型煤在煤气发生炉中的气化及工艺条件的优化

第25卷第2期煤炭转化Vol125No12

2002年4月COALCONVERSIONApr12002

型煤在煤气发生炉中的气化及

工艺条件的优化X

郝爱民1)李新生2)魏庭富2)刘富华1)宋永玮3)

摘要工业生产线上生产的气化型煤,在TG—3MI型煤气发生炉中进行了长期的气化生

产并稳定运行了多年.就气化型煤在煤气发生炉中的气化结果和目前存在的问题进行了分析,认为

型煤气化工艺操作条件在一定程度上是型煤在煤气发生炉系统上制气好坏的关键因素,并就型煤

气化工艺条件的优化进行了分析探讨.

关键词气化型煤,煤气发生炉,气化层温度

中图分类号TQ546

0引言

随着煤炭行业的限产增效及关闭小型煤矿政策

的出台,优质无烟块煤的供应呈现卖方市场,块煤的

供不应求造成了价格的不断提高.与此同时,大量的

无烟粉煤由于长期堆积造成了大量的资源浪费和环

境污染.因此,把无烟粉煤加工成具有一定机械强度

和热稳定性的气化型煤替代无烟块煤,降低入炉煤

成本,提高企业的竞争力,已成为各生产企业的共

识.目前许多科研院所和企业在型煤的开发和研制

方面作了大量的工作,使气化型煤的冷态及热态质

量都有了很大的提高,但在工业煤气发生炉上长期

稳定运行的则很少.我所研制的新型洁净气化型煤

在TG—3MI型煤气发生炉中稳定运行了多年,本

文介绍了气化型煤在TG—3MI型固定床煤气发生

炉中的应用情况和存在的问题,并就型煤气化生产

中工艺条件的优化进行了分析探讨.

1实验部分

111气化型煤的工业化生产

在产量为3万ta的工业型煤生产线上,无烟

粉煤经破碎全部通过3mm的滚筒筛,储存于料斗

中,经传送带并配入定量的辅料送入搅拌器中,在搅

拌器中加入一定量的粘结剂,搅拌均匀后通过皮带

送到对辊成型机中成型,型煤在烟道式干燥炉中干

燥后送入型煤成品仓,供造气车间煤气发生炉使用.

型煤厂生产型煤时所用的原料煤和气化型煤的煤质

分析及气化型煤产品质量测定的结果见表1和第

52页表2.

表1原煤及型煤的煤质分析

Table1Propertiesofrawcoalandbriquette

Sample

Proximate,ad%

MAVFCSt

Ashfusibility℃

DTSTFT

Qb,ad

MJkg

Rawcoal31271911461547110501451480>1500>150026172

Briquette113423119812767120014612501310136025179

X1)助理研究员;2)高级工程师;3)研究员,中国科学院山西煤炭化学研究所,030001太原

收稿日期:2001212230;修回日期:2002203211

表2气化型煤的质量

Table2Qualitiesofgasificationbriquette

Compressivestrength

Nperball

Thermalstability

TS+6%

Dropshatterstrength

>13mm%

Thermalcompressivestrength

Nperball

64072159710350

112型煤在固定床煤气发生炉中的气化

型煤作为一种新型的煤气发生炉的气化原料,

由于在加工过程中外加了辅料使型煤的煤质与原煤

相比其固定碳有所降低,相应煤的发热量也有所降

低,而另一方面型煤具有粒度均匀,燃料层孔隙率

大,反应性强等不同于块煤的性质.因此用型煤替代

块煤用于发生炉煤气的生产,除了应具有良好的冷

态强度和热态强度以满足气化生产过程中的需要

外,还需充分了解型煤的性质,选择适合型煤气化的

工艺条件.目前型煤气化时所采用的工艺操作条件

见表3.某一天不同时段的块煤炉和型煤炉的煤气

组成及热值见表4,煤气总管中煤气的热值和型煤

炉煤气的热值及型煤炉和块煤炉的灰渣含碳量的一

个月的平均值见表5.

表3型煤气化时的工艺条件

Table3Technologyoperatingconditionofbriquettegasification

Pressureoffurnace

bottomPa

Exitpressureof

furnacePa

Amountofbottom

airNm3h

Exittemperature

ofgas℃

Saturationtemperature

ofsteam℃

Outputof

gasm3h

Ashlayer

mm

Firelayer

mm

600015002250025002330050055265410025200300100

表4一天中不同时段型煤炉和块煤炉的煤气组成和热值

Table4Compositionandthermalvalueofgasonbriquetteandlumpcoalindifferent

timeofoneday(%)

TimeFurnaceCO2O2COCH4H2N2QMJm3

218100122118117151153125100

6:0016150122319119151851175141

36160122412117161151125141

217120142114118151753155105

10:0016150122618119131950175157

38100122310117161351185128

219110132118117151052114199

14:0015120122518116171449185172

37160122012117171552185106

216170122311118141254105110

18:0016120122511117151151175142

34180122610117141952145151

217100122310117151652155121

22:0015180192413117151951145140

34130162519117141852175149

218100122119117151652165107

2:0015170142417117151751185143

34140142514117141953125143

Note:21#——Briquettecoal;1#and3#——Lumpcoal.

