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5、煤的块度大小
在固定层煤气发生炉中,为使煤气产量和质量较高,且操作方便,一般都要求使用块煤均匀、大小适中、无煤末的块煤。
在实际生产中,煤的块度要根据炉型、煤种及经济条件来决定,一般煤气站为了充分利用碎煤减少粉煤量,不得不使用一些块度较小的煤,在实际使用过程中,有一点值得注意:
不能将大小块混杂入炉。
因为混杂的大小块将沿着发生炉截面不均匀分布,在气化时造成偏炉,烧穿或结渣等不正常现象。
所以,入炉煤的块度组成,要求大小块度之比值不超过2。
如:
25-50mm或13-25mm、6-13mm。
因此,煤在运输过程中混入的煤屑一般经过过筛后,放可入炉。
(其中有特大块的,可以锤碎后过筛)。
我厂发生炉因采型煤,故并没有块度大小的要求,但必须注意对粉料的筛分。
6、粘结性
一般来说,褐煤和无烟煤属于不粘结性煤,烟煤属于粘结性煤,但其粘结情况差异较大。
粘结性的煤在气化时,会在干馏层形成大的硬块,而使气流分布不均匀,严重影响气化过程的正常进行。
所以,在气化选用煤种时,要对其粘结性给予重视。
2011年至今我厂用型煤平均指标见表一:
表一:
水分
灰分
挥发分
固定C
发热量
TS+13mm
TS+6mm
TS-6mm
0.61
24.04
9.87
65.47
5992.40
93.29
94.89
5.11
我厂煤气发生炉用型煤的灰熔点大概:
1150℃—1250℃之间,相对是较差的,因此在生产过程中要特别注意下炉内温度的控制。
二、影响煤气发生炉气化的三大因素
1、三大因素是指:
燃料层次;
反应温度;
气化剂流速;
2、燃料层次的影响
燃料层次的好坏主要受以下几方面的影响:
型煤的质量(灰熔点、粉煤含量等)、除灰的控制、加煤量、料层高度的控制;
3、反应温度的影响
炉内反应温度的高低主要是根据炉内情况对饱和温度进行调节来控制的。
饱和温度:
饱和温度实际就是反应的空气与蒸汽的混合一个比例,但我厂煤气发生炉饱和温度是以气化剂温度的形式来表示的,它受到室温的影响,比如白天气温高,空气的温度也就相应的要高些,按同样的比例混合后,饱和温度显示值就要高些,所以相同条件下气温高时饱和温度也应该相应的控制高些才对。
我们在对整个炉子饱和温度的控制上,需要对根据炉内的实际情况进行调整,不能一味的根据多少入炉风量配对少饱和温度,这也是为什么要勤测炉况的原因。
气化温度与炉内主要反应速率的关系见图一所示:
图一:
温度与炉内主要反应速率的关系
炉内反应温度的(即气化温度)的高低对于二氧化碳的还原率与蒸汽的分解率起着决定性的影响。
反应温度过高存在的问题:
气化层的最高温度要受到燃料灰熔点的限制,如果其温度值超过燃料的灰熔点,就有可能引起燃料发生熔融粘结,甚至结疤结块,破坏正常的气化作业。
(因此反应温度最好控制在灰熔点以下20-30℃为最佳)
炉内气化温度最高的位置:
煤气发生炉内最高气化温度在氧化层与还原层之间。
气化温度的分析与判断:
我们的煤气发生炉没有气化层温度的直接测量装置,故操作人员只能根据炉出温度、炉底温度、煤气成分、探火情况及灰渣状况等数据进行综合的分析与间接的判断。
4、气化剂流速
煤气发生炉里反应主要是气固之间的反应。
其特点为:
反应在气体与固体相接触的外表面和孔隙的内表面发生。
反应过程可以分为以下5个步骤:
①气流中的活性组分通过气膜向燃料的表面扩散;
②气流中的活性组分被燃料的表面吸附(包括燃料孔隙内表面);
③活性组分与碳分子发生化学反应,生成反应物;
④反应产物解吸;
