煤炭气化炉的应用技术分析.doc

煤炭气化炉的应用技术分析刘洪勤1 ,范维海1 ,靳成法1 ,赵德友2(11 济南军区锅炉检验所 ,山东 济南 250014 ;2 . 济南鲁西热管锅炉厂 ,山东 济南 250300)摘要 :本文根据我国的能源结构现状 ,从能源利用和环境保护的观点出发 ,分析将煤炭气化技术用于工业锅炉的技术措施 ,为工业锅炉降低运行费用提供了一条既节能经济又符合环保要求的新途径 。应 用煤炭气化技术改造燃油气锅炉取得了明显的经济效益 。关键词 :煤炭气化 ;煤炭气化炉 ;煤炭气化锅炉 ;燃烧特性文章编号 :1002 - 6339 (2004) 03 - 0060 - 03中图分类号 : TK229. 6 文献标识码 :AThe coal ga sif ies the a pplied technique analysis of the CookerL IU Hong - qin ,FAN Wei - hai1 ,J IN Chen - fa1 ,ZHAO De - you2(11J inan Military District the Boiler Inspection Institute ,J inan 250014 ,China ;21J inan Luxi heat Heat Pipe Boiler Factory ,J inan 250300 ,China)Abstract :According to the energy construction present condition of the our country ,this paper makes use of the energyto set out with the standpoint of the environmental protection , analyzes application of the technique of coal gasifying technique measure to industry boiler . Applying the coal gasification technique reforms the fuel spirit boiler can also ob2 tain the obviously economic performance .Key words :coal gasifies ;coal gasifies the cooker ;coal gasifies the boiler ; burn characteristic方式中寻找新的途径 。煤炭间接燃烧方式包括气化和液化两种 。煤炭的液化分为 直接液化和间接液化两种 。多年的实践证明 ,锅炉燃用气体燃 料更为简便 。另外 ,我国适于气化的煤炭资源十分丰富 ,可适用 于气化的褐煤 、不粘煤 、长焰煤和弱粘煤的储量占全国煤炭总储 量的 40 %之多 ,从煤炭气化中寻找理想的燃煤方式大有潜力可 挖 。1前言随着我国经济建设的迅速发展和环保意识的提高 ,国家对 环保工作提出更高的要求 ,加之油气资源的大力开发 ,我国燃油 气锅炉的应用逐年上升 。各大中城市相继实施取消燃散煤 锅 炉 ,保护蓝天的措施 。为适应生产 、生活的需要 ,不少单位采取 了区域集中供热或安装使用燃油气锅炉的方法 。但从近几年的 使用情况看 ,安装燃油气锅炉的单位均存在运行费用居高不下 的情况 ,单位经济负担过重 ,存在“弃之不忍 ,用之心痛”的现实 问题 。从我国的能源结构来看 ,大量应用燃油气锅炉不符合我国 的能源政策 。我国是世界上煤炭生产量和消费量最大的国家 , 煤炭在能源结构中约占 70 %左右 ,其中三分之二的原煤用于工 业锅炉和电站锅炉 。因此 ,对环保工作的重视应该不单单是简 单地取消燃煤锅炉 ,而是应该在提高煤炭利用效率和间接燃煤2煤炭气化炉的工作原理煤气的生产是一个连续的物理化学反应过程 。煤炭气化炉 (也称煤气发生炉) 运行时 ,在炉内 ,燃料自下而上分为五层 ,分 别称作 :灰渣层 、氧化层 、还原层 、干馏层和干燥层 ; 干燥层上面 为空层 :氧化层与还原层统称为气化层 。原料煤由给煤装置均匀落在干馏层上面 ,在干馏层底部着 火焦碳层和向上流动的高温粗煤气放出的辐射热的作用下 ,逐 步升温热解 。煤的热解过程大致可分为三个阶段 :第一阶段 ( 室 温300 ) 为干燥脱气阶段 。