兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置研究

葉宛麗

（吉林工業(yè)職業(yè)技術學院化工與材料技術學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著工業(yè)技術水平的不斷進步和發(fā)展，煤氣作為一種潔凈且具有高熱值的加熱能源在我國工業(yè)與民用等領域得以廣泛應用。煤氣發(fā)生爐作為生產(chǎn)煤氣的主要設備，經(jīng)歷了從一段式爐到兩段式煤氣爐的發(fā)展歷程，而從環(huán)境保護和資源利用角度考慮，兩段式煤氣發(fā)生爐已成為生產(chǎn)煤氣的主流設備。為解決兩段式煤氣發(fā)生爐加煤過程中煤層無法均勻分布而出現(xiàn)偏層現(xiàn)象，研究和開發(fā)了兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置。

2 兩段式煤氣發(fā)生爐結構與生產(chǎn)工藝

2.1 兩段式煤氣發(fā)生爐內部結構

兩段式煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)過程得到的煤氣主要由干餾煤氣和氣化還原煤氣兩部分組成，設備頂部為干餾煤氣，底部為氣化煤氣。兩段式煤氣發(fā)生爐的主要機構包括備煤裝置、電氣控制裝置、加煤裝置、干餾層、氣化層、探釬裝置、出灰裝置、和氣化劑裝置等組成[1-4]。具體內部結構如圖1 所示。

2.2 兩段式煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)工藝

將用篩分設備分級后適度大小的煤塊加入料斗，再利用間斷式加煤閥，分兩步進入爐體；煤炭利用還原層上升的熱量，將新加入的煤炭在低溫條件下干燥，再利用燃燒的火層上升至完成焦化干餾，使煤炭中的揮發(fā)分從煤炭中排除，得到干餾煤氣；煤炭則逐漸形成半焦，隨著煤層的下移，半焦溫度越來越高，當熾熱的煤炭進入還原層后，與煤氣發(fā)生爐鼓風機入口通入的具有一定壓力的飽和蒸汽發(fā)生氧化還原反應得到的氣化氣體，再經(jīng)過爐內碳還原得到氣化還原煤氣；半焦被氧化形成爐渣，再經(jīng)過水封降溫，由轉動的爐柵灰盆排出煤氣發(fā)生爐。

在兩段式煤氣爐得到的煤氣中，一是干餾煤氣，其主要成分是煤炭中析出的揮發(fā)份，以CH4為主構成煤氣發(fā)生爐二段的干餾煤氣，這部分煤氣量在總煤氣量中含量約占40%，干餾煤氣的熱值在6 700 kJ/m3左右；二是氣化還原煤氣，其主要成分是碳在氧化還原過程中生成的產(chǎn)物，以CO 和H2為主，共同構成一段氣化煤氣，這部分煤氣量在總煤氣量中含量約占60%，氣化煤氣的熱值在6 400 KJ/m3左右，水蒸氣和空氣混合物組成的飽和蒸汽與熾熱的煤炭在燃燒層發(fā)生氧化還原反應生成CO、H2等可燃性氣體。具體反應方程式如下[1]：

現(xiàn)有兩段式煤氣發(fā)生爐在加煤過程中，主要采用兩組下煤閥的交替開關，實現(xiàn)加料和控制煤氣外溢。在此過程中，由于重力作用，煤塊在干餾段落點單一，使干餾段的煤層呈現(xiàn)錐形，當錐形達到一定高度會向不同方向坍塌，導致干餾層煤層高度不均勻。在測量空層過程中，測量結果不能真實反映整個干餾層煤炭的高度，容易造成部分煤炭干餾不徹底、兩段式煤氣發(fā)生爐偏爐運轉、干餾不徹底的煤炭在高溫下結焦等影響煤氣質量和正常運行的現(xiàn)象。

