系統(tǒng)思考實(shí)現(xiàn)造氣爐節(jié)能減排的極限—熱壁高效造氣爐的推廣原理(編輯修改稿)
2025-05-14 08:13 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 k時，既化學(xué)反應(yīng)能力與氧氣擴(kuò)散能力處在同一數(shù)量級的情況下，此時燃燒強(qiáng)化的實(shí)現(xiàn)與ｋ和αk兩者均有關(guān)，無論提高ｋ或者αK都可以收到強(qiáng)化燃燒的效果。在這種狀態(tài)下的燃燒稱為過渡燃燒。碳與氧及碳與蒸汽的反應(yīng)中都可一分為二的有兩種控制阻力：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制及擴(kuò)散控制。都可一分為三的分為三個過程：動力控制區(qū)、過渡控制區(qū)、擴(kuò)散控制區(qū)。適于固定床間歇造氣強(qiáng)化反應(yīng)的措施主要有：1） 原料的選擇及摻混，必須兼顧原料的活性及灰融點(diǎn)。2） 增加動力學(xué)反應(yīng)速率的措施主要有：添加催化劑及提溫。3） 增加擴(kuò)散反應(yīng)速率的措施主要有：適宜的顆粒直徑及合適氣速的增加。對于碳與氧氣的反應(yīng)，一般認(rèn)為先生成CO2，然后CO2再與碳反應(yīng)生成CO。T 775℃時，屬動力學(xué)控制區(qū)，T 900℃ 時，屬擴(kuò)散控制區(qū)。775℃ T 900℃ 時，屬過渡控制區(qū)。對于碳與水蒸汽的反應(yīng)生成CO和H2，400℃ T 1000℃時，屬動力學(xué)控制區(qū)；T 1100℃時，屬擴(kuò)散控制區(qū)，兩者之間屬于過渡控制區(qū)。對于碳與二氧化碳的反應(yīng)還原反應(yīng)在2000℃ 以下，屬于動力學(xué)控制，反應(yīng)速率大致為CO2的一級反應(yīng)。一般可這樣認(rèn)為，碳的兩種氣化反應(yīng)在溫度低于1250K時，反應(yīng)速度對溫度是敏感的，可認(rèn)為是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素起主要控制作用。另外，各種含碳原料的活性不同，上述控制區(qū)溫度數(shù)據(jù)也就有所差別。根據(jù)對無煙煤的燃燒速度測定得知，無煙煤在600～800℃時才能開始緩慢著火，但是燃燒速度很慢，隨著溫度的上升燃燒速度加快。煤的著火是燃燼的前提，煤粒著火后加速了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制到擴(kuò)散控制過程的轉(zhuǎn)換?？梢妼τ跉饣瘜訁^(qū)域溫度，最低要求是在大于無煙煤的燃點(diǎn)以上，以使煤粒著火后加速化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制到擴(kuò)散控制過程的轉(zhuǎn)換。至少要求應(yīng)盡快控制處于1100℃以上，使蒸汽和碳的氣化反應(yīng)處于擴(kuò)散控制之下；為了使水蒸汽氣化不致因爐溫的降低而效率大幅度降低，最好至少應(yīng)要求在吹風(fēng)階段控制處于1200℃以上；為了氣固反應(yīng)的均勻及強(qiáng)化，一般要求最好操作在灰熔點(diǎn)T1和T2之間，防止進(jìn)入T3點(diǎn)。使空氣、蒸汽和碳的兩種氣化反應(yīng)均處于擴(kuò)散控制之下，以達(dá)到高效燃燒貯熱高效蒸汽氣化。氣化劑在原料煤中濃度分布的不均勻性，導(dǎo)致原料煤氣化時的溫度不一致，部分原料煤煤塊不能充分燃燒及氣化，造成造氣爐氣固反應(yīng)效率低，部分原料煤容易燃燒過火很易結(jié)疤掛爐，給穩(wěn)定操作帶來了難度。 目前用于生產(chǎn)甲醇、合成氨的水煤氣、半水煤氣固定床煤氣發(fā)生爐，其氣固反應(yīng)效率不很高，主要表現(xiàn)在：水夾套的水冷壁效應(yīng)導(dǎo)致爐渣里單塊小返焦中殘?zhí)几撸辉厦旱幕钚圆桓咴斐蔂t渣里成型渣塊中的殘?zhí)几?