煤棒制气应重点注意的几个方面 -------------------------------------------------------------------------------- 多年来，小氮肥行业开展了各种粉煤成型的气化试验和推广。煤棒造气由于其设备较简单、投资少，占地面积小，制出半水煤气的气质和气量能满足合成氨生产的需要，较大幅度地降低了氮肥生产成本，深受企业欢迎。湖南全省近60家小氮肥厂都采用煤棒制气(炉型从φ2260～φ2650)，对保证生产、提高企业经济效益起到了积极作用。 煤棒在强度和固定碳含量上不及块煤，刚制出的煤棒其水分含量高达13％～14％。在煤棒制气中要针对这一特点，采取相应的措施，对气化工艺进行相应调整。 在煤棒制气中应重点注意以下几点。 1 注意入炉煤的质量 原料煤的性质，特别是其固定碳含量、化学活性、机械强度、热稳定性、灰熔点、块度等对气化反应有较大的影响。煤棒块度比较均匀，它的孔隙率也比块煤高得多，人炉经干燥、干馏后形成多孔结构，比表面积很大。其粘结剂的组分也有一定提高气化活性的作用，能降低气化温度，提高气化强度。但其固定碳含量、机械强度、热稳定性等方面和块煤相比有较大差距，必须加以弥补。 山西煤固定碳含量高、化学活性好，是造气的首选原料。但山西煤为砂性，硬度大，弹性高，亲水性差，成型效果不好，一直影响着山西煤制煤棒用于造气。90年代以来，引入
腐植酸类作为煤棒粘结剂，并将亲水性煤和砂性煤合理搭配，使山西、煤制作煤棒得以成功，煤棒气化水平也有了较大的提高。 在煤棒加工过程中，必须认真把好除矸、配煤、粉碎、加添加剂、堆沤、水分控制、煤棒直径和冷煤棒入炉等各个环节。 配煤时既要考虑原料煤的质量(主要看固定炭、化学活性等指标)，又要考虑煤棒的强度。目前有的企业山西煤可以掺到70％～80％，一般50％也就可以达到较好的水平。 堆沤使粘结剂和水分有足够的时间均匀渗入原煤颗粒，这是保证煤棒热稳定性的一个必不可少的环节。 冷煤棒入炉也很重要，刚制出的煤棒水分在13％～14％左右。为使其水分在入炉前迅速蒸发，一般都配有足够数量的空心斗车，每台造气炉配50台车。入炉时煤棒水分可以降低2％～4％，既增加了其冷态强度，也增加其热稳定性，避免了入炉后因水分急剧蒸发所造成的粉化，也减少了干燥干馏层厚度，增厚了炉内有效炭层，提高了制气强度。 为满足煤棒加工过程中的上述工艺要求，煤棒设备与配套流程要合理布置，便于操作。 2 保证合适的风量以提高炭层的蓄热水平 在制气过程中，吹风为制气反应提供热量，是控制制气过程的关键。保证合适的风量是增加炭层蓄热量、提高气化水平的前提。 在制气循环中，吹风时间受到造气炉及管网系统的阻力、燃料特性、蒸汽流量等诸多因素的影响，因此应采用科学试验的方法对本厂各台造气炉确定合适的吹风时间。
离心风机的风量和阻力成反比。对于造气系统的阻力要认真对待，扩大管道、阀门，尽可能简化流程设备。但管网的直径也并非越大越好，应当作一些基本的计算和实测。在一般情况下，吹风流量在19 000～20 000m3／h(标态)，空气总管为Dg650～700即可。 根据煤气炉热平衡的关系，吹风气量和半水煤气量的关系以0.95～1.00为宜。显然，要保持较高的煤气产量必须要保证足够的吹风量，但吹风量分别受到吹风时间和煤棒强度的限制。 煤棒质量好，炭层不易吹翻，带出物少，吹风效率高。根据实测，我省一些煤棒气化的氮肥厂吹风带出物(集尘器及飞灰)含碳量占人炉炭的比例(η1)见表1。 一般来说，这部分碳损失是可以达到小于4％。 在系统阻力过大或煤棒质量不好的情况下，被迫降低空速、延长吹风时间，这是最刁；可取的。这不但缩短了制气时间，也易在吹风过程中产生副反应： CO2+C→2CO-164.95 kJ 不但消耗了碳，而且损失了大量热量，生成的CO又白白地放空。所以煤棒气化同样要创造条件，在不吹翻炭层的前提下尽可能加大吹风速率，减少CO2和炭接触的时间，降低吹风气中CO，提高吹风效率。由于煤棒制气需要蒸发的水分大大高于块煤制气，因此吹风量相对要多些，如何严格控制好吹风量和降低吹风气中的CO就是一个值得重视的问题。吹风气中含碳占人炉炭的比例(η2)见表2。近2年经过调整，吹风气中CO含量有所降低。 在保证足够的入炉风量的前提下，才能产生较好的半水煤气气量和气质。我省煤棒气化条件下，半水煤气中CO2体积分数<8％，CO体积分数>30％。 3 合理的蒸汽流量 制气阶段是水蒸气和赤热的炭进行反应。合理调节蒸汽流量要注意2个概念：(1)单位时间内所分解的蒸汽量；(2)蒸汽分解率。它首先是从提高蒸汽利用率，降低消耗的角度提出来的。从增产节能的角度出发，希望在较高的蒸汽分解率的情况下产出最多的半水煤气。 半水煤气中过高的H2含量必然会造成蒸汽消耗过高。在氨合成中(CO+H2)／N2一般为2.2～2.8，过高的氢并不合理，必然会增加蒸汽的消耗。目前有的厂半水煤气中H2高达41％～45％，显然是很大的浪费。煤棒本身含有较高的水分，再加上过量的蒸汽进入造气炉，使炉温下降加剧，引起蒸汽分解率下降，也影响到半水煤气的气量和气质。一般来说，煤棒气化中H2含量不大于40％比较合理。 从提高蒸汽分解率的角度来说，蒸汽量越大，炉温波动大，蒸汽流速过大，使蒸汽分解率下降；未分解的蒸汽又带走气化层的热量，导致气化层温度急剧下降而使煤气质量、产量明显降低，增加煤耗和蒸汽消耗量。我省几家煤棒造气蒸汽分解率(η3)的测定结果见表3。 采用过热蒸汽制气及上吹加氮，也是提高蒸汽分解率的有效办法。 在努力提高蒸汽分解率的同时，也要防止追求过分强调提高蒸汽分解率而使蒸汽用量过少，从而影响半水煤气产量和引起炉内结疤。 4 恰当的循环时间分配 在确定了合理吹风量、吹风时间及蒸汽用量的情况下，确定合理的循环时间分配也很重要。 合理确定循环时间对稳定炉况、尽可能减少热损失和稳定制气效率起很重要的作用。各厂设备和操作条件不同，循环时间分配也不能照搬，我省部分煤棒气化厂循环时间的分配见表4。 总的来说，在制气阶段中上吹过程煤气将气化层的热量及温度移向炭层上部，提高了炉顶温度，所以上吹时间不能过长，否则气体带出显热增加。气化层上移，破坏了炉内反应区温度的正常分布，特别使上部煤棒水分受热急剧膨胀而粉化，这是要严格把关的。下吹过程蒸汽吸收了炉面的热量，在降低炉顶温度的同时将气化层的高热量移向炭层底部，使吹风过程中上移的高温区向下移动。由于降低了炉面温度减少气体带出的热损失，保证了足够的干馏、干燥层，使煤棒能缓慢地蒸发水分，这对保持煤棒的完整及稳定气化层高温区的位置十分有利，也利于炉内热量的积蓄。如果下吹时间过长，使气化层高温区下移，将提高炉底温度，煤气带出显热增加，炉箅易变形损坏。 在正常情况下，无论何种原料，上行煤气温度总比下行煤气温度要高。因为进入上吹前才吹风，炭层中积存了热量，温度也高，所以上吹阶段出口气体所带走显热要大。而下吹阶段炭层中积存的热量被利用了一部分，气化层温度也较低，所以下行气体所带走的显热要少。这要求下吹时间要比上吹长一些，这对煤棒制气厂尤其重要。这里还要强调的是下吹时间的增加，必须和下吹蒸汽用量相匹配。一般来说顶底温度不超过350℃和250℃，并且温度在每个加炭周期中呈“之”字型变化，它们的轨迹基本相同；上吹与下吹蒸汽分解率比较接近，两者的差值<8％较为合适。“上吹短而强，下吹长而弱”的制气方法，就简洁地概括了煤棒制气的工艺条件。 当然对于使用灰熔点低、煤质太差的原料煤的厂家，可适当增加上吹、减少下吹，以避免气化层温度过高而造成结疤。灰熔点与煤的灰分含量高低直接有关，它还与灰分中有关
金属氧化物的含量有关，即灰熔点正比于(SiO2+Al2O3)／(Fe2O3+CaO+MgO)值。在保证入炉煤质稳定的前提下，各厂根据煤质的情况，可以使煤棒制气能力提高到一个新的水平。 5 关于设备和控制系统 我省在1970年后就有数十家氮肥厂采用煤棒制气，煤棒制取设备都是各厂自行设计加工或委托加工的，在煤棒强度和生产能力上满足不了气化工艺要求，流程也不合理。在对全省各种煤棒设备综合比较的基础上，湖南省化肥工业公司和省机械研究所合作定型设计了全套煤棒生产设备，由长沙压力机床厂生产，并编制了合理的工艺流程，这就保证了煤棒强度和生产水平完全满足气化工艺的要求。 煤棒制作的主要设备见表5。 一般来说，煤棒气化强度要低于优质块煤制气。为提高煤棒气化水平，要求稍高的料层温度，再通过工艺调整使炉内有轻度而疏松的疤块。为适应这种操作情况，对炉子和炉箅可作适当改造。 长沙仪峰自控节能技术研究所在已有基础上针对煤棒气化工艺的特点，开发出针对煤棒气化的造气微机寻优控制专家系统。直接采用了上行及下行煤气温度与炉况的稳定、气化层的位置以及热量损失等方面的相应关系，通过模糊控制和专家系统等寻优方法，在确保炉况稳定的前提下，对吹风时间和上、下吹时间比例进行寻优，再根据气量、气质、炉渣变化等情况人机结合达到增产节能的目的。整个系统采集信号简单、适应性强，且便于安装、维护，在多家采用煤棒造气的厂家都取得了较好的效果。
