煤氣發生爐造氣過程煤炭與熱量消耗的分布概算

摘 要:通過合理的簡化和假設，經計算指出:在常壓固定床煤氣發生爐氣化反應過程中，碳與氧的氧化反應、水煤氣反應和CO還原反應各消耗總用煤量的33.2%、47.5%和16.0%，隨灰渣排出爐外的煤占總用煤量的3.3%。飽和溫度控制的不同，則各反應的反應強度不同，煤氣中H2、CO及CO2組分比例不同，各反應層煤炭消耗的比例也略有不同;氧化反應放熱量的56.92%用于水煤氣反應和CO還原反應，其余43.08%為反應余熱，氣化用煤氣化反應活性越強，消耗的反應余熱越少。

關鍵詞:煤氣發生爐;氧化反應;還原反應;煤炭;熱量;消耗比例

1 引言

我國是世界上煤炭資源較為豐富的國家之一，煤炭在我國能源構中占有舉足輕重的地位，大力發展潔凈煤應用技術符合我國能源安全戰略，而且隨著國際能源形勢的日趨緊張，石油及天然氣等能源價格不斷飆升，以煤炭為原料制取的人工煤氣，開始成為許多企業的首選燃料，其中發生爐煤氣的應用最為廣泛。煤氣發生爐的造氣過程，是煤炭與空氣中的氧氣和水蒸氣發生氧化還原反應的過程，最終生成以CO和H2為主要可燃成分的發生爐煤氣，為燃氣用戶提供燃料。通過一系列合理的簡化和假設，估算出煤炭及反應熱量在發生爐各氧化還原過程中的消耗比例，有利于有針對性地采取相應措施，強化氣化反應，降低不必要的能耗，達到系統節能降耗的目的。

2 基礎簡化及假設

2.1煤氣發生爐氣化反應簡化[1]

發生爐氣化反應是以煤炭為氣化原料，以空氣及水蒸氣為氣化劑，煤氣生產過程可以分兩步理解:首先是空氣通過燃料層，C與O2發生放熱反應，為下一步反應提供熱量和反應物CO2;隨后是蒸汽和空氣混合通過燃料層，C與H2O、O2和CO2發生吸熱和放熱的混合反應，生成發生爐煤氣。忽略諸多中間反應，可以將發生爐氣化反應過程簡化如下。

(1) 氧化層反應

碳被氣化劑中的氧氧化成二氧化碳，并放出大量的熱量，煤氣的熱化學反應所需的熱量靠此來維持。氧化層溫度一般維持在1000～1250℃左右，這主要取決于原料煤的氣化反應活性，反應活性越強，需要的氧化層溫度越低。

C+O2=CO2;△H=-409 kJ/mol(1)

(2) 還原層反應

還原層是生成主要可燃氣體的區域，CO2與灼熱碳進行吸熱化學反應，生成可燃氣體CO;水蒸氣與灼熱碳進行吸熱化學反應，生成可燃的CO和H2，同時吸收大量的熱。

CO2+C=2CO;△H=162kJ/mol (2)

C+H2O=CO+H2;△H=119 kJ/mol(3)

2.2相關數據假設

(1) 氣化用煤的相關數據如表1和表2。

(2) 灰渣的成分組成參見表3。

(3) 假設氣化過程無固體帶出物損失。

(4) 煤氣成分參見表4。

3氣化反應過程煤炭耗量計算[2]

3.1水煤氣反應產生CO量及耗煤量

根據煤氣H2量計算(按照1000Nm3煤氣計算)，假設1000Nm3煤氣H2全部由水煤氣反應產生，由反應方程式(3)可知，水煤氣反應產生的CO量應與H2量相同，即: CO=H2=163.5 Nm3。

則水煤氣反應需要碳量:C=163.5×=87.5kg。

耗煤量: =114.8kg。

3.2CO還原反應產生CO量、耗煤量及CO2需求量

1000Nm3煤氣中CO還原反應產生CO量:

CO=274-163.5=110.5Nm3。

則CO還原反應需要碳量:

C=0.5×(110.5×)=29.6kg。

則CO還原反應CO2需要量:

