兩段煤氣發(fā)生爐冷煤氣中水的來(lái)源與控制.doc

兩段煤氣發(fā)生爐冷煤氣中水的來(lái)源與控制苑衛(wèi)軍郭建陳玲唐山科源技術(shù)裝備有限公司兩段式煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)的煤氣，除含有CO、H2、CH4等可燃成分和N2、CO2等不可燃成分外，還含有相當(dāng)部分的水和其他雜質(zhì)。煤氣在造氣和凈化過(guò)程中產(chǎn)生的水分，隨煤氣溫度的降低而以含酚廢水的形式冷凝出來(lái)，未被冷凝的水分隨煤氣燃燒而被汽化排放。煤氣含水的問(wèn)題，是煤氣生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中比較棘手的問(wèn)題，就其生產(chǎn)而言，煤氣生產(chǎn)過(guò)程的冷凝含酚廢水一直是煤氣站的環(huán)境難題；就其應(yīng)用而言，水在煤氣燃燒應(yīng)用過(guò)程中，同樣是有百害而無(wú)一利，其一，水隨煤氣的燃燒而汽化，需要消耗煤氣的一部分熱量，從而降低了系統(tǒng)的熱利用率，另外，煤氣中過(guò)量的水分會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，例如，在利用煤氣熔鑄鋁合金時(shí)，煤氣中的水分和煤氣燃燒后生成的水分，與高溫鋁液反應(yīng)生成的H2，溶解于鋁液中，致使鋁合金熔鑄產(chǎn)品出現(xiàn)縮孔等缺陷。降低煤氣含水量，需要從煤氣生產(chǎn)的各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)著手，綜合分析、逐項(xiàng)控制。2.兩段發(fā)生爐煤氣的生產(chǎn)2.1造氣原理2.1.1造氣反應(yīng)原理 兩段式煤氣發(fā)生爐造氣包括兩個(gè)過(guò)程，即以煤炭為氣化原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑的氣化反應(yīng)過(guò)程，和利用氣化煤氣的高溫顯熱對(duì)入爐煤炭進(jìn)行干燥及低溫?zé)峤獾倪^(guò)程。（1）氣化反應(yīng) 發(fā)生爐氣化反應(yīng)可以分兩步來(lái)理解，首先是空氣通過(guò)燃料層，C與O2發(fā)生放熱反應(yīng)，為下一步反應(yīng)提供熱量和反應(yīng)物CO2；隨后是蒸汽和空氣混合通過(guò)燃料層，C與H2O、O2和CO2發(fā)生吸熱和放熱的混合反應(yīng)，生成發(fā)生爐煤氣，其反應(yīng)方程式如下。2C+O2=2CO+221.2kJ （1）2CO+O2=2CO2+566.0 kJ （2）C+O2=CO2+393.8 kJ （3）CO2+C=2CO-172.6kJ （4）C+2H2O=CO2+2H2-90.2 kJ （5）C+H2O=CO+H2-131.4 kJ （6）（2）煤炭干燥和低溫?zé)峤夥磻?yīng) 首先是煤的干燥脫氣過(guò)程，隨著溫度的逐漸升高，煤中的水分被蒸發(fā)（120之前）出來(lái)，然后是煤結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定官能團(tuán)的破壞和附在物質(zhì)的脫附，放出氣態(tài)物質(zhì)，最后是煤的解聚和熱分解反應(yīng)過(guò)程，煤粘結(jié)并轉(zhuǎn)化形成半焦。過(guò)程產(chǎn)物除半焦外，還有焦油和CH4、CnHm 、H2、CO、CO2、H2S、水汽等物質(zhì)。2.1.2兩段爐造氣過(guò)程（1）煤氣發(fā)生爐內(nèi)固態(tài)物質(zhì)行程 通過(guò)加煤機(jī)將儲(chǔ)煤倉(cāng)中的煤分批次注入煤氣發(fā)生爐內(nèi)，加入煤氣發(fā)生爐中的煤首先進(jìn)入干餾段，煤在干餾段中緩慢下移，在此經(jīng)歷干燥及低溫?zé)峤膺^(guò)程。首先煤炭中的水分被干燥出來(lái)，隨著煤炭的不斷下移，溫度進(jìn)一步升高，干餾出焦油和干餾煤氣。經(jīng)過(guò)干燥和熱解后呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤繼續(xù)下移，進(jìn)入氣化段，在氣化段經(jīng)過(guò)氧化還原反應(yīng)，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(yīng)的煤炭以灰渣形式繼續(xù)下移，由灰刀將其清出爐外。