⑤反应产物通过气膜扩散入气流中。
上述步骤中①、②、④、⑤属于物理过程,③属于化学过程,其中哪个步骤的速度最慢,哪个步骤进行的速度就决定了总的气化速度。
在煤气发生炉内反应温度足够高时,其化学反应速度必然相应地加快(即步骤③进行的很快),此时整个气化过程的速度主要由反应物(气化剂)扩散到燃料表面或反应产物(煤气)扩散入气流中的速度所控制,这种状况称为扩散控制。
提高吹风强度的作用:
在相近的吹风时间内,提高吹风强度(即加快气流速度),吹风气中的一氧化碳含量会大大下降,吹风气带走的热量也会相应地减少。
这样储存在燃料层中的热量就会相对地增加,最终使整个气化过程中的燃料消耗得以降低。
由于吹风速度的提高,使单位时间内吹入炉内的空气量得以增加,因而可以相应地缩短吹风时间,使制气时间得到延长,增加了煤气的产量。
限制气体流速的因素:
受到煤尘出量、燃料层被吹翻或吹出风洞的限制。
5、三高
“三高”即高炭层(高料层)、高炉温与高流速。
高度适当、分布合理的燃料层次是保证煤气炉内气化反应能够正常进行的首要条件;
在允许范围内,将气化温度尽量提高是增大制气强度的必要手段;
入炉气化剂维持一定的流速又是以上二者的补充;
因此发生炉煤气生产的最佳气化条件就是“三高”。
操作人员应在稳定气化作业的前提下,尽可能地把气化剂流速和炉内的反应温度提高到燃料及其它条件所允许的高限,尽量使煤气发生炉经常处于下列三个条件下操作与运行。
✓炉内各燃料层次正常稳定,炉底排渣通畅;
✓燃料层各处同一截面的气流速度和温度分布均匀;
✓保持高炉温与高流速。
三、煤的气化原理
发生炉煤气是通过水蒸汽和空气混合形成气化剂后,流经炙热的固定燃烧床生成的。
气化剂中所含的氧和蒸汽与燃料中的碳反应,生成了含有CO、CO2、H2、CH4等成分的发生炉煤气。
与空气混合的蒸汽提高了热效率,并降低了燃料床温度,从而控制了熔快的形成。
当氧和碳反应时放出热量,而蒸汽与碳是吸热反应,确保了炉内的热平衡过程。
燃料床的温度取决于气化剂的饱和温度,燃料粒度,类型及发生炉。
2C+O2=2COC+H20=CO+H2
燃料床的温度是头等重要的,因为对于给定的燃料和炉型,它决定着发生炉煤气的成分,在温度高的情况下,可产生大量的可燃气体。
因此重要的是保持燃料床高温而又不会形成熔块(高炉温的操作)。
在氧气充足的情况下,还会出现另外两种反应:
2CO+H2O=2CO2和C+O2=CO2
在还原层,其温度低于1200℃时还会出现下面的快速反应:
CO2+C=2CO和H2O+C=H2+CO
当煤气通过还原带时,可燃气体含量迅速上升,而CO2和水蒸气含量下降。
在干馏断,喂入发生炉的燃料,依次被干燥,预热和碳化,生成的蒸汽、焦油雾和煤气一起从顶部逸出发生炉。
煤气发生炉内各层次的作用及存在的反应:
名称
进行过程与作用
化学反应
灰层
支持燃料
支配气化剂
防止炉栅受高温影响
利用灰渣的物理热预热气化剂
氧化层
碳被氧气氧化成CO2及CO并放出热量以维持必要的反应温度
C+O2=CO2
2C+O2=2CO
还原层
CO2还原成CO
蒸汽分解为H2和CO、CO2
CO2+C=2CO
H2O+C=CO+H2
2H2O+C=CO2+2H2
CO+H2O=CO2+H2
干馏层
燃料获得热气体传递的热量,进行分解析出产物为:
CO、CO2、H2O、CH4、C2H4、H2、N2、NH3、水蒸气及焦油等。
干燥层
借气体的物理热,蒸发燃料水分
空层
聚集气体
有时煤气中部分CO与水蒸气进行反应CO+H2O=CO2+H2
四、在气化过程中各气体成份在各层次内的分布
氧气:
