煤制氣燃料用于高溫熔塊生產的可行性研究

摘要 中國煤炭資源遠比石油資源豐富，燃料的煤代油可以化解國內企業受國際石油市場變化制約的困擾。本文從煤氣發生爐的設計和熔塊池窯的配套改造兩個方面著手，結合現階段少數已經使用煤制氣的熔塊生產廠家所遇到的問題，從設備、工藝、環保、安全等方面進行研究后，認為煤制氣取代重油作燃料用于熔塊生產是可行的。

關鍵詞 煤制氣，熔塊，可行性

1前 言

熔塊池窯是連續性生產的熔爐，具有生產能力大、燃料消耗較低、質量比較穩定、易于機械化和自動化作業的優點，是制作釉料較理想的設備。目前國內使用的主要燃料有發生爐煤氣、重油和天然氣三種。近年由于國際油價不斷上升，使用重油為燃料的熔爐的生產成本大幅上升。而國內煤價相對比較穩定，使其與使用重油燃料生產時的成本拉開很大差距，因此改燃重油為燃發生爐煤氣的池窯已成企業節能創利的新起點。

2發生爐煤氣的種類

由煤或焦炭生成發生爐煤氣的過程是一個熱化學過程。將煤或焦炭等固體燃料通過高溫，在氣化劑作用下即可得到氣體燃料，由于使用的氣化劑種類不同，因此分為下列三種發生爐煤氣。

2.1 空氣煤氣

以空氣為氣化劑，利用空氣中的氧與煤中碳的反應所生成的可燃氣體，稱為空氣煤氣。由于空氣煤氣的熱值低而且氣化過程中燃料層中溫度高易結渣，造成固態排渣困難，故限制了空氣煤氣在工業窯爐中的應用。

2.2 水煤氣

以水蒸氣為氣化劑，利用水蒸氣與碳的反應所生成的可燃氣體，稱為水煤氣。水煤氣的熱值較高，但由于水煤氣的生產一般需用優質的無煙煤或焦炭作為燃料，并且氣化的設備和操作管理均較復雜，煤氣生產成本高，其應用也受到限制。

2.3 空氣-水蒸氣混合煤氣

空氣煤氣和水煤氣都存在著一定的缺點，用空氣-水蒸氣的混合物作為氣化劑，則可以在很大程度上克服上述二種煤氣的缺點。此時氣化過程中的反應包括碳與空氣，碳和水蒸氣的反應，所產生成的煤氣性質亦介于上述兩種煤氣之間，簡稱發生爐混合煤氣。

在混合煤氣的生產過程中，由于碳和水蒸氣反應為吸熱反應，能用以控制氧化層溫度，避免碳渣結塊，因此可采用固態排渣。與此同時，碳與水蒸氣反應生成CO和H2，可使煤氣熱值提高，從而改善煤氣的質量。

從上述三種煤氣的比較來看，混合煤氣不但在一定程度上能克服空氣煤氣與水煤氣氣化過程的缺點，而且其熱值適中，適用于不同品種的煤，且氣化過程中操作和管理也方便簡單。因此它是工業上常用的燃料，也是熔塊池窯的首選燃料。

3混合煤氣的制造過程和種類

（1） 煤氣發生爐內煤氣發生過程是固態燃料煤在氧氣不足的情況下，使固體燃料不完全氧化或先使它完全燃燒，再于高溫條件下發生一系列物理化學反應，使之還原而得到CO、H2等可燃氣體的熱化學過程。

（2） 煤氣發生爐的種類

煤氣發生爐的結構型式很多，但目前國內大部分所用氣化方法均為固定床層燃塊煤常壓氣化法。發生爐已由過去間歇式的手工操作向連續化、機械化方向發展。發生爐手工操作和機械操作，主要由爐柵和加煤除灰裝置的構造所決定。目前國內主要采用機械操作的發生爐。

機械操作的發生爐有單段式爐和兩段式爐，單段式爐結構簡單易于操作。而兩段式煤氣發生爐，即所謂低溫干餾混合煤氣發生爐的生產流程和單段爐基本一樣，只是兩段爐爐體高，分為上、下兩段，煤氣從上、下兩段分別排出，上段為干餾段，煤氣由干餾段頂部排出，其溫度僅為100～120℃左右，可使煤進行很好低溫干餾；下段為氣化段，煤氣直接從氣化段和干餾段的會合處排出，此處的煤氣溫度為650～700℃左右。煤氣不含干餾產物，也叫作清潔煤氣。兩段式煤氣爐具有適用煤種寬、耗煤量低、設備緊湊、占地面積小、煤氣熱值高、污染小等優點。目前已在國內逐步推廣應用。

