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常压固定床煤气发生炉的发展
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煤是世界上储藏量最丰富的化石燃料,也是中国储量最多的化石燃料[1]。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,占世界煤产量的25%。煤炭是我国分布最广、较为丰富的能源,而石油、天然气资源则相对不足,预计到本世纪中叶,我国以煤为主的能源结构将不会改变。

煤的转化和利用有着悠久的历史,比如我国用煤作为能源的历史已有一千五百多年,国外用煤制焦的历史至少可追溯至十六世纪[3]。目前,煤的利用主要分为如下几个方面:1)能源利用,如燃烧、发电(或燃料电池)等;2)原料来源,如气化、等离子乙炔化、焦化、液化、热解、加氢热解、煤与添加物共处理等途径转化为气体、液体、固体等形态的工业过程原料或化学品;3)材料利用,如添加剂、吸附剂等。

用O2/H2O、Air/H2O等气化剂将煤转化为气体燃料的过程称为煤的气化。煤气化反应中的气化剂一般包括O2、H2O、CO2和H2,产物一般为CO、H2、CH4。煤炭气化是煤炭转化中实现煤的清洁高效利用的重要过程之一,用于煤炭气化的反应炉有多种类型,按照气固接触的方式,有固定床、流化床、夹带床及融盐床等。其中,固定床煤气化反应炉因其高热效率和操作系统简单方便而得到广泛应用。目前世界上煤的气化约89%为固定床气化,10%为夹带床,仅有1%为流化床气化[8]。固定床煤气反应炉既可在高压下操作,又可在常压下或中等压力下操作。常压固定床煤气化反应炉的排渣方式有两种,即固态排渣和液态排渣,对于固态排渣方式,一个很关键的限定条件就是反应器内部温度不能超过煤中灰分的软化温度。根据煤和气体的流动方式,常压固定床煤气化反应炉有逆流式,共流式和错流式,其中以逆流式过程最为普遍,下面总结了此类煤气化反应炉的优点:

(1)逆流流动使得灰渣中热焓被进口的冷气体所回收;

(2)挥发产生的气体增加了气体产物的热值;

(3)固体停留时间长,碳转化程度高;

(4)热效率高;

(5)气化产物中夹带的固体量低;

(6)煤气化反应炉尺寸小,投资成本低;

(7)可使用劣质煤气化,对煤的热稳定性和机械强度要求较低;

  煤气化过程不同于简单的化学反应体系,它不仅涉及到复杂的化学反应体系,还包括了物理过程的脱水干燥和半物理半化学过程的热解干馏。仅就气化反应而言,既有多个平行反应,又有连串反应和二次气相反应。由于反应速率上的差异,较慢的一些反应要用动力学方程来描述,较快的气固反应要由扩散传质方程来描述。庞大的反应体系和繁杂的传热过程使得对煤气化反应炉的数学描述十分困难,然而常压固定床煤气化反应炉的广泛应用也促进了其数学模拟的不断发展。煤气化反应炉的设计、生产过程的控制和产物组成的预测不断给数学模拟提出更高的要求,科学工作者们也一直在这一领域进行着不懈的努力,使得煤气化反应炉的数学模型与模拟由简向繁、由粗向细逐渐完善。

  对煤的气化反应的研究可追溯到1780年,当时Fontana首次研究了水蒸气通过炽热的碳生成水煤气的反应。伴随着煤气化研究的不断发展,用于煤气化的常压固定床煤气化反应炉类型也不断增加,前后出现过二十余种不同的炉型,其中最常见的有Lurgi炉和Wellman-Galusha炉。

表1-1为煤气化研究历史上的重要事件及其年代[10]。

表1-1 煤气化历史上的重要事件及其年代

序号 事 件 时间(年)

1 水蒸汽-碳的反应 1780

2 煤气发生器的发明 1832

3 水煤气工艺的发明 1859

4 熔渣式出灰煤气发生器的发明 1912

5 加压煤气化 1926

6 煤的加氢气化 1936

7 煤的CO2气化 1949


1. 国外常压固定床煤气发生炉的发展概况

  世界上最早的常压固定床煤气发生炉大约在十六世纪问世,主要用于冶金和玻璃行业,最早用木炭等为燃料,之后发展为气化煤和焦炭。美国的U.G..I型和前苏联的д型煤气发生炉是一段式炉有代表性的炉型。该炉型在气化无烟煤时有较大的优势,至今仍有很大的市场。当然其主要缺点就是重质焦油、煤气携灰和水的污染问题,为了解决这个问题,一些研究者着重对两段炉进行了深入的研究。1895年,奥地利维也纳的Strche发明了采用两个容器的煤气发生炉,用来制取循环式水煤气,这就是两段式煤气发生炉的最初造型。后来此炉型由IGI集团进行生产。

近年来,世界各国对两段式煤气炉的炉体结构和制气生产工艺做了许多改进与提高,并使其更加完善。高峰时期,世界各国已建成的两段炉约有几百台,但没有多久由于石油和天然气的开采利用,迫使许多国家的两段炉停产。但对于南非等国由于缺油有煤,且长期受到国际制约,近年来还在不断建设两段炉,现在已经成为两段炉大国。

2. 我国常压固定床煤气发生炉的发展概况

  我国在20世纪50年代初期,开始从前苏联引进д型一段式煤气发生炉,除此之外,我国还从国外先后引进了W-G型、U.G..I型等其它炉型,后来我国通过在应用中总结大量的实践经验和资料,消化吸收后自行研制了适应本国特色的一段式煤气发生炉。这样促进了我国煤气炉的开发和发展。直至今天,人们仍在不断的对一段炉进行改进和完善,由于国情原因,一段炉在国内还很有市场。

  当然,随着部分城市和地区环保要求的逐年提高,外加煤气工业的进一步发展,两段炉在气化煤炭上的优势被逐步认识。相关研究单位如机械部工业设计研究院、航天部规划设计研究院、轻工部北京规划设计研究院及部分高校相关院系等从上世纪80年代至90年代自行开发设计了具有当时国际水平的两段炉。此后我国还先后从英国、美国、法国和意大利等国引进了一批不同形式的两段炉,通过摸索和消化吸收使得我国自行研制的两段炉更加完善。

  然而,近几年很多设计单位由于种种原因放弃了对煤气发生炉的研发,导致了国内研究煤炭气化的技术力量明显下降,现在煤气发生炉相关技术发展非常缓慢,有些企业不得不放弃使用发生炉煤气的打算,转而投向价格昂贵的液化石油气和天然气,对很多耗能企业生产成本带来很大影响。

3. 我国常压固定床煤气发生炉热煤气站发展概况

  在我国煤气发生炉应用中,热煤气站占有举足轻重的地位,上世纪中叶,我国在很多行业如机械、冶金、耐火材料、玻璃以及建材使用的煤气站,大多为气化烟煤的一段式炉热煤气站,这些煤气站常常面临焦油堵塞管道的危害。到了90年代中期,一些热煤气站开始着手将自己的煤气炉改为两段炉型。如1989年山西某玻璃厂率先将一段式煤气发生炉改为两段式煤气发生炉;1995年,杭州某玻璃厂将两段炉上下两段煤气以一定比例混合,作为热煤气应用取得了成功。其它企业也作了一些试验。结果表明:改为两段式炉后煤气热值及其压力稳定,输气管道堵塞现象明显减少,同时环保效益也明显提高。

  现在国内一些经济实力雄厚的企业和位于环保要求高的城市的企业,一般选择了两段式炉作为热煤气站的炉型。而对于大多数企业来讲,两段炉的价格偏高,使得在选择炉型时不得不选择价格低廉的一段式炉热煤气站。纵观国内所建投产的热煤气站,两段炉只占了极少数的一部分份额。

4. 我国常压固定床煤气发生炉冷煤气站发展概况

  对于一些诸如陶瓷、高岭土等对燃料洁净度要求较高的行业,多选择常压固定床煤气发生炉冷煤气站。

  在我国上世纪九十年代前,大部分冷煤气站以一段式煤气发生炉为气化炉型。上世纪九十年代初期开始,随着两段式煤气发生炉的引进及国产化,许多企业出于环境保护和煤气热值等方面的考虑,在新建气化烟煤的冷煤气站时,开始选择两段式煤气发生炉为气化炉型,逐渐一些原有气化烟煤的一段炉冷煤气站也开始进行了两段炉的改造。气化无烟煤的冷煤气站仍以一段式煤气发生炉作为气化炉型。

  现阶段,由于能源的紧缺和企业环保意识的加强,节能环保型煤气站成为了冷煤气站的主要发展方向。

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