兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置研究

葉宛麗

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工與材料技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步和發(fā)展，煤氣作為一種潔凈且具有高熱值的加熱能源在我國工業(yè)與民用等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。煤氣發(fā)生爐作為生產(chǎn)煤氣的主要設(shè)備，經(jīng)歷了從一段式爐到兩段式煤氣爐的發(fā)展歷程，而從環(huán)境保護(hù)和資源利用角度考慮，兩段式煤氣發(fā)生爐已成為生產(chǎn)煤氣的主流設(shè)備。為解決兩段式煤氣發(fā)生爐加煤過程中煤層無法均勻分布而出現(xiàn)偏層現(xiàn)象，研究和開發(fā)了兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置。

2 兩段式煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝

2.1 兩段式煤氣發(fā)生爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

兩段式煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)過程得到的煤氣主要由干餾煤氣和氣化還原煤氣兩部分組成，設(shè)備頂部為干餾煤氣，底部為氣化煤氣。兩段式煤氣發(fā)生爐的主要機(jī)構(gòu)包括備煤裝置、電氣控制裝置、加煤裝置、干餾層、氣化層、探釬裝置、出灰裝置、和氣化劑裝置等組成[1-4]。具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 兩段式煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)工藝

將用篩分設(shè)備分級(jí)后適度大小的煤塊加入料斗，再利用間斷式加煤閥，分兩步進(jìn)入爐體；煤炭利用還原層上升的熱量，將新加入的煤炭在低溫條件下干燥，再利用燃燒的火層上升至完成焦化干餾，使煤炭中的揮發(fā)分從煤炭中排除，得到干餾煤氣；煤炭則逐漸形成半焦，隨著煤層的下移，半焦溫度越來越高，當(dāng)熾熱的煤炭進(jìn)入還原層后，與煤氣發(fā)生爐鼓風(fēng)機(jī)入口通入的具有一定壓力的飽和蒸汽發(fā)生氧化還原反應(yīng)得到的氣化氣體，再經(jīng)過爐內(nèi)碳還原得到氣化還原煤氣；半焦被氧化形成爐渣，再經(jīng)過水封降溫，由轉(zhuǎn)動(dòng)的爐柵灰盆排出煤氣發(fā)生爐。

在兩段式煤氣爐得到的煤氣中，一是干餾煤氣，其主要成分是煤炭中析出的揮發(fā)份，以CH4為主構(gòu)成煤氣發(fā)生爐二段的干餾煤氣，這部分煤氣量在總煤氣量中含量約占40%，干餾煤氣的熱值在6 700 kJ/m3左右；二是氣化還原煤氣，其主要成分是碳在氧化還原過程中生成的產(chǎn)物，以CO 和H2為主，共同構(gòu)成一段氣化煤氣，這部分煤氣量在總煤氣量中含量約占60%，氣化煤氣的熱值在6 400 KJ/m3左右，水蒸氣和空氣混合物組成的飽和蒸汽與熾熱的煤炭在燃燒層發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成CO、H2等可燃性氣體。具體反應(yīng)方程式如下[1]：

現(xiàn)有兩段式煤氣發(fā)生爐在加煤過程中，主要采用兩組下煤閥的交替開關(guān)，實(shí)現(xiàn)加料和控制煤氣外溢。在此過程中，由于重力作用，煤塊在干餾段落點(diǎn)單一，使干餾段的煤層呈現(xiàn)錐形，當(dāng)錐形達(dá)到一定高度會(huì)向不同方向坍塌，導(dǎo)致干餾層煤層高度不均勻。在測量空層過程中，測量結(jié)果不能真實(shí)反映整個(gè)干餾層煤炭的高度，容易造成部分煤炭干餾不徹底、兩段式煤氣發(fā)生爐偏爐運(yùn)轉(zhuǎn)、干餾不徹底的煤炭在高溫下結(jié)焦等影響煤氣質(zhì)量和正常運(yùn)行的現(xiàn)象。

3 兩段式煤氣發(fā)生爐存在的主要問題

兩段式煤氣發(fā)生爐下料裝置要求通過煤塊的最小粒徑為30 mm，最大粒徑不超過200 mm[5]。煤塊經(jīng)過輥式破碎機(jī)破碎后，利用振動(dòng)篩進(jìn)行篩分：直徑大于30 mm 的塊煤經(jīng)輸送帶送入加料斗，粒徑在30～200 mm 范圍內(nèi)則比例不均勻。不同粒徑進(jìn)入干餾層后，會(huì)形成不同大小縫隙，大粒徑或小粒徑會(huì)分別集中而直接影響生產(chǎn)過程產(chǎn)生煤氣的數(shù)量和質(zhì)量。小粒度集中，增大了氣化劑與煤炭接觸的表面積，能夠提高氣化反應(yīng)速度；不足之處在于粒徑小造成粒徑與粒徑之間的縫隙減小，增大了氣化劑與反應(yīng)所產(chǎn)生氣體流通的阻力，從而影響氣化還原反應(yīng)生產(chǎn)煤氣的效率。小粒度集中，盡管可以增大氣體流通速度，有利于反應(yīng)進(jìn)行，但是大煤塊使氣化還原應(yīng)的表面積減小，并且揮發(fā)份在干餾過程中的析出會(huì)受到影響，造成煤塊在干燥過程中干燥不徹底、干餾過程中揮發(fā)份析出不徹底、氣化還原反應(yīng)過程中還原反應(yīng)不徹底，以及出渣過程中含碳量升高造成原料浪費(fèi)等現(xiàn)象。如果將大小塊煤同時(shí)加入煤氣發(fā)生爐，既可以解決小粒徑的阻力問題，又可以解決大粒徑的反應(yīng)不徹底問題，但是由于煤炭入爐后落點(diǎn)單一，容易引發(fā)煤炭的偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)偏爐以及煤炭少的一側(cè)燒穿、煤炭高的一側(cè)結(jié)渣等不正常爐況。

（2）煤氣發(fā)生爐空層難以控制

兩段式煤氣發(fā)生爐的空層是指爐頂?shù)矫簩又g的距離，能夠反映所加煤塊和生成煤氣在煤氣發(fā)生爐內(nèi)停留的空間?？諏拥姆€(wěn)定性主要表現(xiàn)為加料量和出渣控制穩(wěn)定?？諏舆^高，在加煤過程中，煤塊降落距離增大且增大碎裂幾率，同時(shí),縮小煤層進(jìn)一步縮短了煤塊在爐內(nèi)450～500℃范圍內(nèi)干燥和干餾時(shí)間，導(dǎo)致煤塊未充分干燥而易結(jié)焦，煤塊中干餾可燃?xì)怏w未充分析出就進(jìn)入到氧化層而燃燒，表現(xiàn)為爐溫居高不下。空層過低，在加煤過程中，煤塊降落距離變小，同時(shí)煤塊落點(diǎn)處造成堆積，更容易產(chǎn)生偏爐現(xiàn)象，同時(shí)增高煤層造成爐內(nèi)的阻力增加，不利于干餾煤氣和氣化煤氣及時(shí)輸出，使?fàn)t內(nèi)壓力增大而威脅煤氣發(fā)生爐安全生產(chǎn)。

（3）上層煤氣出口溫度控制不穩(wěn)定

上層煤氣出口溫度主要反映了氣化煤氣在穿過干餾層后，與干餾煤氣一起對煤炭干燥后的溫度，該溫度一般控制在350～420℃左右。兩段式煤氣發(fā)生爐在運(yùn)行過程中，上層煤氣出口溫度在300～520℃之間波動(dòng)很大。實(shí)踐操作證明，溫度波動(dòng)較大時(shí)，爐內(nèi)往往會(huì)發(fā)生偏爐運(yùn)行、煤層燒穿、空層波動(dòng)等不正常運(yùn)行狀態(tài)。

綜上，爐內(nèi)物料高低不均勻的偏爐運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致測量的空層不能正確反映真實(shí)情況，而空層變化和偏爐運(yùn)行會(huì)引起爐內(nèi)干燥、干餾與氣化的不徹底。這就需要在煤氣生產(chǎn)過程中采用冷運(yùn)行或熱運(yùn)行，以確保生產(chǎn)煤氣的安全性。為了更好地解決這些問題，筆者研究了一種能夠?qū)⒉煌６然旌厦簤K均勻布置在煤氣發(fā)生爐內(nèi)干燥層的裝置，用以避免煤氣發(fā)生爐的偏爐運(yùn)行。

4 兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置研發(fā)

該裝置主要從煤氣發(fā)生爐加料裝置出發(fā)，具體從設(shè)備組成單元、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備工作過程等三方面對煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)加煤進(jìn)行均勻布料進(jìn)行了研究，以提高兩段式煤氣發(fā)生爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性和效率[3，6-7]。

(2)元數(shù)據(jù)生產(chǎn)。元數(shù)據(jù)為描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)、覆蓋范圍、質(zhì)量、空間和時(shí)間模式、空間參照系和分發(fā)等。作為地理國情普查元數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)全過程的相關(guān)信息記錄到了一個(gè)有圖形、有屬性的數(shù)據(jù)庫中，基本滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)要求。