CO2=0.5×110.5=55.3 Nm3。

耗煤量:=38.8kg。

3.3 氧化層CO2總產生量及耗煤量

氧化層CO2總產生量:CO2=55.3+59=114.3 Nm3。

氧化反應需要碳量:C=114.3×=61.2kg。

耗煤量: =80.3kg。

3.4灰渣含碳量及耗煤量

水煤氣反應、CO還原反應及氧化反應共產生凈灰重量:QAsh =(114.8+38.8+80.3)×14.02%=32.8kg。

假設灰渣產量為Q則:Q-32.8=，即:

Q=40.8kg。

灰渣含碳量:C=40.8×15%=6.1kg。

耗煤量:=8kg。

3.5總耗煤量及各反應階段耗煤百分比

總耗煤量:114.8+38.8+80.3+8=241.9kg。

由以上計算結果可知，各氧化還原反應及灰渣等耗煤百分比，數值參見表5。

4氣化反應過程熱量產生及消耗計算[2]

4.1 氧化反應放熱量

氧化反應放熱量:

△H=-409××1000=-2089(MJ)。

4.2 還原反應吸熱量

(1) 水煤氣反應吸熱量:

△H=119××1000=788(MJ)。

(2) CO還原反應吸熱量:

△H=162××1000=401(MJ)。

4.3 反應余熱

反應余熱的一部分用于克服煤的結構反應阻力，另外一部分熱量被灰渣、爐體散熱、煤氣及水蒸氣顯熱等帶走，反應余熱量:H=2089-788-401=900MJ。

4.4 各部分熱量消耗所占百分比

(1) 還原反應吸熱占總放熱百分比:

=56.92%。

(2) 反應余熱占總放熱百分比:

=43.08%。

5 結論

(1) 發生爐氣化反應過程中，碳與氧的氧化反應消耗總用煤量的33.2%，水煤氣反應和CO還原反應各消耗總用煤量的47.5%和16.0%，隨灰渣排出爐外的煤占總用煤量的3.3%。發生爐操作時，控制的飽和溫度不同，則各反應的反應強度不同，煤氣中H2、CO及CO2組分比例不同，則各反應層煤炭消耗的比例也略有不同。

(2) 在煤氣發生爐內，碳與氧的氧化反應在最后一道煤炭有效利用的反應層內進行，通過均化爐內布風、采用富氧氣化技術等措施，強化該層的反應，有利于降低灰渣含碳量，有效利用氣化用煤[3]。

(3) 氧化反應放熱量的56.92%用于水煤氣反應和CO還原反應，其余43.08%為反應余熱。反應余熱的一部分用于克服煤的結構反應阻力，氣化用煤氣化反應活性越強，消耗的這部分熱量越少[4];另外一部分熱量被灰渣、爐體散熱、煤氣及水蒸氣顯熱等帶走，對這部分熱量損失，采取相應的余熱回收措施，可以有效提高系統的熱效率[5]。

參 考 文 獻

[1] 王同章.煤炭氣化原理與設備[M].北京:機械工業出版社，2001.

[2] 苑衛軍.常壓固定床帶干餾段煤氣發生爐研究[D](工程碩士學位論文).北京:清華大學，2004.

[3] 胡東強等.兩段煤氣發生爐采用富氧氣化的探討[J].工廠動 力，2005，(3):37-38.

[4] 謝克昌.煤的結構與反應性[M].北京:科學出版社，2002.

[5] 苑衛軍等.環保節能型兩段式煤氣發生站節能及環保效果 分析[J]，節能與環保，2008，(2):38-41.

Distributing Budgetary Estimate of Coal and Heat Consumption in Coal Gasifier Gas Making Process

YUAN Wei-jun， LI Jian-sheng

(Tangshan Keyuan Environmental Protection TechnologyEquipment Co.，Ltd.，Tangshan063020，China )

Abstract: According to reasonable simplification and assumptions， it calculated that:in the process of gasification， oxidation of carbon and oxygen， water gas reaction and CO reduction reaction would consume 33.2%，47.5% and 16.0% of coal in the total coal consumption. The coal which outside with the ash ranked takes up 3.3% of the total coal consumption. According to the different saturated temperature control， the intensity of each reaction will be different. Different components proportion of the H2， CO and CO2 in gas will have different proportion of coal consumption in the reaction layer. The 56.92% heat released by oxidation was used for the water-gas reaction and CO reduction reaction.The 43.08% heat was waste heat of reaction. The more intense gasification reactivity， the less waste heat will be consumed.

Key words: coal gasifier; oxidation reaction; reduction reaction; coal; heat; consumption ratio