型煤气化炉改造

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型煤气化炉改造
作者：赵乐群(江西昌昱实业有限公司，江西南昌 330013) 日期：2007-8-15

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1  概  述   
    近年来，由于无烟块煤、焦炭价格攀升，众多以固定床间歇气化炉进行煤气化的企业为了生存和发展，纷纷采用型煤代替块煤焦进行气化，生产半水煤气和水煤气。
    在实际生产中，原有的煤气炉不进行改造，烧型煤的效果往往难以达到预期目的。现状是：产量下降，消耗上升，生产稳定性差，虽然型煤价格较低，但综合效益并不理想。在这种情况下，大多数企业简单地把这种现象归结为型煤气化效果差，没有找到合理的工艺条件，过多地从操作方面找原因，而忽略了更重要的问题：原煤气炉的设计是烧块煤、焦炭的，改烧型煤，煤气炉设备本身存在着不适应。
    固定床间歇气化炉，无论是美国的UGI炉型，前苏联的φ3.6m炉型，还是我国土生土长的φ2.6m炉型，都是以块煤焦为原料进行设计的。煤气炉的高径比、夹套锅炉、灰犁、排灰口、灰碴过渡区、中央灰箱、上部气道等处设计时的参数、工艺模型、模拟试验、工业试验采用的气化原料均为冶金焦和优质块煤，与型煤的工业性质相差非常大。
型煤的发热量偏低，相当于冶金焦或优质块煤的70％～80％；型煤的堆积密度相当于块煤的75％，冶金焦的105％。改烧型煤，如果仍采用原设计煤气炉型，炉内炭层高度必须比烧冶金焦、块煤高得多才能满足正常气化需要的热量。因此，原煤气炉以型煤为原料不可能把气体质量提高，CO2含量往往在9％～12％，产气量也较低，半水煤气产气量在700m3／(m2·h)左右。
    冶金焦热稳定性达到98％，优质块煤为92％，而型煤的热稳定性、热强度比块煤焦低得多，一般煤球热稳定性为70％，煤棒为75％。冶金焦热强度达到1.15×103N／cm2，优质块煤为1×103N/cm2，而煤球仅为400N／cm2，煤棒为350N／cm2。
    上述差别造成工艺指标控制截然不同。炉上温度指标，冶金焦可以达到750℃，优质块煤可以达到550℃，型煤仅能在400℃以下操作。
    型煤的灰熔点和灰分含量与煤焦差别很大，因此，炉箅、灰犁、排灰口，灰碴过渡区等处的设计相差也很大。如果不改变，势必造成煤气炉炉下灰盘、排灰口部位不是灰碴结死，就是粉末状流生，难以稳定生产。
    根据经验数据，固定床煤气炉以优质块煤为原料，每0.95～1.05 m3入炉空气生产1 m3半水煤气。而以型煤为原料，因其热值偏低，炭层中蓄热量相对偏低，往往每1.15～1.25m3空气才能生产1 m3合格半水煤气。因此，型煤气化要达到理想的生产强度，提供热量的空气量要比块煤高，即吹风空气需求量相对块煤偏大。但在实际生产中，固定床煤气炉以型煤为原料气化，吹风量反而降低，否则会吹翻。要使型煤气化达到理想的生产强度，必须重新设计煤气炉吹风系统，比块煤一次风量高，并确保不吹翻。
    由以上对比可知，型煤气化的工艺条件与块煤焦差别非常大，用以块煤焦为原料的煤气炉烧型煤肯定会出现不适应，无法进一步发挥型煤价格低的优势。这正是部分烧型煤的企业效益不理想的根本原因所在。要烧好型煤，必须有适合烧型煤的煤气炉。这种煤气炉的特性应与型煤的特性相一致。
2  型煤气化炉的要求
2.1  煤气炉的高径比应符合型煤特性要求
    与块煤相比，型煤的热值低，堆积密度小，每1m3优质块煤约相当于1.35～1.5m3以腐殖酸为粘结剂、固定碳含量在68％以上的干基型煤。因此，烧型煤的煤气炉要比原设计煤气炉高得多。以块煤焦为原料的煤气炉的高径比一般为2∶1，型煤炉则应在2.2∶1以上。
2.2  半水煤气CO2体积分数不能过高
    型煤的气化层比块煤的气化层高，主要目的是利用还原层把半水煤气中CO2的体积分数降下来，块煤炉半水煤气CO2体积分数为6％～8％，而目前大部分型煤炉CO2体积分数在9％～12％，明显偏高。如果能提高气化层，则可以使CO2体积分数降到9％以下，有利于提高气化强度。
2.3  提高吹风量的同时不发生吹翻
    型煤气化层提高后，床层阻力升高，影响吹风强度。而型煤气化要求吹风时风量要比块煤气化大得多。实际情况是：烧型煤吹风流量普遍偏低。这一矛盾是制约型煤气化的关键所在。怎样才能在型煤气化时床层阻力较高的情况下，既大幅度提高吹风流量，满足气化要求，又不致吹翻呢?答案是必须对煤气炉进行技术改造，重新进行设计。
3  煤气炉改造
3.1  适应型煤特性，使入炉风量提高，流量加大，流速降低
