工藝性能的主要因素有兩類：其一，為生產工藝條件，其二為煤的物理化學性質。從穩健優化與分析的角度來看則可以分為三類，其一為可以直接控制的生產操作工藝參數，其二為煤質性質，其三為煤的水分、灰分、粒度等不宜直接控制的噪聲因素。

【關鍵詞】煤化工；工藝參數；煤質性質；優化控制；反應速度；煤氣質量；熱穩定性

0 引言

對于氣流床煤氣化而言，氧煤比、蒸汽煤比、溫度、壓力等工藝條件是影響CO含量、H2含量、產氣率和碳磚率等煤氣化性能指標的主要工藝條件。除此之外，氣化性能評價指標還會受諸如煤的水分、灰分、粒度、煤質等多種噪聲因素的影響。各工藝參數如何影響煤氣化性能，包括各評價指標的均值及其波動，是進行氣流床氣化工藝性能穩健優化與控制的基礎。

1 可控工藝參數的影響分析

1.1 氣化溫度T（℃）

碳與水蒸氣的轉化反應是可逆的吸熱反應，提高溫度可以提高反應平衡轉化率，從而提高CO和H2的平衡濃度。從動力學的角度分析，提高溫度有利于加快反應速度。但是，氣化溫度并不是一個獨立的條件，通常需用改變氧煤比或蒸汽煤比的方法來調節氣化爐溫度。

1.2 操作壓力P（MPa）

隨著粉煤氣化反應的進行，氣體體積不斷增加，所以從熱力學分析，提高壓力不利于化學平衡。但是由于氣化反應距離平衡很遠，主要是反應速度控制了反應程度，提高壓力能使反應物及生成物濃度增加，從而提高反應速度。另外，提高壓力也相應的提高了氣化強度，氣化爐產氣能力增加，對工業應用而言，加壓氣化還可以節約壓縮功耗，降低生產成本。

1.3 氧煤比O/C

從粉煤部分氧化的化學方程式可知：

氧的理論用量應該是氧原子數與煤中碳原子數相等。這樣使煤中的碳能全部轉換成煤氣中的CO。如果氧的用量超過了這個比值，則一部分碳將發生完全氧化而生產CO2。因此，按原子數比計，氧與碳之間的比值不超過1。但是粉煤在氣化反應時，大量的CO與H2是有下列反應產生的：

C+CO=2CO

C+H2O=CO+H2

而這兩個反應的反應時間為燃燒反應時間的數百倍，因此，其反應速度比燃燒反應緩慢的多。因此按照理論量供氧，必須有一部分煤粉進行完全燃燒而生成CO2和H2O。當氣化劑中加入水蒸氣（或CO2）可以提高上述氣化反應的速度，并且上述兩個氣化反應的結果也產生了CO和H2。也就是說，水蒸氣（或CO2）中的氧原子代替了一部分氧氣，從而使氧耗降低，這樣，由水蒸氣（或CO2）帶入的氧原子數應計算在氧煤比值內。因此，實際生產過程中，氧氣的用量可以小于理論用量。

1.4 蒸汽煤比（W/C）

在氣化劑中加入適量的蒸汽，能增加煤氣中H2的含量，降低氧耗，并使爐溫不至過高。但是，加入過量蒸汽后，降低了氣化爐溫度，不利于CO2的還原和水蒸氣的分解反應。這兩個影響是相互矛盾的，但在一定的條件下，必有一個起主導作用。一般當氣化劑中蒸汽濃度很低時，加入蒸汽的有利影響起主導作用，隨著蒸汽煤比的提高，氣化爐溫度漸低，使加蒸汽的影響逐漸減弱，相反，使反應溫度起主導作用，所以提高蒸汽煤比的結果，只能使反應速度下降。蒸汽煤比對碳轉化率影響較小，但影響了煤氣中H2和CO的含量。

2 煤種與煤性質的影響分析

2.1 煤種的影響分析|

（1）煤種對煤氣成分的影響煤種不同，煤氣化反應中的煤氣成分差別很大；

（2）煤種對煤氣化產率的影響煤種對煤氣化產率也有較大影響。

2.2 煤的性質對氣化性能的影響分析

（1）煤的粘結性對氣化過程的影響煤的粘結性指煤在高溫干餾時的粘結性能。粘結性煤在氣化爐內進入千餾層時會產生膠質體，這種膠質體粘度較高，它將較小的煤塊粘結成大塊，這就使得干餾層的透氣性變差，從而導致床層氣流分布不均和阻礙料層的下移，使氣化過程產生波動。因此，粘結性煤對氣化過程是一個極為不利的因素。

