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摘要：從煤氣發生爐的結構及造氣過程著手，對兩段干餾式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，兩段干餾式煤氣發生爐都優于一段爐和兩段爐，干餾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：煤氣發生爐，一段式煤氣發生爐；兩段式煤氣發生爐；兩段干餾式煤氣發生爐；煤氣質量和產量；焦油回收；資源節約利用；設備操作維護；清潔型煤氣發生爐；環保型煤氣發生爐；新型煤氣發生爐
Advantage Analysis Comparing Pyrolysis Coal Gasifier with Other Coal Gasifiers
Yuan Weijun Li Jiansheng
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd, Hebei Tangshan 063020 )
Abstract: In terms of the inner structure and gas producing process, a contrastive analysis between pyrolysis coal gasifier and single-stage and double-stage coal gasifier has been made to show the pyrolysis coal gasifier is superior to be used in the respect of coal gas quality and output, tar recycling, resource conservation, the operation maintenance of the equipment, etc. The pyrolysis coal gasifier is particularly suitable to be used for gasifying the bituminous coal with high water content, high volatile matter and high ash content.
Keywords: Single-stage coal gasifier; Double-stage coal gasifier; Pyrolysis coal gasifier; Coal gas quality and output; Tar recycling; Resource conservation; Equipment operation maintenance
0. 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震蕩中上升，而中國煤炭資源相對豐富，其單位熱值價格相對較低，受國際能源價格的影響也較小，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。
對于擬選用發生爐煤氣的企業而言，發生爐爐型的選擇至關重要，如果選擇不當，可能造成不必要的投資損失，或者雖然投資較少，但不能適應生產要求而造成更大的損失。本文就干餾式煤氣發生爐與一段式煤氣發生爐和兩段式煤氣發生爐，從煤氣發生爐的結構及造氣過程著手，就三種爐型在煤氣的產量和質量、焦油回收、資源的節約利用、設備的操作維護等方面等幾個方面進行了對比與分析，旨在幫助企業在選用煤氣發生爐時做到心中有數，少走彎路。
1. 煤氣發生爐的結構及造氣過程分析
1.1 一段式煤氣發生爐
圖1 一段式煤氣發生爐示意圖
一段式煤氣發生爐參見圖1，利用提煤機將煤加入加煤機，通過加煤機將煤加入煤氣發生爐爐膛內；將蒸汽及空氣作為氣化劑鼓入爐底進風箱進入爐內，在發生爐內煤與氣化劑在高溫條件下發生“氧化－還原”反應，產生合格煤氣，發生爐內由下向上分別為灰層、氧化層、還原層、干餾層和干燥層，其最上部為1.5-2m的空層，該層沒有煤料，由此可見一段式煤氣發生爐的干餾層和干燥層非常薄，不利于煤的干餾和干燥。
1.2 兩段式煤氣發生爐
圖2 兩段式煤氣發生爐示意圖
（1）煤氣發生爐內固態物質行程
通過加煤機將儲煤倉中的煤分批次注入煤氣發生爐內（兩段式煤氣發生爐為滿料層操作，不存在一段爐的空層），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（約需8-10小時煤料到達反應層），在此經歷干燥及低溫干餾過程。首先煤炭中的水分被干燥出來，隨著煤炭的不斷下移，溫度進一步升高，干餾出焦油和干餾煤氣。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。
（2）煤氣發生爐內氣態物質行程
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。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。
1.3 兩段干餾式煤氣發生爐
圖3 干餾式煤氣發生爐示意圖
兩段干餾式煤氣發生爐參見圖3，利用提升機構將煤加入儲煤倉，操作液壓自動加煤機將煤分批注入煤氣發生爐（兩段式煤氣發生爐為滿料層操作，不存在一段爐的空層）。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（約需8-10小時煤料到達反應層），在此經歷干燥、干餾過程。首先煤炭中的水份被干燥出來，隨著煤炭的不斷下移，溫度進一步升高，焦油及大部分硫化物也被干餾出來，形成碳氫化合物和輕質焦油被煤氣攜出爐外。
同時，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性質的煤發生氧化還原反應，形成以一氧化碳和氫氣為主要成分的煤氣。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，進行上面敘述的干餾、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。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。
2. 兩段干餾式煤氣發生爐的優勢分析
2.1 煤氣與焦油
（1）煤氣熱值與產量
三種煤氣發生爐在以煙煤為氣化煤種時，產氣量、煤氣熱值略有差異，其對比結果參見表1。
表1 發生爐煤氣熱值及產量對比分析
分項 | 一段煤氣 | 兩段煤氣 | 兩段干餾爐煤氣 |
煤氣熱值 | ≥5643KJ/Nm3 | ≥6061KJ/Nm3 | ≥6479KJ/Nm3 |
煤氣產量（比例值） | 1 | 1.05-1.1 | 1.1-1.15 |
（2）焦油質量與回收
一段式煤氣發生爐，由于干餾層較薄，煤被加入爐膛后經過較短的時間進入高溫區，在高溫爐膛里迅速受熱，固化、裂解產生高溫裂解焦油，該焦油粘稠度高、流動性差，易于和煤塵混合而堵塞管道，該焦油可應用性較差，該焦油燃燒容易產生致癌物質，回收應用價值不高。
兩段式煤氣發生爐，由于增加了一個適當高度及結構的干餾段，氣化段所產生的高溫煤氣一部分通過干餾段，使其中的煤被徐徐加熱，進行低溫干餾，所產生的低溫干餾焦油不會發生裂解，焦油粘度低，流動性好，再經過電捕焦油器捕除煤氣中的低溫干餾焦油，該焦油應用性較好，但對于兩段式煤氣發生爐而言，需要根據煤中所含的水分和揮發分的情況，調整煤氣上行和下行的比例，以便提供足夠的熱量保證煤炭在干餾段中得到充分干餾，否則下段煤氣中便會產生同一段式煤氣發生爐一樣的質量較差的焦油，該部分焦油和煤粉混合容易堵塞煤氣管道和凈化設備。
兩段干餾式煤氣發生爐，其干餾段高度與兩段式煤氣發生爐相同，與兩段式煤氣發生爐不同的是，其氣化段所產生的煤氣全部通過干餾段，它向煤料提供的干餾熱量約為兩段爐的兩倍，所以干餾效率和煤炭的干餾均勻度均得以有效提高，使煤炭干餾更為徹底，這部分焦油為低溫干餾焦油，焦油粘度低，流動性好，具有較好的可應用性。
2.2 煤炭資源節約
一段式煤氣發生爐操作時，空層高、料層薄，加煤、插釬和煤料熱爆產生大量煤粉，被煤氣攜出，從而造成資源浪費。兩段式煤氣發生爐在插釬操作、煤料熱爆時，其下段煤氣仍有許多飛灰攜出，但和一段爐比較煤粉攜出量要少許多，但煤炭資源的浪費同樣嚴重。
兩段干餾式煤氣發生爐在煤氣減少攜灰方面大大優于一段爐和兩段爐，在氣化段煤料熱爆產生的煤塵和探火打釬時攪起的煤塵，隨煤氣進入干餾段，經過厚厚的料層過濾后，基本全部沉積下來，到氣化段后又重新進行氧化還原反應，煤炭資源利用較為充分。
2.3 適于氣化揮發分較高且灰分含量較高的煤
如果氣化用煤的揮發分含量較高，則干餾該煤所需要的熱量較多，即必須有大量的高溫煤氣通過干餾段，而且干餾時間（高溫煤氣與需要干餾的煤炭接觸時間）必須足夠長，為煤炭干餾提供熱量，才能保證該煤干餾徹底。而灰分含量較高的煤，一般固定碳含量較少，對于同樣直徑的煤氣發生爐，氣化灰分含量較高的煤，其氣化段內單位時間產生的煤氣量較少。如果采用一段爐氣化該種煤，由于一段爐干餾段較薄、干餾時間較短，無法保證煤炭的充分干餾；如果采用兩段爐氣化該煤，氣化段產生的煤氣一部分從下段引出形成下段煤氣，從而減少了用于干餾煤炭的上行煤氣量，造成干餾段內煤炭干餾不徹底；采用干餾式煤氣發生爐氣化該煤，氣化段產生的高溫煤氣全部上行進入干餾段，而且發生爐干餾段較高，這樣既保證了用于煤炭干餾的高溫煤氣量，又保證了煤炭的干餾時間，所以兩段干餾式煤氣發生爐最適于氣化揮發分較高且灰分較高的煤。
2.4 煤氣發生爐的操作與維護
一段式煤氣發生爐由于設備少，控制點少，但需要控制適當高度的空層和相對水平的料層，對發生爐的加煤和布煤要求較為嚴格。
兩段式煤氣發生爐為滿料層自動操作，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揮發份含量、內在及外在水的含量及煤氣產量的不同，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不充分，既影響煤氣質量，又會造成下段煤氣焦油含量增加。
兩段干餾式煤氣發生爐既保留了兩段爐在料層控制方面簡單的優勢，同時由于氣化段所生產的煤氣全部上行由于干餾煤炭，所以不需要對煤氣進行流量比例的調節，大大降低了煤氣爐的操作和維護的復雜程度。
3. 結語
綜合以上分析，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，兩段干餾式煤氣發生爐都優于一段爐和兩段爐，干餾爐特別適合于氣化含水分、揮發分和灰分較高的煙煤。
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