某冶煉企業(yè)煤氣生產(chǎn)過程含水量對(duì)煤氣質(zhì)量的影響

張恩榮，萬卷敏，梁亞虎，趙映福，高樹乾

（白銀有色集團(tuán)股份有限公司，甘肅白銀 730900）

1 當(dāng)前國(guó)內(nèi)兩段式煤氣發(fā)生爐含水現(xiàn)狀概述

隨著石油天然氣一次能源的緊缺，加之我國(guó)煤炭資源豐富，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)鉛鋅、陶瓷、建材等行業(yè)燃料氣開始使用煤制氣。應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求，淘汰了單段式煤氣發(fā)生爐，發(fā)展為更環(huán)保的兩段式煤氣發(fā)生爐，但是這種改變帶來新的問題，即兩段式煤氣發(fā)生爐終極冷卻后含水影響煤氣質(zhì)量的波動(dòng)，嚴(yán)重影響燃燒室用氣穩(wěn)定性，極易燒壞煤氣使用終端設(shè)備和各類燒嘴。因此研究?jī)啥问矫簹獍l(fā)生爐含水影響并控制含水率極為重要。

2 煤氣含水對(duì)兩段式發(fā)生爐煤氣的影響

目前，結(jié)合鉛鋅冶煉廠粗精煉系統(tǒng)主要燃料和點(diǎn)火操作大部分使用煤氣的情況，按照全年近2億m3的煤氣用量計(jì)算，含水過多造成煤氣質(zhì)量波動(dòng)影響精鋅產(chǎn)量，加之影響企業(yè)效益，所以能夠保質(zhì)保量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤氣是煤氣生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。其中兩段式發(fā)生爐煤氣主要含有CO、H2、CH4等可燃成分、O2助燃成分和N2、CO2等不可燃成分，及部分的水和焦油、焦油渣等其他惰性成分。在造氣和凈化的過程中，除了原煤本身帶有水分外，未被冷凝的飽和水和部分已經(jīng)冷凝的機(jī)械水隨煤氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)竭_(dá)用戶，造成煤氣質(zhì)量波動(dòng)較大，從而影響后期煤氣質(zhì)量[1]。當(dāng)下國(guó)內(nèi)因各地區(qū)溫度的差別，致使生產(chǎn)煤氣所帶水分不同.根據(jù)不同溫度下煤氣濕度的變化對(duì)煤氣熱值的影響[2]，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含濕量20%的低熱值煤氣的燃燒溫度和火焰穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于含濕量30%的煤氣[3]，凈化后的煤氣隨著溫度升高，含水量同時(shí)也就會(huì)增加，致使煤氣加壓輸送、熱值及后期用戶的使用效率極大降低，最終給系統(tǒng)增加很大一部分能耗，造成了資源的浪費(fèi)，同時(shí)煤氣中所帶水分也會(huì)影響設(shè)備使用壽命。

3 兩段式發(fā)生爐煤氣氣化原理

按照煤氣發(fā)生爐內(nèi)的氣化過程，可以將內(nèi)部氣化分成5層。

3.1 灰渣層

煤燃燒后產(chǎn)生灰渣，形成灰渣層，覆蓋在爐箅子上，主要作用為保護(hù)爐箅整體，使它們不被氧化層的高溫?zé)龎?，同時(shí)起到預(yù)熱氣化劑的作用。

3.2 氧化層

通常在實(shí)際中也成火層，從灰渣層加熱后的氣化劑中的氧與碳發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)生成二氧化碳，同時(shí)放出大量的熱。主要反應(yīng)方程式為：C+O2→CO2。火層一般為200~300 mm。

3.3 還原層

根據(jù)氧化層的反應(yīng)，赤熱的碳具有很強(qiáng)的奪取氧化物中的氧而與之化合的本領(lǐng)，所以在還原層中，二氧化碳和水蒸氣被碳還原成一氧化碳和氫氣。主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CO2+C →CO；H2O+C →CO+H2；2H2O+C →CO2+2H2

3.4 干餾層

干餾層是把煤中的揮發(fā)分、焦油等物質(zhì)經(jīng)過加熱后所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锓蛛x出來，然后再次進(jìn)行還原反應(yīng)。

3.5 干燥層

干燥層位于干餾層的上層，即燃料的面層，主要是對(duì)煤中的水分進(jìn)行初步的蒸發(fā)。

4 煤氣含水量的影響因素

兩段式發(fā)生爐煤氣經(jīng)造氣、凈化冷卻、煤氣加壓等過程，最終送至用戶使用。煤氣中水的形成、混入及析出貫穿于以上的整個(gè)過程中，各過程水的平衡項(xiàng)[4]見表1，可看出煤氣生產(chǎn)過程中水的主要組成形式。

表1 兩段式發(fā)生爐煤氣中水平衡表

表2 氣化用煙煤數(shù)據(jù)表

表3 兩段式發(fā)生爐煤氣成分?jǐn)?shù)據(jù)表

其中表1中的煤氣飽和水為煤氣在一定溫度和壓力下的最大含水量；煤氣機(jī)械水是細(xì)小的液態(tài)水滴，而非氣態(tài)的水蒸氣。由表1可以分析出燃燒前煤氣最終含水主要由煤氣中的飽和水蒸氣和機(jī)械水組成。其中飽和水與煤氣溫度、壓力等因素有關(guān)。根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮杭皩?shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，繪制如圖1與圖2。

圖1 煤氣含水量隨溫度變化的情況

圖2 煤氣含飽和水量隨煤氣壓力變化的情況

從以圖2和圖3可以看到，煤氣溫度越低、煤氣壓力越高，煤氣所含飽和水越少。從煤氣中冷凝出的冷凝水，一部分在煤氣終冷、加壓和輸送過程中凝聚形成水，通過水溝進(jìn)入酚水預(yù)處理池，進(jìn)行沉淀后，通過泵進(jìn)入酚水油水分離設(shè)備、氣浮機(jī)及多介質(zhì)罐處理，另一部分未冷卻完成的被煤氣帶入使用端，該部分則為前期分析的機(jī)械水。

5 煤氣生產(chǎn)過程中水分來源計(jì)算

灰盤水封蒸發(fā)及探火打釬進(jìn)入煤氣的水蒸氣量較小，計(jì)算爐出水分時(shí)可以忽略此項(xiàng)[1]。則可以認(rèn)為兩段式發(fā)生爐煤氣帶出水分與原煤水分、空氣帶入及水蒸氣作為氣化劑時(shí)的分解有關(guān)。工作時(shí)，爐出溫度一般控制在450℃左右[4]。以上煤中的水、空氣帶入水及水蒸氣氣化劑的未分解水全部以氣態(tài)形式存在于煤氣中。

5.1 原煤帶入水分計(jì)算：

以下計(jì)算數(shù)據(jù)煤氣產(chǎn)量按照20 000 m3/h 計(jì)算。

小時(shí)耗煤量：20 000 m3÷3 m3/kg-1=6 667 kg

原煤帶入的水分：6 667 kg×8.41%=560.7 kg

5.2 空氣氣化劑帶入水分計(jì)算

空氣耗量約為12 000 m3，當(dāng)空氣溫度為15℃，飽和時(shí)每1 m3干空氣中的含水量為13.8 g/m3，則此時(shí)空氣中的含水量為13.8 g/m3×50%=6.9 g/m3。所以氣化劑空氣中的水量為12 000 m3×6.9 g/m3×10-3=82.8 kg。

5.3 未分解水蒸氣氣化劑帶入水分計(jì)算

由氫平衡計(jì)算氣化劑水蒸氣耗量W的數(shù)值。

煤氣含氫量：（0.148+0.012×4/16×100%）×2 g/mol÷22.4 L/mol=0.0133 kg/m3

則 用 方 程W×2/18×100%=0.0133 kg/m3×20 000 m3解得W=2 394 kg

一般情況下煤氣發(fā)生爐氣化劑蒸汽分解率為80%左右，則未分解水蒸氣帶入水分為598.5 kg。

綜上分析：

兩段式發(fā)生爐煤氣含水蒸氣總量為560.7 kg+82.8 kg+598.5 kg=1 242 kg

理論計(jì)算發(fā)生爐煤氣質(zhì)量為20 000 m3×1.06 kg/m3=21 200 kg

所 以 每 千 克 煤 氣 中 含 有 的 水 蒸 氣 為1 242 /21 200 =0.058 kg

6 水封及水封坑增加煤氣帶入水分

兩段式發(fā)生爐煤氣在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，為了用戶使用較低溫煤氣，在后續(xù)凈化設(shè)備上進(jìn)行風(fēng)冷及間冷，但是為了防止煤氣所帶雜物黏接管道，在每個(gè)設(shè)備底部設(shè)置水封坑，煤氣在經(jīng)過設(shè)備冷卻過程中時(shí)，需要經(jīng)過每一個(gè)水封及水封坑水表面，因煤氣溫度較高遇到較低水溫水，就會(huì)帶有部分水輸送到后端，增加了煤氣帶入的水分，給后續(xù)生產(chǎn)帶來了極大的不便。

7 兩段式發(fā)生爐煤氣水量控制

7.1 飽和水的控制

根據(jù)本廠現(xiàn)運(yùn)行的6臺(tái)兩段式發(fā)生爐煤氣及以上數(shù)據(jù)分析，兩段式發(fā)生爐煤氣飽和水的含量，一般僅與煤氣出口溫度和壓力有關(guān)，降低煤氣終冷溫度，提高煤氣的輸送壓力，從一定程度上有助于降低煤氣中飽和水的含量。對(duì)現(xiàn)有的加壓機(jī)采取變頻設(shè)置，增加相應(yīng)的功率，杜絕因閥門控制出口壓力的情況出現(xiàn)，提高煤氣的出站壓力，進(jìn)一步提高煤氣飽和水的析出，從這方面著手達(dá)到降低煤氣飽和水含量的目的。

在實(shí)際運(yùn)行中，不管是采取降溫還是增壓，都需增加相應(yīng)的設(shè)備，無形中增加了設(shè)備投資和運(yùn)行成本。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得知，飽和水對(duì)后期用戶的影響較小，一般情況下穩(wěn)定較低的煤氣溫度和較高的煤氣壓力。

7.2 機(jī)械水的控制

由于塊煤含硫極低，整個(gè)生產(chǎn)工藝無須配套脫硫設(shè)施，經(jīng)加壓后直接通過管道輸送給用戶使用，而煤氣一般經(jīng)過加壓機(jī)增壓后，溫度會(huì)升高5~10℃，如果不在加壓機(jī)前將煤氣中的大部分機(jī)械水除掉，溫度升高后的煤氣會(huì)將部分機(jī)械水重新汽化，從而增加煤氣中的飽和水含量。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的機(jī)械法煤氣捕水技術(shù)有填料脫水、絲網(wǎng)脫水、旋流板脫水、折疊板脫水等，但是經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)脫水效果不是很明顯。根據(jù)實(shí)踐驗(yàn)證增加靜電除焦器與捕滴器串聯(lián)使用，控制機(jī)械水效果顯著[5]。在實(shí)際使用過程中，為了此項(xiàng)工作的順利開展，本廠在靜電除焦器后端增加靜電除塵器，同時(shí)防止加壓后煤氣溫度升高增加機(jī)械水，在加壓機(jī)后端串聯(lián)捕滴器，填裝磁環(huán)，捕滴部分焦油和升壓后產(chǎn)生的機(jī)械水。

8 結(jié)束語

煤氣中所含的水不僅嚴(yán)重影響煤氣質(zhì)量，也對(duì)用戶設(shè)備有很大的損傷。根據(jù)上述綜合計(jì)算與分析，以及節(jié)能環(huán)保角度綜合考慮，本論文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程造氣情況，通過計(jì)算和分析確定方法，解決了加壓后煤氣帶水分對(duì)質(zhì)量的影響問題。

煤氣中機(jī)械水產(chǎn)生的弊端影響遠(yuǎn)大于煤氣飽和水的影響，通過先進(jìn)技術(shù)，選擇合適的設(shè)備進(jìn)行機(jī)械水的捕除，可以解決因煤氣含機(jī)械水高影響煤氣質(zhì)量的現(xiàn)象發(fā)生，從根本上做到安全穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤氣。