淺析影響兩段式煤氣發生爐氣化效率的因素

聶賢勇 姚青山

摘 要：在生產建筑陶瓷制品的過程中，需要消耗大量的燃料。建筑陶瓷企業使用最多的燃料是發生爐制煤氣。其原理是將煤經煤氣發生爐轉化為煤氣供輥道窯燃燒使用，這一煤制氣技術在建筑陶瓷企業中被廣泛應用，且主要是以兩段式煤氣發生爐作為煤制氣的主要設備。如何提高兩段式煤氣發生爐的制氣效率，降低企業生產成本，是建筑陶瓷企業非常關注的問題。本文通過對建筑陶瓷企業兩段式煤氣發生爐制氣效率的分析，研究影響兩段式煤氣發生爐制氣效率的因素，并從中找出其解決方法，為建陶企業在使用兩段式煤氣發生爐制氣過程中提高制氣效率提供相關參考。

關鍵詞：建筑陶瓷;兩段式煤氣發生爐;煤制氣;氣化效率

1 前 言

建筑陶瓷行業作為傳統的制造業，是典型的高污染、高能耗企業，能耗成本在陶瓷生產成本所占比例達30%以上。大部分建筑陶瓷企業采用煤炭作為主要能源，并通過兩段式煤氣發生爐將塊煤轉化為水煤氣供輥道窯使用。兩段式煤氣發生爐作為建陶企業煤制氣的主要設備種類，如何提高其氣化效率，降低生產成本是建陶企業非常關注的問題。筆者從多家建筑陶瓷企業實際用煤情況進行分析，研究影響建筑陶瓷企業兩段式煤氣發生爐煤氣轉化效率的因素，提高煤的氣化效率，提高煤炭利用率，對于建陶行業減少能源浪費，降低生產成本具有重要意義。

2 影響煤氣發生爐氣化效率的因素

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

由上式可知：在發生爐確定的情況下，煤氣的熱值、煤炭的產氣率以及煤炭熱值是衡量氣化效率的三個指標。而煤氣的熱值和煤炭的產氣率與氣化工藝技術有直接關系。因此影響兩段式煤氣發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;二是煤氣發生爐設備操作管理。

3 氣化原料煤的理化性能對氣化效率的影響

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。

當塊煤粒度太小時，總的氣化反應面積大，化學動力學條件好，為擴散控制。但是氣流阻力較大，爐底鼓風壓力不能提高，傳質條件差，被迫增加鼓風量，一方面因增加鼓風量，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;另一方面氣化爐內氣流不均勻，惡化煤氣質量，最終減少了煤氣產率。此外，小顆粒煤灰熔點低，易造成爐內結渣。

當塊煤粒度過大時，阻力小，顆粒間隙大同時接觸面積小，非均相的氣化反應面積小不利于完全氣化，氣化后碳粒被灰殼包圍，化學反應動力學條件差，為動力學控制，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。在布煤過程中混雜大小不同的煤塊會沿著發生爐截面不均勻分布。小顆粒及細煤易落于中心區域，細煤在料層中嵌填在塊煤間的縫隙中造成料層阻力增大，致使氣化強度降低，灰渣含碳量也會隨之增加;而大粒度塊煤落在邊上，形成阻力小，氣化速度快，易冒火，因此造成偏燒結渣等現象。

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 原料煤塊的反應活性

影響原料煤塊的氣化性因素有兩個方面：

一是煤的表面積，即氣化劑所能到達的表面，接觸面積越大氣化強度越高。對于塊煤而言，化學反應是在有孔的固體壁上進行，有效表面越大，煤氣化過程完成越快越徹底，煤氣質量越好，產率越高。

二是煤中礦物質。實驗表明，當用鹽酸洗除煤中灰份后，其反應性大大降低。這表明礦物質中的催化組份起了決定性作用，有催化作用的物質是堿金屬、堿土金屬，而不是硫化物或其它物質，其中以Ca、Mg的作用最為明顯。當煤灰中氧化鈣含量低于35%時，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存在于塊煤中，再進行綜合分析）。灰份的催化作用不僅影響非均相水蒸氣氣化反應，而且也影響均相反應的進行。加入上述堿金屬和堿土金屬可大大降低灰渣中含碳量，提高煤氣產率。

3.3 粘結性

粘結性是指當煙煤被加熱時，由于產生膠質體而使煤粘結成團塊的性能。煤的粘結性是決定該煤是否可以在兩段爐內氣化使用的非常重要的指標，原因在于：在干餾段內煤料受熱將出現膨脹與粘結的現象。如煙煤粘結性較強，則被加熱到300 ～ 400℃時，就會出現粘結與膨脹，使較小的煤顆粒粘聚成較大的團塊或煤餅，從而導致上升載熱氣流分布不均勻、影響干餾效果，而且還會阻礙、甚至堵塞料層均勻下移，導致整個爐內的氣化過程惡化。因此，作為氣化用煤，尤其是煙煤，煤的粘結性是非常重要的指標。

反應煤在受熱狀態下的粘結性與膨脹性檢測項目有：自由膨脹序數（CSN）、膠質層厚度（Y值）、羅加指數及煤工業分析中的焦渣特征（1-8）等。企業實際使用經驗表明，入爐煤的粘結性，最好按表1中推薦的指標選用。

