摘要：從煤氣發生爐的結構及造氣過程著手，對兩段式干餾煤氣發生爐與一段式和兩段式煤氣發生爐進行了較為系統的對比分析。就煤氣質量和產量、焦油回收、資源的節約利用、設備的操作維護等方面，兩段式干餾煤氣發生爐都優于一段式煤氣發生爐和兩段式煤氣發生爐，兩段式干餾煤氣發生爐特別適合于氣化含水分、揮發分和灰分較高的煙煤。
關鍵詞：一段式煤氣發生爐；兩段式煤氣發生爐；兩段式干餾煤氣發生爐；煤氣；焦油；資源節約利用；設備操作維護
Keywords:Single-stage coal gasifier; Double-stage coal gasifier; Pyrolysis coal gasifier; Coal gas; Tar; Resource conservation; Equipment operation maintenance
1. 引言
近年來受國際石油價格波動及國內石油、天然氣供應能力和供應構架的影響，國內石油、液化石油氣及天然氣的價格在不斷攀升，而中國煤炭資源相對豐富，其供應價格相對較低，受國際能源價格的影響較小，其供應構架也比較符合市場經濟規律，但同時煤炭作為直接燃料的應用又受到國家嚴格的環保政策的制約，在這種形式下，煤氣發生爐作為煤炭資源潔凈利用的一種形式，既符合中國能源安全戰略和環保政策，又符合相關燃耗企業的利益要求，得到了諸如玻璃、陶瓷、冶金、機械、化工等燃耗較大行業的廣泛應用。通過對一段式煤氣發生爐、兩段式煤氣發生爐和兩段兩段式干餾煤氣發生爐三種爐型進行系統的對比分析，從而揭示相應爐型的優缺點，為企業提供煤氣發生爐爐型選擇的相關理論依據，在某種程度上可以有效避免或減少企業的失誤性投資。
2. 煤氣發生爐的結構及造氣過程分析
2.1 一段式煤氣發生爐（單段式煤氣發生爐）
表1 一段式煤氣發生爐示意圖
一段式煤氣發生爐結構如圖1示意，該爐型特點是爐體較低，爐內干餾層和干燥層較薄，約為300mm左右，加煤操作時爐頂處須保持1.5-2m的空層。一段式煤氣發生爐的煤氣生產過程：通過加煤機將煤加入煤氣發生爐爐膛內，煤入爐后首先進行較短時間的干燥和干餾熱解，然后進入氣化反應層。作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，高溫條件下與氣化反應層煤發生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣M，M’為干餾熱解產生的干餾煤氣。
2.2 兩段式煤氣發生爐
表2 兩段式煤氣發生爐示意圖
兩段式煤氣發生爐結構如圖2示意，該爐型特點是在一段式煤氣發生爐基礎增加了6m左右的干餾干燥段，爐內保持滿料層操作。兩段式煤氣發生爐的煤氣生產過程：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在高溫條件下，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。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，對煤進行干餾和干燥，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。
2.3 兩段兩段式干餾煤氣發生爐【1,2】
表3 兩段式干餾煤氣發生爐示意圖
兩段兩段式干餾煤氣發生爐結構如圖3示意，該爐型與兩段式煤氣發生爐的不同之處在于該爐去掉了下段煤氣出口，爐內產生的所有煤氣全部從爐頂煤氣出口導出爐外。兩段兩段式干餾煤氣發生爐的煤氣生產過程：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在高溫條件下，與進入氣化段的呈半焦性質的煤發生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣。煤氣向上運行進入干餾段，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，對煤進行干餾和干燥，同時產生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣，這部分上行煤氣及干餾過程中產生的干餾煤氣一起由煤氣出口導出。
3. 兩段兩段式干餾煤氣發生爐的優勢分析
3.1 煤氣及焦油
