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KM5Q兩段式發生爐熱煤氣站工業應用總結分析

發布時間:2021-03-19
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苑衛軍   蘇亞斌  徐東海  王輝
(唐山科源環保技術裝備有限公司   河北唐山   063300)


摘要:簡要介紹了KM5Q兩段式發生爐熱煤氣站工業化系統的基本情況,并對其終端煤氣當量熱值和系統有效能源利用效率進行了計算和說明。通過對比KM5Q兩段爐熱煤氣站與3Q兩段爐熱煤氣站,說明前者的終端煤氣當量熱值高于後者,指出KM5Q兩段爐熱煤氣站在玻璃熔窯中的應用效果要優于3Q兩段爐熱煤氣站。同時指出:采取充分回收利用系統清理出的焦粉和焦油的措施,和強化保溫效果,以提高終端煤氣溫度的措施,都可以有效提高系統的能源利用效率。
關鍵詞:KM5Q兩段式發生爐;3Q兩段式發生爐;煤氣;焦油;當量熱值;能源利用效率
Summary and analysis of industrial application of KM5Q two-stage gasifier hot gas station
YUAN Wei-jun    SU Ya-bin   XU Dong-hai   Wang Hui
( Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd,  Hebei  Tangshan  063300)
Abstract:  This article briefly introduces the basic situation of the industrialization system of the KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station, and calculates and explains the terminal gas equivalent calorific value and the effective energy utilization efficiency of the system. A comparison between KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station and 3Q double-stage coal gasifier hot gas station shows that the terminal gas equivalent calorific value of the former is higher than that of the latter. It is pointed out that the application effect of KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station in glass melting furnace is better than 3Q double-stage coal gasifier hot gas station. At the same time, it was pointed out that the measures to fully recycle the coke powder and tar removed by the system, and the measures to strengthen the heat preservation effect to increase the temperature of the terminal gas can effectively improve the energy efficiency of the system.
Keywords:  KM5Q Double-stage coal gasifier; 3Q Double-stage coal gasifier; Coal gas; Tar; Equivalent calorific value; Energy efficiency
1. 引言
發生爐煤氣站作為玻璃熔窯的燃料供應單元,應用極為廣泛。雖然近幾年國家環保形勢趨緊,“煤改氣”政策頻出,但基于國家現行環保标準及目前的能源安全形勢分析,煤氣發生爐作為潔淨煤轉化的技術裝備,符合我國的能源結構要求,輔以先進技術的發生爐煤氣站可以達到或優于國家的現行環保标準要求【1】【2】,故而,煤氣發生爐在玻璃行業仍然具有其合理性的發展需求。對煤氣發生爐先進技術的研究和探讨,具有現實性和儲備性的意義。基于以上考慮,本文就KM5Q發生爐熱煤氣站在水玻璃熔窯的工業化應用過程,進行總結和分析,旨在探究先進的發生爐工藝技術在玻璃行業的應用,繼而不斷提高煤氣發生爐的技術水平。
2. KM5Q兩段式發生爐熱煤氣站的工業化應用
2.1 煤氣站基本情況

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福建南平某水玻璃生産企業選用KM5Q3.2兩段式發生爐熱煤氣站,為水玻璃熔窯供應煤氣。KM5Q兩段式發生爐【3】【4】結構如圖1示意,其氣化段産生的煤氣M全部上行,進入幹餾段對煤進行幹餾和幹燥,同時生成幹餾煤氣M,和焦油,M和M,彙總後導出爐外。發生爐熱煤氣站工藝流程如圖2所示,KM5Q兩段爐爐出煤氣(煤氣溫度420℃)經旋風除塵器捕除粉塵後,經過隔斷水封,然後通過廠區煤氣管道輸送至煤氣交換機後供熔窯燃燒。煤氣交換機前煤氣溫度約為300℃,煤氣交換機後煤氣溫度約為240℃。
煤氣站以神府煤田的弱粘結性煙煤作為氣化用煤,其工業分析數據如表1,發生爐煤氣成分化驗數據如表2,實測灰渣含碳量為5.5-6.6%,依據以上數據進行碳平衡計算,結果顯示該煤的産氣率約為3.1Nm3/kg。煤氣發生爐單爐耗煤量為40t/d,單爐産氣量約為5200Nm3/h(單爐生産負荷約為70%)。煤氣站裝機功率及實際耗電情況如表3。

