【正文】 1987年建成投產(chǎn)的天脊煤化工集團公司 (原山西化肥廠 )從德國引進的 4臺直徑 3800mm的 Ⅳ 型魯奇爐．用貧瘦煤代替褐煤來生產(chǎn)合成氨 (魯奇爐主要用于以褐煤為原料生產(chǎn)城市煤氣 )，先后用陽泉煤、晉城煤。 后來人們進行了加壓氣化技術(shù)的研究，并在 1939年由德國的魯奇公司設(shè)計的第一代工業(yè)生產(chǎn)裝置建成投產(chǎn)，后來又不斷地對氣化爐的結(jié)構(gòu)、氣化壓力、氣化的煤種進行研究，相繼推出了第二代、第三代、第四代爐型。某物流的焓流量等于該物流的流量與該物流各組分的摩爾焓及摩爾分數(shù)之積。進人體系的各焓流量之和等于排出體系的各熱流之和再加上體系內(nèi)累積的熱流。熱量衡算的依據(jù)是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，常用的平衡關(guān)聯(lián)式有下面兩種。進行物料衡算的方法是找出各種物料的平衡關(guān)聯(lián)，列出物料平衡方程．然后進行計算。這是對發(fā)生爐進行物料、熱量衡算的基本依據(jù)。 一般地，吹風(fēng)階段的時間以能提供制氣所必需的熱量為限，其長短主要由燃料的灰熔點和空氣流速而定，上下吹時間的分配主要考慮氣化區(qū)要維持穩(wěn)定、煤氣質(zhì)量好和熱能的合理利用為原則；二次上吹和空氣吹凈時間的長短，應(yīng)保證煤氣發(fā)生爐上下部空間的煤氣被排凈，在下一個工作循環(huán)時，不致引起爆炸。 問歇制氣的一個工作循環(huán)時間一般為 ～ 3min。另一方面，高料層的阻力大，氣體輸送的動力消耗相應(yīng)增大。 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 （ 5）料層高度 料層高度對制氣和吹風(fēng)過程的影響相反。上吹時間不宜太長，相應(yīng)水蒸氣用量不宜太大。 蒸汽一次上吹時，爐溫高，所產(chǎn)的煤氣質(zhì)量好，產(chǎn)量大。 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 （ 4）水蒸氣用量 水蒸氣用量是提高煤氣產(chǎn)量，調(diào)節(jié)氣體成分的重要指標。但風(fēng)速過大，將導(dǎo)致吹出物的增加，燃料損失加大，嚴重時，甚至出現(xiàn)風(fēng)洞或吹翻，造成氣化條件惡化。 發(fā)生爐的氣化強度一般在 500～ 600kg／（ m2 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 （ 3）氣流速度 吹空氣過程的氣流速度應(yīng)盡量大，這樣，有利于碳的燃燒反應(yīng)，可以縮短吹風(fēng)時問。 ?兩個過程的總效率為所得水煤氣的熱值與兩個過程所消耗燃料的總熱量之比 ， 即： ? 制氣總效率在 800～ 850℃ 時最高 ， 但氣化強度太低 ， 綜合考慮各種因素 ， 一般在 1000～1200℃ 之間比較適宜 。 ?燃料層溫度對吹風(fēng)和制氣兩個過程的影響是不同的，因此，燃料層的溫度一般控制在 1000～ 1200℃ 之間。 然而，燃料層溫度的升高將使CO2還原成 CO的生成量加大。 生產(chǎn)中，可以選擇較高的空氣鼓風(fēng)速度，縮短吹風(fēng)時間，或者在吹風(fēng)階段加入二次空氣的量由小到大的變化，都可以降低 CO的生成量，提高 C02生成量，從而提高吹風(fēng)過程的熱效應(yīng)。 