4煤氣的凈化

由發生爐出來的400～600℃的高溫煤氣中含有一定量的雜質，雜質分為固態、液態和氣態。固態雜質是呈懸浮狀的不同粒渣的煙塵，是灰塵和煤渣的混合物；液態雜質主要是焦油和醋酸，焦油的含量與燃料種類和氣化形式有關；氣態雜質由水蒸氣和硫化氫、氮化物等有害氣體組成。如果不除掉這些雜質，煤氣質量將降低，并給煤氣的輸送和使用帶來不利影響。

4.1 熱煤氣凈化

所謂熱煤氣是指不經冷卻，僅經粗除塵后以熱的狀態供熔爐使用的煤氣，熱煤氣的物理熱可給熔爐帶入一定熱量，而熱煤氣中的焦油能提高煤氣的熱值和火焰的黑度，因而提高了熔爐的熱效率。熱煤氣不能長距離輸送，管道也必須保溫，否則煤氣溫度降低會導致焦油蒸汽凝結而堵塞管道。上面這種僅經粗除塵而不除去水蒸氣和焦油的凈化過程，稱為干法凈化。

4.2 冷煤氣凈化

冷煤氣是指經冷卻、干燥、除塵及除焦后的煤氣，可以遠距離輸送，這種凈化稱為濕法凈化。濕法凈化的工藝流程和設備比干法凈化復雜得多。當然用焦炭和無煙煤氣化所制得的煤氣不需要除去焦油。

4.3 凈化設備

（1） 熱煤氣的凈化設備比較簡單，一般配備斗式除塵器和旋風除塵器就可滿足，單段和雙段煤氣爐凈化基本相同。

（2） 冷煤氣濕法凈化流程設備

1）煤氣中只含灰塵不含焦油時（用無煙煤或焦炭為燃料）

發生爐→直筒冷卻器→洗滌器→集氣總管→加壓機（通風機）→捕滴器→輸氣器→煤氣貯藏塔（可無）→熔爐

2）由煙煤或木柴制得的煤氣除要分離焦油外還要將煤氣通過石灰液以吸收其中的醋酸

發生爐→冷卻器（直筒式或雙聯豎管式）→洗滌塔→焦油分離器→醋酸吸收器→集氣總管→加壓機（通風機）→水霧捕滴器→輸氣管→煤氣貯藏塔（塔可無）→熔爐

5熔塊池窯

（1） 池爐分類

爐內火焰作橫向（相對于爐縱軸而言）流動，與釉熔液流動方向相垂直的稱為橫焰爐。

爐內火焰作縱向（相對于爐縱軸而言）流動，與釉熔液流動方向相平行的稱為縱焰爐。

爐內火焰呈馬蹄形流動，與釉熔液流動方向相平行的稱為馬蹄焰爐。

（2） 蓄熱式馬蹄焰池爐的性能

這種爐火焰行程長，燃燒完全，只需在爐的端部設一對小爐，占地面積少、投資省、燃耗較低、操作維護簡便。這種爐的缺點是：沿爐長方向難以建立必要的熱工制度，火焰覆蓋面積小，并且爐寬上的溫度分布不均勻，受火焰換向的影響較大。一對小爐限制了爐寬，爐的規模小，燃料燃燒噴出的火焰會起到推料的作用。

（3） 蓄熱式馬蹄焰池爐的結構

該爐結構分為：釉熔制、熱源供給、余熱回收、排煙供氣四大部分。與本研究相關主要是后三大部分。目前，國內主要采用發生爐煤氣、重油和天然氣三種燃料。由于不

同燃料的燃料結構和熱值不同，其后三大部分結構也有所不同。

1）小爐結構上的區別

燃氣小爐結構包括空氣、煤氣通道、舌頭、預熱室及噴火口四部分。

燃燒重油小爐結構包括油噴嘴、預熱空氣通道、預熱室及噴火口四部分。

2）余熱回收部分區別

為了提高爐內火焰溫度，設置了煙氣余熱回收設備。當用重油為燃料時，只需預熱助燃空氣，當用發生爐煤氣時，必須同時預熱助燃空氣和煤氣。特別當窯爐火焰溫度要求較高時，使用發生爐煤氣必須增加煤氣蓄熱室。

