煤炭气化炉的应用技术分析

第22卷,总第125期《节能技术》Vol. 22, Sum. No.1252004年5月,第3期.ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay .2004,No.3煤炭气化炉的应用技术分析刘洪勤' ,范维海' ,靳成法' ,赵德友2(1.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;燃烧特性中图分类号:TK229.6文献标识码:A文章编号 :1002- 6339 (2004) 03 -0060-03The coal gasiftes the applied technique analysis of the CookerLIU Hong- qin, FAN Wei - hail ,JIN Chen- fa' ,ZHAO De- you'(1.Jinan Military District the Boiler Inspection Institute ,Jinan 250014, China;2.. Jinan Laxi heat Heat Pipe Boiler Factory , Jinan 250300, China)Abstract: According to the enegy 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 gasifyingtechnique measure to industry boiler. Applying the coal gasification technique refoms the fuel spirnt boiler can also ob-tain the obviously economic performance .Key words: coal gasifies; coal gasifes the cooker; coal gasifes the boiler; bum characteristic方式中寻找新的途径。1前言随着我国经济建设的迅速发展和环保意识的提高,国家对煤炭间接燃烧方式包括气化和液化两种。煤炭的液化分为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,可适用炉,保护蓝天的措施。为适应生产、生活的需要,不少单位采取于气化的褐煤、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2煤炭气化炉的工作原理问题。煤气的生产是一个连续的物理化学反应过程。煤炭气化炉从我国的能源结构来看,大量应用燃油气锅炉不符合我国(也称煤气发生炉)运行时,在炉内,燃料自下而上分为五层,分的能源政策。我国是世界上煤炭生产量和消费量最大的国家，别称作:灰渣层、氧化层、还原层、干馏层和干燥层;干燥层上面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为空层:氧化层与还原层统称为气化层。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原料煤由给煤装置均匀落在干馏层上面,在干馏层底部着单地取消燃煤锅炉,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,逐中国煤化工为三个阶段:第-阶段(室收稿日期2004-03-15 修订稿日期 2004-04-27iY片CN MH G阶段,煤的外形无变化,褐作者简介:刘洪勤(1957 ~ ),男,山东临沂人,济南军区锅炉检验所所煤在200心以上发生殴基及应,近300C时开始热解反应,烟煤和长高级I程师,主要从事锅炉检验管理和节能检测工作。无烟煤在这一-阶段一 般没什么变化。 脱水主要发生在120C以下,而脱气(CH,CO2和N)大致在200C左右完成。第二阶段(1)在煤炭气化炉中,煤层下部分是灰渣层,上部分是气化(300~ 600C)以解聚和分解反应为主,煤粘结成半焦,并发生-层。气化层产生-氧化碳、氢等可燃气体,在干馏层上部逸出来系列变化。煤在300C左右开始变化，并有煤气和焦油析出,在的可燃气体多数是碳氢化合物和少量- 氧化碳气体,由于炉排450C以上焦油含量最大,在450 ~ 600C气体析出量最多。烟煤底部供给的空气有限,气化炉内处于欠氧状态,这些可燃气体基在这一范围内变成胶质体。当温度升高到500C左右,胶质体分本不参与燃烧.有效的抑制“热力- NO"的产生,并且达到无黑烟解縮聚,固化为半焦。第三阶段(600- 100C)是半焦完成焦碳燃烧。的阶段,以缩聚反应为主,焦油量极少，挥发份主要是煤气，(2)煤气发生炉内的燃烧过程是预热干燥、干馏和气化反700C左右煤气成分主要是H,。750~ 000C之间,半焦变成高温应,此时煤处于缺氧状态,煤中的有机氮化学计量比小，并处在焦碳。高温焦碳与通入的气化剂(水蒸气)发生水煤气反应,产还原气氛中,只转变成无毒的氮分子。当这一部分氮分 子随煤生C0和H。反应过程如下:气进人锅炉内燃烧时,它已成为氮分子不参与燃烧。这一工况C+O2→CO2制止了煤里的氮转化成有毒的氮氧化合物。C+ CO2→2C0(3)干馏室内的煤焦温度- -般在700~ 900C ,炽热的煤焦的002 +2H2O -CH +202厚度-般在200~ 40mm,(视煤种而言),目的是保持一段气化C+ 2H0→C0+ 2H2 .层。还原层利用下面氧化层的热量发生气化反应,氧化层产生据某煤碳气化炉取样测定,生成煤气中各成分所占的比例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。-般为:CO为24%~31%、H2为10%一15% .CH为3% ~ 5%、同时与通人的水蒸气发生水煤气反应。如:CO2≤6% ,02 <0.5% ,煤气的发热值一般在5233.5~ 5652.18kJ。2C+ 0→2C0需要说明的是,不同的煤种,产生的煤气量和成分比例是不C+ CO,-→2C00同的，因而,煤气的发热值也不尽相同。C+ H20→C0+ H3煤炭气化锅炉的型式和燃烧特 性分析煤焦氧化产生的二氧化碳能够转变成一氧化碳,产生水煤气效女。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,已经由以上分析可看出,在煤气发生炉中产生的主要燃烧物质广泛应用于机械、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),序中。近几年,作为一项嫁接技术,经过一定的技术改造,已成使其完全燃烧外,为强化- - 氧化碳燃烧提高其燃烧速度,应补充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达到700C以上,做为油气的替代燃料直接在锅炉中燃烧,大大的燃烧速度。