（2）煤氣發(fā)生爐內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)行程 作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi)，在11001200條件下，與進(jìn)入氣化段的呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成以CO和H2為主要成分的煤氣。煤氣分兩部分向上運(yùn)行，其中一部分通過(guò)下段煤氣夾層通道上移，最后從下段煤氣出口導(dǎo)出，該部分煤氣被稱為下段煤氣；而另一部分煤氣則在煤氣發(fā)生爐料層內(nèi)上行進(jìn)入干餾段，通過(guò)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(jìn)行上面敘述的熱解和干燥的過(guò)程，同時(shí)產(chǎn)生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣。這部分上行煤氣及熱解過(guò)程中產(chǎn)生的干餾煤氣一起由上段煤氣出口導(dǎo)出，形成上段煤氣。2.2煤氣凈化與輸送 兩段式煤氣發(fā)生爐的爐出煤氣溫度較高，雜質(zhì)含量較多，需要經(jīng)過(guò)凈化、冷卻后，輸送至用氣點(diǎn)燃用，煤氣凈化、冷卻和輸送工藝一般如圖1所示。 上段煤氣離開(kāi)煤氣爐經(jīng)過(guò)上段煤氣初級(jí)凈化系統(tǒng)，除去煤氣攜帶的焦油和粉塵，下段煤氣經(jīng)下段煤氣初級(jí)凈化冷卻系統(tǒng)除塵、降溫后與上段煤氣混合?；旌虾蟮拿簹馔ㄟ^(guò)煤氣深度凈化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，除去煤氣中的細(xì)小粉塵和部分焦油，并冷凝出含酚廢水和少量輕油，最后經(jīng)煤氣增壓系統(tǒng)送至用氣點(diǎn)。3.兩段發(fā)生爐煤氣中水的來(lái)源3.1水的入項(xiàng)3.1.1造氣過(guò)程水的入項(xiàng)（1）煤中的水 根據(jù)其結(jié)合狀態(tài)區(qū)分，煤中的水分可分為游離水和結(jié)晶水兩種，游離水又分“外在水分”和“內(nèi)在水分”， “外在水分”受外界濕度環(huán)境影響較大。游離水一般在105-110左右，經(jīng)1-2h的干燥后從煤中逸出，而結(jié)晶水通常要在200以上才能分解析出。煤中的游離水和結(jié)晶水，在兩段式煤氣發(fā)生爐的干餾段上部被干燥析出，以氣態(tài)形式混入煤氣中。（2）氣化劑中的水 水蒸氣作為氣化劑的組成部分，其中大部分參與煤的氣化反應(yīng)生成可燃物質(zhì)H2，另一部分未參與反應(yīng)，同時(shí)煤中的部分氫元素也會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化為水，從氣化的整體效果著眼，一般將氣化過(guò)程生成的水與氣化劑中未分解的水蒸氣之和，與氣化劑中水蒸氣量的比值稱為蒸汽分解率。由此可以看出，氣化劑中水蒸氣含量過(guò)高，會(huì)造成蒸汽分解率下降，煤氣中含水量增加。（3）探火、打釬操作帶入的水 煤氣發(fā)生爐的正常探火和事故打釬操作過(guò)程中，一般首先以0.3MPa左右的蒸汽形成汽封，防止?fàn)t內(nèi)煤氣外溢，該部分蒸汽便混入煤氣中，探火或打釬時(shí)間越長(zhǎng)，煤氣中混入的水量越大。（4）灰盤水封帶入的水 濕法出灰的煤氣發(fā)生爐，底部灰盤處采用水封將爐內(nèi)煤氣與外界隔開(kāi)。高溫灰渣落入水封中，會(huì)將部分水氣化為蒸汽進(jìn)入發(fā)生爐內(nèi)，從而增加煤氣含水量。3.1.2煤氣凈化過(guò)程水的入項(xiàng)（1）煤氣冷卻帶入的水 在兩段爐水冷工藝煤氣站中，溫度較高的下段煤氣需要在激冷器中與冷卻水直接接觸，進(jìn)行降溫、除塵，在此過(guò)程中，部分冷卻水被高溫煤氣汽化為蒸汽，隨煤氣進(jìn)入下一級(jí)煤氣處理系統(tǒng)。（2）煤氣水封帶入的水 在發(fā)生爐煤氣站中，為比較安全、方便的隔離外界與系統(tǒng)中的煤氣，在部分設(shè)備或煤氣管道處，常設(shè)置若干水封，當(dāng)高溫煤氣掠過(guò)水封液面時(shí)，會(huì)將部分水汽化為蒸汽，混入煤氣中。3.2水的出項(xiàng)3.2.1煤氣凈化過(guò)程水的出項(xiàng)（1）煤焦油中攜出的水 兩段爐上段爐出煤氣溫度一般控制在80-120，煤氣中的部分水以液滴形式存在，在上段煤氣初級(jí)凈化系統(tǒng)中，煤氣溫度進(jìn)一步降低，使煤氣中的水滴增加，并隨焦油一起被捕除，混入焦油中。（2）煤氣終冷器處冷凝水 兩段爐上下段混合后的煤氣，在煤氣深度凈化冷卻系統(tǒng)的終冷器中，與冷卻水進(jìn)行間接換熱，煤氣被冷卻至35-45，煤氣中的部分水隨之冷凝析出，此時(shí)煤氣處于飽和狀態(tài)。3.2.2煤氣加壓輸送過(guò)程水的出項(xiàng)（1）煤氣加壓機(jī)排水 在煤氣增壓系統(tǒng)中，隨著煤氣壓力的增加，煤氣中水蒸氣的分壓加大，煤氣原飽和狀態(tài)遭到破壞，煤氣中的部分水隨之析出，析出的水一部分由煤氣加壓機(jī)排水系統(tǒng)排除，未被排除的水以液滴形式隨煤氣進(jìn)入煤氣輸送管道。（2）煤氣輸送管道冷凝水 在煤氣輸送管道處設(shè)置若干排水器，在排水器中排出的水由兩部分組成，其一是在煤氣增壓系統(tǒng)中析出但未排凈的水，另一部分是煤氣在輸送過(guò)程中，被外界環(huán)境冷卻而冷凝出的部分水滴。3.3煤氣最終含水 輸送至用戶的煤氣，其含水量為發(fā)生爐造氣、凈化、加壓及輸送全過(guò)程水的入項(xiàng)與出項(xiàng)之差，由此可知，減少煤氣含水量，應(yīng)該從減少入項(xiàng)加強(qiáng)出項(xiàng)著手控制。4.兩段發(fā)生爐煤氣含水的控制4.1優(yōu)化發(fā)生爐操作4.1.1控制煤的含水 美國(guó)的FW-Stoic兩段爐，規(guī)定入爐煤中含水量為12-15%；英國(guó)的W?M兩段爐要求入爐煤中的含水量15%；我國(guó)根據(jù)實(shí)際情況確定，入爐煤中的含水量以控制在15%為宜。發(fā)生爐用煤含水的控制，首先是選擇含水較低的氣化用煤，另外需要盡量控制煤中外在水的增加，特別是在我國(guó)雨水較多的南方地區(qū)，應(yīng)注意煤炭運(yùn)輸過(guò)程的防雨，并設(shè)置防雨的干煤棚儲(chǔ)煤，同時(shí)避免煤氣站打掃衛(wèi)生時(shí)的沖洗水流入煤棚。4.1.2優(yōu)化發(fā)生爐的操作（1）飽和溫度的控制與調(diào)整 所謂的“飽和溫度”，是指氣化劑中空氣和水蒸氣組成的混合氣體的溫度，利用它來(lái)間接反映氣化劑中空氣和水蒸氣的比例關(guān)系，但該溫度除受空氣和水蒸氣流量變化的影響外，還受到空氣溫度和水蒸氣壓力變化的影響，例如晝夜溫差較大的地區(qū)，在其他條件不變的前提下，同樣的空氣和水蒸氣的流量比例，由于晝間與夜間空氣溫度不同，檢測(cè)到的飽和溫度也不相同。所以，需要參照發(fā)生爐實(shí)際爐況對(duì)飽和溫度進(jìn)行控制與適度調(diào)整，既保持較好的爐況，又能夠保證最佳的蒸汽分解率，有效降低煤氣含水量。如果需要實(shí)現(xiàn)空氣和水蒸氣比例關(guān)系的自動(dòng)控制，最好選擇比較直接的或經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量方式，取得其比例關(guān)系并進(jìn)行控制。（2）減少探火、打釬次數(shù) 探火的目的是檢查爐況，打釬是為了處理非正常爐況，減少探火、打釬次數(shù)的前提是維持較好的氣化層次，保持最佳爐況，這需要煤氣站從氣化煤種的選擇開(kāi)始，對(duì)貫穿加煤、清灰、飽和溫度的調(diào)節(jié)及后續(xù)凈化設(shè)備的維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，探火、打釬次數(shù)的減少，可以減少打開(kāi)蒸汽汽封的時(shí)間，從而有效控制煤氣含水量。4.2優(yōu)化煤氣凈化工藝4.2.1采用煤氣間接初冷工藝 煤氣初級(jí)冷卻采用間接冷卻工藝，避免冷卻水和高溫煤氣的直接接觸，有效減少煤氣凈化過(guò)程中混入的水量。風(fēng)冷工藝和帶余熱回收的環(huán)保節(jié)能型工藝，都是目前比較成熟的煤氣間接初冷工藝，風(fēng)冷工藝采用風(fēng)冷器，利用外界空氣與高溫煤氣進(jìn)行間接換熱，環(huán)保節(jié)能型工藝是采用余熱回收器，利用高溫煤氣顯熱間接加熱軟化水，使之氣化為蒸汽進(jìn)行利用，采用以上兩種初冷工藝，可以達(dá)到控制煤氣混入過(guò)量水的效果。4.2.2降低煤氣終冷溫度 目前兩段爐冷煤氣站，通常應(yīng)用間接冷卻器，利用冷卻水與煤氣進(jìn)行間接換熱，對(duì)煤氣進(jìn)行終冷降溫，煤氣終冷溫度一般為35-45，煤氣壓力為500-2500Pa左右，煤氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，降低煤氣終冷溫度，可以使煤氣中的水汽進(jìn)一步析出，從而減少煤氣含水。降低煤氣終冷溫度，首先需要降低與煤氣進(jìn)行換熱的冷介質(zhì)的溫度，既進(jìn)一步降低冷卻水的溫度，或采用其他低溫?fù)Q熱技術(shù)對(duì)終冷后的煤氣進(jìn)一步降溫。4.3提高煤氣輸送壓力 調(diào)整煤氣增壓系統(tǒng)