摘要：根據褐煤的性質，從褐煤在常壓固定床氣化爐中的氣化特點出發，結合兩段爐的結構和兩段爐熱煤氣加壓工藝的特點，分析并指出利用兩段爐氣化褐煤時，干餾熱解產生的焦油幾乎全部由下段煤氣導出，上段煤氣焦油含量較少。兩段爐加壓熱煤氣站工藝中除焦及除塵設備的配置不適合氣化褐煤的生產，利用此工藝氣化褐煤，由于下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進入煤氣加壓機，致使煤氣管道極易容易堵塞，同時煤氣加壓機的故障率較高。
關鍵詞：褐煤；兩段式煤氣發生爐；煤氣；褐煤提質；褐煤氣化；干餾；煤氣凈化
Keywords: Lignite; Double-stage coal gasifier; Crude coal gas; Gasifying reactivity; Oxidation layer temperature; Drying; Pyrolysis
引言
我國的褐煤資源量為3194億噸，占煤炭資源總量的5.7%，褐煤探明保有資源量為1291億噸，占全國探明保有資源量的12.7%【1】。褐煤的水分及灰分含量較大、熱穩定性較差，但由于其氣化反應活性較好，就近利用褐煤進行氣化，向周邊燃耗企業提供中低熱值煤氣，其投資及運行成本符合多數企業的利益要求。
褐煤在常壓固定床氣化爐內進行氣化具有與煙煤氣化不同的特點，胡永康【2】和李琛祥【3】分別介紹了利用小龍潭褐煤和扎賚諾爾褐煤在3АД13型煤氣發生爐中進行連續氣化的實驗情況，指出了褐煤常壓固定床氣化的部分特殊性，由于這些不同于煙煤氣化的特殊性的存在，致使某些比較成熟的氣化煙煤的爐型和生產工藝，不一定適合褐煤的氣化生產，本文僅就利用兩段爐氣化褐煤的加壓熱煤氣站工藝存在的問題進行簡要的分析和介紹。
1. 褐煤常壓固定床氣化的特點
褐煤在室內放置一段時間后，隨著外在水分的蒸發煤呈片狀，其特點是灰分和水分含量高，固定碳含量低，揮發份較高，熱穩定性較差，氣化反應活性較好，以霍林河古城褐煤為例，該煤煤質分析數據參見表1，其CO2還原率（α）數據參見表2。
表1 煤質分析數據
水分Mad% | 灰分Aad% | 揮發份Vad% | 固定碳FCad% | 熱值Qbad（KJ/Kg） | 灰熔點ST℃ |
14.49 | 31.81 | 33.66 | 20.04 | 3592×4.18 | 1228 |
表2 霍林河古城褐煤氣化反應活性
溫度（℃） | 700 | 750 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 |
α（%） | 14.2 | 21.6 | 32.6 | 40.7 | 58.6 | 72.4 | 84.3 |
氧化層溫度較低，正常生產時對氣化爐進行探釬操作，探火釬一般需要5-7分鐘才能燒成暗紅色。這主要與該褐煤的氣化反應活性較強有關，文獻【4】介紹煤氣發生爐內CO2還原率一般為50-60%，由表2可知代表該煤氣化反應活性的CO2還原率α指標為50-60%時，其對應的反應溫度約為800-900℃左右，由此并結合上述探釬狀況判斷，該褐煤在氣化爐內氣化，其氧化層溫度比一般煙煤的氧化層溫度低得多，約為800-900℃左右（一般煙煤氧化層溫度一般在1000-1100℃左右），由還原層產生的煤氣離開還原層時的溫度也比氣化一般煙煤要低許多，胡永康【2】和李琛祥【3】在一段爐中氣化褐煤的實驗顯示，煤氣的爐出溫度較低，只有200-300℃左右。
降文萍【5】介紹煤的熱解過程大致可分為三個階段：第一階段，室溫—300℃為干燥脫氣階段，褐煤在300℃左右開始熱解。第二階段，300—600℃，這一階段褐煤不存在膠質體形成階段，僅發生劇烈分解，析出大量煤氣和焦油，形成粉狀半焦。第三階段，600—1000℃，以縮聚反應為主，半焦變成焦炭，該階段析出焦油量極少，產生的氣體主要是H2和CH4。如前所述在常壓固定床氣化爐中氣化褐煤，其煤氣離開還原層的溫度較低，一般只有200-300℃左右，據此可以看出，褐煤在氣化爐的干餾段內干餾的進行程度非常有限。霍林河古城褐煤在管式實驗爐內的試燒氣化實驗也證明了這一觀點，將管式實驗爐內除氧化層外的煤料劃分為1-6區段，區段劃分如圖2所示，實驗爐正常產氣4h后，對各區段煤料進行取樣，對其水分和揮發分含量進行測定，表4為測定數據。
