淺析影響兩段式煤氣發(fā)生爐氣化效率的因素

聶賢勇 姚青山

摘 要：在生產(chǎn)建筑陶瓷制品的過(guò)程中，需要消耗大量的燃料。建筑陶瓷企業(yè)使用最多的燃料是發(fā)生爐制煤氣。其原理是將煤經(jīng)煤氣發(fā)生爐轉(zhuǎn)化為煤氣供輥道窯燃燒使用，這一煤制氣技術(shù)在建筑陶瓷企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，且主要是以?xún)啥问矫簹獍l(fā)生爐作為煤制氣的主要設(shè)備。如何提高兩段式煤氣發(fā)生爐的制氣效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，是建筑陶瓷企業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)建筑陶瓷企業(yè)兩段式煤氣發(fā)生爐制氣效率的分析，研究影響兩段式煤氣發(fā)生爐制氣效率的因素，并從中找出其解決方法，為建陶企業(yè)在使用兩段式煤氣發(fā)生爐制氣過(guò)程中提高制氣效率提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：建筑陶瓷;兩段式煤氣發(fā)生爐;煤制氣;氣化效率

1 前 言

建筑陶瓷行業(yè)作為傳統(tǒng)的制造業(yè)，是典型的高污染、高能耗企業(yè)，能耗成本在陶瓷生產(chǎn)成本所占比例達(dá)30%以上。大部分建筑陶瓷企業(yè)采用煤炭作為主要能源，并通過(guò)兩段式煤氣發(fā)生爐將塊煤轉(zhuǎn)化為水煤氣供輥道窯使用。兩段式煤氣發(fā)生爐作為建陶企業(yè)煤制氣的主要設(shè)備種類(lèi)，如何提高其氣化效率，降低生產(chǎn)成本是建陶企業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。筆者從多家建筑陶瓷企業(yè)實(shí)際用煤情況進(jìn)行分析，研究影響建筑陶瓷企業(yè)兩段式煤氣發(fā)生爐煤氣轉(zhuǎn)化效率的因素，提高煤的氣化效率，提高煤炭利用率，對(duì)于建陶行業(yè)減少能源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

2 影響煤氣發(fā)生爐氣化效率的因素

煤氣發(fā)生爐的氣化效率是指煤氣的發(fā)熱量占原煤發(fā)熱量的百分比，是煤氣發(fā)生爐重要的氣化指標(biāo)之一，用公式表示為：

由上式可知：在發(fā)生爐確定的情況下，煤氣的熱值、煤炭的產(chǎn)氣率以及煤炭熱值是衡量氣化效率的三個(gè)指標(biāo)。而煤氣的熱值和煤炭的產(chǎn)氣率與氣化工藝技術(shù)有直接關(guān)系。因此影響兩段式煤氣發(fā)生爐制氣效率的因素主要在兩方面：一是氣化原料煤的理化性能;二是煤氣發(fā)生爐設(shè)備操作管理。

3 氣化原料煤的理化性能對(duì)氣化效率的影響

3.1 原料煤的粒度

原料煤的粒徑大小、粒度均勻狀況及煤粉含量，都直接影響氣化效率。

當(dāng)塊煤粒度太小時(shí)，總的氣化反應(yīng)面積大，化學(xué)動(dòng)力學(xué)條件好，為擴(kuò)散控制。但是氣流阻力較大，爐底鼓風(fēng)壓力不能提高，傳質(zhì)條件差，被迫增加鼓風(fēng)量，一方面因增加鼓風(fēng)量，隨煤氣帶出的煤灰增多，造成燃料的損失增加并且容易堵塞管道;另一方面氣化爐內(nèi)氣流不均勻，惡化煤氣質(zhì)量，最終減少了煤氣產(chǎn)率。此外，小顆粒煤灰熔點(diǎn)低，易造成爐內(nèi)結(jié)渣。

當(dāng)塊煤粒度過(guò)大時(shí)，阻力小，顆粒間隙大同時(shí)接觸面積小，非均相的氣化反應(yīng)面積小不利于完全氣化，氣化后碳粒被灰殼包圍，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件差，為動(dòng)力學(xué)控制，造成灰渣中碳含量增加，并降低了氣化效率。此外，塊煤粒度過(guò)大還容易堵塞加煤閥，影響操作。