在这一阶段 ,煤的外形无变化 ,褐 煤在 200 以上发生竣基反应 ,近 300 时开始热解反应 ,烟煤和收稿日期 2004 - 03 - 15修订稿日期 2004 - 04 - 27作者简介 :刘洪勤 (1957) ,男 ,山东临沂人 ,济南军区锅炉检验所所系列变化 。煤在 300 左右开始变化 ,并有煤气和焦油析出 ,在450 以上焦油含量最大 ,在 450600 气体析出量最多 。烟煤 在这一范围内变成胶质体 。当温度升高到 500 左右 ,胶质体分 解缩聚 ,固化为半焦 。第三阶段 ( 6001100 ) 是半焦完成焦碳 的阶段 , 以 缩 聚 反 应 为 主 , 焦 油 量 极 少 , 挥 发 份 主 要 是 煤 气 ,700 左右煤气成分主要是 H2 。7501000 之间 ,半焦变成高温 焦碳 。高温焦碳与通入的气化剂 ( 水蒸气) 发生水煤气反应 ,产 生 CO 和 H2 。反应过程如下 :C + O2 CO2C + CO2 2COCO2 + 2H2 O CH4 + 2O2C + 2H2 O CO + 2H2据某煤碳气化炉取样测定 ,生成煤气中各成分所占的比例 一般为 : CO 为 24 %31 % 、H2 为 10 %15 % 、CH4 为 3 %5 % 、 CO2 6 % ,O2 0. 5 % ,煤气的发热值一般在 5233. 55652. 18kJ 。需要说明的是 ,不同的煤种 ,产生的煤气量和成分比例是不 同的 ,因而 ,煤气的发热值也不尽相同 。的可燃气体多数是碳氢化合物和少量一氧化碳气体 ,由于炉排底部供给的空气有限 ,气化炉内处于欠氧状态 ,这些可燃气体基 本不参与燃烧 ,有效的抑制“热力 - NO”的产生 ,并且达到无黑烟 燃烧 。(2) 煤气发生炉内的燃烧过程是预热干燥 、干 馏 和 气 化 反 应 ,此时煤处于缺氧状态 ,煤中的有机氮化学计量比小 ,并处在 还原气氛中 ,只转变成无毒的氮分子 。当这一部分氮分子随煤 气进入锅炉内燃烧时 ,它已成为氮分子不参与燃烧 。这一工况 制止了煤里的氮转化成有毒的氮氧化合物 。(3) 干馏室内的煤焦温度一般在 700900 ,炽热的煤焦的 厚度一般在 200400mm , ( 视煤种而言) ,目的是保持一段气化 层 。还原层利用下面氧化层的热量发生气化反应 ,氧化层产生 的二氧化碳又与还原层里炽热的焦碳发生反应产生一氧化碳 。 同时与通入的水蒸气发生水煤气反应 。如 :2C + O2 2CO C + CO2 2COC + H2 O CO + H2 煤焦氧化产生的二氧化碳能够转变成一氧化碳 ,产生水煤气效 应 。由以上分析可看出 ,在煤气发生炉中产生的主要燃烧物质 是一氧化碳 ,除按照它的燃烧规律和特点供给适当的空气 ( 氧) , 使其完全燃烧外 ,为强化一氧化碳燃烧提高其燃烧速度 ,应补充适量的水蒸气 。因为从下列公式可知水蒸气能够提高一氧化碳 的燃烧速度 。3煤炭气化锅炉的型式和燃烧特性分析3. 1 煤炭气化锅炉的型式发生煤气的工业炉窑 ,做为一项比较成熟的工业技术 ,已经 广泛应用于机械 、冶金 、建材 、轻工等行业的工业生产热加工工 序中 。近几年 ,作为一项嫁接技术 ,经过一定的技术改造 ,已成功的应用在工业锅炉中 。由煤炭气化炉制备的煤气 ,出口温度 达到 700 以上 ,做为油气的替代燃料直接在锅炉中燃烧 ,大大 降低了锅炉的运行费用 ,经环保部门测试 ,锅炉烟尘排放浓度 、 SO2 排放浓度 、NOX 排放浓度符合国家环保的有关指标 ,烟气黑度小于 级 ,均未超出 GB13271 - 2001锅炉大气污染物排放标 准时段标准限值 。煤气发生炉应用于锅炉的工艺流程如图 1 : dWm = dJ CO H 2 O在混合气体的燃烧中水蒸气的含量不应超过 10 % ,否则将影响混合气体的燃烧速度 。从分子活化理论和链锁反应理论分 析 ,水蒸气能增强一氧化碳的氧化反应 。一氧化碳的氧化链锁 反应机理一般认为是这样的 :在链锁反应中起活化作用的是 H、 O 和 OH 等原子或原子团 , 其中 H2 O 分子被分解成 OH 参与反 应 。在 OH 等活化中心参与下 ,一氧化碳的链锁反应按下列方式 展开 :CO + OH CO2 + H H + O2 OH + OO + H2 OH + HCO + OH CO2 + H综合上述 ,CO 燃烧链锁反应的总效果是 : OH + 2CO + O2 + H2 2CO2 + OH + 2H 从这个链锁反应中可以看出 ,每产生两个 CO2 分子 ,同时也产生两个新的氢原子 H。这两个氢原子 ( H) 又起活化中心的作 用 ,促使一氧化碳链锁反应继续扩大 。