表5煤气热值和灰渣含碳量的月平均值

Table5Gasthermalvalueandcarboncontentinslag

Gasthermalvalueof

totalpipeMJm3

Gasthermalvalueof

briquetteMJm3

Carboncontentinslagwith

lumpcoalgasification%

Carboncontentinslagwith

briquettegasification%

51415106261453113

25煤炭转化2002年

2型煤气化结果及操作条件的优化分

析

211型煤气化时煤气组成的分析

煤的气化过程是一种复杂的气固相之间的非均

相反应和极少数气体反应物之间的均相反应,其总

的气化过程由物理扩散过程和化学反应过程组成,

大量的实验证明,气化过程的总速度不仅取决于反

应的动力学因素,而且也取决于扩散因素,是一种过

渡控制.由表3的气体组成可以看出,型煤气化的煤

气组成与烧块煤相比CO2的量偏高,相应的CO量

偏低,其它气体组分则与块煤相当.因此,由于有效

气体成分的降低,表现出气化型煤的煤气热值低于

气化块煤的煤气热值.

混合发生炉煤气中,有效气体成分的产生主要

来源于下述两个还原反应:

C+CO2=2CO-Q(1)

C+H2O(g)=CO+H2-Q(2)

这两个反应分别为氧化层中生成的CO2和上

升过程中的水蒸气气化剂分别与炽热的碳反应生成

CO和H2的过程.许多研究结果指出,随着反应温

度的升高,CO在平衡浓度中对CO2的比例越来越

大,反应平衡常数也迅速增加.[1]一般认为在通常发

生炉煤气炉的操作温度下,上述两反应均处于化学

动力学控制区.同样的研究结果表明,水蒸气与碳的

反应是强的吸热反应,温度对反应速度有较大影响,

温度的提高,有利于反应朝着CO生成的方向发生,

因此提高炉温有利于CO和H2平衡浓度增加.[2]由

于气化型煤的煤气组成中CO2的含量比气化块煤

要偏高,由此可以判断,这可能是由发生炉操作温度

较低造成的.因此适当的提高炉温,不仅可以使CO2

充分还原,降低CO2的含量,改善煤气质量,而且可

以提高上述两反应的反应速度,使单位时间,单位截

面与碳的反应量增大,使煤气产量增加,气化生产的

强度也随之增加.提高炉温的直接操作手段是提高

鼓风速度,使碳与氧的反应速度加快,单位时间放出

的热量增加,为还原反应提供充足的热量,相应提高

了气化强度.但鼓风速度也不能太高,太高则气化剂

在还原层反应时间短,不利于碳的充分反应,且带出

物增加,对气化反应不利.同时炉温提高还要受燃料

灰熔点的制约,超过燃料灰熔点,容易结渣,造成气

化剂分布不均.与气化剂充分接触的部分,碳表面的

气化剂浓度与气相浓度相当,反应均衡,总反应处于

化学动力区控制,温度升高时,反应速度增加,总反

应速度加快,而被熔渣包裹的碳与气化剂不能充分

接触,燃料碳表面气化剂浓度低,总反应处于扩散

区,受扩散速度控制.这样由于反应速度的不同,使

燃料层下降速度形成梯度,造成偏炉,严重时燃料层

会穿孔,氧气会通过孔洞上升到炉子上部,将煤气燃

烧,甚至与煤气混合发生爆炸,影响正常生产.另一

方面提高炉温的方法是控制较低的饱和温度,减少

入炉蒸汽量,以维持足够的炉温.因此控制适宜的炉

温,保持炉温在一个合理的范围是气化生产的关键

因素.