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2.2 煤氣析出物清理
煤氣站系統的煤氣析出物清理節點包括旋風除塵器、隔斷水封、廠區煤氣管道沉降室及煤氣交換機。旋風除塵器每8h清理一次,清理出的物質為經過幹燥和熱解後的焦粉;隔斷水封每8h清理一次,其清理物以焦粉為主,并混有少量焦油;廠區煤氣管道沉降室每隔7天清理一次,其主要物質是焦油;煤氣交換機每8h清理一次,由于此節點處煤氣溫降較大,焦油析出量也比較多,其清理物質為焦油。表4所列為各清理節點的物質清理基本情況。

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2.3 終端煤氣當量熱值及系統有效能源利用效率
2.3.1 終端煤氣當量熱值計算
依據其他相關冷煤氣站和半冷煤氣站的工業化數據,KM5Q兩段爐氣化神府煤田的煙煤,其焦油産率約為入爐煤量的7.5%左右【5】【6】。據此推算,本煤氣發生爐爐出煤氣的焦油含量約為:(40×〖10〗^6×7.5%)/(24×5200)=24.04g/Nm3幹煤氣。由表4可知,煤氣輸送過程中24h焦油析出量為:100+5=105kg,折合數據為:(105×〖10〗^3)/(24×5200)=0.84g/Nm3幹煤氣。即入熔窯前煤氣中焦油含量約為:24.04-0.84=23.2 g/Nm3幹煤氣。焦油低位發熱量按照7800×4.18kJ/kg計算,煤氣中所含焦油的發熱量為:23.2×10-3×7800×4.18=756kJ/Nm3幹煤氣。
入熔窯前煤氣溫度為240℃,煤氣比熱容取1.453kJ/(Nm3•℃),則煤氣的物理顯熱為:1.453×240=349kJ/Nm3幹煤氣。根據表2數據計算,幹煤氣低位發熱量為6220kJ/Nm3。綜上計算,入熔窯前終端煤氣當量熱值為:6200+756+349=7305kJ/Nm3幹煤氣。
2.3.2 系統有效能源利用效率【7】計算
本煤氣站系統能源輸入項主要包括氣化用煤和系統耗電,系統有效輸出項為入熔窯的發生爐煤氣。輸入項中氣化用煤提供的熱量為:(40×〖10〗^3×28.03×〖10〗^3)/(24×5200)=8984kJ/Nm3幹煤氣;根據表4數據計算,煤氣站系統用電耗能量為:(483.80×3600)/(24×5200)=14kJ/Nm3幹煤氣。綜合以上數據計算,煤氣站系統有效能源利用效率為:7305/(8984+14)=81.2%。
3 工業化應用的總結與分析
3.1與3Q兩段爐熱煤氣站的應用比較
目前,玻璃行業3Q兩段爐熱煤氣站的應用相對較多,3Q兩段式煤氣發生爐結構示意如圖3,其爐内煤氣導出流程與KM5Q兩段爐不同,其氣化段産生煤氣M分兩部分M1和M2,其中M1上行進入幹餾段對煤進行幹餾和幹燥,同時生成幹餾煤氣M3和焦油,M1和M3組成上段煤氣導出爐外;M2則通過下段煤氣夾層通道,不經過幹餾段直接以下段煤氣的形式導出爐外。3Q兩段爐熱煤氣站工藝流程如圖4所示,下段爐出煤氣(煤氣溫度450-470℃)進入旋風除塵器,捕除煤氣中攜帶的粉塵後進入隔斷水封,同時上段爐出煤氣(煤氣溫度80-120℃)也進入隔斷水封,上下段煤氣在隔斷水封處彙合後,通過廠區煤氣管道輸送至煤氣交換機,然後進入熔窯燃燒。

