中小型钢铁企业煤气化过程分析及优化.doc

中小型钢铁企业煤气化过程分析及优化 田 红， 蔡九菊 东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳110004 摘 要以中小型钢铁企业应用最广的混合发生炉为载体，研究了煤的物化性质和气化炉的操作参数对煤气化指标的影响，其中煤质量、料层高度、气化温度、通入的蒸汽量、空气量及空气温度等因素对煤气化指标的影响尤为显著。从提高入炉煤质量、优化气化操作参数和推广高效工艺等方面，提出了实现煤高效气化的具体措施，对实现中小型钢铁企业的高效煤气化有重要意义。 关键词混合发生炉；煤的物化性质；操作参数；气化指标；煤高效气化 钢铁企业是耗能大户，能源费用占钢铁生产成本的1/3左右，燃料成本是能源费用的重要组成部分。大型钢铁联合企业由于采用了以煤气化为核心的多联产能源系统等先进技术，煤气资源相对丰富，缓解了因燃油价格上涨所带来的燃料成本增加的问题。但是，对于焦炉煤气等高热值煤气相对不足的中小型钢铁企业而言，燃油价格的上涨会显著增加燃料成本，故寻找一种相对廉价可行的替代燃料势在必行。 煤炭是中国分布最广且较为丰富的一次能源，约占国内矿物能源资源的90％，可稳定可靠地获得，价格亦相对稳定。但直接烧煤不仅能耗高、热效率低，还带来一系列的环境问题。发生炉煤气化以其工艺成熟、设备投资少、结构简单和便于操作等优点成为中小型钢铁企业制取工业燃气的首选。研究发生炉煤气的高效气化是实现中小型钢铁企业“能源消耗少，环境污染小”发展道路的重要措施。 l 混合发生炉的气化过程 本文以应用最广泛的常压固定床混合煤气发生炉为载体，进行中小型钢铁企业煤高效气化的研究。该炉主要采用弱粘结性烟煤、无烟煤或焦炭等块煤为气化原料，以空气和蒸汽的混合物为气化剂，炉内的煤料与气化剂通常为逆流接触，煤料在气化炉内从上到下大致分为空层、干燥层、干馏层、气化层、燃烧层及灰层图1。煤经干燥层干燥后，在于馏层释放出水分、焦油、半焦和干馏煤气。半焦在气化层主要发生式1和式2的吸热反应而产生可燃气体一氧化碳和氢气，其热量由在燃烧层发生的式5反应提供。在灰层不发生化学反应，气化剂仅与灰渣进行热交换。 图1 逆流式煤气发生炉构造和料层划分示意 气化炉内主要发生下列化学反应 CCO22CO 1 CH20COH2 2 C2H2CH4 3 COH20C02H2 4 λC02λ－1CO2－λC02 5 2 影响混合发生炉气化指标的因素 混合发生炉主要的气化指标有煤气热值、煤气产率、气化效率、热效率等。影响气化指标的因素主要有煤的物化性质、气化炉的结构参数和操作参数。当炉型已定时，煤的物化性质和气化炉的操作参数即成为影响气化指标的主要因素。 2.1 煤的物化性质对气化指标的影响 煤的物化性质主要包括煤的挥发分、水分、灰分、固定碳、灰熔融性、抗碎强度、热稳定性、颗粒度等。 煤的挥发分在干馏层逸出，产生焦油及可燃气体甲烷CH4、CmHn等。从煤的挥发分逸出的甲烷量很少，且有相当一部分甲烷再次聚合生成焦油，所以挥发分的高低对最终煤气中的甲烷量和煤气热值影响不大。另外，煤的挥发分越高，转变为焦油的煤就越多，转变为煤气的煤就越少。对于使用冷净煤气的用户而言，焦油在冷却过程中被除去，煤气热值和产率就会下降，因此应尽量采用低挥发分的煤气化，以获得较高的煤气热值和产率。 固定碳是煤中的可燃成分。