212影响灰渣含碳量的因素

由表5气化型煤和气化块煤的残碳可以看出,

气化型煤的灰渣含碳量较块煤高.影响灰渣含碳量

的因素有燃料性质、操作条件及加料方式.当燃料性

质及加料方式一定时,操作条件的影响将成为主要

影响因素.从以上分析可以看出,炉温是影响气化生

产的关键因素,由于型煤气化时炉温低,CO2还原,

H2O分解反应条件恶化,CO生成量减少,燃料气化

不完全,则相同时间内,使得型煤气化时灰渣含碳量

高.因此炉温的合理控制是影响气化生产各项指标

的关键因素.工业上具体操作时,一般用饱和温度来

控制所通入的蒸汽量,用出炉温度来控制气化层的

温度.如果炉温高,可加入过量的水蒸气来降低炉

温,但水蒸气的加入量也需适量,如果水蒸气加入量

过多,使原料层炉温降低,又会使反应条件恶化,使

有效气体成分降低,炉渣含碳量增加.因此要加入适

宜的水蒸气量,即可保证气化剂的用量,又能得到质

量较好的煤气.同时炉温也不宜过高,炉温过高会造

成局部燃料过热结渣,使未燃烧的碳被灰渣所包裹,

不能与气化剂反应,最终随灰渣一起排出炉外,同样

造成燃料碳的损失.因此通过控制适宜的饱和温度

和炉出温度,达到稳定、高效的气化生产,这需要生

产企业不断总结生产经验,寻找出型煤气化的最佳

操作条件.另外炉篦结构与灰盘的转速要适当,灰盘

转速慢,灰渣排不出,灰层高度增加,燃料层降低,气

化过程太快,也会使气化效率降低.灰盘转速太快,

使灰层降低,炉篦失去保护,暴露在高温区,易烧坏

炉篦,且燃料在炉内燃烧停留时间短,未气化完全的

燃料碳随灰渣排除,同样增加了碳损失.

213燃料粒度的影响

目前,在煤气厂TG—3MI煤气发生炉中,原料

35第2期郝爱民等型煤在煤气发生炉中的气化及工艺条件的优化

块煤粒度一般为13mm～25mm.型煤最初应用于

气化炉中的加入量为30%,型煤粒度为(55mm×

50mm×25mm).掺烧时发生炉炉况正常,继续增

大型煤加入量,直到100%全烧.通过一般时间的生

产后,发现火层不稳,灰层薄,火层低,容易窜火等现

象.分析原因:由于原煤的粒度小,而型煤的粒度较

原煤大,且粒度均一,采用气化原煤的操作条件来气

化型煤,气流阻力小,化学反应性好,易造成上述情

况发生.之后更换成型模板,生产小粒度型煤(45

mm×35mm×25mm).原料型煤粒度改变后,沿用

过去的操作条件,可维持一定的灰层高度和火层高

度,不再出现上述现象,生产炉况稳定运行.原料粒

度的减少,增加了单位体积燃料的反应面积,有利于

炉内传质、传热的充分进行,改善了煤气质量,提高

了气化效率.另外,由于型煤气化时具有床层孔隙率

大,气流阻力小,气化剂与碳反应的时间短等特点,

可根据粒度分布原理,加入不同粒级的型煤,增加气

流阻力,或适当提高料层高度,延长气化时间,保证

气固相之间的充分接触,使气化反应顺利进行.

3结论

(1)新型气化洁净型煤质量稳定,冷态和热态

强度可以满足煤气发生炉气化生产时的要求,型煤

气化时的发生炉煤气气体组成中CO2量偏高,CO

量偏低,但不影响气化炉的正常生产和后续工序的

应用.

(2)在气化原料一定的情况下,煤气发生炉系

统制气的好坏,在相当大程度上取决于气化工艺操

作条件的好坏,而气化层温度的控制是型煤气化生

产的关键因素.适当提高气化层温度,合理控制气化

剂流量及饱和温度,可降低灰渣含碳量,提高气化效

率.优化操作条件的确定需生产企业进行长期的造

气生产实践摸索.

参考文献

[1]王维周,贺建勋,张采荣.煤炭气化工艺学.香港:轩辕出版社,1994.43244

[2]寇公.煤炭气化工程.北京:机械工业出版社,1991,61

BRIQUETTEGASIFICATIONONOPTIMUMDISCUSSOF

TECHNOLOGYOPERATINGCONDITION

HaoAiminLiXinshengWeiTingfuLiuFuhuaandSongYongwei

(InstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofScience,030001Taiyuan)

ABSTRACTIndustrialbriquettehavingbeenutilizedingasfurnaceforseveralyears.In

thisarticle,briquettegasificationresultsandexistedproblemshavebeenanalyzedingasfurnace.

Itissuggestedthatgasificationtechnologyoperatingconditionisthemainfactortoproducegasin

furnacesystemandoptimumgasificationtechnologyoperatingconditionalsohavebeendiscussed.

KEYWORDSgasifacationbriquette,gasifier,temperatureofgasifiedlayer

45煤炭转化2002年