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表5為煤氣發生爐副産煤焦油的餾程試驗數據,輕質煤焦油的初餾點溫度為188℃,重質煤焦油的初餾點溫度為177℃。3Q兩段式發生爐上段煤氣溫度範圍為80-120℃,此溫度範圍已遠低于煤焦油的初餾溫度,說明3Q兩段爐上段煤氣中攜帶的焦油已經全部冷凝為液态,以液滴或霧滴狀态随煤氣漂移。
3Q兩段爐上下段煤氣流通體積比一般為1:2,假設上段煤氣溫度為120℃,下段煤氣溫度為470℃。在不考慮液态焦油汽化吸熱的前提下,假設上下段煤氣在隔斷水封處進行絕熱狀态下的充分混合,混合後的煤氣溫度為353℃。實際情況是上下段煤氣在低于353℃的情況下,僅進行短暫時間的混合,則上段煤氣攜帶的液态焦油絕大部分不可能得以汽化,仍然以液态形式存在于混合後的煤氣中。 即3Q兩段爐煤氣自發生爐出口開始至熔窯前,其所含焦油絕大部分一直以液态形式存在。而KM5Q兩段爐爐出煤氣溫度為420℃,至煤氣交換機前煤氣溫度為300℃,煤氣中的焦油在煤氣輸送過程中,大部分時間是以氣态形式存在的。如此可以推斷:KM5Q兩段爐熱煤氣站的焦油清出量要低于3Q兩段爐熱煤氣站,其終端煤氣由于焦油含量高,其當量熱值也高于後者。綜合以上分析,KM5Q兩段爐熱煤氣站在玻璃熔窯中的應用,其效果應該優于3Q兩段爐熱煤氣站。

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3.2 系統優化措施
3.2.1 系統清理物利用
由表4數據可知,煤氣站自旋風除塵器等處不斷清理出焦粉和焦油等高熱值物質,造成系統能耗指标增加,嚴重影響了系統的有效能源利用效率。可以考慮将這些焦粉和焦油,再配以煤氣站篩下煤粉和少量灰渣,混合後壓制成氣化型煤,将其回爐氣化【8】,從而有效提高系統的能源利用效率。這部分物質如果得以充分利用,系統有效輸出能量增加量為:(5932×〖10〗^3)/(24×5200)=48kJ/Nm3幹煤氣,則系統有效能源利用效率提高為:(7305+48)/(8984+14)=81.7%,較采取此措施前提高了0.5%。
3.2.2 強化煤氣輸送過程的設備及管道保溫
本煤氣站自煤氣發生爐出口至煤氣交換機後,煤氣溫度降低了180℃,幹煤氣物理顯熱減少量為:1.453×180=262kJ/Nm3幹煤氣。采取有效措施,強化煤氣輸送設備及管道的保溫效果,可以有效提高系統的有效能源利用效率。假設在充分回收利用系統清理物的前提下,再将終端煤氣溫度提高60℃,則系統有效能源利用效率可以提高為:(7305+48+(1.453×60))/(8984+14)=82.7%,較采取此措施前提高1%。
4. 結論
(1)綜合考慮幹煤氣的低位發熱量、煤氣中焦油的熱量和煤氣物理顯熱等因素,KM5Q兩段式發生爐熱煤氣站入熔窯前煤氣的當量熱值為7305kJ/Nm3幹煤氣,煤氣站系統有效能源利用效率為81.2%。
(2)KM5Q兩段爐熱煤氣站的焦油清出量低于3Q兩段爐熱煤氣站,其終端煤氣的當量熱值高于後者,其在玻璃熔窯中的應用效果也優于後者。
(3)将系統清理出的焦粉和焦油,配以煤氣站篩下煤粉和少量灰渣,混合後壓制成氣化型煤,将其回爐氣化,系統的能源利用效率可以達到81.7%。
(4)強化煤氣輸送設備及管道的保溫效果,提高終端煤氣的溫度,可以有效提高系統的能源利用效率。在充分回收利用系統清理物的前提下,再将終端煤氣溫度提高60℃,則系統有效能源利用效率可以達到82.7%。
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第一作者
姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于華北理工大學;從事工作内容:煤炭氣化行業;研究方向:煤氣化工藝及設備;聯系電話: 13703243469; E-mail:2329081462@qq.com
聯系人:苑衛軍
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