C時效率為 53％ ；吹風(fēng)氣中 CO2含量為 5％ 、溫度在 1200℃ 時效率為 18%；當(dāng)沒有 CO2溫度上升到 1700℃ 時 ， 效率降到零 ， 這時吹出氣中 CO的含量達到最大 ， 反應(yīng)放出的熱量全部用于吹風(fēng)氣的加熱 ， 不能再為制氣過程提供熱量了 。 （ 1）吹空氣過程的操作條件 吹空氣過程 原因 吹風(fēng)熱效率 控制 隨著吹風(fēng)氣中 CO2含量的下降 、 燃料層溫度的上升 ，吹風(fēng)效率下降 。 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 (六 )工藝參數(shù)的控制 –水煤氣發(fā)生爐 吹空氣過程 制氣效率 氣流速度 循環(huán)時間 水蒸氣用量 料層高度 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 吹風(fēng)過程的熱效率用料層蓄積的熱量與該過程所消耗的熱量之比來表示，即： Hc—— 原料的熱值， k1／ kg； GA—— 吹風(fēng)氣過程中的原料消耗量， kg。 （ 2）但由于氧化和還原反應(yīng)分開進行，因此燃料層溫度將隨空氣的加入而逐漸升高，而隨水蒸氣的加入又逐漸下降，呈周期性變化，生成煤氣的組成也成周期性變化。（ 1）以水蒸氣為氣化劑時，在氣化區(qū)進行碳和水蒸氣的反應(yīng)，不在區(qū)分氧化層和還原層。 在各類煤種中 ， 一般熱穩(wěn)定性差的褐煤和無煙煤 ， 帶出損失較大；燃料顆粒越細或細碎的部分越多 ，氣流的速度越大 ， 則灰渣殘?zhí)苛吭酱?。 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 (4)灰中殘?zhí)苛? 灰中殘?zhí)苛? 定義 控制 影響因素 在氣化過程中 ， 會有一部分可燃物被煤氣帶出爐外或隨爐渣排出爐外 。從圖 427可以看出，隨著水蒸氣消耗量的增加，水蒸氣的分解量是增加的，如曲線 1所示，然而，水蒸氣的分解率卻是下降的，如曲線 3所示。隨著蒸汽消耗量的增大，氣化爐內(nèi) CO十 H2OC02+H2的反應(yīng)增強，使得煤氣中的一氧化碳含量減少，氫氣和二氧化碳的含量增加。 一般地，氣化 lkg無煙煤約需水蒸氣 ～ ，氣化 lkg褐煤約需水蒸氣 ～，氣化 lkg煙煤約需水蒸氣 ～ 。 但過分增加蒸汽用量，煤氣的質(zhì)量有所下降。 料 層 高 度 定義 影響因素 控制 灰層 氧化層 干餾層 干燥層 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 (3)氣化劑的消耗量 氣化劑的消耗量 關(guān)系 作用 控制 影響因素 ?水蒸氣的消耗量 、 水蒸氣分解率 、 水蒸氣分解量 、 氣體熱值和氣體組成之間的關(guān)系如圖427所示 。 煤中的水分在進人干餾層之前必須除去 ，否則會影響于餾的正常進行 。 干餾層太低 ， 煤中部分揮發(fā)分來不及選出而被帶到還原層 ， 這會影響還原反應(yīng)的正常進行 。 ?對于氣化一些揮發(fā)分高的煤種 ， 如年輕煙煤或褐煤 ， 于餾層的高度就變得甚為重要 。 為使反應(yīng)完全 ， 氣化層要保持一定的高度 ， 適當(dāng)提高氣化溫度 。 ?氧化層高度一般較小 ， 是由于氧化反應(yīng)極快 。 ?灰層高度過低 ， 氣化劑的預(yù)熱效果不好 ， 又因氧化層接近爐箅 ， 可能使爐箅燒壞 ， 控制的方法是用排灰速度來調(diào)節(jié) 。 料層高度的大小，與煤氣發(fā)生爐的結(jié)構(gòu)型式、原料的粒度、原料中的水分含量、氣化強度等因素都有關(guān)系。