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、w.= [co]∞[H20]sO2排放浓度、NOx排放浓度符合国家环保的有关指标,烟气黑在混合气体的燃烧中水蒸气的含量不应超过10%,否则将度小于I级,均未超出CB3271-2001《锅炉大气污染物排放标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准》II时段标准限值。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煤气发生炉应用于锅炉的工艺流程如图1: .反应机理- -般认为是这样的:在链锁反应中起活化作用的是H、| 通人空气混合0和OH等原子或原子团,其中HO分子被分解成OH参与反感料煤应。在OH等活化中心参与下,- -氧化碳的链锁反应按下列方式展开:CO+ 0H→CO2 +H国图=H+O-→0H+O0+H- +OH+H图1 煤炭气化锅炉的工艺流程C0+ 0H→CO2 +H .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综合上述,Co燃烧链锁反应的总效果是: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OH+ 2C0+02 + H2→2C02 + OH+ 2H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，从这个链锁反应中可以看出，每产生两个CO2分子,同时也主要用于出力比较大的锅炉。敞开式煤炭气化炉,其炉体本身产生两中国煤化工H)又起活化中心的作不承压,处于常压状态,煤气在锅炉炉膛内燃烧主要采用负压通用,促YHCNMHG而也就强化了一氧化风方式,生产操作简单,安全可靠性较高。碳燃烧。热煤气出口温度大都超过700C ,且其中还含有一定数3.2 燃烧特性分析量的水蒸气和氢，因此只要-氧化碳与氧与水蒸气混合，肯定会煤炭气化与燃烧具有以下优点":迅速地完全燃烧。,61.由以上燃烧特性分析可以看出,煤炭气化锅炉具有普通工由此可见,在每天运行10h的情况下同样- - 台2.8MW煤炭业锅炉所无法比拟的优点:媒气化可使煤炭中可燃物质燃烧更气化锅炉比一台燃油锅炉每月节约燃料费用:完全,气体未完全燃烧损失9;大幅度碱少,固体未完全燃烧损283,500- 6,000= 217,500元失g。亦相应臧少.锅炉的效率可稳定的保持在80%以上;煤气比一台燃气锅炉每月节约燃料费用:198.000- 6,000= 132.000元进行无焰燃烧,焦碳燃烧很少产生碳黑粒子,烟气中飞灰及可燃从以上分析可以看出.煤炭气化锅炉与燃油气锅炉比较,在物浓度较小,工业锅炉排烟黑度可保持在林格曼I级以内;燃料同等情况下,每月节约燃料费用23 ~ 3/4,经济效果较为显著。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6有关测试情况煤炭气化炉是一种将煤炭转化为煤气的高效节能环保设6.1热效率测试备,将敞开式煤炭气化炉应用于工业锅炉作为燃料制备设备,产有关监测单位依附据CB/T10180- 1998<工业锅炉热工试验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:规范》和JB1040- 199《工业锅炉通用技术条件)分别对-台安全性能好:由于采用全负压运行方式,具有很强的安全4Vh和- -台2/h煤炭气化蒸汽锅炉在额定出力工况下检测,经测性,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试,出力达到设计要求，在额定出力工况下,平均效率分别为正压的情况,不存在爆炸的危险。82.5%和81.77% ,均达到并超过了设计要求(80%)。这-效率操作简单:普通工人只要稍加培训即可完全胜任煤炭气化值接近目前运行的35/h锅炉的热效率而远远高于同等燃煤钢炉的操作。炉的热效率。同时,由于燃气锅炉的热效率在90%左右,因此可热效率高:热效率高达80%以上,比相同容量直接燃煤锅炉知,煤炭气化炉的气化效率超过了90% ,煤炭气化比较完全,炉热效率高出很多,耗煤量只有燃煤锅炉的60% - 70%，节能优势渣含炭量较低。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6.2环保监测情况1/4。有关环境检测单位依据GB8468 - 91《锅炉烟尘测试方法》，负荷适应性强:负荷调节简单,只要控制气化风机和引风机对一台配套4Uh的煤炭气化炉进行了监测,在额定工况下,烟尘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。排放浓度为39. 2mgm' ,二氧化硫排放浓度为332mg/m/ ,烟气黑环保性能好:煤炭中的灰份都留在气化炉内,只有煤气进入度小于林格曼I级。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可,取得<山东省环境保护产品使用认可证书》。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7结束语应,起到- -定的固硫效果。如果燃用高硫煤，在气化炉内添加石我国是煤炭蕴藏+分丰富的国家,采用煤炭气化技术生产灰石也可以控制so,的排放浓度。煤气,节约工业油气燃料消耗量有着广泛的应用前景。5综合性能对比.目前,根据国家和地方的环保政策,不少单位安装了燃油气我们以2.8MW的热水锅炉为例，分别以燃煤燃油燃气和锅炉,运行费用居高不下。根据以上分析,在条件具备的地方，煤制气为燃料的锅炉进行一下综合性能对比,见表 1。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表1 2.8MW 锅炉综合性能对比最佳设备,将煤炭气化技术与锅炉结合,保护环境,降低运行费提护类型位燃煤燃油锅炉锅炉气煤炭气用,节约能源,不仅可以获得较好的经济效益,同时也可以获得项.E锅炉化锅炉良好的社会效益,是值得大力推广的一项技术。并且利用现有供热量的燃油气锅炉改造为煤炭气化锅炉.也取得了实用性技术成果，w 2.82..8(每小时)效益亦相当可观。0kg270kg 30Mm? 50kg燃料耗量小时参考文献(280元/) (300元1) (2元) (400元0)(1)董君武,李孝勇.锅炉安装调试运行维护实用手册[M).北京:地燃料费用元210元 945元 660元 220元震出版社，1991090~ 1091.(2]宋行强,杨冬.马振兴,锅炉洁净燃煤新方案-分离燃烧[].节能月燃料费用; 63.0000 283.000 198.000 600技术,2003,3.10hx30天节能情况.良不节能不节能 节能优污染情况污染严重达标达标中国煤化工能技术设备管理杂简单MYHCNMH G综合分析差般，62