煤气的生产原理和利用

第一节 焦炉煤气的生产、净化工艺及其利用

　　焦炉煤气是炼焦用煤在高温炼焦生产过程中的副产品，即烟煤于隔绝空气的条件下在焦炉碳化室内加热至950-1050℃的整个结焦过程中释放出来的气态产物经净化而得到的气体产品。

 一：焦炉煤气的生产、原理

　　伴随着整个结焦过程都会有气态 产物释放出来，但不同时期的气态产物组成和数量是不同的。这与炼焦工艺操作条件如装炉煤性质和配比、加热制度等有关。另外与气态产物的析出路径、影响其停留时间的因素如炉顶空间高度、碳化室高度、单/双集气管等均有关系。

　　炼焦用煤被装入焦炉碳化室后，在两侧燃烧室内燃烧的煤气的加热过程中，煤炭经过干燥、热解、熔融、固化、收缩变成焦炭。在烟煤干馏的全过程中都有大量的气态产物析出，被称之为粗煤气或荒煤气。1t干煤在炼焦过程中大约可产生净煤气300-350Nm3.

 1、 煤热解机理

　　煤在隔绝空气的条件下被加热，使煤中的有机物质在不同的温度下发生一系列的变化，结果生成了数量和组成不同的气态(煤气)、液态(焦油)和固态(焦炭)产物。炼焦是以煤的热分解

　　为基础的复杂物理和化学变化过程。煤的热分解主要包括煤中有机物质的裂解，裂解产品中轻质部分挥发及残余部分的缩合、地核反应。

　　热分解的结果，使煤中对热不稳定的部分---由缩合芳香核组成的煤炭大分子结构上的烷基侧链、官能团及连接单元之间的桥键不断裂解，挥发出煤气和焦油等化学产品;而煤的缩合芳香核大分子本身对热则相对稳定，随着加热温度的提高不断发生缩合、缔合反应，煤分子的缩合芳香核不断稠化，最终形成煤炭。

　　按照加热温度来划分，煤的热分解过程主要可以分为6个阶段：

　　干燥阶段：常温-120℃，主要是蒸发脱除煤中游离的外在水分和内在水分。

　　(1) 脱吸阶段：120-200℃，脱去吸附在煤炭颗粒微孔结构中的CO、CO2和CH4等气体。 (2) 开始热解阶段：200-300℃，发生部分脱羧基反应，有热解水生成和蒸汽，开始分解并释放出CO、CO2和H2S等小分子气态产物，在近300℃时有微量焦油析出。

　　(3) 胶质体固化阶段：300-550℃，大量析出焦油和煤气，黏结性烟煤经胶质状态转变为 半焦。 (4) 半焦收缩阶段：550-750℃，主要发生半焦热解，析出大量H2，半焦收缩并产生裂纹。 (5) 半焦转变为焦炭阶段：750-1000℃，半焦进一步热分解，继续生成少量H2，最后半焦变为高温焦炭。

2、炼焦过程煤气的析出途径

　　在高温炼焦过程中，随着胶质体生成、固化和半焦分解、收缩，析出大量的气态产物。煤热解产物常称为一次热解产物。焦炉煤气通常不是一次热解产物，而是一次热解产物析出后流经高温焦炭层缝隙、炉墙和炉顶空姐是经受高温发生进一步化学变化后的二次热解产物。由于焦炉炭化室内层层结焦，而塑性胶质体的透气性一般较差，大部分气态产物不能穿过胶质塑性层。

　　里行气：炭化室内干煤层热解形成的气态产物和塑性层内产生的气态产物中的一部分职能向上或从塑性层内侧流向炉顶空间，这一部分气态产物称为“里行气”，约占气态产物的10%-25%。

　　外行气：约占塑性层内所产生的的75%-90%的气态产物穿过高温焦炭层缝隙，沿焦饼与炭化室炉墙之间的缝隙向上流向炉顶空间，该部分气态产物称为“外行气”。 3、煤热解产生煤气的化学反应

　　艳梅热解过程中发生的化学反应是非常复杂的，包括煤中有机质的裂解、裂解产物中轻质部分的挥发、裂解残留物的缩聚、挥发产物在析出过程中的分解与化合、缩聚产物的进一步分解与再缩聚等过程。这一过程总体主要可概括为裂解和缩聚两大类反应，产生粗煤气的反应主要是裂解反应。热觉过程对煤气组成贡献较大的二次热解反应主要包括裂解、脱氢、缩合和桥键分解等。