反之，當(dāng)氣化原料煤灰熔點較高時，應(yīng)降低氣化劑的飽和溫度。 氣化原料煤的灰熔點主要是軟化溫度 T2，是煤炭氣化的重要指標。 氣化灰含量高的煤種時較易形成灰渣 (尚與灰造性質(zhì)有關(guān) )，此時，應(yīng)適當(dāng)提高氣化劑的飽和溫度，增加水蒸氣的含量，控制火層溫度低一些，以防止形成成渣的條件。 氣化劑的飽和溫度提高，則進人爐內(nèi)的氣化劑中水蒸氣盼音量增大、空氣的吉量減少； 氣化劑的飽和溫度降低，則其中水蒸氣的含量下降、空氣的含量增大。 ?氣化原料煤水分較大 ， 各層溫度相應(yīng)降低 ， 蒸汽分解率降低 ， 最后導(dǎo)致煤氣成分變差 。這時為防止結(jié)渣，宜適當(dāng)提高飽和溫度。這是因為影響爐內(nèi)反應(yīng)的因素較為復(fù)雜，氣化原料煤粒度的變化、氣化原料煤的水分含量、氣化原料煤的灰分以及灰熔點等都會引起爐內(nèi)正常工況的波動 原料煤的粒度越小，在氣化過程中移至火層中的熱焦粒也越小，因而反應(yīng)的表面積大，氣化反應(yīng)劇烈，反應(yīng)熱強度較大。 氣化劑的飽和溫度控制多少合適，宜在煤氣發(fā)生爐實際操作中調(diào)整確定。 另一方面，燒結(jié)的煤渣將燃料包住，影響反應(yīng)，使灰渣中的殘?zhí)苛吭龃蟆? 溫度太高，將帶來一系列不良后果，不僅增加了氣化爐向四周輻射的熱損失，也增大了出口煤氣的顯熱損失。 煤氣發(fā)生爐的溫度一般控制在 1000～ 1200℃ 左右。 氣化溫度的太小直接影響煤氣成分、煤氣熱值氣化效率和氣化強度。 管式電捕焦油器外加直流電壓約為 50～ 60kV，工作電流約 200～ 300mA，煤氣在沉降管內(nèi)的流速約 1 5m／ s，除塵、除焦油效率可達 99%左右。在每個放電極和接地的沉降極之問，建立一個高壓強電場。由于煤氣冷卻，水蒸氣冷凝，使得煤氣的實際體積大大減小相應(yīng)的煤氣管道直徑和后續(xù)處理系統(tǒng)的體積減少。 C左右，煤氣中的含水量也大大下降。塔內(nèi)含粉塵和焦油的廢水從塔底排出，煤氣經(jīng)過捕滴層從塔頂引起出。 水從塔頂油噴頭噴淋而下，在填料層表面形成一層薄膜，從塔底引入的煤氣由上而下在填料上與薄膜水進行熱交換 ,煤氣被充分冷卻，并使部分灰塵和焦油分離沉降。 冷卻介質(zhì)是水，采用煤和煤氣并流或逆流的方法，直接接觸，使高溫煤氣冷卻，煤氣中的粉塵、焦油和硫化氫等雜質(zhì)也被洗滌下來，同時，部分冷卻水吸收熱變成水蒸氣進入煤氣。然后煤氣由底座進入第二豎管自下而上流動，與第二豎管頂部噴淋而下的霧狀水逆流接觸，煤氣進一步冷卻除塵，從豎管頂部的煤氣出口導(dǎo)出煤氣在雙豎管冷卻后的溫度為 85～ 95℃ ，冷卻水溫度從 30℃ 左右升到 40～ 45℃ ，除塵效率約為 70％左右，除焦油效率約為 20％左右。兩個豎管頂部都有水噴頭，煤氣進口設(shè)在第一豎管的上部，煤氣出口設(shè)在第二豎管的上部。這種裝置適用于以煙煤、褐煤等煤種作氣化原料，因為氣化時產(chǎn)生的焦油量較大，因而需要專門的除焦油裝置即電捕焦油器。適用于以無煙煤和焦炭為原料的煤氣站，因其氣化時產(chǎn)生焦油量少，可不設(shè)專門的焦油回收裝置。熱煤氣流程簡單，從氣化爐出來的熱煤氣經(jīng)過旋風(fēng)除塵后即送給用戶，距離短，熱損失較小，可以使能量充分利用。目前，比較常見的工藝流程分為下述三種形式。 短循環(huán)：循環(huán)時間的長短，主要取決于燃料的化學(xué)活性，總的來講，燃料活性好，循環(huán)時間短；燃料活性差，則循環(huán)時間長。在穩(wěn)定炭層高度的前提下，適當(dāng)增加炭層高度，有利于煤氣爐內(nèi)燃料各層高度的相對穩(wěn)定，燃料層儲存的熱量多，爐面和爐底的溫度不會太高，相應(yīng)出爐煤氣的顯熱損失減??；高炭層也有利于維持較高的氣化層，增加水蒸氣和炭層的接觸時間提高氣體的分解率和出爐煤氣的產(chǎn)量與質(zhì)量；采用高炭層也是采用高風(fēng)速的有利條件。但風(fēng)速也不能太高，否則，燃料隨煤氣的帶出損失增加，嚴重時有可能在料層中出現(xiàn)風(fēng)洞。 高爐溫：在燃料灰熔點允許的情況下，提高爐溫，炭層中積蓄的熱量多．炭層溫度高，對蒸汽的分解反應(yīng)有利，可以提高蒸汽的分解率，相應(yīng)半水煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量提高。G 通常是在上述生產(chǎn)水煤氣的基礎(chǔ)上，在一次上吹制氣階段鼓入水蒸氣的同時，并適量鼓入空氣 (稱加 N2空氣 )，這樣制得的煤氣中氮氣含量增加，符合合成氨原料氣中 φ(CO+H2)和 φ(N2)之比約 ，但需注意的是，在配入加氮空氣時，其送入時間應(yīng)滯后于水蒸氣，并在水蒸氣停送之前切斷。工作循環(huán)的時間一般在 610min之間。 在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)具體使用的氣化原料和閥門的控制條件來確定。 對每一個工作循環(huán)，都希望料層溫度穩(wěn)定。G打開閥門 1，通入空氣將殘存在爐內(nèi)和管道中的水煤氣吹入煤氣凈制系統(tǒng)。主要作用是將爐底部的煤氣吹凈，為吹入空氣做準備。該階段使燃料層溫度趨于平衡。 第三階段 為一次上吹制氣階段：水蒸氣仍由閥門 2進入發(fā)生爐底部，在爐內(nèi)進行氣化反應(yīng)，此時，爐內(nèi)下部溫度降低而上部溫度較高，制得的水煤氣經(jīng)閥門 6(閥門 5關(guān)閉 )后，進入水煤氣的凈化和冷卻系統(tǒng)，然后進入氣體儲罐。 第二階段 為水蒸氣吹凈階段：閥門 1關(guān)閉，閥門 2打開，水蒸氣由發(fā)生爐下部進入，將殘余吹風(fēng)氣經(jīng)閥門 5排至煙囪，以免吹風(fēng)氣混入水煤氣系統(tǒng)，此階段時間很短。 在實際生產(chǎn)過程中 ， 還包含一些輔助過程 ， 共同構(gòu)成一個工作循環(huán) ， 如圖417所示 。I型水煤氣發(fā)生爐 ?制造水煤氣的關(guān)鍵是水蒸氣的分解 ， 由于水蒸氣的分解是吸熱反應(yīng) ， 一般采用的方法是燃燒部分燃料來提供 。 2022/2/13 《 煤炭氣化工藝學(xué) 》 .U 下部外設(shè)水夾套鍋爐，用來對氧化層降溫，防止熔渣粘壁并副產(chǎn)水蒸氣。 其結(jié)構(gòu)如圖 416所示。I型水煤氣發(fā)生爐。I型水煤氣發(fā)生爐 水煤氣發(fā)生爐和混合煤氣發(fā)生爐的構(gòu)造基本相同，一般用于制造水煤氣或作為合成氨原料氣的加氮半水煤氣，代表性的爐型當(dāng)推 UI型水煤氣發(fā)生爐 1支柱； 2爐底三通圓門； 3爐底三通； 4長灰瓶； 5短灰瓶； 6灰斗圓門； 7灰槽； 8灰犁； 9圓門； 10夾層鍋爐放水管； 11破碎板； 12小推灰器； 13大推灰器； 14寶塔型爐條； 15夾層鍋爐入口； 16保溫層； 17夾層鍋爐； 18R型連接板； 19夾層鍋爐安全閥； 20耐火磚； 21爐口保護圈； 22探火裝置； 23爐口座； 24爐蓋； 25爐蓋安全連鎖裝置； 26爐蓋軌道； 27氣出口；28夾層鍋爐出氣管； 29一夾 層鍋爐野液位警報器； 30夾層鍋爐進水管；31試火管及試火考克； 32一內(nèi)灰