在陶瓷、玻璃、鋼鐵、機械、有色金屬冶煉等行業(yè)中經(jīng)常利用工業(yè)燃氣作為原料，煤氣化作為制備工業(yè)燃氣的主要技術(shù)也得到廣泛關(guān)注[1-4]。采用固定床氣化技術(shù)制備工業(yè)燃氣的煤氣發(fā)生爐主要有單段式煤氣發(fā)生爐、兩段式煤氣發(fā)生爐。國家頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄》(2011年)將單段式煤氣發(fā)生爐項目(不含粉煤氣化爐)列為淘汰類建設項目。受到國家限制單段式煤氣發(fā)生爐建設的影響，企業(yè)逐步采用兩段式煤氣發(fā)生爐制備工業(yè)燃氣。兩段式煤氣發(fā)生爐分別有上下兩個煤氣出口，各輸出不同熱值的煤氣，氣化效率與綜合熱效率比單段式煤氣發(fā)生爐高。

　　兩段式煤氣發(fā)生爐采用固定床氣化技術(shù)，因而原料煤為塊煤。隨著機械化采煤技術(shù)的應用，粉煤產(chǎn)率逐漸增加，這使得塊煤的價格居高不下并且供應量有限，在一定程度上制約了工業(yè)燃氣的穩(wěn)定生產(chǎn)，也增加了企業(yè)的能源成本。因此，許多企業(yè)也逐漸重視粉煤氣化技術(shù)在工業(yè)燃氣制備領(lǐng)域的應用?；胰劬哿骰卜勖簹饣夹g(shù)作為先進的國有煤氣化技術(shù)是制備工業(yè)燃氣的經(jīng)濟有效方式，本文對兩段式煤氣發(fā)生爐與灰熔聚流化床氣化爐用于制備工業(yè)燃氣的技術(shù)經(jīng)濟性進行對比分析。

　　1　結(jié)構(gòu)特點及工藝流程

　　①兩段式煤氣發(fā)生爐

　　兩段式煤氣發(fā)生爐制氣工藝流程見圖1。由圖1可知，兩段式煤氣發(fā)生爐有明顯區(qū)分的干餾段、氣化段。原料煤進人兩段式煤氣發(fā)生爐后在干餾段受氣化段上升的熱煤氣加熱，先失去水分進而脫出揮發(fā)分，產(chǎn)生熱值較高的低溫干餾煤氣、低溫干餾半焦。由氣化段煤氣與低溫干餾煤氣組成的干餾段煤氣(也稱為上段煤氣)經(jīng)爐頂排出。煤經(jīng)干餾段成為低溫干餾半焦后進入氣化段，與蒸汽及空氣逆流接觸發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生的氣化段煤氣(也稱為下段煤氣)經(jīng)氣化段上部排出。

　　由于干餾段為煤的低溫干餾，因此干餾段煤氣含有未裂解的輕質(zhì)焦油，需要采用除焦器去除干餾段煤氣中的焦油。氣化段煤氣往往含有炭黑、灰塵、水分，需要采用旋風除塵器等設備進行除塵[5]，并利用換熱設備脫除氣化段煤氣中的水分。經(jīng)處理后的干餾段煤氣、氣化段煤氣混合后經(jīng)煤氣加壓機及脫硫后供給用戶。

　?、诨胰劬哿骰矚饣癄t

　　灰熔聚流化床氣化技術(shù)是在傳統(tǒng)流化床氣化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的?；胰劬哿骰矚饣癄t以粉煤為原料，以空氣、氧氣或富氧為氧化劑，蒸汽或二氧化碳為氣化劑，根據(jù)粉煤的粒徑及煤質(zhì)特性選擇流化氣速使床層中粉煤沸騰，床中物料強烈返混，氣固兩相充分混合，在氣化反應主要區(qū)域內(nèi)溫度均一。將氣化溫度提高到1000～1200℃，適用煤種從高活性褐煤、次煙煤擴展到煙煤、無煙煤[6]。

　　灰熔聚流化床氣化爐結(jié)構(gòu)見圖2，灰熔聚流化床氣化爐底部設計了灰團聚分離裝置，形成床內(nèi)局部高溫區(qū)，使灰渣團聚成球，借助重量的差異達到灰團與半焦的分離，在非結(jié)渣情況下，連續(xù)有選擇地排出低含碳量的灰渣。