3 兩段式煤氣發(fā)生爐存在的主要問題

兩段式煤氣發(fā)生爐下料裝置要求通過煤塊的最小粒徑為30 mm，最大粒徑不超過200 mm[5]。煤塊經(jīng)過輥式破碎機破碎后，利用振動篩進行篩分：直徑大于30 mm 的塊煤經(jīng)輸送帶送入加料斗，粒徑在30～200 mm 范圍內則比例不均勻。不同粒徑進入干餾層后，會形成不同大小縫隙，大粒徑或小粒徑會分別集中而直接影響生產(chǎn)過程產(chǎn)生煤氣的數(shù)量和質量。小粒度集中，增大了氣化劑與煤炭接觸的表面積，能夠提高氣化反應速度；不足之處在于粒徑小造成粒徑與粒徑之間的縫隙減小，增大了氣化劑與反應所產(chǎn)生氣體流通的阻力，從而影響氣化還原反應生產(chǎn)煤氣的效率。小粒度集中，盡管可以增大氣體流通速度，有利于反應進行，但是大煤塊使氣化還原應的表面積減小，并且揮發(fā)份在干餾過程中的析出會受到影響，造成煤塊在干燥過程中干燥不徹底、干餾過程中揮發(fā)份析出不徹底、氣化還原反應過程中還原反應不徹底，以及出渣過程中含碳量升高造成原料浪費等現(xiàn)象。如果將大小塊煤同時加入煤氣發(fā)生爐，既可以解決小粒徑的阻力問題，又可以解決大粒徑的反應不徹底問題，但是由于煤炭入爐后落點單一，容易引發(fā)煤炭的偏流現(xiàn)象，導致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)偏爐以及煤炭少的一側燒穿、煤炭高的一側結渣等不正常爐況。

（2）煤氣發(fā)生爐空層難以控制

兩段式煤氣發(fā)生爐的空層是指爐頂?shù)矫簩又g的距離，能夠反映所加煤塊和生成煤氣在煤氣發(fā)生爐內停留的空間。空層的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為加料量和出渣控制穩(wěn)定。空層過高，在加煤過程中，煤塊降落距離增大且增大碎裂幾率，同時,縮小煤層進一步縮短了煤塊在爐內450～500℃范圍內干燥和干餾時間，導致煤塊未充分干燥而易結焦，煤塊中干餾可燃氣體未充分析出就進入到氧化層而燃燒，表現(xiàn)為爐溫居高不下。空層過低，在加煤過程中，煤塊降落距離變小，同時煤塊落點處造成堆積，更容易產(chǎn)生偏爐現(xiàn)象，同時增高煤層造成爐內的阻力增加，不利于干餾煤氣和氣化煤氣及時輸出，使爐內壓力增大而威脅煤氣發(fā)生爐安全生產(chǎn)。

（3）上層煤氣出口溫度控制不穩(wěn)定

上層煤氣出口溫度主要反映了氣化煤氣在穿過干餾層后，與干餾煤氣一起對煤炭干燥后的溫度，該溫度一般控制在350～420℃左右。兩段式煤氣發(fā)生爐在運行過程中，上層煤氣出口溫度在300～520℃之間波動很大。實踐操作證明，溫度波動較大時，爐內往往會發(fā)生偏爐運行、煤層燒穿、空層波動等不正常運行狀態(tài)。

綜上，爐內物料高低不均勻的偏爐運行會導致測量的空層不能正確反映真實情況，而空層變化和偏爐運行會引起爐內干燥、干餾與氣化的不徹底。這就需要在煤氣生產(chǎn)過程中采用冷運行或熱運行，以確保生產(chǎn)煤氣的安全性。為了更好地解決這些問題，筆者研究了一種能夠將不同粒度混合煤塊均勻布置在煤氣發(fā)生爐內干燥層的裝置，用以避免煤氣發(fā)生爐的偏爐運行。

4 兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置研發(fā)

該裝置主要從煤氣發(fā)生爐加料裝置出發(fā)，具體從設備組成單元、設備內部結構、設備工作過程等三方面對煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)加煤進行均勻布料進行了研究，以提高兩段式煤氣發(fā)生爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性和效率[3，6-7]。

(2)元數(shù)據(jù)生產(chǎn)。元數(shù)據(jù)為描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的標識、覆蓋范圍、質量、空間和時間模式、空間參照系和分發(fā)等。作為地理國情普查元數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)全過程的相關信息記錄到了一個有圖形、有屬性的數(shù)據(jù)庫中，基本滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)要求。