3）排煙供氣部分

當用重油為燃料時，排煙、空氣交換比較簡單，只要先關閉油閥，再用交換器（翻板式或閘板式）交換煙和空氣即可。但當用發生爐煤氣時，必須設立一整套排煙供氣系統，包括交換器（跳罩式）空氣、煤氣煙道、中間煙道、鼓風機、總煙道、排煙泵和煙囪等。交換器是氣體的換向設備，它能依次向爐內送入空氣、煤氣以及由爐內排出的煙氣，此外還能調節氣體流量和改變氣體流動方向。發生爐煤氣的交換器要求換向迅速、操作方便可靠、嚴密性好、氣體流動阻力小、檢修方便。

6池窯的作業制度

6.1 溫度制度

爐內溫度決定于很多可變因素，必須調節影響爐內溫度的各個因素，使溫度相對穩定。馬蹄焰池窯因結構特性，溫度波動較大，一般不易確定溫度曲線，只能確定熱點的數值和位置。馬蹄焰爐每換火一次，爐內溫度、熱點位置、料堆變動一次，即窯爐在一個階段內的溫度是不穩定的，要達到成功的溫度控制，這些問題必須考慮。必須控制好換向時的燃料和開啟時間、加料時間，保證換向結束后迅速達到所定溫度值，減少溫度的波動。特別是用發生爐煤氣時，由于煤氣熱值相對重油較低，要達到上述要求，必須將空氣和煤氣預熱到700～1000℃，才可使爐溫迅速達到1600℃左右。

6.2 壓力制度

燃重油和發生爐煤氣對池窯壓力的要求基本相同，均要保持零壓和微正壓，不允許負壓。

6.3 換向制度

蓄熱式池爐定期倒換燃燒方向，使蓄熱室中格子體系統蓄熱和放熱交替進行。而對使用發生爐煤氣的熔爐應先換煤氣，再換空氣，并應確定合理換向時間。

7煤炭氣化技術和設備選擇原則

煤炭氣化技術在中國被廣泛應用于化工、冶金、機械、建材等工業和生產城市煤氣的企業，國內使用氣化的核心設備氣化爐有近1萬臺。其中以固定床氣化爐為主，近幾十年，引進了加壓魯奇爐、德士古、水煤漿氣化爐等，主要用于生產合成氨、甲醇或城市煤氣。所以從國內目前的使用和技術狀況看，選用固定床氣化爐較為妥當。

目前兩段煤氣發生爐技術成熟，單段和雙段在性能上的差異已較明顯。當然雙段發生爐在造價上較高，管理上要求也高，經濟效益可取。

熔塊池窯的溫度要求較高，而混合煤氣熱值較低，提高煤氣的熱值，確保溫度，是需要考慮的關鍵點。煤氣中的焦油能提高煤氣中的熱值和火焰黑度，凈化裝置簡單，可減少投資和管理費用，熱煤氣在技術上完全可行，是首選方案。

冷煤氣使用時，比較方便企業管理和煤氣用量調節，也有利于集中管理供氣。冷煤氣凈化方案較多，其中以無煙煤為燃料的凈化方案比較簡單，在條件許可的情況下是首選方案。至于凈化后是否需要配置煤氣貯藏塔，要看投資條件和管理水平。一臺20000m3濕式螺旋結構型式煤氣貯藏塔直徑達39m，高度達32.15m，耗用鋼材356噸，混凝土74m3，造價400萬元左右，一臺30000m3貯藏塔直徑達42m，高度達33m，耗用鋼材600噸，混凝土80m3，造價為700～800萬元，同時還要對進塔煤氣進行嚴格管理。因而選擇氣化用設備時，要充分考慮煤氣的具體用途、操作條件并選擇適宜的氣化設備。

8重油改發生爐煤氣燃料初步預計效益

以重油為燃料的池窯燃耗量為0.18～0.35kg重油/kg熔塊，以發生爐煤氣為燃料時，池窯燃耗量為0.4～0.75kg標準煤/kg熔塊，兩者燃耗量相差一倍左右，而重油和煤的市場差價在4～6倍左右，因此使用煤氣的經濟效益十分可觀。

綜上所述，熔塊池窯油改為煤氣燃料，在技術上完全可行，可以確保生產工藝的要求，其效益也十分可觀。正確分析各種技術條件，選擇合適的氣化工藝流程和氣化設備，可以做到一次投產成功。

參考文獻

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