二、焦炉煤气的净化工艺

　　从焦炉出来的荒煤气中含有多种化工产品，其中很多是宝贵的化学工业原料，同事也含有很多有害杂质，这些杂质不仅腐蚀设备、污染环境，而且影响煤气的输送和氨、苯等化学产品的回收。因此，在焦化生产设计的同时，根据煤气的用途和回收化学产品的方法予以不同程度的脱除，因而相应地有不同的煤气净化、回收化学产品的生产系统。

　　焦炉生产的荒煤气(82℃)经气液分离器把煤气中的焦油、氨气与煤气分离后，进入煤气初冷器，把煤气冷却至24℃以下，进一步脱除煤气中的焦油和萘，冷却后的名气诶进入电捕焦油器，利用高压电流捕集煤气中残余的焦油滴，之后经煤气风机加以，送往饱和器。

　　在饱和器内，用硫酸对煤气进行喷洒，硫酸与煤气中的氨反应，生成硫酸铵，达到除氨的目的。 除氨后的煤气进入煤气终冷塔，把煤气冷却至22-24℃，进入洗苯塔。在洗苯塔内，用洗油对煤气进行喷洒，吸收煤气中的苯，以达到脱除煤气中苯的目的。

　　脱除了苯的煤气进入脱硫塔，在此用碱液对煤气进行喷洒，碱与煤气中硫化氢、氰化氢进行反应，以达到去除煤气中硫化氢、氰化氢的目的。

　　净化后的焦炉煤气是无色、有臭味、有毒的易燃易爆气体，比重0.45-0.55，热值16328.5-18422.9kj/m3，着火温度550-650℃，理论燃烧温度2150℃左右，爆炸极限4.50%-37.59%，因此焦炉煤气的爆炸危险性相对较大。焦炉煤气中的CO含量较高炉煤气少，中毒的危险性相对较小，但也是中毒危险性很大的煤气。 三、焦炉煤气的综合利用

三、焦炉煤气的综合利用

　　在焦化生产过程中会产生大量的焦炉煤气。焦炉煤气中含有苯、萘、CO、SO2、H2S、CH4等多种有毒有害气体。向用户供应的煤气必须经过脱萘、脱氨、脱苯、脱硫等净化处理。对于没有利用的富余焦炉煤气，需点燃后放散。这些点燃后放散的焦炉煤气，会对环境造成污染。

　　合理解决这部分富余煤气的出路是摆在企业面前的一个必须解决的问题。这个问题如果处理的好，既保护了环境，又节约了能源，具有良好的经济效益和社会效益。焦炉煤气的综合利用有多种方案，具体采用哪一种方案，要结合具体情况，经过技术、经济等各种因素分析后才能确定。其具体利用分述如下。

 1、作为居民燃气

　　焦炉煤气作为居民燃气，在投资规模与其他方案相同的情况下应为首选方案。因为它减少了占地，而且煤气销售具有较高的价格，因此具有较高的经济效益。该方案的投资主要为铺设管道及其相关费用。

 2、作为工业原料

　　如果有稳定的热负荷，作为工业燃料也是一个合理的选择。焦炉煤气可作为锅炉燃料，也可作为陶瓷厂的窑炉燃料等。焦化厂如果与用户距离较近的话可以节省不少投资。该方案的特点是不用增加厂房，不用增加固定设备，仅需对使用焦炉煤气的设备进行技术改造即可。 

 3、用于发电

　　焦炉煤气用于发电是一项比较可行的方案。焦炉煤气可通过蒸汽、燃气轮机和发电机组成，即以焦炉煤气作为蒸汽锅炉的燃料产生高压蒸汽，带动汽轮机和发电机组发电。此技术成熟可靠，已在国内焦化行业中广泛应用，但也存在系统复杂、占地面积大和启动时间长等问题。燃气轮机发电机组是焦炉煤气直接燃烧驱动燃气轮机，在带动发电机组发电，具有设备紧凑、占地少、效率高、效益好和启动迅速等优点。但燃气轮机必须运回制造厂检修，因此需要较多的备机，同时要求操作工人有较高的技术素质。 利用焦炉煤气发电是环保节能综合利用的好项目，是国家扶持的项目。在发电方案中，建设燃气轮机热电联供电站是一个技术先进、投资少、见效快、投资回报率高的工程项目，可有效地利用焦炉煤气。