（2）煤的機械強度和熱穩定性的影響煤的機械強度是指煤的抗破碎能力。易破碎的煤在篩分后的傳送及氣化爐加煤過程中必然產生很多煤屑，這樣會增加入爐煤的粉煤含量，使煤氣帶出物增加，從而導致煤氣質量降低，煤耗增加。煤的熱穩定性是指煤在經受高溫和溫度急劇變化時的粉碎程度。

（3）煤的化學活性的影響煤的化學活性是指煤同氣化劑反應時的活性，也就是指碳與氧氣、二氧化碳或水蒸氣相互作用時的反應速度。煤種不同，其反應活性不同。一般煤的碳化程度越低，焦炭質的氣孔率越大，則其內表面積越大，反應性越高。

3 不可控噪聲因子的影響分析

3.1 原料煤中水分含量的影響分析

煤中所含的水分隨煤變質程度的加深而減少，水分較多的煤，揮發分往往較高，則進入氣化層的半焦氣孔率也大，因而使反應速度加快，生成的煤氣質量較好。另外在氣化一定的煤種時，其焦油和水分存在著一定的關系，水分太低，會使焦油產率下降。由于加壓氣化爐的生產能力較高，煤在爐內干燥、干餾層的加熱速度很快，一般在20-40℃/min之間，因此對一些熱穩定性差的煤，為防止熱裂，要求煤中含有一定的水分，但煤中水分過高又會給氣化過程帶來不良影響。

煤中水分含量過高，增加了干燥所需熱量，從而增加了氧氣消耗，降低了氣化效率。同時，煤的水分含量過高，煤處于潮濕狀態，易形成煤粉膠結結和堵塞篩分，使人爐粉煤量增加。其次，入爐煤水分過高，干燥不充分，這樣將導致干餾過程不能正常進行，進而又會降低氣化層溫度，最終導致甲烷生成反應、二氧化碳及水蒸氣的還原反應大大降低，煤氣質量顯著變差。

3.2 煤中灰分含量的影響分析

煤中的灰分是煤燃燒后所剩余的礦物質殘渣。煤中灰分較高時對氣化過程帶來以下危害。隨著煤中灰分的增大，灰渣中的殘碳總量增大，燃料的損失增加。另外灰分增大后，帶出的顯熱增加，從而使氣化過程的熱損失增大，熱效率降低。從而氣化的各項消耗指標，如氧氣消耗、水蒸氣消耗、原料煤消托等指標顯著上升，而煤氣產率卻明顯下降?；曳诌^高，在氣化爐氧化層易形成灰渣熔融，即通常所說的灰結渣。結成的渣塊導致床層透氣性差，造成氣化劑分布不均，致使工況惡化，氣化床層紊亂，煤氣成分大幅波動，嚴重時將導致惡性事故的發生。另外，灰結渣易將末反應的碳包裹，使碳末完全反應即被帶出爐外，使灰渣中含碳量增加，燃料損失增加。為了維持氧化層反應溫度，就需要增加入爐氣化劑中的水蒸氣量，從而增加了水蒸氣的消耗。

3.3 煤的粒度的影響分析

在加壓氣化過程中，煤的粒度主要影響氣化爐的運行負荷、煤氣的產率以及各項消耗指標。煤的粒度越小，其比表面積越大，在動力學控制區的吸附和擴散速度加快，有利氣化反應的進行。煤粒的大小也影響著煤準備階段的加熱速度，很顯然煤粒度越大，傳熱速度越慢，煤粒內部與外表面之間的溫差也大，使顆粒內碳反應時間延長，且可能導致碳的不完全氣化，從而影響煤氣質量和產率。但粒度過小將會造成氣化爐床層阻力加大，煤氣帶出物增加，這樣也將影響煤氣質量和產率。另外，煤的粒度越小，水蒸氣和氧氣的消耗量增加，煤耗也會增加。

4 結束語

總之，隨著人們對氣化產品需求的不斷增加，對煤氣化效率和環保要求的不斷提高，作為新一代煤炭轉化利用的主要技術，氣流床煤氣化技術的必將會得到更為廣泛的應用。氣流床煤氣化工藝性能穩健優化與控制的研究對于提高煤炭的清潔高效，保證氣化生產的經濟、穩定、安全運行有著重要意義。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉帥]