發(fā)生爐造氣過程中NOx及前驅(qū)體生成的探討

苑衛(wèi)軍　蘇亞斌　馬寧　張福亮

摘 要：結(jié)合煤氣發(fā)生爐的造氣原理和過程，對(duì)煤氮在發(fā)生爐熱解、還原、燃燒過程中的轉(zhuǎn)化以及NOx與前驅(qū)體的生成進(jìn)行了定性的分析。指出發(fā)生爐熱解、氣化過程中，煤氮一部分轉(zhuǎn)化為焦油；一部分以NH3、HCN、N2形式轉(zhuǎn)化為煤氣；另外一部分殘存于灰渣中。通過分析，說明一段式發(fā)生爐、兩段式發(fā)生爐和干餾式發(fā)生爐三種爐型在氣化過程中，NH3、HCN和N2的生成量基本沒有差異；NH3和HCN主要來源于氣化過程；而熱解過程次之，但干餾式發(fā)生爐在煤的熱解過程中NH3和HCN的生成量最少。

關(guān)鍵詞：煤氣發(fā)生爐；NOx；前軀體；分析

1 引言

中國是世界上煤炭資源最為豐富的國家之一，煤炭在中國能源構(gòu)中占有舉足輕重的地位，開發(fā)研究深度潔凈的煤炭資源利用技術(shù)，符合我國的能源安全戰(zhàn)略要求。NOx是煤轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的主要有害氣體之一，目前國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為煤轉(zhuǎn)化過程中NH3和HCN是NOx的主要前驅(qū)體，該前驅(qū)體進(jìn)一步氧化生成NOx。作為在中國應(yīng)用較早的潔凈煤技術(shù)，常壓固定床發(fā)生爐氣化技術(shù)一直是工業(yè)燃料氣的主要煤氣化供氣技術(shù)，對(duì)于其造氣過程中NOx及其前驅(qū)體的產(chǎn)生進(jìn)行系統(tǒng)分析，有助于采取相關(guān)措施控制煤氣中NOx及其前驅(qū)體的產(chǎn)生，從而使煤氣燃燒過程中生成的NOx得到有效控制。

2 煤氣發(fā)生爐造氣過程

煤氣發(fā)生爐各反應(yīng)層如圖1所示，煤在煤氣發(fā)生爐內(nèi)的主要反應(yīng)包括熱解、氣化過程。發(fā)生爐內(nèi)通過熱解過程脫除煤中的揮發(fā)物，同時(shí)析出焦油和以CH4、H2、CO為主的干餾煤氣；發(fā)生爐內(nèi)的氣化過程如（1）、（2）、（3）、（4）式。

C+O2=CO2；△H=-409 KJ/mol（1）

2C+O2=2CO；△H=-221.2 KJ/mol（2）

CO2+C=2CO；△H=162KJ/mol（3）

C+H2O=CO+H2；△H=119 KJ/mol（4）

一段式發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，該爐型特點(diǎn)是爐體較低，爐內(nèi)干餾層區(qū)和干燥層區(qū)較薄，操作時(shí)爐頂處須保持1.5～2 m的空層。一段式發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程為：通過加煤機(jī)將煤加入煤氣發(fā)生爐爐膛內(nèi)，首先進(jìn)行較短時(shí)間的干燥和干餾熱解；然后進(jìn)入氣化反應(yīng)層。作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi)，高溫條件下與氣化反應(yīng)層煤發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成以CO和H2為主要成份的煤氣。

兩段式發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖3所示，該爐型特點(diǎn)是在一段式發(fā)生爐基礎(chǔ)增加了5～6 m的干餾干燥段，爐內(nèi)干餾層一般達(dá)到4 m左右，爐內(nèi)保持滿料層操作。兩段式發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程為：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi)，在高溫條件下，與進(jìn)入氣化段的呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成以CO和H2為主要成份的煤氣M。煤氣分兩部分向上運(yùn)行，其中一部分M2通過下段煤氣夾層通道上移導(dǎo)出成為下段煤氣；而另一部分煤氣M1則上行進(jìn)入干餾段，通過與緩慢下移的煤接觸換熱，對(duì)煤進(jìn)行干餾和干燥，同時(shí)產(chǎn)生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣M3。M1與M3一起導(dǎo)出形成上段煤氣。

干餾式發(fā)生爐結(jié)構(gòu)如圖4所示，該爐型與兩段式發(fā)生爐的不同之處在于該爐去掉了下段煤氣出口，爐內(nèi)產(chǎn)生的所有煤氣全部從爐頂煤氣出口導(dǎo)出爐外。干餾式發(fā)生爐的煤氣生產(chǎn)過程為：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內(nèi)，在高溫條件下，與進(jìn)入氣化段的呈半焦?fàn)顟B(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成以CO和H2為主要成份的煤氣Q。煤氣Q向上運(yùn)行進(jìn)入干餾段，通過與緩慢下移的煤接觸換熱，對(duì)煤進(jìn)行干餾和干燥，同時(shí)產(chǎn)生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣Q，Q和Q一起由煤氣出口導(dǎo)出爐外。

3 發(fā)生爐造氣過程中NOx及其前驅(qū)物的生成分析

3.1 發(fā)生爐熱解過程N(yùn)Ox及其前驅(qū)物的生成分析

發(fā)生爐內(nèi)的煤通過熱解，煤中氮的一部分以NH3和HCN的形式轉(zhuǎn)化至煤氣中，同時(shí)還有一部分轉(zhuǎn)化至氣態(tài)焦油中，以上兩部分僅占煤中氮的較少比例，大部分以大分子雜環(huán)結(jié)構(gòu)存留于半焦中。NH3和HCN的生成受溫度、壓力、粒徑、加料速度、加熱速率、停留時(shí)間、反應(yīng)器類型、煤種等諸多因素的影響[1]，其中熱解溫度是影響NH3和HCN生成的較為重要因素，常麗萍[2]和趙煒等[3]在熱解實(shí)驗(yàn)中得出基本相同的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)在500～600 ℃時(shí)，熱解氣體中可檢測(cè)出NH3和HCN的存在，熱解溫度越高，熱解形成NH3和HCN的量越大，慢速加熱有利于NH3和HCN的生成。常麗萍[2]還指出所有影響揮發(fā)分及半焦形成的因素都會(huì)影響NH3和HCN的形成。煤氣發(fā)生爐為常壓固定床爐型，煤在爐內(nèi)的加熱速度較為緩慢，一部分以低溫?zé)峤獾男问皆诟绅s層區(qū)中進(jìn)行，其熱解溫度一般為500～600℃，還有一部分以中溫?zé)峤獾男问皆谶€原層區(qū)上部進(jìn)行，其熱解溫度約為700～800℃，低溫?zé)峤膺^程中NH3和HCN的生成量小于中溫?zé)峤膺^程的生成量。一段式發(fā)生爐、兩段式發(fā)生爐和干餾式發(fā)生爐熱解過程中進(jìn)行的低溫?zé)峤夂椭袦責(zé)峤獬潭雀鞑幌嗤N爐型熱解過程N(yùn)H3和HCN的生成量也存在相應(yīng)的差異。

一段式發(fā)生爐內(nèi)干餾層較薄，一般只有300 mm左右，煤在干餾層區(qū)進(jìn)行的低溫?zé)峤鈺r(shí)間較短，一般只有30 min左右。雖然向干餾層區(qū)提供的熱解熱源是氣化段產(chǎn)生的全部煤氣，熱解熱量較為充足，但由于干餾層較薄、熱解時(shí)間短，所以一段式發(fā)生爐干餾層區(qū)進(jìn)行的低溫?zé)峤獬潭冗h(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，煤中揮發(fā)分只有一小部分在低溫?zé)峤怆A段脫除，煤中揮發(fā)分的脫除大部分集中在還原層的上部完成，此處熱解溫度較高，屬于中溫?zé)峤夥懂牐悦涸谝欢问桨l(fā)生爐熱解過程中NH3和HCN的生成量較大。

兩段式發(fā)生爐的干餾段較高，兩段式發(fā)生爐內(nèi)的干餾層厚度一般都在4 m以上，煤在此進(jìn)行的低溫?zé)峤鈺r(shí)間較長，約為6～8 h左右。由于干餾段內(nèi)的熱解熱源只由氣化段產(chǎn)生的煤氣的一部分M1提供，所以盡管煤在兩段式發(fā)生爐干餾段內(nèi)進(jìn)行的低溫?zé)峤鈺r(shí)間較長，但其低溫?zé)峤獬潭炔粔?，進(jìn)入還原層的半焦揮發(fā)分含量偏高，致使還原層上部中溫?zé)峤饷摮膿]發(fā)分比例較高，煤在兩段式發(fā)生爐熱解過程中NH3和HCN的生成量也相對(duì)較大。