煤中的惰性成分灰分、水分越低，固定碳和煤气产率就越高。煤中固定碳主要支出①与气化剂反应转化为煤气；②在炉渣中被排出；③被煤气带出物带出。碳在后2项中损失越少，转化成煤气的碳就越多，煤气产率亦就越高。采用灰分低和灰熔融性高的煤气化有利于减少灰渣中的碳量。抗碎强度低的煤在工艺操作过程中易碎，不仅影响料层的透气性而不利于气化，且会降低煤炭的利用率，增多带出物。热稳定性差的煤在气化中易爆裂产生大量煤末，不仅不利于气化，还会增加带出物中碳量。所以，气化用煤应有较高的固定碳和灰熔融性，较低的灰分，且具有一定的抗碎强度和热稳定性。 煤炭粒度对气化过程有直接影响。粒度越小，气化剂与煤的接触面积越大，气化速度亦越快，有利于气化。但煤颗粒过小会降低发生炉的透气性，阻力增大，使炉底压力增大易造成炉子穿火和偏炉，降低反应生成物流速，增加带出物中的碳损失。粒度过大虽有利于生产、减小了带出物，但会导致气化反应不完全，降低气化效率，增加灰渣的碳量。此外，粒度相差悬殊会造成反应料层局部气流短路或偏流，使煤气热值下降，炉渣的碳量升高。所以，煤炭的粒度应控制在一定的范围内，且大小有一定的比例。 2.2 气化炉操作参数对气化指标的影响 2.2.1 气化温度的影响 气化温度对煤气热值和气化效率有重要影响。发生炉煤气中的有效成分一氧化碳和氢气主要是通过式1和式2的吸热反应产生，反应速度较慢且为可逆反应，在气化炉的操作温度下受化学反应动力学控制。提高反应温度，反应平衡常数增大，反应向正方向移动，正反应速度加快，产生的一氧化碳和氢气增多，煤气热值升高。根据以上反应特性，气化温度越高，煤气热值越大，越有利于气化过程。 实际如图2所示。在开始的一段时间内，随气化温度f的升高，式1和式2反应吸收的热量Qx也随之增大，反应加强，产生的一氧化碳和氢气增多，煤气热值和热效率升高；但当t值升高到tm值时，热效率达最高值；此时再提高t值则Qm值增加缓慢，煤气热值和热效率下降。这是因为当t值较低时，式5反应较缓慢，放出的反应热不能满足式1和式2反应的需要，气化进行得不完全，煤气热值和热效率都不高。随t值的增加，式1和式2反应加强，使煤气热值和热效率提高。当t值增加到tm时，式5反应放出的热量能充分满足式1和式2反应的需要，绝大部分热量被吸收，只有一小部分热量以炉壁散热、出炉煤气物理热等方式损失掉。此时，煤气热值和产率较高，热效率达到最大值。当t值进一步升高时，式5反应进行得过快，放出热量过多，而式1和式2反应由反应动力学控制，反应速度较慢，过量的热量来不及被充分利用就随气流以出炉煤气物理热的方式白白损失掉，此时煤气产量较大，但式5反应产生了过量的二氧化碳导致煤气热值下降，气化热效率降低。所以，气化温度有工作的“经济点”tm。，气化炉在tm附近工作时有较高的煤气热值和热效率。 2.2.2 蒸汽的影响 图2 气化特性随气化温度变化示意 调节入炉的蒸汽量意在控制炉内的气化温度。加入炉内的蒸汽越多，式2反应吸热就越多，气化温度就会降低，进而影响炉内的化学反应，使气化进行得不完全，煤气热值就低；反之，加入炉内的蒸汽过少，气化温度就会升高，甚至超过煤的灰熔点而造成结渣，不但恶化炉内状况，且会降低煤气热值。 2.2.3 空气的影响 空气的影响包括①空气消耗量对气化指标的影响。通入的空气过多会增加煤气中的氮气和未反应完的氧气，提高碳和一氧化碳的氧化程度，进而使二氧化碳增多，煤气热值降低。