在灰渣层不起反应,主要反应在氧化层与碳起反应,在氧化层结束时,氧气已经趋近于0,正常气化时在煤气中含量0.1—0.3%左右。
二氧化碳:
在氧化层生成,当氧气消耗逐渐下降时,二氧化碳就会逐渐上升,在氧化层结束至还原层时,由于二氧化碳与碳起还原反应,所以二氧化碳就会逐渐下降,当将要达到还原层顶部时,二氧化碳下降缓慢,然后又上升,这是因为一氧化碳与水蒸汽反应生成二氧化碳所造成。
一氧化碳:
在氧化层后段及还原层是生成一氧化碳最多的区域,此时主要是二氧化碳与碳起还原反应生成一氧化碳,在还原层的上部就有慢慢下降的趋势,然后在干馏、干燥层与水蒸汽反应生成二氧化碳,此时一氧化碳就有下降趋势。
水蒸汽:
主要用在还原层。
氢气:
主要在还原层生成。
从以上的分析可以得知气体的消耗与生成可以得到以下规律:
〔1〕
氧气的耗用与二氧化碳的生成是一消一涨,氧气的下降才能促使一氧化碳的生成。
〔2〕
二氧化碳与一氧化碳也是一消一涨的关系。
〔3〕
水蒸汽与氢气基本上也存在着一消一涨的关系。
这些规律指导我们在生产中掌握鼓风速度、气化层温度、饱和温度,以便获得更好的气化效果。
五、煤气质量
煤气质量指标指煤气的组成和发热量,组成CO、H2、CH4、C2H4为可燃组分,N2为惰性组分,CO2、H2S等为杂质。
煤气的组成取决于煤的种类和气化情况,通常用可燃气体的含量来衡量煤气质量的好坏。
可燃气体含量高,则发热量高;
煤的挥发分含量高,则由此制得的煤气发热量也高。
但煤气发热量并不与挥发分含量成比例的增加,这是因为挥发分的成分不同所致。
所以用不同的煤进行气化,所得煤气的组成是有差别的。
六、发生炉操作控制对气化过程的影响
发生炉操作的优劣,通常用气化指标来判断。
当一定品种的煤在某种结构的发生炉中进行气化时,对气化过程起重要影响的操作参数是:
燃料层高度、气化强度和鼓风饱和温度等。
1、燃料层高度
燃料层高度是一个很重要的参数,它通常有三部分组成,在工厂里称作:
〔1〕煤层〔包括干燥层、干馏层和还原层〕:
〔2〕火层〔即氧化层〕;
〔3〕灰层。
炉内各层高度根据发生炉的类型、煤的化学物理性质和出灰量大小而决定。
生产操作中,可把铁扦插到燃料层中受热一段时间,〔约1.5―2分钟〕然后根据铁钎的颜色判断燃料层的分层情况。
从铁钎上看,火层白亮或红色,白亮为1200℃以上。
灰层在火层下面,呈铁钎本色。
煤层在火层上面,微带一点焦油及烟尘。
灰层能预热鼓入炉内的气化剂达200℃左右,并使气流均匀分布。
灰层一般控制在0.1――0.4m范围。
灰层太厚,则增加炉内气流阻力,使鼓风压力增加气化剂分布不均匀,煤气质量变差。
灰层太薄,除气化剂分配不易均匀和气化剂预热温度低之外,还将造成火层下移,操作不当时,很容易烧坏炉栅。
与此同时,灰渣含碳量也将增加。
此时可适当提高饱和温度,调整炉栅运行速度,灰层很快就会增加。
火层温度低于灰分软化温度80-120℃。
厚度一般以0.1-0.4m为宜。
烧钎子时,若铁钎上火层部位呈暗红色,说明火层温度偏低。
要提高火层温度可适当降低饱和温度,使气化剂中水蒸汽含量少一点。
一般通过调节饱和温度来控制火层温度。
火层厚度根据炉内气化强度、炉内温度、燃烧粒度和反应活性来决定。
火层太厚表明炉内气化剂温度过高,有一部分氧化层温度被带进干馏层。
致使干馏层温度上升,可用降低饱和温度的办法来解决。
如探火,火层呈白亮色或铁钎有熔化现象,六支巡检仪单支或两支温度明显超过平均温度,表明炉内温度过高已有轻微结渣现象。
处理方法:
可加大气化剂饱和温度,调节灰盆出渣速度。
必要时以弯钎打渣,辅助出渣。