　　灰熔聚流化床氣化爐制氣工藝流程見圖3。入爐粉煤送入氣化爐內(nèi)與氣化劑發(fā)生氣化反應產(chǎn)生高溫煤氣。高溫煤氣帶出的細粉大部分經(jīng)一級旋風分離器捕集，返回氣化爐進一步氣化，二級旋風分離器捕集少量細粉并排出系統(tǒng)。除塵后的熱煤氣依次進入廢熱鍋爐、脫氧水預熱器回收熱量，再經(jīng)粗煤氣水洗塔、閃蒸塔處理后送至用戶。

　　2　氣化用煤特性分析

　　兩段式煤氣發(fā)生爐適宜氣化的煤種為不粘煤、弱粘煤、長焰煤等煙煤。雖然相對單段式煤氣發(fā)生爐而言，兩段式煤氣發(fā)生爐適用煤種范圍較寬，但是對原料煤的指標仍然要求比較嚴格。兩段式煤氣發(fā)生爐原料煤種的技術(shù)指標見表1。塊煤限下率：塊煤中小于規(guī)定粒徑下限部分的質(zhì)量分數(shù)。熱穩(wěn)定性指標TS+6：量取一定量粒徑為6～13mm的煤樣，在(850±15)℃的馬弗爐內(nèi)隔絕空氣條件下加熱30min后稱量、篩分，粒徑大于6mm的殘焦質(zhì)量占各級粒徑殘焦質(zhì)量之和的百分比?？顾閺姸缺碚饕欢降拿簶幼杂陕湎潞罂蛊扑榈哪芰Γ簩⒘綖?0～100mm的塊煤從2m高處自由落到規(guī)定厚度的鋼板上，然后將落下的煤中粒徑大于25mm的塊煤再次落下，共落下3次，以破碎后粒徑大于25mm的塊煤占原煤樣的質(zhì)量分數(shù)表示煤的抗碎強度。

　　與兩段式煤氣發(fā)生爐對煤種的嚴格要求相比，灰熔聚流化床氣化爐適用的煤種相對寬泛，可實現(xiàn)原料煤的本地化。目前，灰熔聚流化床氣化爐已經(jīng)進行過冶金焦、太原東山瘦煤、太原西山焦煤、太原王封貧瘦煤、陜西神木弱粘結(jié)性長焰煤、焦煤洗中煤、陜西彬縣煙煤、文山褐煤、霍林河褐煤、山西晉城無煙煤、山西陽泉無煙煤及石油焦的氣化試驗，累積試驗時間逾5000h?；胰劬哿骰矚饣癄t部分試驗煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2。焦渣特性代號越大說明粘結(jié)性越強，1～2號為無粘結(jié)性，3～4號為弱粘結(jié)性，5～8號為較強粘結(jié)性。試驗結(jié)果表明，所有試驗煤種在灰熔聚流化床氣化爐中都能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定氣化，氣化效果理想。但不同煤種的氣化技術(shù)經(jīng)濟指標與操作特性略有不同，氣化系統(tǒng)需按具體煤種確定相應操作參數(shù)。

　　3　單爐生產(chǎn)能力

　　灰熔聚流化床氣化爐可以實現(xiàn)加壓操作，使得單爐的粉煤處理量相比常壓氣化爐大幅增加。如直徑為2.4m的灰熔聚流化床氣化爐在0.4MPa下的單爐生產(chǎn)能力可達到(3.5～4.0)×104m3/h，而直徑為3m的兩段式煤氣發(fā)生爐單爐生產(chǎn)能力一般僅為5000～6000m3/h。

　　灰熔聚流化床氣化爐單爐生產(chǎn)能力的提升，不僅可以滿足工業(yè)燃氣生產(chǎn)大型化的需求，而且使得氣化車間占地面積減小，有效節(jié)約廠區(qū)用地。另外，操作人數(shù)也隨著氣化爐數(shù)量的減少而減少，為企業(yè)節(jié)省了人力成本。