圖1 管式氣化實驗爐區段取樣示意圖
表3 區段取樣水分和揮發分測定數據
序號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Mad% | 3.08 | 4.58 | 11.45 | 13.74 | 14.57 | 15.02 |
Vad% | 10.89 | 24.79 | 26.17 | 28.30 | 23.12 | 26.10 |
圖1管式試驗爐內位于氧化層上方的的區段1為還原層，由表4數據可以看出，煤料的干餾過程在管式實驗爐的區段1進行完畢，水分干燥在區段2進行完畢，區段3、4、5、6內煤的水分和揮發分含量基本沒有任何變化，管式試驗爐內干餾段與還原層重合（即區段1），區段2為干燥段。褐煤在管式實驗爐氣化，由于區段2-6的溫度較低（低于300℃），無法進行熱解干餾，干餾層被迫下移與還原層接近或重合，還原層溫度較高，干燥后的褐煤在此熱解，析出大量煤氣和焦油，同時形成粉狀半焦。
2. 兩段爐氣化煙煤與氣化褐煤的不同
2.1 兩段爐氣化煙煤的生產過程
通過加煤機將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發生爐內，加入煤氣發生爐中的煤首先進入干餾段，煤在干餾段中緩慢下移，在此經歷干燥過程。經過干燥后的煤繼續下移，進入氣化段，在氣化段經過氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣。煤炭中的灰分及極少部分未參與反應的煤炭以灰渣形式繼續下移，由灰刀將其清出爐外。
如圖2所示，作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在1100－1200℃條件下，與進入氣化段的呈半焦狀態的煤發生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣M=M1+M2。煤氣分兩部分向上運行，其中一部分M2通過下段煤氣夾層通道上移，最后從下段煤氣出口導出，該部分煤氣被稱為下段煤氣；而另一部分煤氣M1則在煤氣發生爐料層內上行進入干餾段，通過與緩慢下移的氣化用煤直接接觸，將其熱量直接傳給氣化用煤，進行上面敘述的干餾和干燥的過程，同時產生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣M3。這部分上行煤氣及干餾過程中產生的干餾煤氣一起由上段煤氣出口導出，形成上段煤氣。由于煤的干餾熱解過程是在干餾段進行的，其干餾熱解位置高于下段煤氣到出口，所以，下段煤氣幾乎不含焦油，幾乎所有焦油全部隨上段煤氣導出。
圖2 兩段爐氣化煙煤生產過程示意
2.2 兩段爐氣化褐煤的生產過程
通過加煤機將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發生爐內，加入煤氣發生爐中的煤首先進入干餾段，在干餾段中緩慢下移，由于此區段內溫度較低（200-300℃），無法進行熱解干餾，只能完成褐煤的干燥過程。干餾層被迫下移與還原層接近或重合，還原層溫度較高，干燥后的褐煤在此熱解，析出大量煤氣和焦油，同時形成粉狀半焦。經過干燥和干餾后呈半焦狀態的煤繼續下移，進入氣化段，在氣化段（氧化層+還原層）經過氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣。煤炭中的灰分及極少部分未參與反應的煤炭以灰渣形式繼續下移，由灰刀將其清出爐外。