3.4 灰熔點

煤的灰熔點是煤灰熔融特性指標，常用煤灰的軟化溫度ST來表示?；胰埸c是判斷煤在爐內氣化過程中是否結渣的重要參數，氣化過程中既可以滿足爐內各層次反應熱量需求又不會有熔渣或掛渣現象，通常要求塊煤灰熔點ST應在1150 ～ 1250℃之間為宜。

3.5 揮發分

兩段式爐體結構可降低煤氣的攜塵量;在干餾段內，煤中的揮發分轉變為小分子烴類（如甲烷等小分子烴類），集中回收或提高煤氣熱值。所以我們希望煤中的揮發分含量相應較高，突出體現上述優越性。但是揮發分含量太高不僅存放的時候容易自燃，也產生大量的長鏈烴基有機物未分解小分子烴類而易析出焦油;一般來說，煤中的干燥無灰基揮發分含量不低于25%、不高于35%為宜，因此建議空干基揮發分在27% ～ 33%比較合適。

3.6 熱穩定性

對固定床氣化爐來說，煤的熱穩定性是影響正常氣化操作的重要因素。如果煤的熱穩定性較差，煤炭入爐后就會因受熱而迅速熱分解，從而使煤塊產生崩裂、破碎，這樣一來就會提高爐內阻力和增加帶出物的數量，不僅影響產氣率，也可能產生其它的不利事件。所選煤塊最好以高溫熱穩定性TS+6>80%為宜。

3.7 水分

煤的水分含量高，使產生的煤氣熱量對新進入的煤進行烘干，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，煤氣質量下降。水蒸氣含量過高，導致煤氣溫度過低，致使大量焦油析出，粘結堵塞煤氣管道等。另外，內在水分中的結合水容易突然析出產生汽化，從而導致煤塊崩裂，是造成煤塊熱穩定性不良的主導因素之一。

為了控制入爐煤的含水量，煤倉應設置煤棚，否則，濕煤進入振動篩之后，煤粉會堵塞篩網，降低篩分效果，很難保證入爐煤的粒度要求，進而影響氣化效果。

統計表明，兩段式煤氣發生爐上段煤氣熱值會隨著氣化煤中的水分增加而明顯下降，十分敏感。原則上實際入爐煤塊中的含水量以控制在<15%為宜。

3.8 機械強度

兩段爐內的煤層較厚，一般都在6米以上，煤在爐內下移過程中，會產生擠壓與磨擦。因此，要求兩段爐用煤比單段爐用煤更應具有較高的抗碎、落下和耐磨強度。所以要求落下強度S25>65%。

3.9 固定碳、收到基低位發熱量、灰分

固定碳越高，煤塊產氣越多，通常要求空干基固定碳FCad≥55%。

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

灰分要求盡可能低，對煤制氣越有利，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，主要影響設備腐蝕和排放問題;所以一般要求制氣塊煤空干基含硫量St，ad<0.5%。

綜上，入爐塊煤的煤質對兩段爐的正常氣化有著至關重要的影響，具體技術要求可參照表2 兩段煤氣發生爐氣化煤種的技術指標。

4 煤氣發生爐設備操作管理對氣化效率的影響

4.1 鼓風量和飽和溫度

煤氣發生爐的鼓風量參數奠定了爐內熱平衡的基礎，對于混合煤氣發生爐而言，它直接與最終煤氣的成分相聯系。飽和溫度是煤氣發生爐行業的習慣性術語，實質上是指氣化劑（空氣與水蒸氣）的混合溫度。

確定鼓風量和飽和溫度的依據：鼓風量基本確定煤氣的產量，它與飽和溫度共同決定了爐內各層區的溫度及氣體成分，是設計計算物料和熱量平衡的原始依據，而試燒和實際運行后的經驗數據是技術管理中下達操作指標的基礎。

影響飽和溫度最敏感的因素是煤的工業分析結果和灰熔點。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升高，反之亦然。真實正確的飽和溫度，應依據煤的灰熔點確定，即保持氧化層溫度低于灰熔融性軟化溫度ST：10 ～ 30℃為合理。

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

4.2 布風均勻性的控制

煤氣發生爐的爐蓖布風系統設有中心調節管，可以方便調節爐蓖中心布風量，在生產負荷低時減少中心管布風量，在生產負荷高時，增加爐蓖中心布風量，合理布風可有效提高氣化效率。

4.3 料層厚度控制

大塊煤在氣化時候的阻力小，同時接觸面積小，反應面積也小，此時料層應該適當厚一些。小塊煤炭在氣化時候表面積大，料層可以適當的薄一些，水分以及揮發分在干餾層和干燥層內出去，是對氣化有利的。但是煤炭粒度也不可以太小，否則會使料層阻力增大，煤氣帶出的煤灰增多，造成燃料損失和堵塞管道。同時，大小不一的煤塊不可以混雜入爐，混雜大小不同的煤塊會沿著發生爐截面不均勻分布，可能造成偏燒、結渣等現象。料層厚度的控制要根據實際爐礦和氣體成分進行綜合分析。

5 結 語

結合以上幾點，要使塊煤制氣產率最大化，必須要充分了解煤塊種類，對不同煤種煤炭品質有清晰的認識，確保煤炭的品質對制氣有利;同時結合煤氣發生爐的實際運作情況及經驗數據，綜合分析得出合理的工藝參數，以達到煤氣產率最大化的目的。

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