两段煤气发生炉冷煤气中水的来源与控制.doc

两段煤气发生炉冷煤气中水的来源与控制
苑卫军　　郭建　　陈玲
唐山科源技术装备有限公司
两段式煤气发生炉生产的煤气，除含有CO、H2、CH4等可燃成分和N2、CO2等不可燃成分外，还含有相当部分的水和其他杂质。煤气在造气和净化过程中产生的水分，随煤气温度的降低而以含酚废水的形式冷凝出来，未被冷凝的水分随煤气燃烧而被汽化排放。煤气含水的问题，是煤气生产和应用过程中比较棘手的问题，就其生产而言，煤气生产过程的冷凝含酚废水一直是煤气站的环境难题；就其应用而言，水在煤气燃烧应用过程中，同样是有百害而无一利，其一，水随煤气的燃烧而汽化，需要消耗煤气的一部分热量，从而降低了系统的热利用率，另外，煤气中过量的水分会影响最终产品的质量，例如，在利用煤气熔铸铝合金时，煤气中的水分和煤气燃烧后生成的水分，与高温铝液反应生成的H2，溶解于铝液中，致使铝合金熔铸产品出现缩孔等缺陷。降低煤气含水量，需要从煤气生产的各个相关环节着手，综合分析、逐项控制。
2.两段发生炉煤气的生产
2.1造气原理
2.1.1造气反应原理
        两段式煤气发生炉造气包括两个过程，即以煤炭为气化原料，以空气和水蒸气为气化剂的气化反应过程，和利用气化煤气的高温显热对入炉煤炭进行干燥及低温热解的过程。
（1）气化反应
        发生炉气化反应可以分两步来理解，首先是空气通过燃料层，C与O2发生放热反应为下一步反应提供热量和反应物CO2；随后是蒸汽和空气混合通过燃料层，C与H2O、O2和CO2发生吸热和放热的混合反应，生成发生炉煤气，其反应方程式如下。
2C+O2=2CO+221.2kJ          （1）
2CO+O2=2CO2+566.0 kJ         （2）
C+O2=CO2+393.8 kJ          （3）
CO2+C=2CO-172.6kJ          （4）
C+2H2O=CO2+2H2-90.2 kJ         （5）
C+H2O=CO+H2-131.4 kJ         （6）
（2）煤炭干燥和低温热解反应
        首先是煤的干燥脱气过程，随着温度的逐渐升高，煤中的水分被蒸发（120℃之前）出来，然后是煤结构中不稳定官能团的破坏和附在物质的脱附，放出气态物质，最后是煤的解聚和热分解反应过程，煤粘结并转化形成半焦。过程产物除半焦外，还有焦油和CH4、CnHm 、H2、CO、CO2、H2S、水汽等物质。
2.1.2两段炉造气过程
（1）煤气发生炉内固态物质行程
        通过加煤机将储煤仓中的煤分批次注入煤气发生炉内，加入煤气发生炉中的煤首先进入干馏段，煤在干馏段中缓慢下移，在此经历干燥及低温热解过程。首先煤炭中的水分被干燥出来，随着煤炭的不断下移，温度进一步升高，干馏出焦油和干馏煤气。经过干燥和热解后呈半焦状态的煤继续下移，进入气化段，在气化段经过氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气。煤炭中的灰分及极少部分未参与反应的煤炭以灰渣形式继续下移，由灰刀将其清出炉外。
（2）煤气发生炉内气态物质行程
        作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，在1100－1200℃条件下，与进入气化段的呈半焦状态的煤发生氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气。煤气分两部分向上运行，其中一部分通过下段煤气夹层通道上移，最后从下段煤气出口导出，该部分煤气被称为下段煤气；而另一部分煤气则在煤气发生炉料层内上行进入干馏段，通过与缓慢下移的气化用煤直接接触，将其热量直接传给气化用煤，进行上面叙述的热解和干燥的过程，同时产生一部分以烷烃类高热值气体为主的干馏煤气。这部分上行煤气及热解过程中产生的干馏煤气一起由上段煤气出口导出，形成上段煤气。