由以上三種爐型的結構可以看出，其灰層區、氧化層區和還原層區處的爐體結構基本相同，不同之處在于其干餾層區的結構，而干餾層區結構的不同直接影響到煤炭在此進行干餾熱解的傳熱介質的變化，從而影響到干餾熱解過程中干餾煤氣及副產焦油的析出情況。降文萍【3】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，脫水主要發生在120℃以前，CH4、CO2和N2等氣體的脫除大致在200℃時完成；第二階段，300—600℃，以解聚和分解反應為主，析出大量煤氣和焦油，450℃左右焦油析出量最大；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和少量CH4。崔銀萍等【4】指出溫度是影響干餾熱解產物的最主要因素，煤在干餾熱解過程中產生干餾煤氣，其中H2在400-600℃開始緩慢生成，600-900℃時H2生成量最大，CO的最大生成速度在700-800℃，CH4的釋放峰溫在550-700范圍內，C2、C3的烴類氣體釋放峰溫為500-600℃；400-700℃干餾熱解過程中焦油的產率最大，400-600℃時產生的焦油主要由脂肪烴、芳香烴以及含氧化合物組成，其密度和黏度較低；高溫狀態下產生的焦油基本完全是芳烴，密度和黏度較高，而且由于二次反應的存在，焦油產率明顯下降。
一段式煤氣發生爐的干餾熱解介質為還原層產生的全部煤氣，其溫度約為550-650℃，煤氣“爐出溫度”約為500-550℃，由于一段式煤氣發生爐的干餾層較薄，煤炭在干餾層內進行的低溫干餾熱解時間較短，煤中的揮發分只有一小部分在干餾層中通過低溫干餾熱解析出，大部分未脫除的揮發分隨煤進入還原層上部，在700-800℃下進行中溫熱解脫除。由于爐內主要進行的是中溫干餾熱解，干餾煤氣主要以H2和CO為主，CH4和C2、C3類物質相對較少；另外熱解出的焦油中低溫干餾焦油比例較少，大部分為中溫干餾焦油，焦油的密度和黏度較高，同時焦油產率也明顯較少。入爐煤揮發分為25-28%時，一段式煤氣發生爐爐出煤氣熱值≥5643KJ/Nm3，焦油產率約為3%左右。
兩段式煤氣發生爐的干餾段較高，干餾段高度一般約為6m左右，兩段式煤氣發生爐上段煤氣“爐出溫度”只有80-120℃，由此可以判斷，盡管其干餾段高度較高，但其有效干餾層高度預計只有3m左右。由于干餾段內的干餾熱解熱源只由氣化段產生的煤氣的一部分M1提供（熱介質溫度約為550-650℃），所以盡管煤在兩段式煤氣發生爐干餾段內進行的低溫熱解時間相對較長，但由于干餾熱量提供不足，致使低溫熱解程度不夠，進入還原層的半焦揮發分含量偏高，還原層上部中溫熱解脫除的揮發分比例較高。與一段式煤氣發生爐相比，兩段式煤氣發生爐干餾煤氣主要以H2、CH4和C2、C3類物質為主，煤氣熱值相對較高；另外熱解出的焦油中低溫干餾焦油比例也明顯增高，焦油的密度和黏度較低，同時焦油產率也明顯增高。入爐煤揮發分為25-28%時，兩段式煤氣發生爐爐出煤氣熱值≥6061KJ/Nm3，焦油產率約為5%左右。
兩段兩段式干餾煤氣發生爐干餾段高度與兩段式煤氣發生爐相同，兩段兩段式干餾煤氣發生爐煤氣“爐出溫度”一般在400-450℃左右，由此可以判斷，其有效干餾層高度應該在5m左右，約為一段式煤氣發生爐的16倍左右，干餾段內低溫干餾熱解時間是一段式煤氣發生爐的16倍左右，干餾熱解的熱介質總量與一段式煤氣發生爐相同，是還原層產生的全部煤氣（熱介質溫度約為550-650℃），單位時間內提供的熱解熱量基本是兩段式煤氣發生爐的2倍以上。即兩段兩段式干餾煤氣發生爐內干餾段內單位時間內低溫熱解熱量與一段式煤氣發生爐相同，低溫干餾熱解時間與兩段式煤氣發生爐相同，低溫干餾熱解程度高于其他兩種爐型。與另外兩種爐型相比，兩段兩段式干餾煤氣發生爐干餾煤氣中H2、CH4和C2、C3類物質的析出量較大，煤氣熱值相對較高；另外熱解出的焦油主要是低溫干餾焦油，焦油密度和黏度較低，同時焦油產率也明顯增高。入爐煤揮發分為25-28%時，兩段兩段式干餾煤氣發生爐爐出煤氣熱值≥6479KJ/Nm3，焦油產率約為7%左右。
3.3 煤炭資源節約
一段式煤氣發生爐由于1.5-2m的空層的存在，加煤時出現大量的煤粉暴揚，隨煤氣導出爐外，另外插釬操作和煤料熱爆產生大量煤粉也會被煤氣攜出，從而造成大量的煤炭資源浪費。兩段式發生爐沒有空層，保持滿料層操作，克服了加煤時煤粉暴揚造成的煤炭資源浪費，但在插釬操作、煤料熱爆時產生的大量煤粉自下段煤氣導出口引出，也同樣造成一部分煤炭資源的浪費，但和一段式煤氣發生爐比較煤粉攜出量要少許多。與兩段式煤氣發生爐相比，兩段兩段式干餾煤氣發生爐同樣沒有空層，保持滿料層操作，克服了加煤時煤粉暴揚造成的煤炭資源浪費；另外由于兩段兩段式干餾煤氣發生爐沒有下段煤氣導出口，插釬操作和煤料熱爆產生大量煤粉隨煤氣進入干餾段，經過厚厚的料層過濾后全部沉積下來，隨煤料下移進入還原層，重新進行還原造氣反應，入爐煤在爐內得到充分的利用，有效節約了煤炭資源。
3.4 氣化煤種的適應性
煤氣發生爐內的干燥層和干餾層高度，隨入爐煤的水分含量發生變化，由于干燥脫水溫度較低，所以煤在干燥和干餾過程中，優先進行干燥脫水，然后進行干餾熱解，如果氣化用煤的水分含量較高，干燥過程耗熱增加，干燥層高度相應增加，干餾層高度隨之降低，為保證低溫干餾熱解充分，單位時間內供應的干餾熱解熱量必須提高；如果氣化用煤的揮發分含量較高，則干餾熱解所需要的熱量較多，必須有大量的高溫煤氣通過干餾段，而且干餾熱解時間必須足夠長，為煤炭干餾提供足夠的熱解熱量，才能保證低溫干餾熱解進行徹底；灰分含量較高的煤，一般固定碳含量較少，對于同樣規格的煤氣發生爐而言，氣化灰分含量較高的煤，其還原層內單位時間產生的煤氣量較少，即單位時間內向干餾層供應的熱解熱量較少，這時就需要保持較高的干餾層以增加干餾熱解時間，從而達到充分低溫干餾熱解的目的。
利用一段式煤氣發生爐氣化高水分、高揮發分、高灰分的煤時，由于干餾層較薄、干餾時間較短，無法保證煤炭充分的低溫干餾熱解，煤中大部分揮發分在氣化層的上部高溫狀態下脫除，從而造成干餾煤氣中CO含量增加、CH4、C2、C3含量降低，煤氣熱值下降，同時焦油產率低，焦油密度和黏度較高。
利用兩段式煤氣發生爐氣化高水分、高揮發分、高灰分的煤時，還原層產生的煤氣量本身就較少，而且還有一部分煤氣M2不參與干餾熱解，直接從下段導出口引出形成下段煤氣，而作為干餾熱介質的上行煤氣量M1提供的干餾熱解熱量嚴重不足，從而造成干餾段內的煤炭低溫干餾熱解不徹底，煤中大部分揮發分在氣化層的上部高溫狀態下脫除，致使下段煤氣中出現大量密度和黏度較高的中高溫干餾焦油，同時煤氣熱值下降，焦油產率也降低。
利用兩段式干餾煤氣發生爐氣化高水分、高揮發分、高灰分的煤時，還原層產生的高溫煤氣全部上行進入干餾段，干餾熱解熱量供應充足，而且兩段式干餾煤氣發生爐干餾段較高，低溫干餾熱解時間充裕，煤炭在干餾段內進行的低溫干餾熱解充分，干餾煤氣中H2、CH4、C2、C3含量較高，爐出煤氣熱值較高，同時焦油產率較高，焦油密度和黏度較低，干餾式發生爐適于氣化水分、揮發分和灰分較高的煤。
3.5 操作與維護
一段式煤氣發生爐加煤時需要控制適當高度的空層和相對水平的料層，對加煤和爐內布煤要求較為嚴格，必須按時探測空層高度，而且一旦出現頂部布料不均，必須及時進行撥煤操作；兩段式煤氣發生爐加煤為滿料層自動操作，不需要保持空層，而且對頂部料層的水平程度要求也比較寬松，但需要根據氣化用煤的水分、揮發份含量以及煤氣產量的不同，對上、下段煤氣流量比例進行適當的調節，否則會造成煤炭干餾段內低溫干餾熱解不充分，既影響煤氣質量，又會造成下段煤氣焦油含量增加【5】。兩段式干餾煤氣發生爐在加煤方面與兩段式煤氣發生爐相同，保留了兩段式煤氣發生爐在料層控制方面簡單、容易操作的優勢，同時與兩段式煤氣發生爐相比，由于取消了下段煤氣出口，還原層所生產的煤氣全部上行對煤進行低溫干餾熱解后導出爐外，所以不需要對煤氣進行流量比例的調節，大大降低了煤氣發生爐的操作和維護的復雜程度。
4. 結論
綜上對三種煤氣發生爐爐型的結構及造氣過程進行對比和分析，與一段式煤氣發生爐和兩段式煤氣發生爐相比，兩段式干餾煤氣發生爐在煤氣熱值、副產焦油的質量、炭資源的節約利用和設備操作與維護等方面存在諸多優勢，而且兩段式干餾煤氣發生爐特別適合于氣化水分高、揮發高和灰分高的煙煤或褐煤。
參考文獻：
[1] 唐山科源環保技術裝備有限公司，帶干餾段的單出口煤氣發生爐［P］，中國：200520024406.X，2006年8月
[2] 苑衛軍，常壓固定床帶干餾段煤氣發生爐研究（碩士學位論文）［D］，北京：清華大學，2004
[3] 降文萍，煤熱解動力學及揮發分析出規律研究（碩士學位論文）［D］山西：太原理工大學，2004
[4] 崔銀萍；秦玲麗；杜鵑，煤熱解產物的組成及影響因素分析［J］，煤化工，2007，29（2）：10-15
[5] 苑衛軍；李建勝；秦利生，兩段式煤氣發生爐上下段煤氣比例調節影響因素分析［J］，玻璃，2010，37（1）：14-18
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