因而也就强化了一氧化 碳燃烧 。热煤气出口温度大都超过 700 ,且其中还含有一定数 量的水蒸气和氢 ,因此只要一氧化碳与氧与水蒸气混合 ,肯定会 迅速地完全燃烧 。图 1 煤炭气化锅炉的工艺流程目前 ,用于工业锅炉的煤炭气化炉型式主要有承压式和敞开式 (常压式) 两种 。承压式煤炭气化炉的结构是由工业制备煤 气的设备演变而来 ,炉体承受一定的压力 ,煤气在锅炉炉膛内燃 烧采用正压燃烧方式 ,安全操作要求严格 ,具有一定的危险性 , 主要用于出力比较大的锅炉 。敞开式煤炭气化炉 ,其炉体本身 不承压 ,处于常压状态 ,煤气在锅炉炉膛内燃烧主要采用负压通 风方式 ,生产操作简单 ,安全可靠性较高 。3. 2 燃烧特性分析煤炭气化与燃烧具有以下优点1 :完全 ,气体未完全燃烧损失 q3 大幅度减少 ,固体未完全燃烧损失 q4 亦相应减少 ,锅炉的效率可稳定的保持在 80 %以上 ; 煤气 进行无焰燃烧 ,焦碳燃烧很少产生碳黑粒子 ,烟气中飞灰及可燃 物浓度较小 ,工业锅炉排烟黑度可保持在林格曼 1 级以内 ; 燃料 综合利用率高 ,提高了锅炉的经济效益 。4 敞开式煤炭气化锅炉的优点 煤炭气化炉是一种将煤炭转化为煤气的高效 节 能 环 保 设备 ,将敞开式煤炭气化炉应用于工业锅炉作为燃料制备设备 ,产 生的煤气通过煤气燃烧器在炉膛中直接燃烧具有以下优点 :安全性能好 : 由于采用全负压 运 行 方 式 , 具 有 很 强 的 安 全 性 ,绝对不会出现燃烧器回火 ,也不会出现气化炉积聚燃气导致正压的情况 ,不存在爆炸的危险 。操作简单 :普通工人只要稍加培训即可完全胜任煤炭气化 炉的操作 。热效率高 :热效率高达 80 %以上 ,比相同容量直接燃煤锅炉 热效率高出很多 ,耗煤量只有燃煤锅炉的 60 %70 % ,节能优势 明显 ,其运行成本只有相同容量的燃气锅炉的 13 、燃油锅炉的14 。负荷适应性强 :负荷调节简单 ,只要控制气化风机和引风机 的开度即可轻松控制负荷 ,低负荷下亦能维持较高的锅炉效率 。 环保性能好 :煤炭中的灰份都留在气化炉内 ,只有煤气进入 锅炉的炉膛进行燃烧 ,燃烧生成的烟气中不含灰份 ,因此即使不 安装除尘设备 ,锅炉也几乎不排放粉尘 。另外 ,煤炭在气化炉中 的停留时间较长 ,灰份中的碱性物质会同煤燃烧生成的 SO2 反 应 ,起到一定的固硫效果 。如果燃用高硫煤 ,在气化炉内添加石灰石也可以控制 SO2 的排放浓度 。283 ,500 - 66 ,000 = 217 ,500 元比一台燃气锅炉每月节约燃料费用 :198 ,000 - 66 ,000 = 132 ,000 元从以上分析可以看出 ,煤炭气化锅炉与燃油气锅炉比较 ,在 同等情况下 ,每月节约燃料费用 2334 ,经济效果较为显著 。6 有关测试情况6. 1 热效率测试有关监测单位依附据 GBT10180 - 1998工业锅炉热工试验 规范和 JBT10094 - 1999工业锅炉通用技术条件分别对一台4th 和一台 2th 煤炭气化蒸汽锅炉在额定出力工况下检测 ,经测试 ,出力达 到 设 计 要 求 , 在 额 定 出 力 工 况 下 , 平 均 效 率 分 别 为82. 5 %和81. 77 % ,均达到并超过了设计要求 ( 80 %) 。这一效率 值接近目前运行的 35th 锅炉的热效率而远远高于同等燃煤锅 炉的热效率 。同时 ,由于燃气锅炉的热效率在 90 %左右 ,因此可 知 ,煤炭气化炉的气化效率超过了 90 % ,煤炭气化比较完全 ,炉 渣含炭量较低 。6. 2 环保监测情况有关环境检测单位依据 GB8468 - 91锅炉烟尘测试方法, 对一台配套 4th 的煤炭气化炉进行了监测 ,在额定工况下 ,烟尘 排放浓度为 39. 2mgm3 ,二氧化硫排放浓度为 332mgm3 ,烟气黑度小于林格曼 级 。 锅炉专用煤气发生炉已通过山东省环境保护产业协会的认可 ,取得山东省环境保护产品使用认可证书。7结束语我国是煤炭蕴藏十分丰富的国家 ,采用煤炭气化技术生产 煤气 ,节约工业油气燃料消耗量有着广泛的应用前景 。目前 ,根据国家和地方的环保政策 ,不少单位安装了燃油气 锅炉 ,运行费用居高不下 。根据以上分析 ,在条件具备的地方 , 煤炭气化炉是取代燃油锅炉 、燃气锅炉和燃煤锅炉燃烧设备的 最佳设备 ,将煤炭气化技术与锅炉结合 ,保护环境 ,降低运行费 用 ,节约能源 ,不仅可以获得较好的经济效益 ,同时也可以获得 良好的社会效益 ,是值得大力推广的一项技术 。并且利用现有 的燃油气锅炉改造