利用富氧提高煤气发生炉热效率的探讨

张序洪

【摘要】我国的煤炭占世界的15％，石油占2.7％，天然气占0.9％。“富煤少油缺气”是我国基本的能源格局。煤炭工业是关系国计民生的基础性产业。因此，以煤为原料发展化学工业，以及由煤制取燃料油气工业必须作为重要的课题对待。煤炭利用必将以洁净煤技术为先导，充分利用化学这一物质相互交换的手段来建立起既环境友好又综合发展、高效益的新一代煤炭、能源、化工为一体的综合型企业。

【关键词】富氧制气 环保 节能

1综述

煤气化技术是煤化工产业发展的龙头和核心技术，煤炭气化是洁净、高效利用煤炭的最主要途径之一，工业煤气发生炉成为降低燃料成本的一次新的革命。目前煤气化技术有固定床、流化床、气流床三大类型，我国使用最多的是固定床气化工艺。存在的问题主要有两点：（1）热值低，即CO与H2含量低，作为燃料气时，产品产量上不去。（2）煤气发生炉的煤碳是转化成热量？还是转化成热值？虽说有些煤气发生炉已经完全燃烧，但由于转化成煤气比例太小，能源浪费看不到。通常空气中氧的体积含量为20.93%、氮为78.1%及其它少量惰性气体等，真正参与燃烧的氧只占空气总量1/5左右，而占空气总量约4/5的氮和其它惰性气体非但不助燃，反而将随着燃烧的进行带走大量的热能，造成热能损失，同时在高温下生成氮氧化物，造成大气污染。人们把含氧量大于20.93%的空气叫做富氧空气。采用富氧气化是降低煤耗、残碳含量及提高煤气热值的有效途径。

2国内外现状和发展趋势

富氧助燃技术在应用过程中关键因素之一是富氧空气的制取，这是国内外研究的主要课题。目前，氧气制备主要有液化空气的精馏（深冷法）、使用各种吸附剂进行变压吸附（PSA法）和利用气体对膜的渗透性能不同进行分离（膜法）等方法。近年来膜法富氧已引起国内外的广泛关注。膜法富氧技术在制备富氧方面的应用正在迅速增长，并正在取代其它高成本且操作不方便的分离技术。早在上世纪80年代初，许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术，特别是日本，由于能源紧张，日本先后有近20家公司推出膜法富氧装置。该国曾在以气、油、煤燃烧的不同场合进行了各种富氧应用试验，得出如下结论：用23％的富氧助燃可节能10％～25％；用25%的富氧助燃可节能20％～40％，用27％的富氧助燃则节能高达30％～50％等。美国通用电气公司UOP公司制造的富氧发生器可生产氧含量为30％的富氧空气。联邦德国在一座马蹄型蓄热炉上用27%的富氧试验，使熔化率增加了56.2％，能耗下降20％。瑞典、英国、德国在滚轧和铝熔炉装置上采用膜法富氧浓度25％～27％，节约燃料12％～28％，而原设备生产率提高17％～39％。值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧来助燃，所以投资非常大，故国外还没有广泛推广应用。

我国在上世纪80年代中期开始研究此项技术，并取得了可喜的成果，已经研制成功“LTV-PS富氧膜、φ100mm×l000mm卷式组件及装置”。国内在这方面的研究也有十多家，如清华大学、东北大学、中科院大化所、中科院广州能源所、辽宁省锅炉技术研究所等单位对膜法制氧及富氧燃烧技术都进行了积极的探索与应用。

国内以煤为原料采用氧气、蒸汽为气化剂连续制造煤气的技术，已有鲁奇加压碎煤气化、德士古加压水煤浆气化和U—GAS常压碎煤气化。国外还有谢尔加压粉煤气化技术等。富氧气化技术早在60年代就有许多厂试用过，最后都因采用深冷法制氧成本高而停止应用。90年代初，变压吸附制氧装置问世，对富氧气化应用有了希望。

3方法分析

常压固定床煤气发生炉通常由炉体、加煤装置、除灰装置、旋转炉篦及其传动装置五大部分组成。其主体是炉体，在这里，固体燃料（煤或焦炭）与气化剂（空气或氧+水蒸汽）在高温条件下发生化学反应，转化成气体燃料（煤气）。

在煤气发生炉中固体燃料干镏后的剩余可燃部分基本上是由碳（C）一组成的。因此，所有在气化区中所发生的反应实质上就是碳和鼓风中的自由氧或结合氧所起的反应．作为结合氧参与气化反应的，通常是二氧化碳和水蒸汽中的氧。下面列出在气化区中进行的基本化学反应式．