　　第二节：高炉煤气的生产、净化工艺及其利用

一、高炉煤气的生产工艺

　　高炉煤气是高炉炼铁的副产煤气，主要可燃成分为CO,H2和CH4的含量很少，含有大量的N2及CO2，所以它的热值低，一般只有3558.8-3977.5kj/m3

　　高炉每生产1t生铁大约可得到1800-2000Nm3的高炉煤气。 1.高炉冶炼流程

　　现在绝大部分高炉采用于干式除尘，干式除尘是发展方向。其后续的TRT 吨铁发电量比湿式除尘高。

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　　2、焦炭回旋区的化学反应

　　在现代高炉内，由风口鼓入的热风进入焦炭回旋区使焦炭燃烧，生成大量的CO，鼓风所带入的水蒸气也与焦炭发生反应，生成H2和CO。

　　由于鼓入的热风中蒸汽量较少，故生成气中氢含量较少。鼓风中氮气不发生反应，仍以氮气状态存在于生成气中。在炉缸处所形成的煤气组成分为CO、N2和少量的H2，称为炉缸煤气。而煤气在上升过程中其组成、煤气量不断发生变化。 3、滴融带及熔融带下部的化学反应

　　煤气由下向上沿着料柱间隙进入滴下区、软化被半融区，煤气中CO含量逐渐增加。这是因为铁、锰、硅、磷等氧化物直接还原生成一部分CO。 4、熔融带上部及块状区

　　由于铁矿石被还原，消耗一部分CO而生成CO2，所以在此区域CO 含量逐渐降低，而CO2逐渐增加。 5、H2在上升过程中部分参加了还原，含量逐渐减少，但在炉料水分较多时，由于水煤气反应生成了H2，会增加煤气中H2含量。

　　CH4在高炉内生成量不多，一般在煤气中的相对含量变化不大，全焦冶炼时炉顶煤气CH4只有0.2%-0.5%。

　　煤气中的N2体积基本不变，只是煤气量增加时相对含量有所降低。

 二、高炉煤气的净化工艺

　　高炉煤气的理论燃烧温度约为1500℃左右，在多数情况下必须将空气和煤气预热来提高它的燃烧温度才能满足用户的要求。高炉煤气从高炉出来时含有大量粉尘，约为15-80g/m3，所以在使用前必须经过除尘处理。

　　布袋除尘器后的高炉煤气是高压煤气，压力一般在100KPa以上，根本无法使用，必须降压后才能给用户使用。降压的方法过去是单一的减压阀组，现在是TRT和减压阀组并联使用，平时用TRT发电消耗压力能，只有当TRT检修时，煤气才走减压阀组。

 三、高炉煤气的综合利用

　　由于各钢铁企业喷煤与焦比不同，其高炉煤气的可燃成分也不相同。大型企业工艺先进、设备精良，其焦比低，高炉煤气的热值也低;中小企业炉容小，能耗高，所以高炉煤气的热值也高。钢铁企业的高炉煤气热值一般为3358.8-3977.5kj/m3.高炉煤气为低热值气体燃料，属于二次能源，与高热值燃料相比燃烧温度虽不算高，但它仍能产生对目前热机而言已足够高的燃气或蒸汽温度，从能源品位来看，目前仍属于高品位能源。回收剩余高炉煤气具有重要的经济和环境意义。

 1、利用剩余高炉煤气生产石灰 

2、高炉煤气发电

3、纯高炉煤气在加热炉上的应用 

4、用高炉煤气热风循环解冻技术改造解冻库。 

5、回收利用余热的其他措施。

　　第三节 转炉煤气的生产、净化工艺及其利用 一、转炉煤气的生产工艺

　　转炉煤气也称LDG或LD煤气，是转炉吹氧炼钢时的副产煤气。在转炉内，把铁水炼成钢的过程，主要是脱碳、升温、去磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应过程，其工艺操作是控制供氧、造渣、温度及加入合金料等，以获得所要求的钢液。 二、转炉煤气的净化工艺

　　氧气转炉煤气回收法简称OG法。其工艺流程为：转炉烟气借风机吸力进入汽化冷却烟道，回收烟气余热，从汽化冷却烟道出来的烟气从上部进入“比肖夫”装置上部是一个洗涤塔，气液同向而行，进行降温和粗除尘。然后，气体进入下部的可调文氏管进行精除尘，经除尘后的气体由下部返入筒体进行脱水，然后从中部引出“比肖夫”装置，经降温除尘的净煤气通过风机加压后通过三通切换阀，在烟气的CO 及O2含量符合回收要求时，则进入煤气柜储存，需使用时进行精除尘和加压供用户使用。在烟气不合格时则通过三通切换阀将烟气送至放散塔点火放散。