    烧型煤容易吹翻，所以要求入炉空气分布必须合理，杜绝出现“偏流”、“走短路”。除去炉箅各通风道合理布置以外，还必须实现中央灰箱横截面积大于炉箅有效通风面积，只有这样，才能保证炉箅气室始终压力均衡稳定，避免空气“偏流”。
    实际生产中一些炉型并没有达到上述要求，如：J-28煤气炉中央灰箱横截面积比炉箅的有效通风面积小，经常造成炉箅各通风道之间通风不均衡，特别是造成中风偏大。过去过多地考虑从炉箅风道上调整中风偏大的问题，忽略了中央灰箱对炉箅气室的柱状气流布风影响的问题，先天已经造成中风偏大，所以效果不理想。
    要做到风量加大，流速降低，最有效的办法就是使中央灰箱横截面积加大，并且形成逐级加大的喇叭口状，让空气形成扩散状入炉箅气室，既增大了流量又降低了流速。
3.2  炉箅要适合型煤特性，通风面积大，布风合理，排灰碴能力强
    几种型煤的特性有差别。
    (1)腐殖酸煤棒
    化学活性好，水分含量高，必须有完全上吹烘干阶段，否则会出现上部新入炉的煤棒因水分没及时烘干而使煤棒相互粘结在一起，影响透气率，易形成气化不均匀。另外，煤棒成碴性能好，灰碴过渡区相对短，对炉箅均匀排碴要求较高。煤棒形成的灰碴较酥软，炉箅的破碴功能不宜太强，否则易形成较多的碎粉灰，反而会影响工况。
    (2)腐殖酸煤球
    活性不如煤棒，热稳定性较差，但透气性较好，控制炉上温度难度更大，炉下成碴性较差；因此烧此煤球要以控制上部温度和炉下灰碴成碴率为主，即：炉体高径比要达到要求，灰碴过渡区要适当增加，炉下温度应提高，炉下装置应有耐高温功能。
    (3)碳化煤球
    特性与腐殖酸煤球相差不多，可参照。
3.3  出炭层吹风气流速及流向控制
    型煤炭层表面破碎率较块煤焦高，因此吹风时很容易“吹翻”，即大量带出物随吹风气流移走，达到一定程度，炭层表面就会出现气流“偏流”，使炭层出现严重高低位差，不能正常气化生产。
    很明显，烧型煤在吹风时，出炭层吹风气的流速对煤气炉“吹翻”起决定作用。可以采取增加炉上部筒体直径的办法降低出炭层吹风气的流速。实践证明，上筒体直径扩大200mm，φ3.6m、φ3.0m、φ2.65m煤气炉吹风气出炭层流速都有明显降低，分别降低7％、12％和14％，效果很明显。
    固定床煤气炉原设计是烧冶金焦的，炉顶部没有考虑除尘功能，未设计气流沉降区和气流折流角度。改烧型煤后，必须要考虑除尘和降低带出物问题，否则，不但不利于工艺稳定，还会造成消耗升高。   
    对煤气炉出气口设计分两种情况：一种是上气道从炉顶部出，插入管伸进炉膛300～500mm，可以大幅度降低带出物；另一种是上气道侧出，出气口低于炉顶300～400mm，使炉顶形成沉降区。两种设计都有利于增加吹风流量，减少煤气炉“吹翻”现象。
3.4  空气鼓风机的选择
    正因为老的炉型烧型煤不适应，造成了一个误区：烧型煤易“吹翻”，不能用大流量高风压的空气鼓风机，许多企业把鼓风机出口阀关闭1／2，或者更换为小的鼓风机，力求在低生产水平下寻求平衡点，这显然是错误的。
    新的型煤气化炉恰恰相反，它要求大流量高功率的空气鼓风机，在吹风时能克服较高炭层产生的阻力，为气化提供更大流量的空气，使炭层积蓄足够的热量，完成气化。
    一般情况下，φ3.6m煤气炉配D1100型鼓风机，电机功率为800 kW；φ3.2 m煤气炉配D800鼓风机，电机功率为630kW；φ2.6m煤气炉配D 600鼓风机，电机功率为440kW。
    传统设计煤气炉鼓风机配置为：φ3.6m炉配风压22kPa风机，电机功率为630kW；φ3.0m炉配风压25 kPa风机，电机功率为440kW；φ2.65m炉配风压25 kPa风机，电机功率为355kW。这种配置在煤气炉吹风时“吹风时间利用率”较低。如：φ3.6m煤气炉，吹净和吹风时间为48s，一次风阀打开后，充压阶段往往需要1～2 s，吹风时间利用率仅能达到95％，每3min减少有效吹风1～2s，每台炉全年将造成损失20万元以上；1台风机供3台炉，共影响效益60余万元；而电机功率从630kW提高到800kW，全年多耗电最多达20万元。
    高功率、大流量的鼓风机在煤气炉吹风时可以迅速克服炭层阻力，提供足够的空气入炉；同时，吹风时间利用率较高，可以从原来的95％提高到98％以上。与传统风机相比，提高气化强度产生的效益比多消耗电能的价值高得多，因此新型煤气炉配高功率鼓风机是经济的。
4  结  语
    型煤气化与块煤焦气化差距很大，难度也大得多，煤气炉的结构、配置截然不同。目前，已有许多企业率先进行了型煤气化煤气炉的根本改造，实现了用价格比较低的型煤获得较高的气化效率，取得了明显的经济效益。这种技术改造用于烧块煤焦，同样有较好的效果。