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1、煤气发生炉简介一、原理固体燃料用气化剂进行热加工，得到可燃性气体的过程称为固体燃料的气化，又称为造气， 所得的气体统称为气化煤气， 用来与燃料进行气化反应的气体称为气化剂。 常压固定床煤气发生炉， 一般以块状无烟煤或烟煤等为原料，用蒸汽或蒸汽与空气的混合气体作气化剂，生产以一氧化碳和氢气为主要可燃成分的气化煤气。 1、煤气炉内燃料层的分区 煤气发生炉燃料层分区示意图 1干燥层 2干馏层 3还原层 4氧化层 5灰渣层 固体燃料的气化反应， 按煤气炉内生产过程进行的特性分为五层，如图所示：干燥层在燃料层顶部，燃料与热的煤接触，燃料中的水分得以蒸发；干馏层在干燥层下面， 由于温度条件与干馏炉相似，
2、燃料发生热分解， 放出挥发分及其它干馏产物变成焦炭， 焦炭由干馏层转入气化层进行热化学反应；气化层煤气炉内气化过程的主要区域， 燃料中的炭和气化剂在此区域发生激烈的化学反应，鉴于反应条件的不同，气化层还可以分为氧化层和还原层。 （1）氧化层：碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳和一氧化碳，并放出大量的热量。煤气的热化学反应所需的热量靠此来维持。氧化层温度一般维持在1100 1250 ，这决定于原料煤灰熔点的高低。 （2）还原层：还原层是生成主要可燃气体的区域，二氧化碳与灼热碳起作用，进行吸热化学反应， 生产可燃的一氧化碳； 水蒸气与灼热碳进行吸热化学反应，生成可燃的一氧化碳和氢气，同时吸收大量的热。
3、 灰渣层气化后炉渣所形成的灰层，它能预热和均匀分布自炉底进入的气化剂，并起着保护炉条和灰盘的作用。 燃料层里不同区层的高度， 随燃料的种类、性质的差别和采用的气化剂、 气化条件不同而异。 而且，各区层之间没有明显的分界，往往是互相交错的。 2.固体燃料气化反应的基本原理 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 固定床煤气发生炉制造燃气， 首先使得空气通过燃料层， 碳与氧发生放热反应以提高温度。 随后使蒸汽和空气混合通过
4、燃料层，碳与蒸汽和氧气发生吸热和放热的混合反应以生成发生炉煤气。 2.1以空气作为气化剂的气化反应 空气从炉底经过， 经灰渣层预热后到达氧化层， 此时气体中的氧与炽热的碳接触，发生如下反应： 2C+O2=2CO+221.2kJ(2-1) 2CO+O2=2CO2+566.0kJ(2-2) C+O2=CO2+393.8kJ(2-3) 气体往上升，到还原层，气体中的CO2 与碳发生化学反应： CO2+C=2CO-172.6kJ(2-4) 2.2蒸汽为气化剂的气化反应 水蒸汽与碳的气化反应， 主要是灼热的碳将氢从其氧化物水中还原出来，在煤气生产中， 通常叫作蒸汽分解。 蒸汽通过高温燃料层时， 最先通过
5、的气化层称为主还原层，随后通过的气化层称为次还原层。 在还原层里，主要发生如下反应： C+2H2O=CO2+2H2-90.2kJ(2-5) C+H2O=CO+H2-131.4kJ(2-6) 在主还原层生成的二氧化碳，在次还原层被还原成一氧化碳： C+CO2=2CO-172.6kJ(2-7) 从造气阶段的化学反应原理， 希望形成有利于蒸汽分解和二氧化碳还原反应的条件，所以可以认为： 提高气化层的厚度和温度是有利的，适当地降低蒸汽的流速也是很有利的。 在碳与蒸汽的化学反应中， 增加气化层厚度、 降低气流速度等措施， 可使得反应速度加快，又能使得一氧化碳的含量增加， 提高蒸汽分解率。 3.煤在带干馏
6、段煤气发生炉内的气化反应过程 煤在带干馏段煤气发生炉内的气化反应过程，可概括为下图所示的状况。煤在带干馏段煤气发生炉气化反应过程示意图解 2040mm的块煤从炉顶部的加煤装置被送入炉内，并且自上而下地缓缓移动，经过干燥、干馏、气化，完成全部反应过程之后，形成炉渣从炉底排出。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 由空气和水蒸汽所组成的气化剂，从炉底炉篦进入炉内， 自下而上地逆流而上，并且均匀分布于各反应层之间，进行热
7、交换和一系列化学反应，所产生的煤气，从顶部煤气出口排出。 在炉内自下而上大致形成以下几个区段： （1）灰渣层 处于炉篦上方， 经燃烧反应所形成的灰渣层， 通过与鼓进的气化剂进行热交换之后，温度有所下降， 既能保护炉篦使其不被烧坏， 又对气化剂起到一定的预热作用。 （2）氧化层 炉内气化反应过程的主要区段之一。经灰渣层预热过的气化剂， 自下而上穿行，与灼热的焦炭接触反应，并放出大量的热： C+O2 CO2+394.55kJ/mol 炉内氧化层的温度最高，通常可达到11001200 。在氧化层内，气化剂中的氧迅速被消耗殆尽并生成CO2 ，在氧化层上端截面上，CO2 的生成量达到最大值。 （3）还原
8、层 还原层是两段炉内碳被气化的重要场所。在该层下部，由新生成的CO2与水蒸气和 N2混合而成的气流，以36m/s的速度向上流动，与以1040cm/s的速度向下移动的灼热的炭料接触反应。此时CO2 被还原成 CO ，同时也有 CO 的析碳反应： CO2+C 2CO-173.09kJ/mol 2CO?C+CO2+172.2kJ/mol 上述的两个反应中，CO 与 CO2之间的相互转变都是不完全的。两者的比例，由反应过程的温度压力以及体系内的气相组分浓度和其它宏观条件而定。上述反应，通常被称为空气煤气反应过程。 气化剂中的水蒸气， 与碳质原料发生水蒸气分解反应，并有调节炉温、 保护炉篦的功能： C+
9、H2O CO+H2-131.0kJ/mol C+2H2O CO2+2H2-88.9kJ/mol 上述反应过程是吸热的。 反应过程所需要的热量， 是来自氧化层焦炭燃烧时所释放的热。因此，高温状态下的氧化层，为还原层提供了热源。在还原层中由于一部分热量被消耗，使料层温度下降，即低于氧化层。还原层上部，继续进行 CO2的还原反应，同时还有甲烷化反应存在，也进行CO的变换反应。这样，通过还原层的气体有CO 、CO2 、H2 、CH4 以及未被分解完的水蒸气和氮。氧化层和还原层，统称为气化层。 通过氧化层和还原层所生成的煤气，称为气化煤气， 因甲烷量少热值低也称为贫煤气，其中含有极少量的焦油和煤粒及灰尘
10、。这部分高显热的气化煤气，上升到干馏层，为煤的低温干馏提供热源。 （4）干馏层 通过气化层上升的煤气流进入干馏层。干馏层是带干馏段煤气炉极具特色的反应区段。进入干馏层内的载热气体，温度约在700以下。在此区段基本上不再产生上述的小分子间的气化反应，而是进行煤的低温干馏， 生成热值较高的干馏煤气（气体组成有H2 、CH4 、C2H6 、C3 、C4 组分和气态焦油成分）、低温干馏焦油和半焦（半焦中的挥发份约为710% ），干馏煤气和雾状焦油同气化段产生的贫煤气一起从煤气炉的顶部出口引出。生成的半焦下移到气化段后进行还原与氧化反应。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
11、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 单段式煤气发生炉煤气发生炉的一般工作原理是以煤为主要原料来生产煤气，以供煤气发生炉燃气设备使用的装置。 固体原料煤从炉顶部加入， 随煤气炉的运行向下移动， 在与从炉底进入的气化剂（空气、蒸汽）逆流相遇的同时，受炉底燃料层高温气体加热，发生物理、化学反应，产生粗煤气煤气发生炉。此粗煤气（即热煤气）经粗除尘后可直接供燃烧设备使用。 单段式煤气发生炉冷煤气工艺流程: 单段式煤气发生炉冷煤气是以20-60mm的烟煤或无烟煤为原料， 在煤气炉进行一系列
12、的化学反应的气化工艺，其过程有氧化、还原、干馏、干燥等过程。生成的煤气经优化配置的后处理设备分别进行除尘、除油、冷却等工艺处理， 经过处理后的洁净煤气同加压输送系统供给工业窑炉使用。 根据不同窑炉煤气质量的要求分别有热煤气、冷煤气工艺。 整个系统包括煤场、渣场、煤提升系统、煤仓、供煤系统、供风系统、单段炉气化系统、除尘净化系统、冷却系统、脱硫系统、轻焦油捕集回收系统、自动控制系统、煤气贮存及加压输出系统。 单段炉冷煤气对水的污染严重，特别是在净化过程中煤气直接用水来洗涤、降温，把煤气中大量的杂质带出，产生的酚水对环境污染严重。 单段炉冷煤气(水冷)工艺流程图：名师资料总结 - - -精品资料欢
13、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 两段式煤气发生炉两段式煤气发生炉比一般的单段炉增加了一个干馏段，采用弱粘结性烟煤而原料制取干馏煤气和气化煤气相混合的双重煤气。原料煤入炉后在炉子上段进行低温干馏。 生成热值较高的低温干馏煤气， 煤被干馏变成热半焦落入下段进行气化。炉底通入空气、水蒸气与焦炭反应生成的发生炉煤气，温度在600700，为上部煤的干馏提供热源。 从煤气净化工艺形式分， 两段式煤气发生站大体存在两种净化工艺，即水冷工艺和风冷工艺。两段式煤
14、气发生站净化工艺一般如图11 所示上段煤气离开煤气炉经过上段煤气净化系统，除去煤气携带的焦油， 下段煤气经下段煤气净化冷却系统，降温后与上段煤气混合。混合后的煤气通过煤气深度净化冷却系统进行深度处理，除去煤气中的细小尘埃和部分焦油， 并冷凝出含酚废水和少量轻油，经煤气增压机压系统送至煤气脱硫系统，煤气脱硫后送至用气点。其中，上段煤气净化系统一般采用旋风除焦器和电除焦油器，煤气深度净化冷却系统一般采用静电除尘器和间接冷却器，煤气增压机压系统一般采用罗茨鼓风机或离心鼓风机， 煤气脱硫系统根据用气需要一般选用湿法脱硫或干发脱硫系统。水冷工艺、 风冷工艺和环保节能工艺的不同点，主要体现在下段煤气净化冷
15、却系统的设备配置方面。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 11 两段式煤气发生站通用工艺流程一、水冷工艺两段式煤气发生站分析1、水冷工艺两段式煤气发生站工艺特点图 12水冷工艺两段式煤气发生站工艺流程 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - -
16、 - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 该工艺下段煤气净化冷却系统由旋风除尘器和激冷器组成，其主要工艺特点为发生炉下段煤气的初级冷却，是在激冷器中， 通过水与煤气的直接接触， 进行顺流及逆流换热来实现的。 2、水冷工艺两段式煤气发生站存在的环境问题 （1）激冷器冷却水为水与煤气直接接触的直接冲洗水，含大量焦油、 粉尘及苯、酚等有害物质，该水集中收集，自然冷却，循环应用。但该水在冷却水池中自然蒸发后严重污染空气，
17、站区环境较差。 而且，激冷器冷却水池在雨季很容易盈水，造成该水事故外排，严重污染环境。 （2）激冷器中冷却水在与高温煤气直接换热过程中，相当部分的水汽化为水蒸汽被煤气带走， 进入下一级净化冷却工艺， 这部分水蒸汽在间接冷却器中随着煤气的深度冷却被冷凝出来， 从而大大增加了煤气含酚废水的产量，给含酚废水的处理带来了诸多困难。 3、水冷工艺两段式煤气发生站存在的节能问题 （1）工艺未对下段高温煤气的显热进行利用。 （2）在激冷器中被汽化那部分水，随煤气进入间接冷却器，随着煤气的冷却被冷凝出来， 这部分水汽的冷凝大大增加了间接冷却器中冷却介质的需求量，增加了煤气深度冷却的能耗。 名师资料总结 - -
18、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 二、风冷工艺两段式煤气发生站分析 1、风冷工艺两段式煤气发生站工艺特点 该工艺下段煤气净化冷却系统由旋风除尘器和风冷器组成，其工艺特点不同于水冷工艺， 主要表现为发生炉下段煤气的初级冷却，是在旋风除尘器及风冷器中，通过外界空气与高温煤气的间接换热实现的。 图 13 风冷工艺两段式煤气发生站工艺流程 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
19、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 2、风冷工艺两段式煤气发生站存在的环境问题 从其净化冷却工艺可以看出， 该工艺相对水冷工艺来说， 其最大的进步在于用洁净的外界环境空气替代直接冲洗水作为冷却介质，从而减少了煤气直接冲洗水带来的一系列环境问题。 但由于煤气初级降温是通过旋风除尘器与风冷器中煤气与环境空气间接换热来实现的， 所以造成旋风除尘器与风冷器等设备周围环境温度极高，不便于工人操作维修，操作环境很差。 3、风冷工艺两段式煤气发生站存在的节能问题 该工艺虽然解决了水冷工艺直接水冷造成的汽化水冷凝耗能增加的问题，但
20、并未对下段高温煤气的显热进行有效利用，造成能源浪费。 三、改进型两段式煤气发生站分析 1、改进型两段式煤气发生站工艺特点 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 图 21 改进型两段式煤气发生站工艺流程上段煤气离开煤气炉经过旋风除焦器再进入电除焦油器，除去煤气携带的焦油，然后与下段煤气混合进入静电除尘器。下段煤气经余热蒸发旋风除尘器除去大部分灰尘进入废热锅炉，降温后与上段煤气混合， 通过静电除尘器除去煤气中的细小尘埃
21、和部分焦油，再进入间接冷却器进行深度冷却，冷凝出含酚废水和少量轻油，经煤气加压机压送至脱硫站，煤气脱硫后送至用气点。期间，间接冷却器中冷凝出含酚废水在余热蒸发旋风除尘器中，蒸发成蒸气作为气化剂供入发生炉炉底。废热锅炉产生的高压蒸汽供于发生炉探火汽封使用。水夹套产生的蒸汽供设备及焦油管道和焦油池加热使用，多余蒸汽可外供。该工艺环保节能的特点， 体现在充分利用下段高温煤气的显热，并结合含酚废水的特性及煤气发生炉造气工艺特点，将含酚废水及煤气显热进行综合利用，从而达到煤气发生站环保节能的目的。该工艺并根据发生炉放散煤气在放散不同阶段的成分特性， 对煤气发生炉放散煤气进行了综合治理，解决了一直困扰人们
22、的由于煤气放散造成的环境污染问题。2、改进型两段式煤气发生站环保解决方案及治理效果分析图 22改进型两段式煤气发生站排污节点图2.1 噪声污染控制措施及效果 煤气发生站噪声来源主要是生产过程中，空气鼓风机和煤气加压机运转时产生的噪声。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 治理措施及效果：空气鼓风机及煤气加压机房间四壁和顶棚均设置隔音减噪板，空气鼓风机配置高效消声器，经过隔音减噪等措施后， 再经厂区现有的绿化带阻隔
23、及衰减，其厂界噪声达到工业企业厂界环境噪声标准 （GB12348 1990 ）、类区标准要求。 2.2 废气污染控制措施及效果 煤气发生炉烘炉、 点炉送气或事故热备时需向外排放废气。其中，烘炉时废气成分以 CO2为主，事故热备时以CO为主要污染物，点炉送气前期排放废气以CO2为主，随 CO 浓度增加达到送气标准，则停止排放。 治理措施及效果： 煤气发生炉烘炉、 点炉送气时采用焦炭为燃料， 煤气放散管处设置点火装置，在煤气发生炉点火阶段后期和事故热备时CO浓度达到点燃要求时，将废气点燃，使其以CO2形态排放。从而使废气污染物排放达到锅炉大气污染物排放标准（GB13271 2001 ）类区时段标准
24、。 2.3 废水污染控制措施及效果 该煤气发生站工艺无直接煤气洗涤水，各水封用水全部循环使用，不外排。其主要废水来源是由间接冷却器及煤气管道中冷凝下来的冷凝含酚污水。两段炉气化烟煤时所产生的含酚废水的量主要取决于于煤中的外来水、煤中的饱和水及氢氧反应生成水的量。 治理措施及效果：将间接冷却器及煤气管道中冷凝下来的冷凝水集中收集，然后用水泵泵入余热蒸发旋风除尘器的夹套内，利用下段煤气 （450500） 的热量间接加热这部分冷凝水， 使之变为蒸汽后作为气化剂供煤气炉使用。定期对余热蒸发旋风除尘器的夹套内未汽化残液（微量）混入焦油中处理。 焦油可作为提炼苯、酚等的化学原料使用， 混入其中的含酚废水残
25、液中的苯、酚类物质提高了焦油的利用价值。 焦油也可作为燃料使用， 此时，混入其中的含酚废水残液中的苯、酚类等有毒物质随着焦油的燃烧，在1100 1300 条件下裂解为H2O和CO2后排入大气， 其反应方程式为 C6H5OH+7O26CO2+3H2O 。从而保证废水治理效果达到国家污水综合排放标准（GB8978 1996 ）要求。 2.4 粉尘污染物控制措施及效果 该煤气发生站的粉尘来源， 主要是煤场内煤的装卸与倒运， 以及煤从煤气站的储煤堆场至煤气炉顶部储煤仓输送倒运过程中产生的粉煤扬尘。 治理措施及效果：对煤堆场等露天扬尘点， 可采用由水乳性丙烯酸酯共聚物、隔水剂及填充料配制的煤堆场覆盖剂，
26、以减少煤尘的飞扬流失；在装卸煤作业、受煤坑及储煤仓处， 采用喷淋水， 从而减少煤尘飞扬； 对提煤机采取封闭结构形式。治理效果达到大气污染物综合排放标准（ GB16297 1996 ）二级标准 2.5 固废污染控制措施及效果 （1）输煤过程中产生的煤粉和余热蒸发旋风除尘器及废热锅炉收集的煤粉可作为燃煤锅炉的燃料进行应用。 （2）煤气发生炉产生的炉渣是制造建筑用水泥砌块的材料，还可用于铺路或基础回填。 （3）旋风除焦器、静电除焦器捕出的焦油是燃料， 其市场售价一般在1500 2000元/ 吨。 （4）煤气脱硫塔脱除的单质硫可作为制作鞭炮及轮胎等的添加剂，可作为商品售出。 3、环保节能型两段式煤气发
27、生站节能解决方案及节能效果分析 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 3.1 含酚废水治理方法及节能效果 改进型两段式煤气发生站的含酚废水治理方法，余热蒸发旋风除尘器利用下段高温煤气的显热， 生产水蒸气作为气化剂供给炉底使用。该治理方法与传统的酚水焚烧炉处理含酚废水的方法相比，既节约了燃料能源， 又节约了宝贵的水资源。 水冷工艺产生含酚废水量70100Kg/Km3煤气，风冷工艺及改进型工艺含酚废水量 3040Kg/
28、Km3煤气，利用焚烧炉处理含酚废水，每烧掉1t 酚液，约消耗8.4103MJ的热量，折合自产焦油250280Kg 。 由此可知，在含酚废水治理方面，每生产1000NM3煤气，改进型工艺相对水冷工艺节约能源590840 MJ ，节约水资源约70100Kg ；相对风冷工艺节约能源 250340 MJ ，节约水资源约3040Kg 。 3.2 余热锅炉节能效果 余热锅炉充分利用煤气显热， 生产高压水蒸气供煤气发生炉探火汽封及其他生产使用，每生产1000NM3煤气，该工艺较水冷工艺节电2-3KW左右（煤气达到“改进型工艺”温降条件下） ， 同时节能 250-350MJ ；较风冷工艺节能 250-350M
29、J 。3.3 间接冷却器节能效果 改进型工艺与水冷工艺相比， 减少了激冷器中部分冷却水被高温煤气汽化为水蒸汽在间接冷却器的冷凝， 这部分水几乎是改进型工艺冷凝水量的1.2 倍。可以看出改进型工艺较水冷工艺而言，煤气终冷过程中， 间接冷却器所需冷却水量大大减少，通过理论计算和实际工程运行测算，约节能60左右。 四、两段式煤气发生站在环保节能方面亟待解决的问题 1、降低灰渣含炭量 现阶段煤气发生炉灰渣含炭量多数维持在1015左右，而有些煤气发生炉由于设备工艺落后，其灰渣含炭量有时高于20。改进煤气发生炉结构及气化工艺，优化操作指标，降低灰渣含炭量，是减少煤气发生炉能耗的有效途径。2、提高煤气热值
30、两段式煤气发生炉煤气热值一般在1450 1550Kcal/Nm3左右，利用富氧气化等工艺手段提高煤气热值， 使同热值煤气的体积得以降低， 可以降低煤气加压机能耗，减少煤气输送和储存设备的钢材耗量， 从而直接或间接地做到节能减排。3、提高自动化程度，降低操作误差损耗 受各种因素的影响， 现阶段煤气发生站的自动化程度整体水平不高，多数操作指标的调节和控制基本依靠操作工人人工完成，煤气发生站的运行对操作工人的技术水平和敬业精神有较强的依赖性。提高煤气发生站自动化程度， 减少人为因素造成的操作误差，也是煤气发生站节约能源的有效突破点。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -