某冶煉企業煤氣生產過程含水量對煤氣質量的影響

張恩榮，萬卷敏，梁亞虎，趙映福，高樹乾

（白銀有色集團股份有限公司，甘肅白銀 730900）

1 當前國內兩段式煤氣發生爐含水現狀概述

隨著石油天然氣一次能源的緊缺，加之我國煤炭資源豐富，國內絕大多數生產鉛鋅、陶瓷、建材等行業燃料氣開始使用煤制氣。應國家環保要求，淘汰了單段式煤氣發生爐，發展為更環保的兩段式煤氣發生爐，但是這種改變帶來新的問題，即兩段式煤氣發生爐終極冷卻后含水影響煤氣質量的波動，嚴重影響燃燒室用氣穩定性，極易燒壞煤氣使用終端設備和各類燒嘴。因此研究兩段式煤氣發生爐含水影響并控制含水率極為重要。

2 煤氣含水對兩段式發生爐煤氣的影響

目前，結合鉛鋅冶煉廠粗精煉系統主要燃料和點火操作大部分使用煤氣的情況，按照全年近2億m3的煤氣用量計算，含水過多造成煤氣質量波動影響精鋅產量，加之影響企業效益，所以能夠保質保量生產優質煤氣是煤氣生產系統面臨的最大挑戰。其中兩段式發生爐煤氣主要含有CO、H2、CH4等可燃成分、O2助燃成分和N2、CO2等不可燃成分，及部分的水和焦油、焦油渣等其他惰性成分。在造氣和凈化的過程中，除了原煤本身帶有水分外，未被冷凝的飽和水和部分已經冷凝的機械水隨煤氣的長距離運輸到達用戶，造成煤氣質量波動較大，從而影響后期煤氣質量[1]。當下國內因各地區溫度的差別，致使生產煤氣所帶水分不同.根據不同溫度下煤氣濕度的變化對煤氣熱值的影響[2]，實驗發現，含濕量20%的低熱值煤氣的燃燒溫度和火焰穩定性遠遠優于含濕量30%的煤氣[3]，凈化后的煤氣隨著溫度升高，含水量同時也就會增加，致使煤氣加壓輸送、熱值及后期用戶的使用效率極大降低，最終給系統增加很大一部分能耗，造成了資源的浪費，同時煤氣中所帶水分也會影響設備使用壽命。

3 兩段式發生爐煤氣氣化原理

按照煤氣發生爐內的氣化過程，可以將內部氣化分成5層。

3.1 灰渣層

煤燃燒后產生灰渣，形成灰渣層，覆蓋在爐箅子上，主要作用為保護爐箅整體，使它們不被氧化層的高溫燒壞，同時起到預熱氣化劑的作用。

3.2 氧化層

通常在實際中也成火層，從灰渣層加熱后的氣化劑中的氧與碳發生劇烈的燃燒反應生成二氧化碳，同時放出大量的熱。主要反應方程式為：C+O2→CO2。火層一般為200~300 mm。

3.3 還原層

根據氧化層的反應，赤熱的碳具有很強的奪取氧化物中的氧而與之化合的本領，所以在還原層中，二氧化碳和水蒸氣被碳還原成一氧化碳和氫氣。主要反應的化學方程式為：CO2+C →CO；H2O+C →CO+H2；2H2O+C →CO2+2H2

3.4 干餾層

干餾層是把煤中的揮發分、焦油等物質經過加熱后所產生的碳氫化合物分離出來，然后再次進行還原反應。

3.5 干燥層

干燥層位于干餾層的上層，即燃料的面層，主要是對煤中的水分進行初步的蒸發。

4 煤氣含水量的影響因素

兩段式發生爐煤氣經造氣、凈化冷卻、煤氣加壓等過程，最終送至用戶使用。煤氣中水的形成、混入及析出貫穿于以上的整個過程中，各過程水的平衡項[4]見表1，可看出煤氣生產過程中水的主要組成形式。

表1 兩段式發生爐煤氣中水平衡表

表2 氣化用煙煤數據表

表3 兩段式發生爐煤氣成分數據表

其中表1中的煤氣飽和水為煤氣在一定溫度和壓力下的最大含水量；煤氣機械水是細小的液態水滴，而非氣態的水蒸氣。由表1可以分析出燃燒前煤氣最終含水主要由煤氣中的飽和水蒸氣和機械水組成。其中飽和水與煤氣溫度、壓力等因素有關。根據當地大氣壓及實際運行數據，繪制如圖1與圖2。

圖1 煤氣含水量隨溫度變化的情況

圖2 煤氣含飽和水量隨煤氣壓力變化的情況

從以圖2和圖3可以看到，煤氣溫度越低、煤氣壓力越高，煤氣所含飽和水越少。從煤氣中冷凝出的冷凝水，一部分在煤氣終冷、加壓和輸送過程中凝聚形成水，通過水溝進入酚水預處理池，進行沉淀后，通過泵進入酚水油水分離設備、氣浮機及多介質罐處理，另一部分未冷卻完成的被煤氣帶入使用端，該部分則為前期分析的機械水。

5 煤氣生產過程中水分來源計算

灰盤水封蒸發及探火打釬進入煤氣的水蒸氣量較小，計算爐出水分時可以忽略此項[1]。則可以認為兩段式發生爐煤氣帶出水分與原煤水分、空氣帶入及水蒸氣作為氣化劑時的分解有關。工作時，爐出溫度一般控制在450℃左右[4]。以上煤中的水、空氣帶入水及水蒸氣氣化劑的未分解水全部以氣態形式存在于煤氣中。

5.1 原煤帶入水分計算：

以下計算數據煤氣產量按照20 000 m3/h 計算。

小時耗煤量：20 000 m3÷3 m3/kg-1=6 667 kg

原煤帶入的水分：6 667 kg×8.41%=560.7 kg

5.2 空氣氣化劑帶入水分計算

空氣耗量約為12 000 m3，當空氣溫度為15℃，飽和時每1 m3干空氣中的含水量為13.8 g/m3，則此時空氣中的含水量為13.8 g/m3×50%=6.9 g/m3。所以氣化劑空氣中的水量為12 000 m3×6.9 g/m3×10-3=82.8 kg。

5.3 未分解水蒸氣氣化劑帶入水分計算

由氫平衡計算氣化劑水蒸氣耗量W的數值。

煤氣含氫量：（0.148+0.012×4/16×100%）×2 g/mol÷22.4 L/mol=0.0133 kg/m3

則 用 方 程W×2/18×100%=0.0133 kg/m3×20 000 m3解得W=2 394 kg

一般情況下煤氣發生爐氣化劑蒸汽分解率為80%左右，則未分解水蒸氣帶入水分為598.5 kg。

綜上分析：

兩段式發生爐煤氣含水蒸氣總量為560.7 kg+82.8 kg+598.5 kg=1 242 kg

理論計算發生爐煤氣質量為20 000 m3×1.06 kg/m3=21 200 kg

所 以 每 千 克 煤 氣 中 含 有 的 水 蒸 氣 為1 242 /21 200 =0.058 kg

6 水封及水封坑增加煤氣帶入水分

兩段式發生爐煤氣在生產運行過程中，為了用戶使用較低溫煤氣，在后續凈化設備上進行風冷及間冷，但是為了防止煤氣所帶雜物黏接管道，在每個設備底部設置水封坑，煤氣在經過設備冷卻過程中時，需要經過每一個水封及水封坑水表面，因煤氣溫度較高遇到較低水溫水，就會帶有部分水輸送到后端，增加了煤氣帶入的水分，給后續生產帶來了極大的不便。

7 兩段式發生爐煤氣水量控制

7.1 飽和水的控制

根據本廠現運行的6臺兩段式發生爐煤氣及以上數據分析，兩段式發生爐煤氣飽和水的含量，一般僅與煤氣出口溫度和壓力有關，降低煤氣終冷溫度，提高煤氣的輸送壓力，從一定程度上有助于降低煤氣中飽和水的含量。對現有的加壓機采取變頻設置，增加相應的功率，杜絕因閥門控制出口壓力的情況出現，提高煤氣的出站壓力，進一步提高煤氣飽和水的析出，從這方面著手達到降低煤氣飽和水含量的目的。

在實際運行中，不管是采取降溫還是增壓，都需增加相應的設備，無形中增加了設備投資和運行成本。根據以上數據分析得知，飽和水對后期用戶的影響較小，一般情況下穩定較低的煤氣溫度和較高的煤氣壓力。

7.2 機械水的控制

由于塊煤含硫極低，整個生產工藝無須配套脫硫設施，經加壓后直接通過管道輸送給用戶使用，而煤氣一般經過加壓機增壓后，溫度會升高5~10℃，如果不在加壓機前將煤氣中的大部分機械水除掉，溫度升高后的煤氣會將部分機械水重新汽化，從而增加煤氣中的飽和水含量。目前國內應用較廣的機械法煤氣捕水技術有填料脫水、絲網脫水、旋流板脫水、折疊板脫水等，但是經過使用發現脫水效果不是很明顯。根據實踐驗證增加靜電除焦器與捕滴器串聯使用，控制機械水效果顯著[5]。在實際使用過程中，為了此項工作的順利開展，本廠在靜電除焦器后端增加靜電除塵器，同時防止加壓后煤氣溫度升高增加機械水，在加壓機后端串聯捕滴器，填裝磁環，捕滴部分焦油和升壓后產生的機械水。

8 結束語

煤氣中所含的水不僅嚴重影響煤氣質量，也對用戶設備有很大的損傷。根據上述綜合計算與分析，以及節能環保角度綜合考慮，本論文結合實際生產過程造氣情況，通過計算和分析確定方法，解決了加壓后煤氣帶水分對質量的影響問題。

煤氣中機械水產生的弊端影響遠大于煤氣飽和水的影響，通過先進技術，選擇合適的設備進行機械水的捕除，可以解決因煤氣含機械水高影響煤氣質量的現象發生，從根本上做到安全穩定生產優質煤氣。