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霍林河褐煤常壓固定床氣化的生産總結分析

發布時間:2013-08-29
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苑衛軍,劉志明,張福亮

(唐山科源環保技術裝備有限公司,河北  唐山 063020

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摘要:結合煤質化驗數據和管式實驗爐試燒實驗,對霍林河褐煤在常壓固定床氣化工業化生産過程中,氣化爐内氧化層溫度、氧化層層次波動、煤氣成分、焦油産率、爐出煤氣溫度和壓力等生産數據和現象進行了系統的分析和總結,揭示了褐煤常壓固定床氣化的特殊性。
關鍵詞:霍林河褐煤;常壓固定床氣化;氧化層;煤氣;焦油;煤氣溫度;煤氣壓力

The Production Analysis and Summary of Huolin River Lignite Atmospheric Fixed-bed Gasification

Yuan Weijun   Liu Zhiming    Zhang Fuliang

(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd,  Hebei  Tangshan  063020 )

Abstract: A systematic analysis and summary has been done to show the particularity of the lignite on the atmospheric fixed-bed gasification. Combining with the coal quality test data and the tube furnace burning experiment, it analyzes and summarizes the oxidation layer temperature, the oxidation layer fluctuation, the coal gas component, the tar productivity, the coal gas output temperature and pressure, etc during the commercial process.  

Keywords: Huolin River lignite ; Atmospheric fixed-bed gasification; Oxidation layer; Coal gas; Tar; Coal gas temperature; Coal gas pressure

0.引言

我國的褐煤資源量為3194億噸,占煤炭資源總量的5.7%,褐煤探明保有資源量為1291億噸,占全國探明保有資源量的12.7%1,其中内蒙古東部地區的褐煤儲量最為豐富,約占全國褐煤保有儲量的3/4,霍林河地區的褐煤在蒙東褐煤中較具代表意義,2009年霍林河褐煤的年産量達3700 萬噸,目前霍林河褐煤主要作為發電燃料,部分作為工業鍋爐和民用燃料,也有少量企業在進行褐煤提質的實驗性生産。

褐煤的水分及灰分含量較大、熱穩定性較差,但由于其氣化反應活性較好,就近利用褐煤進行氣化,向周邊燃耗企業提供中低熱值煤氣,其投資及運行成本符合多數企業的利益要求。利用褐煤進行加壓氣化提供合成原料氣已有應用先例,如雲南解放軍化肥廠利用開遠小龍潭褐煤(粒度大于6-50mm)作為魯奇爐氣化的原料,生産的煤氣供合成氨用;吉林化學工業公司化肥廠利用舒蘭褐煤(0- 8mm)供溫克勒氣化爐生産合成氣,以供制造合成氨用2。但利用褐煤進行常壓固定床氣化提供工業燃料氣的案例較少,胡永康3和李琛祥4分别介紹了利用小龍潭褐煤和紮赉諾爾褐煤在3АД13型煤氣發生爐中進行連續氣化的實驗情況,但并未繼續進行褐煤氣化的連續工業化生産。

本文僅就内蒙古某鋁業公司應用霍林河褐煤,進行常壓固定床氣化工業化生産的情況進行介紹,旨在通過對生産數據的系統分析和總結,揭示褐煤常壓固定床氣化的特殊性,為優化操作和工程設計提供參考。

1. 霍林河褐煤常壓固定床氣化的工業化生産

氣化生産選用霍林河古城煤礦褐煤,該煤在室内放置一段時間後,随着外在水分的蒸發煤呈片狀,其特點是灰分和水分含量高,固定碳含量低,揮發份較高,熱穩定性較差,氣化反應活性較好,該煤煤質分析數據參見表1,其CO2還原率(α)數據參見表2。經計算該煤的産氣率約為1.2-1.5 Nm3/kg左右,考慮該煤産氣率較低,密度較小,熱穩定性較差等特性,同時結合煤質分析數據,工業化生産煤氣站選擇内徑2.4m的幹餾式煤氣發生爐作為氣化爐型,煤氣爐設計産氣量為1500Nm3/h,煤氣站工藝流程參見圖1。

1 煤質分析數據

水分Mad%

灰分Aad%

揮發份Vad%

固定碳FCad%

熱值Qbad(KJ/Kg)

灰熔點ST℃

14.49

31.81

33.66

20.04

3592×4.18

1228

2  霍林河古城褐煤氣化反應活性

溫度(℃)

700

750

800

850

900

950

1000

α(%)

14.2

21.6

32.6

40.7

58.6

72.4

84.3

1 霍林河褐煤氣化工業化生産煤氣站工藝流程圖

2. 氣化爐内氧化層

2.1 氧化層溫度

氧化層溫度較低,正常生産時對氣化爐進行探釺操作,探火釺一般需要5-7分鐘才能燒成暗紅色。這主要與該褐煤的氣化反應活性較強有關,文獻5介紹煤氣發生爐内CO2還原率一般為50-60%,由表2可知代表該煤氣化反應活性的CO2還原率α指标為50-60%時,其對應的反應溫度約為900℃左右,由此并結合上述探釺狀況判斷,該褐煤在氣化爐内氣化,其火層溫度約為900℃左右。

2.2 生産負荷變化對氧化層層次分布的影響

褐煤的孔隙結構複雜,具有很大的比表面積,具有很強的吸附氧氣的能力;另外,褐煤的變質程度較低,其氧含量高達20-30%,且大部分以含氧官能團的形式存在,大量反應性較強的官能團使褐煤比較容易與空氣中的氧發生反應,即褐煤對氧的反應比較敏感。氣化爐生産負荷的變化是通過調整氣化劑的供氧量來實現的,褐煤常壓固定床氣化過程中,氣化劑供氧量的變化對氧化層層次分布的影響比其他煤種(如煙煤或無煙煤)大很多,生産負荷的變化速率稍大便會影響爐内氧化層的層次平衡。

3. 煤氣與焦油

生産中發現,氣化該煤的煤氣熱值較高,但焦油産率較低,煤氣成分及熱值參見表3,這些數據與煙煤氣化所得數據相差較大,主要體現在H2和CH4含量的差異方面,氣化煙煤的煤氣中H2一般為10-15%左右,CH4一般為3-5%左右,而氣化霍林河古城褐煤産生的煤氣中H2隻有3.5-5%左右,而CH4大于10%,煤氣熱值比煙煤氣化煤氣高出10-20%,焦油産率僅為氣化類似揮發分煙煤的1/5左右。

3 煤氣成分及熱值

CO2%

O2%

CO%

H2%

CH4%

N2%

Qbad  Kcal/Nm3

4-7

0.4-0.6

20-22

3.5-5

>10

49-55

1600-1800

氣化爐生産操作過程中,氣化劑中隻有少量水蒸汽供給(夏季氣化劑飽和溫度一般維持在40℃左右),當氣化爐負荷較小時,甚至需要切斷氣化劑中水蒸氣的供給。常壓固定床氣化過程的主要反應可以簡化為如下反應(1)(2)(3),煤氣中的H2主要來源于(2)式所示的水煤氣反應,由于霍林河古城煤礦褐煤的灰分含量較高,氧化層内灰分吸熱較多,而且該煤的氣化反應活性較強,氣化爐内的反應層溫度不宜控制過高(一般在900℃左右),氣化該種褐煤時,氣化爐氧化層中煤燃燒的放熱和煤中灰分的吸熱,基本可以平衡地将氧化層溫度維持在900℃左右,即氣化劑中不需要利用太多的水蒸氣去維持氧化層的反應溫度,氣化劑中水蒸氣供應量的減少,弱化了(2)式所示的水煤氣反應,緻使煤氣中的H2含量減少。

C+O2=CO2△H=-409 KJ/mol          (1)

CO2+C=2CO;△H=162KJ/mol           (2)

C+H2O=CO+H2△H=119 KJ/mol        (3)

降文萍6介紹煤的熱解過程大緻可分為三個階段:第一階段,室溫—300℃為幹燥脫氣階段,褐煤在300℃左右開始熱解。第二階段,300—600℃,這一階段褐煤不存在膠質體形成階段,僅發生劇烈分解,析出大量煤氣和焦油,形成粉狀半焦。第三階段,600—1000℃,以縮聚反應為主,半焦變成焦炭,該階段析出焦油量極少,産生的氣體主要是H2和CH4。胡永康3和李琛祥4在一段爐中氣化褐煤的實驗顯示,煤氣的爐出溫度較低,隻有200-300℃左右,據此可以看出,褐煤在氣化爐的幹餾段内幹餾的進行程度非常有限。霍林河古城褐煤在管式實驗爐内的試燒氣化實驗也證明了這一觀點,将管式實驗爐内除氧化層外的煤料劃分為1-6區段,區段劃分如圖2所示,實驗爐正常産氣4h後,對各區段煤料進行取樣,對其水分和揮發分含量進行測定,表4為測定數據。

2 管式氣化實驗爐區段取樣示意圖

4 區段取樣水分和揮發分測定數據

序号

1

2

3

4

5

6

Mad%

3.08

4.58

11.45

13.74

14.57

15.02

Vad%

10.89

24.79

26.17

28.30

23.12

26.10

圖2管式試驗爐内位于氧化層上方的的區段1為還原層,由表4數據可以看出,煤料的幹餾過程在管式實驗爐的區段1進行完畢,水分幹燥在區段2進行完畢,區段3、4、5、6内煤的水分和揮發分含量基本沒有任何變化,管式試驗爐内幹餾段與還原層重合(即區段1),區段2為幹燥段。褐煤在管式實驗爐氣化,由于區段2-6的溫度較低(低于300℃),無法進行熱解幹餾,幹餾段被迫下移與還原層重合,還原層溫度較高,幹燥後的褐煤在此熱解,析出大量煤氣和焦油,同時形成粉狀半焦。熱解産生的煤氣和焦油霧滴上行,上行過程中焦油霧滴與煤層進行換熱冷卻,由小霧滴聚集成大霧滴,最終吸附在煤料表面下行返回至還原層和氧化層交界處,在高溫條件下發生焦油裂解反應,其裂解氣态産物為CO、H2和CH4,裂解的固态産物為焦炭7,8。褐煤幹餾生成的半焦和焦油裂解産生的焦炭下移,進行還原反應産生以CO和H2為主要成分的煤氣。綜合以上分析,褐煤在常壓固定床氣化爐内産生的焦油發生了二次裂解,是其焦油産率降低和煤氣中CH4含量較高的主要原因。

4. 爐出煤氣溫度與壓力

氣化爐幹餾段高度為5m,爐出煤氣溫度較低(一般在50-60℃左右)。這主要是因為:首先,褐煤氣化反應活性較強,氧化層溫度不宜控制過高(一般在900℃左右);其次,在還原層附近進行了還原反應和焦油二次裂解反應,這兩個反應均為吸熱反應,緻使由還原層産生的煤氣溫度較低;另外,褐煤水分含量較高,幹燥吸熱較多緻使煤氣在爐内降溫較大。以上三方面綜合導緻爐出煤氣溫度較低。

氣化爐内阻力較大,當生産負荷達到80%時,爐内阻力接近2000Pa。氣化爐内褐煤在幹燥段随着水分的蒸發破碎成小塊,另外,由于褐煤的熱穩定性較差,緻使其在氣化爐的氧化層和還原層接受高溫加熱後,爆裂成3-5mm左右碎塊,由幹燥段、氧化層和還原層組成了爐内阻力集中區,從而造成爐内阻力較大。

結論

(1)由于褐煤氣化反應活性較強,褐煤氣化無需較高的反應溫度,其氧化層溫度一般較低。

(2)褐煤較強的吸附氧氣的能力及其大量含氧官能團的存在,使褐煤易于與空氣中的氧發生反應,緻使褐煤氣化時氣化爐氧化層層次分布受生産負荷變化影響較大。

(3)氣化霍林河古城褐煤時,氧化層中煤燃燒放熱和煤中灰分吸熱,基本可以平衡地維持氣化反應所需的氧化層溫度範圍,氣化劑中水蒸氣供應量較少,弱化了水煤氣反應,緻使煤氣中H2含量減少。

(4)褐煤在常壓固定床氣化爐内産生的焦油,在氧化層和還原層附近發生二次裂解,緻使焦油産率降低,煤氣中CH4含量增高。

(5)褐煤氣化時,氧化層溫度較低、焦油二次裂解吸熱及高水分幹燥吸熱等因素造成煤氣出口溫度較低。

(6)随着褐煤水分蒸發及其在氧化層和還原層熱爆,褐煤在幹燥段、還原層和氧化層的變成粒狀碎塊,形成阻力集中區,緻使氣化爐内阻力較大。

參考文獻:

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[3] 胡永康,關于褐煤在3АД13型煤氣發生爐中的氣化研究[J],煤氣與熱力,1992,3:26-31

[4] 李琛祥,在通常結構煤氣發生爐中氣化褐煤的經驗[J],燃料學報,1959,4(2):181-185

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[6] 降文萍,煤熱解動力學及揮發分析出規律研究[D],碩士學位論文,山西:太原理工大學,2004

[7] 賈永斌;張守玉;程中虎等,熱解和氣化過程中焦油裂解的研究[J],煤炭轉化,2000,23(4):1-6

[8] 薛江濤;方夢祥;劉耀鑫等,熱裂解和氣化過程中焦油裂解的研究[J],煤炭轉化,2004,27(3):58-63

第一作者

姓名:苑衛軍(1968—),男,河北霸州,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于河北理工大學機械制造專業,現從事煤炭氣化方面工作,E-mail:ywj680820@sohu.com

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