通入的空气过少则煤不能完全气化，又会增多炉渣的残碳量，降低气化效率和煤气热值。②空气温度对气化指标的影响。国家计委能源研究所曾做过预热空气温度进行煤炭高温气化的实验，结果见表1。实验结果表明，提高预热空气温度可减少空气的消耗量，降低煤气中氮气，提高煤气热值和气化强度。这是由于高温空气带人气化炉内的物理热替代了部分原来由煤燃烧产生的热量来完成气化反应所致。这样，就减少了用于燃烧的煤，相应增加了用于气化的煤。燃烧的煤少则通人的空气量就少，减少了由空气带入煤气的氮气，提高了煤气中可燃成分比例和煤气热值。③空气中氮气对气化指标的影响。在气化过程中氮气作为惰性成分不参与反应，降低煤气中氮气可提高煤气热值。经计算，煤气中每降低1个百分点的氮气，能提高煤气热值40～50 kJ/m3，在理想气化指标中煤气的ψN2仅为37.6％，降低潜力很大。 表1 提高气化剂温度对气化指标的影响 气化方式 热值 kJ/m3 煤气组成/％ H2/N2 气化强度 m3/hm2 ψ（CO） ψ（H2） ψ（CO2） ψ（N2） 常温 5315.0 24.98 10.45 6.60 53.21 0.7 945 高温 8991.5 28.22 38.99 7.40 17.53 3.3 2868 2.2.4 料层高度的影响 在气化过程中须保持一定高度和适当温度的料层，以实现煤的正常气化。料层过低会导致干燥层过薄，炉出煤气温度过高；气化层过薄则气化不完全，降低煤气质量和煤的利用率；灰层过低易烧坏炉排。增加料层高度可延长式1和式2反应时间，使产生的一氧化碳和氢气增多，煤气热值提高；同时，使气一固进行充分的热交换，降低炉出煤气温度，提高煤气质量。料层高度越高，碳的带出量就越少，可提高煤的利用率；但同时会造成气化反应的不均匀，使炉况恶化、操作困难、煤气质量下降、煤气热值降低，其影响弊大于利。 3 实现煤高效气化的措施 明确各因素对气化指标的影响，对于实现煤的高效气化、制定相应的措施有指导意义。 3.1 提高入炉煤质量 优质的煤是实现煤高效气化的前提条件。尽量保证加入的煤具有较低的挥发分和灰分、较高的固定碳和灰熔融性，且具有一定的抗碎强度和热稳定性。但考虑到经济等各方面的因素，应尽量就近选择气化用煤。每种可用于气化的煤都有其长处和短处，应根据具体煤种而采取相应的措施，找到适合于这种煤的生产操作参数。如灰分高和灰熔融性低的煤在气化温度较高时易发生煤结渣现象，此时选择的饱和温度就要高于灰分和灰熔融性适中的煤，以降低气化温度；水分高的煤带入的水分发生分解反应更易降低炉温，此时选择的饱和温度就要低于水分适中的煤以提高炉温。 要严格筛分人炉煤，使煤块粒度适中均匀。为减少煤的损失，可分级气化，分为10～25mm、25～40mm两种粒度，分炉或分阶段气化。 3.2 优化气化操作参数 根据具体煤种等因素确定加入蒸汽的最佳范围，进而确定饱和温度，将其控制在1℃内，使气化温度尽量靠近tm。一般1kg固定碳消耗的蒸汽为0.4～0.6 kg，饱和温度为50～65℃。生产负荷变化时，要采用“加风加汽，减风减汽”原则，提高或降低饱和温度。煤灰分和煤末较多时易气化不均而导致结渣。为此，需采用比常规生产条件下高的饱和温度以降低气化温度。 通入的空气量由加煤量和煤种等因素决定，也有最佳范围，一般通过调节鼓风速度来控制。应及时根据生产条件的变化来调整空气通人量。可通过富氧气化或提高空气温度来降低煤气中氮气。