4.1 設(shè)備組成單元

為了能夠達(dá)到均勻布料目的，研發(fā)本裝置時(shí)主要設(shè)計(jì)了兩個(gè)關(guān)鍵部件，分別是適合加料斗均勻布料的控制單元模塊、控制單元模塊工作的驅(qū)動(dòng)單元。圖2 為控制單元外殼安裝結(jié)構(gòu)。

如圖3 所示，在均勻布料裝置控制單元外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向滑軌兩端分別固定安裝在外殼側(cè)壁兩端；延展平臺(tái)則是一端被固定安裝外殼側(cè)壁上，并且整個(gè)平臺(tái)設(shè)置在導(dǎo)向滑軌下方。

如圖4 所示，在均勻布料裝置控制單元模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定安裝在延展平臺(tái)的夾層底板上；轉(zhuǎn)盤固定安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，一端設(shè)有限位桿，另一端安裝擺桿；擺桿一端利用轉(zhuǎn)軸安裝在轉(zhuǎn)盤上，另一端安裝在連接塊上；撥料板則安裝在導(dǎo)向滑軌上；滑槽設(shè)在撥料板上，寬度為5～8 厘米，用于防止較大煤塊下落至滑槽；限位槽設(shè)置在限位桿上；連接塊安裝在限位槽內(nèi)；連接軸安裝在限位塊上；限位塊滑動(dòng)安裝在撥料板滑槽內(nèi)[8]。

由圖2—圖4 中機(jī)械機(jī)構(gòu)組成的均勻布料裝置不僅提高了煤氣發(fā)生爐干餾效率，還進(jìn)一步提高了資源利用率。

4.2 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用

在不同粒徑的煤塊經(jīng)過料斗進(jìn)入煤氣爐過程中，兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用如下：

（1）安裝外殼是通過與加料斗出料端的固定連接，使其與加煤料斗內(nèi)部相通，形成煤氣發(fā)生爐原料添加通道。

（2）導(dǎo)向滑軌是安裝外殼的內(nèi)部水平設(shè)置，用于保證煤塊添加過程中水平方向上的穩(wěn)定撥料。本裝置主要用于解決原有煤塊下料裝置在添加煤塊過程中因角度而造成的下料落點(diǎn)偏差大的問題，有效地防止滑軌角度造成的因物料不均勻添加而產(chǎn)生的偏爐、影響干餾效率以及資源浪費(fèi)等。

（3）撥料板上設(shè)有寬度為5～8 cm 的滑槽，在煤塊粒徑選擇過程中，本裝置將有效利用滑槽尺寸通過篩分偏差引進(jìn)大粒徑煤塊，以防影響連接塊與限位塊的正常聯(lián)動(dòng)。

4.3 設(shè)備工作過程

均勻布料裝置安裝在加料斗與煤氣爐中間，連接了加料斗出口和煤氣爐入口，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)加料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，撥料板則在擺桿作用下在具有導(dǎo)向功能的滑軌上滑動(dòng)，使煤塊均勻分布在干餾段截面上。具體工作過程如下：在煤氣發(fā)生爐加料斗開始下料前，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電動(dòng)機(jī)作用下，使轉(zhuǎn)盤發(fā)生勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿在延展平臺(tái)上從近端到遠(yuǎn)端再到近端進(jìn)行往復(fù)性移動(dòng)；連接塊則在擺桿推動(dòng)下，在限位槽內(nèi)由近及遠(yuǎn)滑動(dòng)，由連接塊帶動(dòng)限位塊，而限位塊又帶動(dòng)撥料板在導(dǎo)向滑軌上沿著擋板方向上進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了將下落的煤塊均勻撥開，防止煤塊落點(diǎn)單一而造成的偏爐以及所引起的干餾不徹底、爐內(nèi)壓力大等問題。

5 結(jié)果與討論

本研究數(shù)據(jù)結(jié)果是在相同生產(chǎn)工藝條件下，通過直徑為2.6 m 的兩段式煤氣發(fā)生爐應(yīng)用均勻布料裝置前后測得數(shù)據(jù)結(jié)果，具體實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

本研究采集了兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置安裝前后生產(chǎn)的對比數(shù)據(jù)，采集頻率為每2天采集一次，采集具體數(shù)據(jù)包括空層高點(diǎn)數(shù)據(jù)、空層低點(diǎn)數(shù)據(jù)、空層差和煤氣熱值等，并對比了均勻布料裝置安裝前后生產(chǎn)煤氣的應(yīng)用效果，進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的使用效果。具體數(shù)據(jù)如表2。

表2 均勻布料裝置安裝前后兩段式煤氣發(fā)生爐運(yùn)行數(shù)據(jù)

5.1 空層影響

圖5 是相同煤炭原料和技術(shù)要求情況下，使用均勻布料裝置前后每次測量空層最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間差異的對比情況。