煤层由煤的粒度及所含水分、挥发分的多少而决定。
粒度小水分高,炉内料层就要增加,如果料层高度不够,煤料未经完全干馏就进入还原层,会降低还原层温度,影响CO2的还原。
同时煤料中未干馏出的焦油和挥发分也会产生热分解,进入旋风除尘器与风冷器,粘壁后堵塞管路。
炉内料层过厚则阻力增加,气化剂通过时分布不均容易造成局部过热,甚至炼结。
一般煤层高度以调节两股煤气的出口流量来调整。
出现炉内煤料加满时可适当加大底部煤气流量,减小顶部煤气流量来延长加煤时间,靠炉内正常气化,使料层下降。
如炉内空层太高,煤气顶部出口压力加料时波动大。
则采用减小底部出口煤气流量,加大顶部出口流量的方法来解决。
空层是指燃料层上表面到顶部煤气出口之间距离,它的作用是把生成的煤气汇集起来输入管道。
高度一般以炉内煤料加不满,顶部出口压力加料时波动不超过0.2kpa为准。
炉内煤料加满后顶部出口温度得不到控制,火层很容易上移致使上段温度过高,烧坏巡检热电偶与中心管。
保持燃料层高度的稳定与发生炉基本操作密切相关。
加煤时,要少加,勤加。
在实际生产中,燃料层阻力并不是很均匀的,生产时可用炉身调节阀辅助调节,在阻力小的地方用钎子捣实的办法来解决。
清灰时要采取多次,少清的办法,使料层平稳下降,减少燃料层波动。
清灰时还要观察含碳量情况,以便及时处理。
2、气化强度
气化强度既是对气化过程进行评价的指标,也是一项很重要的操作参数。
提高气化强度的实质就是要加快炉内的气化反应。
在发生炉内进行的许多反应中,CO2的还原速度比其他的反应速度慢,所以它是决定发生炉气化强度的主要反应。
当CO2的还原过程处于化学动力学控制时,提高反应温度能加快化学反应的速度。
但此时必须考虑煤的灰分软化温度,一旦引起灰渣结块,造成通风不良,反而会使温度下降,影响CO2的还原。
所以必须根据煤的品种和灰分软化温度,在具体的发生炉中寻找和总结最适宜的反应温度。
当CO2的还原过程受到扩散控制时,可以增加气流速度成比例的鼓风量。
但气流速度过大会减少气体与燃料的接触时间,通常气体停留在还原层的时间只有几秒,所以为保证煤气的质量,必须考虑进行充分反应必须的时间。
在反应温度不高时增加气流速度,将会恶化CO2的还原,使煤气质量变坏。
如煤的热稳定性较差,增大气流还会引起飞灰。
当CO2的还原处于过渡区域条件时,必须综合考虑上述两方面因素。
实际操作中,为控制气化强度和煤气质量,经常以出口温度来判断燃料层温度:
调节鼓风饱和温度和鼓风压强来控制空气与蒸汽的混合比和气化剂供入量。
一般而言,加大鼓风量,提高煤层以延长气化剂和煤料的接触时间,选择良好的煤种以及加强筛分效果等,都能获得较高的气化强度。
总之,对每台发生炉所使用的不同煤种,都要总结规律,找出合适的气化强度,从而既能提高煤气发生炉的生产能力,又能保证煤气质量。
最重要的是在保证煤气质量的前提下提高气化强度,否则将会影响到煤气的使用。
3、鼓风饱和温度和鼓风压强
鼓风饱和温度的高低决定了气化剂中蒸汽的含量。
确定饱和温度以发生炉内不结渣和不炼边为原则。
饱和温度的测量一般采用电阻温度计,测量点在空气与蒸汽均匀混合段,即进入炉底鼓风箱之前的管道上。
对于一定种类的煤,其灰分含量越高,则灰分软化温度越低,在发生炉内灰渣结块的机会就多,所以必须提高饱和温度,以加入更多的蒸汽来降低气化层的温度,但这常常会降低煤气质量。
粒度小的煤比粒度大的煤容易结块,它的蒸汽消耗量也要相应高一些。
当气化强度增加时,气化层温度较高,操作时一般都适当提高饱和温度以增加蒸汽量。
而当气化强度低时,则降低蒸汽量,以避免气化层温度过低而使煤气质量降低,鼓风饱和温度一般控制在50---65℃。
鼓风压强虽与鼓入的风量有关,但不能表示鼓入炉内的气化剂总量,它是鼓风量与燃料层阻力的综合效果,要同时受这两个因素制约。
燃料层阻力与燃料层高度,燃料粒度和结渣性、气化强度等因素有关。
当燃料层较高,粒度较小,容易结渣或气化强度大时,燃料阻力将增大,这时必须适当提高鼓风压强。
但鼓风压强过大又会增加飞灰,使气流不均匀而且容易发生偏火。
所以压强不易过大。
应着重指出,鼓风压强的最低限度必须保证发生炉处于正压下操作。
一般在紧靠炉底的风管上测量鼓风压强。
以下是常用范围内蒸汽饱和含量表。
根据鼓风饱和温度即可查得蒸汽含量,以查得的蒸汽含量乘上气化1Kg煤所需要的空气消耗量,便是蒸汽消耗量。
实际生产中都以控制饱和温度来调节蒸汽的加入量,饱和温度一般约为50-65℃.
不同饱和温度下湿空气中所含蒸汽量见表二:
表二:
饱和温度℃
水蒸气含量
g/m3
g/Nm3
g/m3干气体
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
39.5
41.6
43.8
46.1
48.5
51.0
53.6
56.4
59.2
62.2
65.2
68.5
71.8
75.3
78.9
82.7
88.6
90.7
94,9
99,3
104
109
44.6
47.1
49.8
52.5
55.4
58.5
61.7
65.0
72.2
76.0
80.0
84.2
88.5
93.1
97.8
103
108
113
119
125
131
47.3
50.1
53.1
56.2
59.6
63.1
66.8
70.8
74.9
79.3
84.0
88.8
94.0
99.5
105
111
118
132
140
148
156
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
114
124
130
135
141
147
154
160
167
174
181
189
197
205
213
222
231
240
349
259
269
137
144
151
158
165
173
190
198
207
217
226
236
247
258
281
293
306
319
332
346
166
175
186
208
221
234
248
263
280
297
315
335
357
380
405
432
461
493
528
566
608
不同的煤和气化强度有不同的蒸汽加入量,一般保持在0.3-0.4Kg/Kg煤。
有时煤的灰分软化温度低,为避免灰渣结块,也采用0.5-0.6Kg/Kg煤。
当煤的灰分软化温度高,为获得较高的蒸汽分解率,也有采用0.2Kg/Kg煤的。
4、炉出压力和炉出温度
要求出口压力能克服管道、阀门、净化装置等设备的阻力,将煤气输送到煤气加压风机。
操作时从煤气出口压强和鼓风压强之差可了解燃料层的阻力情况。
煤气出口温度是一项重要的控制指标,由于发生炉内,各部分温度高低不同,一般用煤气出口温度来反应炉内的温度制度,从而控制炉内的气化过程。
煤气出口温度与燃料层的高低、加煤量及鼓风饱和温度等因素有关。
煤气出口温度过高时,要考虑燃料层是否过低,鼓风饱和温度过低,火层上移或是气化强度提高等因素造成。
煤气出口温度低,则表明发生炉内气化层温度降低,要采取相应的措施使其恢复正常。
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