4.1 設備組成單元

為了能夠達到均勻布料目的，研發(fā)本裝置時主要設計了兩個關鍵部件，分別是適合加料斗均勻布料的控制單元模塊、控制單元模塊工作的驅動單元。圖2 為控制單元外殼安裝結構。

如圖3 所示，在均勻布料裝置控制單元外殼的內部結構中，導向滑軌兩端分別固定安裝在外殼側壁兩端；延展平臺則是一端被固定安裝外殼側壁上，并且整個平臺設置在導向滑軌下方。

如圖4 所示，在均勻布料裝置控制單元模塊內部驅動單元結構中，驅動電機固定安裝在延展平臺的夾層底板上；轉盤固定安裝在驅動電機軸上，一端設有限位桿，另一端安裝擺桿；擺桿一端利用轉軸安裝在轉盤上，另一端安裝在連接塊上；撥料板則安裝在導向滑軌上；滑槽設在撥料板上，寬度為5～8 厘米，用于防止較大煤塊下落至滑槽；限位槽設置在限位桿上；連接塊安裝在限位槽內；連接軸安裝在限位塊上；限位塊滑動安裝在撥料板滑槽內[8]。

由圖2—圖4 中機械機構組成的均勻布料裝置不僅提高了煤氣發(fā)生爐干餾效率，還進一步提高了資源利用率。

4.2 設備內部結構作用

在不同粒徑的煤塊經(jīng)過料斗進入煤氣爐過程中，兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置內部結構作用如下：

（1）安裝外殼是通過與加料斗出料端的固定連接，使其與加煤料斗內部相通，形成煤氣發(fā)生爐原料添加通道。

（2）導向滑軌是安裝外殼的內部水平設置，用于保證煤塊添加過程中水平方向上的穩(wěn)定撥料。本裝置主要用于解決原有煤塊下料裝置在添加煤塊過程中因角度而造成的下料落點偏差大的問題，有效地防止滑軌角度造成的因物料不均勻添加而產(chǎn)生的偏爐、影響干餾效率以及資源浪費等。

（3）撥料板上設有寬度為5～8 cm 的滑槽，在煤塊粒徑選擇過程中，本裝置將有效利用滑槽尺寸通過篩分偏差引進大粒徑煤塊，以防影響連接塊與限位塊的正常聯(lián)動。

4.3 設備工作過程

均勻布料裝置安裝在加料斗與煤氣爐中間，連接了加料斗出口和煤氣爐入口，利用驅動電機實現(xiàn)加料轉盤轉動，撥料板則在擺桿作用下在具有導向功能的滑軌上滑動，使煤塊均勻分布在干餾段截面上。具體工作過程如下：在煤氣發(fā)生爐加料斗開始下料前，啟動驅動電機，在電動機作用下，使轉盤發(fā)生勻速轉動，帶動擺桿在延展平臺上從近端到遠端再到近端進行往復性移動；連接塊則在擺桿推動下，在限位槽內由近及遠滑動，由連接塊帶動限位塊，而限位塊又帶動撥料板在導向滑軌上沿著擋板方向上進行往復滑動。這樣就實現(xiàn)了將下落的煤塊均勻撥開，防止煤塊落點單一而造成的偏爐以及所引起的干餾不徹底、爐內壓力大等問題。

5 結果與討論

本研究數(shù)據(jù)結果是在相同生產(chǎn)工藝條件下，通過直徑為2.6 m 的兩段式煤氣發(fā)生爐應用均勻布料裝置前后測得數(shù)據(jù)結果，具體實驗工藝參數(shù)如表1。

表1 實驗工藝參數(shù)

本研究采集了兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置安裝前后生產(chǎn)的對比數(shù)據(jù)，采集頻率為每2天采集一次，采集具體數(shù)據(jù)包括空層高點數(shù)據(jù)、空層低點數(shù)據(jù)、空層差和煤氣熱值等，并對比了均勻布料裝置安裝前后生產(chǎn)煤氣的應用效果，進一步驗證該裝置的使用效果。具體數(shù)據(jù)如表2。

表2 均勻布料裝置安裝前后兩段式煤氣發(fā)生爐運行數(shù)據(jù)

5.1 空層影響

圖5 是相同煤炭原料和技術要求情況下，使用均勻布料裝置前后每次測量空層最高點和最低點之間差異的對比情況。

從圖5 可以看出，安裝均勻布料裝置前，空層差都高于350 mm，最高差達725 mm，并且空層高度差很不穩(wěn)定、變化頻繁，導致煤氣發(fā)生爐運行過程中的操作參數(shù)控制不穩(wěn)定，得到的煤氣質量不穩(wěn)定；安裝均勻布料裝置后，曲線變化穩(wěn)定，空層高點和低點之間的空層差一般維持在100 mm 左右，整個原料煤層高度相差無幾，煤氣爐在運行過程中，其截面對高溫氣化煤氣的阻力基本相同，干餾和干燥程度維持穩(wěn)定，操作運行過程中的參數(shù)控制穩(wěn)定，不僅氧化還原的氣化煤氣質量升高，而且干餾段維持干餾溫度的時間也有所增長，從而增加了干餾煤氣的含量，提高了煤氣的產(chǎn)量和質量。

5.2 煤氣熱值影響

煤氣熱值作為衡量煤氣質量的重要參數(shù)，如圖6 所示對兩段式煤氣發(fā)生爐安裝均勻布料裝置前后的生產(chǎn)煤氣取樣熱值測量結果進行了對比。

從圖6 可以看出，安裝均勻布料裝置前，煤氣熱值分布在6 050～6 400 kJ/Nm3之間，煤氣熱值基本低于氧化還原煤氣熱值，這說明在生產(chǎn)過程中，受到空層的不穩(wěn)定和不均勻影響，空層高點造成煤氣爐部分阻力過大，高溫氣化煤氣不能穿過煤層完成煤炭的干餾和干燥；空層低阻力小，高溫氣化煤氣集中流過低點，使還原層和干餾層溫度過高，進而過早氧化，使氧化CO2缺乏足夠的還原層進行還原，減少了可燃性CO 的產(chǎn)量。由于煤氣熱值時高時低很不穩(wěn)定，這是由于偏爐生產(chǎn)而為了調節(jié)爐況，要對生產(chǎn)參數(shù)進行修正和調節(jié)，導致煤氣的產(chǎn)量和質量也不穩(wěn)定。安裝布料裝置后，煤氣熱值不僅高而且穩(wěn)定，這進一步說明均勻空層在生產(chǎn)中能夠使高溫氣流均勻穿過還原層、干餾層、干燥層，從而更好地完成氧化氣體的還原、原料揮發(fā)分的干餾揮發(fā)和煤炭的干燥除濕，進而得到更多的高熱值還原煤氣和干餾煤氣。這與安裝均勻布料裝置空層對煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣產(chǎn)量和質量的結果相一致。

5.3 煤氣燃燒狀態(tài)影響

圖7（a）中，燃燒火焰的顏色呈現(xiàn)偏紅色，此時通過測溫槍的測得火焰溫度為800～1 000℃；圖7（b）中，燃燒火焰的顏色呈現(xiàn)淡藍色，此時通過測溫槍的測得火焰溫度為1 000～1 300℃。由于火焰顏色與溫度結果符合“燃燒火焰顏色淡藍色溫度高”的規(guī)律，說明安裝均勻布料裝置后的生產(chǎn)煤氣質量得以提升。與均勻空層使干餾效果更好、二段干餾煤氣含量高、混合煤氣熱值升高的結論相符。

6 結語

通過研發(fā)一種兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置，并實際安裝使用后，得到具體結論如下：

（1）均勻布料裝置結構單元中的導向滑塊能夠均勻引導擺桿控制撥料板，從而完成煤塊在下料過程的多點下料，避免了單點下料造成的煤塊堆積和偏料。

（2）均勻布料裝置中驅動單元中的驅動電機、延展平臺、限位槽能夠控制煤塊沿著由近到遠再由遠及近的方向均勻實現(xiàn)煤氣爐截面布料，更好地控制空層高度穩(wěn)定性。

（3）實際運行對比結果表明，應用均勻布料裝置可以有效穩(wěn)定空層的控制，更有利于還原層、干餾層和干燥層的穩(wěn)定變化，提高了氧化氣體還原、煤炭揮發(fā)分干餾與煤炭水分除濕效率，提升了兩段式煤氣發(fā)生爐煤氣產(chǎn)量和熱值。