　　4　環(huán)境保護及節(jié)能效果

　　兩段式煤氣發(fā)生爐的氣化原理基于固定床氣化，原料煤與氣化劑在氣化爐內(nèi)逆向運行接觸發(fā)生反應。在氣化爐上部干餾段中發(fā)生煤熱解反應而產(chǎn)生的煤氣未在氣化爐內(nèi)完全裂解，使得出氣化爐的干餾段煤氣中含有大量的焦油及酚類物質(zhì)，有機硫化物含量也較高。粗煤氣經(jīng)過凈化處理后產(chǎn)生的含酚廢水及焦油渣不易處理，容易造成環(huán)境污染。兩段式煤氣發(fā)生爐處理單位質(zhì)量原料煤產(chǎn)生的含酚廢水量約100kg/t，含酚廢水中主要含有酚類、氰化物、焦油、懸浮物、硫化物和氨氮等有毒物質(zhì)，其中酚質(zhì)量濃度為8500～10000mg/L。含酚廢水中有機物濃度高，生化有毒及抑制性物質(zhì)多，生化處理過程難以實現(xiàn)有機污染物的完全降解。在工業(yè)廢水達標排放要求日趨嚴格且水資源供應普遍緊張的現(xiàn)狀下，實現(xiàn)廢水的資源化利用和無害化處理尤為重要。目前，煤氣發(fā)生爐含酚廢水處理成本較高，如采用焚燒法焚燒單位質(zhì)量含酚廢水(其中酚的質(zhì)量濃度為8500～10000mg/L)的成本為1200～1500元/t[7]。

　　灰熔聚流化床氣化爐采用傳質(zhì)、傳熱效率較高的流化床處理粉煤，粉煤與氣化劑在底部濃相區(qū)進入氣化爐即開始發(fā)生反應，煤在氣化爐內(nèi)一次實現(xiàn)破粘、脫揮發(fā)分、氣化、灰團聚及分離、焦油及酚類的裂解等過程，煤熱解與氣化產(chǎn)生的煤氣均通過了高溫區(qū)域發(fā)生裂解，幾乎不產(chǎn)生焦油、酚類物質(zhì)及有機硫化物。

　　對于節(jié)能效果，在相同規(guī)模下，灰熔聚流化床氣化爐配置數(shù)量少，輔助設施少，氣化系統(tǒng)的散熱損失也相應較低。另外，灰熔聚流化床氣化爐產(chǎn)生的帶壓力的煤氣可以根據(jù)用戶需求配套壓力能回收裝置，進而產(chǎn)生節(jié)能效益。

　　5　經(jīng)濟性

　　企業(yè)在新建或改造工業(yè)燃氣站時都會關(guān)注氣化系統(tǒng)造價。以產(chǎn)量為10×104m3/h的工業(yè)燃氣站為例，制備的煤氣目標低熱值為6270kJ/m3。分別采用兩段式煤氣發(fā)生爐、灰熔聚流化床氣化爐時氣化系統(tǒng)造價見表3。

　　由表3可知，生產(chǎn)規(guī)模相同時，兩種氣化工藝需配置的氣化爐數(shù)量有明顯差別，兩段式煤氣發(fā)生爐配置數(shù)量是灰熔聚流化床氣化爐的6倍左右。但在造價上，后者為前者的2倍左右。由于灰熔聚流化床氣化爐可以使用來源廣泛的廉價劣質(zhì)粉煤，與兩段式煤氣發(fā)生爐需要使用優(yōu)質(zhì)塊煤相比，灰熔聚流化床氣化爐的運行成本具有明顯優(yōu)勢，可在比較短的時間內(nèi)收回差額投資。因此，企業(yè)在選擇氣化工藝時不要只關(guān)注氣化系統(tǒng)的造價，應該綜合考慮原料煤特性及運行成本等綜合因素。

　　6　結(jié)語

　　我國的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)仍以煤炭為主，利用煤炭制備工業(yè)燃氣是企業(yè)較為合理的選擇。雖然兩段式煤氣發(fā)生爐的技術(shù)成熟，但始終無法擺脫對塊煤的需求。隨著機械化采煤技術(shù)的發(fā)展，采煤過程中獲得的塊煤數(shù)量減少，粉煤產(chǎn)量逐年增加，因此粉煤氣化制備工業(yè)燃氣是今后的發(fā)展方向。相對于傳統(tǒng)的兩段式煤氣發(fā)生爐，灰熔聚流化床氣化爐具有適用煤種范圍廣、單爐生產(chǎn)能力大、運行成本低、節(jié)能環(huán)保效果好等優(yōu)勢，適應了煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)制備工業(yè)燃氣優(yōu)選的氣化技術(shù)。

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