但富氧气化一次性投入较大且运行成本高，中小型企业不宜采用。 一般，通过调节灰层和空层高度来控制适当高度和相对稳定的．料层，即由加煤和出灰来调节。为保持料层的相对稳定，应勤出少出灰、少加勤加煤。当灰层过厚、流量增加或煤灰分较高时应加大出灰量，反之亦然；当炉出温度较高或流量增加时应多加煤，反之少加煤；当发生偏运行时应通过局部加煤来调节。 3.3 推广高效工艺 3.3.1 提高空气温度 研究表明，提高气化剂温度可减少空气消耗量，降低煤气中氮气，提高煤气热值、煤的转化效率、气化效率和气化强度。但由于没有经济的高温热源，使得其研究一直停滞不前。1999年，经济、紧凑、高效的陶瓷球蓄热体的成功开发，显著降低了高温空气的生产成本，使高温空气气化技术赢得了发展的契机。中小型钢铁企业可充分利用陶瓷球蓄热体换热器预热空气，实现高温空气气化，具体工作流程见图3。 陶瓷球蓄热式换热器将空气预热到1000℃以上，部分作为加热炉的助燃空气，部分为煤气发生炉提供高温气化空气，实现煤的高温空气气化。由于高温空气温度高于灰渣温度，为避免高温空气向灰渣传热，高温空气由燃烧层和灰渣层之间进入气化炉，而蒸汽由气化炉底部进入气化炉，以充分利用灰渣物理热。 图3 高温空气气化和热煤气燃烧工艺流程 3.3.2 使用热脏煤气 从气化炉直接出来的煤气是热脏煤气，经冷却除尘后成为冷净煤气。与冷净煤气相比，热脏煤气含一定比例的焦油和煤气物理热。一般，在标准状态下焦油含量为0～60g/m3，低位热值约为35000kJ/kg，各化学物组分的沸点介于200～370℃。热脏煤气出口温度为450～550℃，直接送往加热炉内燃烧时，焦油可随煤气一起参与燃烧，且能充分利用煤气本身的物理热，热效率高，一次性投资少，不需增设煤气净化冷却装置，不会产生废水、废渣，有利于环保。其具体工作流程见图4。 图4 热煤气直接燃烧工艺流程 发生炉煤气以其较好的经济效益和环保效益成为中小型钢铁企业首选的替代燃料，并得到广泛应用。冷净煤气用于蓄热式加热炉已有很多成功的实例，如太钢三轧、江西洪都钢厂、大冶特钢等。热脏煤气也为越来越多的中小型钢铁企业所接受应用，如太原钢铁公司630加热炉、江西新钢特钢公司轧钢加热炉等都燃烧热脏煤气。 4 结论 1煤的物化性质和气化炉的操作参数对气化指标有较大影响，其中煤的质量、料层高度、通入的蒸汽和空气量及空气温度等对其影响尤为显著。 2在提高入炉煤质量方面，应就近选煤，严格控制煤块粒度，根据具体煤种采取适合的生产操作参数；在优化气化操作参数方面，应使气化温度尽量靠近“经济点”tm，保持适当高度和相对稳定的料层，控制最佳的蒸汽和空气消耗量，尽可能提高空气温度。 3发生炉煤气以其较好的经济效益和环保效益成为中小型钢铁企业首选的替代燃料，得到广泛应用。积极推广高温空气气化和热脏煤气直接燃烧工艺，对降低企业的燃料成本、提高企业的竞争力具有非常重要的意义。 参考文献 [1]王清成，罗永浩．钢铁工业的节能新技术[J]．工业加热，2006，112，6 [2]俞珠峰，陈贵峰，泰俊杰，等．我国洁净煤技术发展及其影响因素浅谈[J]．中国煤炭，2000，26128-10，63 [3]乔庆基，胡海军．煤气发生炉气化温度浅析[J]．玻璃，2000，27236-37． 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