粒度不均、大小不一的煤塊不可以混雜入爐。在布煤過(guò)程中混雜大小不同的煤塊會(huì)沿著發(fā)生爐截面不均勻分布。小顆粒及細(xì)煤易落于中心區(qū)域，細(xì)煤在料層中嵌填在塊煤間的縫隙中造成料層阻力增大，致使氣化強(qiáng)度降低，灰渣含碳量也會(huì)隨之增加;而大粒度塊煤落在邊上，形成阻力小，氣化速度快，易冒火，因此造成偏燒結(jié)渣等現(xiàn)象。

合理控制好入爐煤塊粒度大小以及粒度的均勻性，煤塊的粒度大小比值在2左右;煤塊中的煤屑煤粉盡量減少。

3.2 原料煤塊的反應(yīng)活性

影響原料煤塊的氣化性因素有兩個(gè)方面：

一是煤的表面積，即氣化劑所能到達(dá)的表面，接觸面積越大氣化強(qiáng)度越高。對(duì)于塊煤而言，化學(xué)反應(yīng)是在有孔的固體壁上進(jìn)行，有效表面越大，煤氣化過(guò)程完成越快越徹底，煤氣質(zhì)量越好，產(chǎn)率越高。

二是煤中礦物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)用鹽酸洗除煤中灰份后，其反應(yīng)性大大降低。這表明礦物質(zhì)中的催化組份起了決定性作用，有催化作用的物質(zhì)是堿金屬、堿土金屬，而不是硫化物或其它物質(zhì)，其中以Ca、Mg的作用最為明顯。當(dāng)煤灰中氧化鈣含量低于35%時(shí)，隨氧化鈣含量增加，煤灰熔融溫度不斷降低（注：還要看氧化鈣以何種物質(zhì)存在于塊煤中，再進(jìn)行綜合分析）。灰份的催化作用不僅影響非均相水蒸氣氣化反應(yīng)，而且也影響均相反應(yīng)的進(jìn)行。加入上述堿金屬和堿土金屬可大大降低灰渣中含碳量，提高煤氣產(chǎn)率。

3.3 粘結(jié)性

粘結(jié)性是指當(dāng)煙煤被加熱時(shí)，由于產(chǎn)生膠質(zhì)體而使煤粘結(jié)成團(tuán)塊的性能。煤的粘結(jié)性是決定該煤是否可以在兩段爐內(nèi)氣化使用的非常重要的指標(biāo)，原因在于：在干餾段內(nèi)煤料受熱將出現(xiàn)膨脹與粘結(jié)的現(xiàn)象。如煙煤粘結(jié)性較強(qiáng)，則被加熱到300 ～ 400℃時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)與膨脹，使較小的煤顆粒粘聚成較大的團(tuán)塊或煤餅，從而導(dǎo)致上升載熱氣流分布不均勻、影響干餾效果，而且還會(huì)阻礙、甚至堵塞料層均勻下移，導(dǎo)致整個(gè)爐內(nèi)的氣化過(guò)程惡化。因此，作為氣化用煤，尤其是煙煤，煤的粘結(jié)性是非常重要的指標(biāo)。

反應(yīng)煤在受熱狀態(tài)下的粘結(jié)性與膨脹性檢測(cè)項(xiàng)目有：自由膨脹序數(shù)（CSN）、膠質(zhì)層厚度（Y值）、羅加指數(shù)及煤工業(yè)分析中的焦渣特征（1-8）等。企業(yè)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)表明，入爐煤的粘結(jié)性，最好按表1中推薦的指標(biāo)選用。

3.4 灰熔點(diǎn)

煤的灰熔點(diǎn)是煤灰熔融特性指標(biāo)，常用煤灰的軟化溫度ST來(lái)表示。灰熔點(diǎn)是判斷煤在爐內(nèi)氣化過(guò)程中是否結(jié)渣的重要參數(shù)，氣化過(guò)程中既可以滿(mǎn)足爐內(nèi)各層次反應(yīng)熱量需求又不會(huì)有熔渣或掛渣現(xiàn)象，通常要求塊煤灰熔點(diǎn)ST應(yīng)在1150 ～ 1250℃之間為宜。

3.5 揮發(fā)分

兩段式爐體結(jié)構(gòu)可降低煤氣的攜塵量;在干餾段內(nèi)，煤中的揮發(fā)分轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿訜N類(lèi)（如甲烷等小分子烴類(lèi)），集中回收或提高煤氣熱值。所以我們希望煤中的揮發(fā)分含量相應(yīng)較高，突出體現(xiàn)上述優(yōu)越性。但是揮發(fā)分含量太高不僅存放的時(shí)候容易自燃，也產(chǎn)生大量的長(zhǎng)鏈烴基有機(jī)物未分解小分子烴類(lèi)而易析出焦油;一般來(lái)說(shuō)，煤中的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量不低于25%、不高于35%為宜，因此建議空干基揮發(fā)分在27% ～ 33%比較合適。

3.6 熱穩(wěn)定性

對(duì)固定床氣化爐來(lái)說(shuō)，煤的熱穩(wěn)定性是影響正常氣化操作的重要因素。如果煤的熱穩(wěn)定性較差，煤炭入爐后就會(huì)因受熱而迅速熱分解，從而使煤塊產(chǎn)生崩裂、破碎，這樣一來(lái)就會(huì)提高爐內(nèi)阻力和增加帶出物的數(shù)量，不僅影響產(chǎn)氣率，也可能產(chǎn)生其它的不利事件。所選煤塊最好以高溫?zé)岱€(wěn)定性TS+6>80%為宜。

3.7 水分

煤的水分含量高，使產(chǎn)生的煤氣熱量對(duì)新進(jìn)入的煤進(jìn)行烘干，損失了大量的煤氣余熱，降低了煤氣出口溫度，并使煤氣含有大量的水分，煤氣質(zhì)量下降。水蒸氣含量過(guò)高，導(dǎo)致煤氣溫度過(guò)低，致使大量焦油析出，粘結(jié)堵塞煤氣管道等。另外，內(nèi)在水分中的結(jié)合水容易突然析出產(chǎn)生汽化，從而導(dǎo)致煤塊崩裂，是造成煤塊熱穩(wěn)定性不良的主導(dǎo)因素之一。

為了控制入爐煤的含水量，煤倉(cāng)應(yīng)設(shè)置煤棚，否則，濕煤進(jìn)入振動(dòng)篩之后，煤粉會(huì)堵塞篩網(wǎng)，降低篩分效果，很難保證入爐煤的粒度要求，進(jìn)而影響氣化效果。

統(tǒng)計(jì)表明，兩段式煤氣發(fā)生爐上段煤氣熱值會(huì)隨著氣化煤中的水分增加而明顯下降，十分敏感。原則上實(shí)際入爐煤塊中的含水量以控制在<15%為宜。

3.8 機(jī)械強(qiáng)度

兩段爐內(nèi)的煤層較厚，一般都在6米以上，煤在爐內(nèi)下移過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生擠壓與磨擦。因此，要求兩段爐用煤比單段爐用煤更應(yīng)具有較高的抗碎、落下和耐磨強(qiáng)度。所以要求落下強(qiáng)度S25>65%。

3.9 固定碳、收到基低位發(fā)熱量、灰分

固定碳越高，煤塊產(chǎn)氣越多，通常要求空干基固定碳FCad≥55%。

收到基低位發(fā)熱量越高對(duì)煤制氣越有利，通常要求收到基低位發(fā)熱量Qnet.v.ar≥6000 cal/g。

灰分要求盡可能低，對(duì)煤制氣越有利，通常要求空干基灰分Aad≤8%。

3.10 硫含量

硫含量要求盡可能低，主要影響設(shè)備腐蝕和排放問(wèn)題;所以一般要求制氣塊煤空干基含硫量St，ad<0.5%。

綜上，入爐塊煤的煤質(zhì)對(duì)兩段爐的正常氣化有著至關(guān)重要的影響，具體技術(shù)要求可參照表2 兩段煤氣發(fā)生爐氣化煤種的技術(shù)指標(biāo)。

4 煤氣發(fā)生爐設(shè)備操作管理對(duì)氣化效率的影響

4.1 鼓風(fēng)量和飽和溫度

煤氣發(fā)生爐的鼓風(fēng)量參數(shù)奠定了爐內(nèi)熱平衡的基礎(chǔ)，對(duì)于混合煤氣發(fā)生爐而言，它直接與最終煤氣的成分相聯(lián)系。飽和溫度是煤氣發(fā)生爐行業(yè)的習(xí)慣性術(shù)語(yǔ)，實(shí)質(zhì)上是指氣化劑（空氣與水蒸氣）的混合溫度。