（1）C+O2=CO2+Q （2）2C+O2=2CO+Q

（3）2CO+O2=2CO2+Q （4）2H2O+C=CO2+2H2-Q

（5）CO2+C←→2CO-Q （6）H2O+C←→CO+H2-Q

注：+Q表示放热反应-Q表示吸热反应

以上反应中，前四种发生在气化区的氧化燃烧层中。反应式（1）为强放热反应，在该层中存在着大量的二氧化碳，且温度很高。为制取煤气必须将这些二氧化碳还原成CO，而气化区的还原层即是完成造气任务的，因此该层是煤气发生炉的主要操作部分和生产部分。反应式（5），（6）即是混合发生炉煤气生产过程中的基本化学反应，为吸热反应，反应速度较慢且可逆，处于化学反应动力区，（1）式放出的热量Q越大，反应式（5）和式（6）正反应速度就越快，产生的CO和H2就越多，煤气热值也就越高。

采用CG3Q3.0-1两段式煤气发生炉的气化过程性能参数，其中鼓风流量是4700m3/h，煤气产量是7000m3/h，煤气热值是6800kJ/m3，这是在空气中含氧量为21%的情况。此时进入炉内的氧气量为：

4700×21%=987m3/h

氮气量为：

4700×（1-21%）=3713m3/h

煤气产生的总发热量为：

7000×6800=4.76×107kJ/h

如果当空气中的含氧量提高为22%时，则每小时所需鼓风量为：

987÷22%=4486.3636m3/h

按上述计算，当氧含量提高1%时，可使入炉的鼓风量下降（实际是减少了空气中的氮含量），下降量为：

4700－4486.3636=213.6364m3/h

煤气中的氮含量减少为：

3713－213.6364=3499.3636m3/h

由于富氧前后所产生的可燃气体的总发热量不变，设富氧气化后煤气热值为Z，则

4.76×107=（7000－213.6364）×Z

所以得，Z==7014.0657kJ/m3

由此可得，富氧气化后，煤气热值的提高量为：

=3.148%

但采用富氧气化后带来了很多问题。在氧化燃烧层中进行的主要是放热反应，因此该层温度很高。当采用富氧作气化剂时，燃烧层温度会随着氧含量的增加而升高。采用全氧气化还导致的后果是：气化温度最高，使煤气的温度非常高，增加了产品余热回收的难度，增加了装置的投资；固态排渣，导致了灰渣温度非常高，使得灰渣的余热回收和处理困难，也增加了装置的投资。

基于以上情况，可采取如下措施：（1）增加蒸汽量消除上述缺点，使其在安全的温度范围内进行操作。当水蒸汽消耗量增加到超过每千克碳0.6千克时，煤气的热值开始显著下降。（2）还可以适当增大加煤量或适当降低鼓风速度或增加内料层的高度，延长反应时间，使气固相充分接触，减慢反应速度，降低炉内温度。（3）在制造煤碳过程中加入少量生石灰，作为粘结剂，会起到很佳的固硫效果。（4）提高气化过程的速度梯度可以有效降低NOx的生成，从而降低了热力型NOx的生成。（5）炉篦结构与灰盘的转速要适当，灰盘转速慢，灰渣排不出。灰层高度增加，燃料层降低，气化过程太快，会使气化效率降低；灰盘转速太快，使灰层降低，炉篦失去保护，未气化完全的燃料碳随灰渣排除，同样增加了碳损失。（6）经常对燃烧层、灰层进行探测，即探火。通过探火孔对燃料层表面进行观察，插入探火杆对煤料层进入深层调整，指导发生炉的操作，保持床层稳定。（7）燃料煤所含水分的多少，煤的耐热性、反应能力及其粘结性，灰分的熔融性、结渣性等，对气化过程都有显著的影响。因此，在选用煤时也要注意一下其性质。

与传统蒸汽一空气制取的混合煤气相比，富氧煤气采用富氧空气与蒸汽的混合物作为气化剂带来很多效果：（1）提高了煤气热值，降低了鼓风量，在一定程度上也就减小了煤气发生炉的炉底压力，有利于司炉操作，也大大减少了炉内煤粉的飞扬，烟道中烟灰及焦油也少了；（2）煤气中氮的含量降低，由废气带走的热量也相应减少，节约了能源；（3）鼓风量中的氧含量提高，使煤与氧气的接触面积增加，使煤的气化反应更加充分，灰渣的残碳含量下降；（4）气化反应速度加快、气化强度提高。气化反应速度取决于碳的完全氧化反应。（5）带出物减少，碳利用率提高。（6）降低空气过剩系数，从而达到节约能源的目的，同时，在一定程度上也大大地减少了投资，降低了运行成本，利于环保和节能。

总之，采用富氧气化后，在一定程度上能收到明显的节能效益和经济效益。

4应用前景及市场需求

我国每年要烧掉20亿吨煤，而且每年都在增加。巨大的能耗是发展生产的沉重负担，同时又释放大量的有害烟尘和废气，严重的污染环境，危害人类的身体健康。节能与环保是人类生存必须重视的伟大工程。产品前景好的企业，在节能的同时又可以提高产品质量，提高产品的优质品率，增强市场的竞争力。

富氧气化技术是一项很有潜力的资源节约型环境友好型技术，国内外作为高科技正在不断拓宽其应用领域，具有广阔的应用领域和发展前景，也具有显著的经济效益和社会效益具有有推广价值。

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