如圖3所示，作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在800－900℃條件下，與進入氣化段（氧化層+還原層）的呈半焦狀態的煤發生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣M=M1+M2，同時在緊鄰還原層上部的干餾層處，褐煤進行干餾熱解過程，有焦油和干餾煤氣M3=M3-1+M3-2析出。然后煤氣分兩部分向上運行，其中一部分M2+M3-2進入下段煤氣夾層通道上移，最后從下段煤氣出口導出形成下段煤氣；而另一部分煤氣M1+M3-1則在煤氣發生爐料層內上行進入干餾段，通過與緩慢下移的氣化用煤直接接觸，將其熱量直接傳給氣化用煤，由于上行煤氣溫度較低（200-300℃），無法對煤進行干餾熱解，所以由上段煤氣出口導出的上段煤氣只有M1+M3-1。
由于褐煤的干餾熱解位置接近于還原層，該位置位于下段煤氣到出口下方，致使干餾所產生的大部分焦油霧滴隨下段煤氣（M2+M3-2）導出，另外一部分焦油霧滴隨煤氣（M1+M3-1）上行，這部分隨煤氣上行的焦油霧滴在上行過程中與冷態煤層進行換熱冷卻，由于干餾段處煤層溫度較低，這部分焦油由小霧滴聚集成大霧滴，最終吸附在煤料表面隨煤料下行，返回至接近還原層的位置，重新蒸發成焦油霧滴后也隨下段煤氣導出。如此可以看出，利用兩段爐氣化褐煤時，干餾熱解產生的焦油幾乎全部由下段煤氣導出，而上段煤氣焦油含量較少。
圖3 兩段爐氣化褐煤生產過程示意
3. 兩段式煤氣發生爐氣化褐煤熱煤氣站存在的問題
兩段爐熱煤氣加壓工藝的生產流程如圖4所示，上段煤氣經過預除焦器和靜電除焦器兩級除焦處理，除去煤氣中的焦油及粉塵，下段煤氣僅經過旋風除塵器除去煤氣中大顆粒的粉塵，然后上下段煤氣混合后經過煤氣加壓機輸送至用氣點。利用兩段爐氣化褐煤時，上段煤氣焦油含量較少，而下段煤氣焦油含量較多，而由圖4可以看出，兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設備的配置是完全顛倒的，所有除焦設備全部設置在上段煤氣處，下段煤氣只設置旋風除塵，卻無任何除焦設備，致使下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進入煤氣加壓機，致使煤氣管道極易容易堵塞，同時由于煤氣中焦油的存在，造成煤氣加壓機的故障率大幅度增高。由此可以看出，兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設備的配置不適合于氣化褐煤的生產。
圖4 除焦加壓兩段爐熱煤氣站工藝流程圖
4. 結論
（1）由于褐煤氣化反應活性較強，其氧化層溫度一般較低，煤氣離開還原層的溫度一般只有200-300℃左右，無法對煤進行熱解干餾，干餾層被迫下移并接近或重合于還原層，致使褐煤干餾所產生的大部分焦油霧滴隨下段煤氣導出，另外一部分焦油霧滴隨上行煤氣上行過程中與煤層進行換熱冷卻，最終吸附在煤料表面隨煤料下行，返回至接近還原層位置，重新蒸發成焦油霧滴后也隨下段煤氣導出。
（2）利用兩段爐熱煤氣加壓工藝，所有除焦設備全部設置在上段煤氣處，下段煤氣只設置旋風除塵，卻無任何除焦設備，而利用兩段爐氣化褐煤時，干餾熱解產生的焦油幾乎全部由下段煤氣導出，上段煤氣焦油含量較少。下段煤氣的焦油在無任何除焦措施的情況下進入煤氣加壓機，致使煤氣管道極易容易堵塞，同時造成煤氣加壓機的故障率大幅度增高，兩段爐熱煤氣加壓工藝中除焦及除塵設備的配置不適合于氣化褐煤的生產。
參考文獻：
[1] 尹立群，我國褐煤資源及其利用前景［J］，煤炭科學技術，2004，08：12-14
[2] 胡永康，關于褐煤在3АД13型煤氣發生爐中的氣化研究［J］，煤氣與熱力，1992，3：26-31
[3] 李琛祥，在通常結構煤氣發生爐中氣化褐煤的經驗［J］，燃料學報，1959，4（2）：181-185
[4] 苑衛軍；趙偉，常壓固定床氣化用煤灰熔融性溫度指標的界定［J］，煤化工，2013，41（3）：35-38
[5] 降文萍，煤熱解動力學及揮發分析出規律研究［D］，碩士學位論文，山西：太原理工大學，2004
作 者 簡 介
第一作者
姓名：苑衛軍（1968—），男，河北霸州，高級工程師，工程碩士，1990年本科畢業于河北理工大學機械制造專業，現從事煤炭氣化方面工作，E-mail：ywj680820@sohu.com
