張序洪

【摘要】我國(guó)的煤炭占世界的15％，石油占2.7％，天然氣占0.9％。“富煤少油缺氣”是我國(guó)基本的能源格局。煤炭工業(yè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。因此，以煤為原料發(fā)展化學(xué)工業(yè)，以及由煤制取燃料油氣工業(yè)必須作為重要的課題對(duì)待。煤炭利用必將以潔凈煤技術(shù)為先導(dǎo)，充分利用化學(xué)這一物質(zhì)相互交換的手段來(lái)建立起既環(huán)境友好又綜合發(fā)展、高效益的新一代煤炭、能源、化工為一體的綜合型企業(yè)。

【關(guān)鍵詞】富氧制氣 環(huán)保 節(jié)能

1綜述

煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭和核心技術(shù)，煤炭氣化是潔凈、高效利用煤炭的最主要途徑之一，工業(yè)煤氣發(fā)生爐成為降低燃料成本的一次新的革命。目前煤氣化技術(shù)有固定床、流化床、氣流床三大類(lèi)型，我國(guó)使用最多的是固定床氣化工藝。存在的問(wèn)題主要有兩點(diǎn)：（1）熱值低，即CO與H2含量低，作為燃料氣時(shí)，產(chǎn)品產(chǎn)量上不去。（2）煤氣發(fā)生爐的煤碳是轉(zhuǎn)化成熱量？還是轉(zhuǎn)化成熱值？雖說(shuō)有些煤氣發(fā)生爐已經(jīng)完全燃燒，但由于轉(zhuǎn)化成煤氣比例太小，能源浪費(fèi)看不到。通?？諝庵醒醯捏w積含量為20.93%、氮為78.1%及其它少量惰性氣體等，真正參與燃燒的氧只占空氣總量1/5左右，而占空氣總量約4/5的氮和其它惰性氣體非但不助燃，反而將隨著燃燒的進(jìn)行帶走大量的熱能，造成熱能損失，同時(shí)在高溫下生成氮氧化物，造成大氣污染。人們把含氧量大于20.93%的空氣叫做富氧空氣。采用富氧氣化是降低煤耗、殘?zhí)己考疤岣呙簹鉄嶂档挠行緩健?/p>

2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

富氧助燃技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中關(guān)鍵因素之一是富氧空氣的制取，這是國(guó)內(nèi)外研究的主要課題。目前，氧氣制備主要有液化空氣的精餾（深冷法）、使用各種吸附劑進(jìn)行變壓吸附（PSA法）和利用氣體對(duì)膜的滲透性能不同進(jìn)行分離（膜法）等方法。近年來(lái)膜法富氧已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。膜法富氧技術(shù)在制備富氧方面的應(yīng)用正在迅速增長(zhǎng)，并正在取代其它高成本且操作不方便的分離技術(shù)。早在上世紀(jì)80年代初，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量人力物力來(lái)研究膜法富氧技術(shù)，特別是日本，由于能源緊張，日本先后有近20家公司推出膜法富氧裝置。該國(guó)曾在以氣、油、煤燃燒的不同場(chǎng)合進(jìn)行了各種富氧應(yīng)用試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：用23％的富氧助燃可節(jié)能10％～25％；用25%的富氧助燃可節(jié)能20％～40％，用27％的富氧助燃則節(jié)能高達(dá)30％～50％等。美國(guó)通用電氣公司UOP公司制造的富氧發(fā)生器可生產(chǎn)氧含量為30％的富氧空氣。聯(lián)邦德國(guó)在一座馬蹄型蓄熱爐上用27%的富氧試驗(yàn)，使熔化率增加了56.2％，能耗下降20％。瑞典、英國(guó)、德國(guó)在滾軋和鋁熔爐裝置上采用膜法富氧濃度25％～27％，節(jié)約燃料12％～28％，而原設(shè)備生產(chǎn)率提高17％～39％。值得一提的是國(guó)外絕大部分用的是整體增氧來(lái)助燃，所以投資非常大，故國(guó)外還沒(méi)有廣泛推廣應(yīng)用。

我國(guó)在上世紀(jì)80年代中期開(kāi)始研究此項(xiàng)技術(shù)，并取得了可喜的成果，已經(jīng)研制成功“LTV-PS富氧膜、φ100mm×l000mm卷式組件及裝置”。國(guó)內(nèi)在這方面的研究也有十多家，如清華大學(xué)、東北大學(xué)、中科院大化所、中科院廣州能源所、遼寧省鍋爐技術(shù)研究所等單位對(duì)膜法制氧及富氧燃燒技術(shù)都進(jìn)行了積極的探索與應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)以煤為原料采用氧氣、蒸汽為氣化劑連續(xù)制造煤氣的技術(shù)，已有魯奇加壓碎煤氣化、德士古加壓水煤漿氣化和U—GAS常壓碎煤氣化。國(guó)外還有謝爾加壓粉煤氣化技術(shù)等。富氧氣化技術(shù)早在60年代就有許多廠試用過(guò)，最后都因采用深冷法制氧成本高而停止應(yīng)用。90年代初，變壓吸附制氧裝置問(wèn)世，對(duì)富氧氣化應(yīng)用有了希望。

3方法分析

常壓固定床煤氣發(fā)生爐通常由爐體、加煤裝置、除灰裝置、旋轉(zhuǎn)爐篦及其傳動(dòng)裝置五大部分組成。其主體是爐體，在這里，固體燃料（煤或焦炭）與氣化劑（空氣或氧+水蒸汽）在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成氣體燃料（煤氣）。

在煤氣發(fā)生爐中固體燃料干鎦后的剩余可燃部分基本上是由碳（C）一組成的。因此，所有在氣化區(qū)中所發(fā)生的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上就是碳和鼓風(fēng)中的自由氧或結(jié)合氧所起的反應(yīng)．作為結(jié)合氧參與氣化反應(yīng)的，通常是二氧化碳和水蒸汽中的氧。下面列出在氣化區(qū)中進(jìn)行的基本化學(xué)反應(yīng)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表示放熱反應(yīng)-Q表示吸熱反應(yīng)

以上反應(yīng)中，前四種發(fā)生在氣化區(qū)的氧化燃燒層中。反應(yīng)式（1）為強(qiáng)放熱反應(yīng)，在該層中存在著大量的二氧化碳，且溫度很高。為制取煤氣必須將這些二氧化碳還原成CO，而氣化區(qū)的還原層即是完成造氣任務(wù)的，因此該層是煤氣發(fā)生爐的主要操作部分和生產(chǎn)部分。反應(yīng)式（5），（6）即是混合發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)過(guò)程中的基本化學(xué)反應(yīng)，為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速度較慢且可逆，處于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力區(qū)，（1）式放出的熱量Q越大，反應(yīng)式（5）和式（6）正反應(yīng)速度就越快，產(chǎn)生的CO和H2就越多，煤氣熱值也就越高。

采用CG3Q3.0-1兩段式煤氣發(fā)生爐的氣化過(guò)程性能參數(shù)，其中鼓風(fēng)流量是4700m3/h，煤氣產(chǎn)量是7000m3/h，煤氣熱值是6800kJ/m3，這是在空氣中含氧量為21%的情況。此時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)的氧氣量為：

4700×21%=987m3/h

氮?dú)饬繛椋?/p>

4700×（1-21%）=3713m3/h

煤氣產(chǎn)生的總發(fā)熱量為：

7000×6800=4.76×107kJ/h

如果當(dāng)空氣中的含氧量提高為22%時(shí)，則每小時(shí)所需鼓風(fēng)量為：

987÷22%=4486.3636m3/h

按上述計(jì)算，當(dāng)氧含量提高1%時(shí)，可使入爐的鼓風(fēng)量下降（實(shí)際是減少了空氣中的氮含量），下降量為：

4700－4486.3636=213.6364m3/h

煤氣中的氮含量減少為：

3713－213.6364=3499.3636m3/h

由于富氧前后所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的總發(fā)熱量不變，設(shè)富氧氣化后煤氣熱值為Z，則

4.76×107=（7000－213.6364）×Z

所以得，Z==7014.0657kJ/m3

由此可得，富氧氣化后，煤氣熱值的提高量為：

=3.148%

但采用富氧氣化后帶來(lái)了很多問(wèn)題。在氧化燃燒層中進(jìn)行的主要是放熱反應(yīng)，因此該層溫度很高。當(dāng)采用富氧作氣化劑時(shí)，燃燒層溫度會(huì)隨著氧含量的增加而升高。采用全氧氣化還導(dǎo)致的后果是：氣化溫度最高，使煤氣的溫度非常高，增加了產(chǎn)品余熱回收的難度，增加了裝置的投資；固態(tài)排渣，導(dǎo)致了灰渣溫度非常高，使得灰渣的余熱回收和處理困難，也增加了裝置的投資。

基于以上情況，可采取如下措施：（1）增加蒸汽量消除上述缺點(diǎn)，使其在安全的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作。當(dāng)水蒸汽消耗量增加到超過(guò)每千克碳0.6千克時(shí)，煤氣的熱值開(kāi)始顯著下降。（2）還可以適當(dāng)增大加煤量或適當(dāng)降低鼓風(fēng)速度或增加內(nèi)料層的高度，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，使氣固相充分接觸，減慢反應(yīng)速度，降低爐內(nèi)溫度。（3）在制造煤碳過(guò)程中加入少量生石灰，作為粘結(jié)劑，會(huì)起到很佳的固硫效果。（4）提高氣化過(guò)程的速度梯度可以有效降低NOx的生成，從而降低了熱力型NOx的生成。（5）爐篦結(jié)構(gòu)與灰盤(pán)的轉(zhuǎn)速要適當(dāng)，灰盤(pán)轉(zhuǎn)速慢，灰渣排不出?；覍痈叨仍黾樱剂蠈咏档?，氣化過(guò)程太快，會(huì)使氣化效率降低；灰盤(pán)轉(zhuǎn)速太快，使灰層降低，爐篦失去保護(hù)，未氣化完全的燃料碳隨灰渣排除，同樣增加了碳損失。（6）經(jīng)常對(duì)燃燒層、灰層進(jìn)行探測(cè)，即探火。通過(guò)探火孔對(duì)燃料層表面進(jìn)行觀察，插入探火桿對(duì)煤料層進(jìn)入深層調(diào)整，指導(dǎo)發(fā)生爐的操作，保持床層穩(wěn)定。（7）燃料煤所含水分的多少，煤的耐熱性、反應(yīng)能力及其粘結(jié)性，灰分的熔融性、結(jié)渣性等，對(duì)氣化過(guò)程都有顯著的影響。因此，在選用煤時(shí)也要注意一下其性質(zhì)。

與傳統(tǒng)蒸汽一空氣制取的混合煤氣相比，富氧煤氣采用富氧空氣與蒸汽的混合物作為氣化劑帶來(lái)很多效果：（1）提高了煤氣熱值，降低了鼓風(fēng)量，在一定程度上也就減小了煤氣發(fā)生爐的爐底壓力，有利于司爐操作，也大大減少了爐內(nèi)煤粉的飛揚(yáng)，煙道中煙灰及焦油也少了；（2）煤氣中氮的含量降低，由廢氣帶走的熱量也相應(yīng)減少，節(jié)約了能源；（3）鼓風(fēng)量中的氧含量提高，使煤與氧氣的接觸面積增加，使煤的氣化反應(yīng)更加充分，灰渣的殘?zhí)己肯陆?；?）氣化反應(yīng)速度加快、氣化強(qiáng)度提高。氣化反應(yīng)速度取決于碳的完全氧化反應(yīng)。（5）帶出物減少，碳利用率提高。（6）降低空氣過(guò)剩系數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的，同時(shí)，在一定程度上也大大地減少了投資，降低了運(yùn)行成本，利于環(huán)保和節(jié)能。

總之，采用富氧氣化后，在一定程度上能收到明顯的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4應(yīng)用前景及市場(chǎng)需求

我國(guó)每年要燒掉20億噸煤，而且每年都在增加。巨大的能耗是發(fā)展生產(chǎn)的沉重負(fù)擔(dān)，同時(shí)又釋放大量的有害煙塵和廢氣，嚴(yán)重的污染環(huán)境，危害人類(lèi)的身體健康。節(jié)能與環(huán)保是人類(lèi)生存必須重視的偉大工程。產(chǎn)品前景好的企業(yè)，在節(jié)能的同時(shí)又可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)品率，增強(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

富氧氣化技術(shù)是一項(xiàng)很有潛力的資源節(jié)約型環(huán)境友好型技術(shù)，國(guó)內(nèi)外作為高科技正在不斷拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，也具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有有推廣價(jià)值。

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