從圖5 可以看出，安裝均勻布料裝置前，空層差都高于350 mm，最高差達(dá)725 mm，并且空層高度差很不穩(wěn)定、變化頻繁，導(dǎo)致煤氣發(fā)生爐運(yùn)行過程中的操作參數(shù)控制不穩(wěn)定，得到的煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定；安裝均勻布料裝置后，曲線變化穩(wěn)定，空層高點(diǎn)和低點(diǎn)之間的空層差一般維持在100 mm 左右，整個(gè)原料煤層高度相差無幾，煤氣爐在運(yùn)行過程中，其截面對高溫氣化煤氣的阻力基本相同，干餾和干燥程度維持穩(wěn)定，操作運(yùn)行過程中的參數(shù)控制穩(wěn)定，不僅氧化還原的氣化煤氣質(zhì)量升高，而且干餾段維持干餾溫度的時(shí)間也有所增長，從而增加了干餾煤氣的含量，提高了煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。

5.2 煤氣熱值影響

煤氣熱值作為衡量煤氣質(zhì)量的重要參數(shù)，如圖6 所示對兩段式煤氣發(fā)生爐安裝均勻布料裝置前后的生產(chǎn)煤氣取樣熱值測量結(jié)果進(jìn)行了對比。

從圖6 可以看出，安裝均勻布料裝置前，煤氣熱值分布在6 050～6 400 kJ/Nm3之間，煤氣熱值基本低于氧化還原煤氣熱值，這說明在生產(chǎn)過程中，受到空層的不穩(wěn)定和不均勻影響，空層高點(diǎn)造成煤氣爐部分阻力過大，高溫氣化煤氣不能穿過煤層完成煤炭的干餾和干燥；空層低阻力小，高溫氣化煤氣集中流過低點(diǎn)，使還原層和干餾層溫度過高，進(jìn)而過早氧化，使氧化CO2缺乏足夠的還原層進(jìn)行還原，減少了可燃性CO 的產(chǎn)量。由于煤氣熱值時(shí)高時(shí)低很不穩(wěn)定，這是由于偏爐生產(chǎn)而為了調(diào)節(jié)爐況，要對生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)節(jié)，導(dǎo)致煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量也不穩(wěn)定。安裝布料裝置后，煤氣熱值不僅高而且穩(wěn)定，這進(jìn)一步說明均勻空層在生產(chǎn)中能夠使高溫氣流均勻穿過還原層、干餾層、干燥層，從而更好地完成氧化氣體的還原、原料揮發(fā)分的干餾揮發(fā)和煤炭的干燥除濕，進(jìn)而得到更多的高熱值還原煤氣和干餾煤氣。這與安裝均勻布料裝置空層對煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量的結(jié)果相一致。

5.3 煤氣燃燒狀態(tài)影響

圖7（a）中，燃燒火焰的顏色呈現(xiàn)偏紅色，此時(shí)通過測溫槍的測得火焰溫度為800～1 000℃；圖7（b）中，燃燒火焰的顏色呈現(xiàn)淡藍(lán)色，此時(shí)通過測溫槍的測得火焰溫度為1 000～1 300℃。由于火焰顏色與溫度結(jié)果符合“燃燒火焰顏色淡藍(lán)色溫度高”的規(guī)律，說明安裝均勻布料裝置后的生產(chǎn)煤氣質(zhì)量得以提升。與均勻空層使干餾效果更好、二段干餾煤氣含量高、混合煤氣熱值升高的結(jié)論相符。

6 結(jié)語

通過研發(fā)一種兩段式煤氣發(fā)生爐均勻布料裝置，并實(shí)際安裝使用后，得到具體結(jié)論如下：

（1）均勻布料裝置結(jié)構(gòu)單元中的導(dǎo)向滑塊能夠均勻引導(dǎo)擺桿控制撥料板，從而完成煤塊在下料過程的多點(diǎn)下料，避免了單點(diǎn)下料造成的煤塊堆積和偏料。

（2）均勻布料裝置中驅(qū)動(dòng)單元中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、延展平臺(tái)、限位槽能夠控制煤塊沿著由近到遠(yuǎn)再由遠(yuǎn)及近的方向均勻?qū)崿F(xiàn)煤氣爐截面布料，更好地控制空層高度穩(wěn)定性。

（3）實(shí)際運(yùn)行對比結(jié)果表明，應(yīng)用均勻布料裝置可以有效穩(wěn)定空層的控制，更有利于還原層、干餾層和干燥層的穩(wěn)定變化，提高了氧化氣體還原、煤炭揮發(fā)分干餾與煤炭水分除濕效率，提升了兩段式煤氣發(fā)生爐煤氣產(chǎn)量和熱值。