、氣化?qiáng)度低；煤氣發(fā)生爐上行煤氣出口處于爐體的側(cè)面或爐頂?shù)膫?cè)面，這樣導(dǎo)致爐內(nèi)氣化劑在流通過程中分布不均勻，在吹風(fēng)或制氣過程中，爐內(nèi)部分碳層不能有效發(fā)揮作用，造成氣化效率的降低。目前煤氣發(fā)生爐內(nèi)干燥層、干餾層部分或全部處在水夾套筒中，氣化層、灰渣層全部處在水夾套筒中。水夾套的目的，一是降低爐壁處碳渣層的溫度，防止高溫結(jié)渣掛爐，二是保護(hù)爐下灰盤等設(shè)備不受高溫?fù)p壞，三是回收熱量副產(chǎn)蒸汽供煤氣發(fā)生爐制氣使用?！?，飽和蒸汽溫度120～135℃。固定床煤氣發(fā)生爐采用的制氣原料一般為無煙煤或無煙煤制成的型煤。從前述的原理可形成共識，水夾套周圍的冷壁因溫度降低導(dǎo)致其周圍原料煤的活性降低，燒腐值酸煤球比燒無煙煤影響小，活性越差的煤影響越大。所以，煤氣發(fā)生爐靠近水夾套地方有部分的碳渣層遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于著火溫度，經(jīng)實(shí)際測試由于水循環(huán)冷卻效應(yīng)導(dǎo)致水夾套內(nèi)周圍80mm環(huán)區(qū)處內(nèi)部的原料煤層溫度過低，不能很好的燃燒貯熱及氣化。水夾套冷壁效應(yīng)直接導(dǎo)致了爐渣中單塊小返焦的產(chǎn)生。在制氣階段，由于此區(qū)溫度低，水蒸汽不能很好地氣化，加上氣流本身存在的趨壁效應(yīng)，導(dǎo)致此區(qū)的蒸汽分解率非常低，這也是目前造氣爐蒸汽分解率在40～60%的主要原因。在吹風(fēng)時空氣中的氧氣在此環(huán)區(qū)中不能較好地和碳反應(yīng)，導(dǎo)致吹風(fēng)氣中氧含量較高，進(jìn)而影響到水煤氣或半水煤氣中的氧含量較高，使變換反應(yīng)蒸汽消耗增加。應(yīng)該說明的是水夾套冷壁環(huán)區(qū)溫度是呈梯級的，靠壁面的地方溫度降低最多。隨著碳層的旋轉(zhuǎn)，水夾套冷壁環(huán)區(qū)不是靜態(tài)的、環(huán)區(qū)內(nèi)的碳粒表面也不是靜態(tài)的。環(huán)區(qū)還受到周圍碳?；鹧娴妮椛洌档土怂浔诘挠绊?，環(huán)區(qū)自身的碳粒表面也能在部分時間內(nèi)進(jìn)入擴(kuò)散控制，只是時間較短。從統(tǒng)計學(xué)上講，水夾套的水冷壁效應(yīng)導(dǎo)致其碳粒內(nèi)大部分處于化學(xué)動力學(xué)控制范圍。解決水夾套冷壁效應(yīng)的方法，最早有的研究單位認(rèn)為，此區(qū)碳粒不能完全燃燒主要因為缺少空氣，于是采用增大爐柵底層布風(fēng)通道、在灰倉中進(jìn)行二次布風(fēng)的措施，結(jié)果適得其反，造成爐渣殘?zhí)剂糠炊仙?。主要原因我們前面原理中已分析過，此區(qū)因溫度過低處于化學(xué)動力學(xué)控制范圍，采取的措施只能提溫加催化劑才能減少低溫影響。提溫至少應(yīng)保證原料煤的燃點(diǎn)以上，無煙煤保證在600～800℃，最好同氣化層溫度一致工作在擴(kuò)散控制之下(1250K以上)。有的研究單位采用提高夾套內(nèi)的蒸汽壓力來提高夾套內(nèi)壁的溫度，但由于蒸汽壓力不可能提得很高，℃，℃，℃，℃?？梢娬羝釡睾苡邢蓿朔浔谛?yīng)的作用也就不很明顯。有的研究單位采用夾套內(nèi)用導(dǎo)熱油來控制提溫，由于導(dǎo)熱油的使用溫度一般不能超過350℃，好的有機(jī)載熱體使用溫度僅限于400℃以下，所以克服夾套水冷壁效應(yīng)的作用也不明顯，并且長期運(yùn)行控制不好導(dǎo)熱油容易結(jié)焦和分解，操作不好甚至出現(xiàn)夾套鼓包著火爆炸等安全事故。有的單位擬對夾套內(nèi)采用熔鹽來控制提溫，熔鹽是由硝酸鉀、亞硝酸鈉及硝酸鈉的混合物，工作溫度350～530℃。由于熔鹽的熔點(diǎn)142℃以上，所以熔鹽的啟動相當(dāng)麻煩，開停車循環(huán)不好的情況下，很易燒壞夾套。以上幾種方法，都能或多或少減輕水夾套冷壁效應(yīng)，但都不能徹底消除其低溫影響，主要因為其提溫很有限，不能保證到無煙煤的燃點(diǎn)600～
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