確定鼓風(fēng)量和飽和溫度的依據(jù)：鼓風(fēng)量基本確定煤氣的產(chǎn)量，它與飽和溫度共同決定了爐內(nèi)各層區(qū)的溫度及氣體成分，是設(shè)計(jì)計(jì)算物料和熱量平衡的原始依據(jù)，而試燒和實(shí)際運(yùn)行后的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是技術(shù)管理中下達(dá)操作指標(biāo)的基礎(chǔ)。

影響飽和溫度最敏感的因素是煤的工業(yè)分析結(jié)果和灰熔點(diǎn)。飽和溫度低，則表征氣化劑中蒸汽含量比例低，氧化層溫度和出氣化爐氣溫一定會(huì)升高，反之亦然。真實(shí)正確的飽和溫度，應(yīng)依據(jù)煤的灰熔點(diǎn)確定，即保持氧化層溫度低于灰熔融性軟化溫度ST：10 ～ 30℃為合理。

煤氣發(fā)生爐操作時(shí)，應(yīng)該盡最大可能提高爐溫，提高塊煤的反應(yīng)活性，從而強(qiáng)化其氣化過(guò)程。煤的反應(yīng)活性直接影響塊煤在氣化爐反應(yīng)的快慢、完成的程度、耗煤量、耗氧量及煤氣中的有效成分等;高反應(yīng)活性的塊煤可以在生產(chǎn)能力基本穩(wěn)定的情況下，在較低的氣化爐溫度下進(jìn)行操作，從而避免煤灰結(jié)渣及破壞煤的氣化過(guò)程;但是飽和溫度并非越低越好，一方面可能引起爐內(nèi)結(jié)渣;另一方面，出爐煤氣溫度升高，帶走顯熱增加（即物質(zhì)未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相變化時(shí)，溫度升高或降低所需要的熱量），熱效率反應(yīng)降低。高活性的煤氣化時(shí)，空氣耗量低，宜適當(dāng)提高飽和溫度，即以較高比例的蒸汽調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，使煤氣中氫和一氧化碳含量增大。

4.2 布風(fēng)均勻性的控制

煤氣發(fā)生爐的爐蓖布風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有中心調(diào)節(jié)管，可以方便調(diào)節(jié)爐蓖中心布風(fēng)量，在生產(chǎn)負(fù)荷低時(shí)減少中心管布風(fēng)量，在生產(chǎn)負(fù)荷高時(shí)，增加爐蓖中心布風(fēng)量，合理布風(fēng)可有效提高氣化效率。

4.3 料層厚度控制

大塊煤在氣化時(shí)候的阻力小，同時(shí)接觸面積小，反應(yīng)面積也小，此時(shí)料層應(yīng)該適當(dāng)厚一些。小塊煤炭在氣化時(shí)候表面積大，料層可以適當(dāng)?shù)谋∫恍忠约皳]發(fā)分在干餾層和干燥層內(nèi)出去，是對(duì)氣化有利的。但是煤炭粒度也不可以太小，否則會(huì)使料層阻力增大，煤氣帶出的煤灰增多，造成燃料損失和堵塞管道。同時(shí)，大小不一的煤塊不可以混雜入爐，混雜大小不同的煤塊會(huì)沿著發(fā)生爐截面不均勻分布，可能造成偏燒、結(jié)渣等現(xiàn)象。料層厚度的控制要根據(jù)實(shí)際爐礦和氣體成分進(jìn)行綜合分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合以上幾點(diǎn)，要使塊煤制氣產(chǎn)率最大化，必須要充分了解煤塊種類(lèi)，對(duì)不同煤種煤炭品質(zhì)有清晰的認(rèn)識(shí)，確保煤炭的品質(zhì)對(duì)制氣有利;同時(shí)結(jié)合煤氣發(fā)生爐的實(shí)際運(yùn)作情況及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析得出合理的工藝參數(shù)，以達(dá)到煤氣產(chǎn)率最大化的目的。

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