2.2煤气净化与输送
         两段式煤气发生炉的炉出煤气温度较高，杂质含量较多，需要经过净化、冷却后，输送至用气点燃用，煤气净化、冷却和输送工艺一般如图1所示。
        上段煤气离开煤气炉经过上段煤气初级净化系统，除去煤气携带的焦油和粉尘，下段煤气经下段煤气初级净化冷却系统除尘、降温后与上段煤气混合。混合后的煤气通过煤气深度净化冷却系统进行深度处理，除去煤气中的细小粉尘和部分焦油，并冷凝出含酚废水和少量轻油，最后经煤气增压系统送至用气点。
3.两段发生炉煤气中水的来源
3.1水的入项
3.1.1造气过程水的入项
（1）煤中的水
        根据其结合状态区分，煤中的水分可分为游离水和结晶水两种，游离水又分“外在水分”和“内在水分”， “外在水分”受外界湿度环境影响较大。游离水一般在105-110℃左右，经1-2h的干燥后从煤中逸出，而结晶水通常要在200℃以上才能分解析出。煤中的游离水和结晶水，在两段式煤气发生炉的干馏段上部被干燥析出，以气态形式混入煤气中。
（2）气化剂中的水
        水蒸气作为气化剂的组成部分，其中大部分参与煤的气化反应生成可燃物质H2，另一部分未参与反应，同时煤中的部分氢元素也会在反应过程中转化为水，从气化的整体效果着眼，一般将气化过程生成的水与气化剂中未分解的水蒸气之和，与气化剂中水蒸气量的比值称为蒸汽分解率。由此可以看出，气化剂中水蒸气含量过高，会造成蒸汽分解率下降，煤气中含水量增加。
（3）探火、打钎操作带入的水
        煤气发生炉的正常探火和事故打钎操作过程中，一般首先以0.3MPa左右的蒸汽形成汽封，防止炉内煤气外溢，该部分蒸汽便混入煤气中，探火或打钎时间越长，煤气中混入的水量越大。
（4）灰盘水封带入的水
        湿法出灰的煤气发生炉，底部灰盘处采用水封将炉内煤气与外界隔开。高温灰渣落入水封中，会将部分水气化为蒸汽进入发生炉内，从而增加煤气含水量。
3.1.2煤气净化过程水的入项
（1）煤气冷却带入的水
        在两段炉水冷工艺煤气站中，温度较高的下段煤气需要在激冷器中与冷却水直接接触，进行降温、除尘，在此过程中，部分冷却水被高温煤气汽化为蒸汽，随煤气进入下一级煤气处理系统。
（2）煤气水封带入的水
        在发生炉煤气站中，为比较安全、方便的隔离外界与系统中的煤气，在部分设备或煤气管道处，常设置若干水封，当高温煤气掠过水封液面时，会将部分水汽化为蒸汽，混入煤气中。
3.2水的出项
3.2.1煤气净化过程水的出项
（1）煤焦油中携出的水
        两段炉上段炉出煤气温度一般控制在80-120℃，煤气中的部分水以液滴形式存在，在上段煤气初级净化系统中，煤气温度进一步降低，使煤气中的水滴增加，并随焦油一起被捕除，混入焦油中。
（2）煤气终冷器处冷凝水
        两段炉上下段混合后的煤气，在煤气深度净化冷却系统的终冷器中，与冷却水进行间接换热，煤气被冷却至35-45℃，煤气中的部分水随之冷凝析出，此时煤气处于饱和状态。
3.2.2煤气加压输送过程水的出项
（1）煤气加压机排水
        在煤气增压系统中，随着煤气压力的增加，煤气中水蒸气的分压加大，煤气原饱和状态遭到破坏，煤气中的部分水随之析出，析出的水一部分由煤气加压机排水系统排除，未被排除的水以液滴形式随煤气进入煤气输送管道。
（2）煤气输送管道冷凝水
        在煤气输送管道处设置若干排水器，在排水器中排出的水由两部分组成，其一是在煤气增压系统中析出但未排净的水，另一部分是煤气在输送过程中，被外界环境冷却而冷凝出的部分水滴。
3.3煤气最终含水
        输送至用户的煤气，其含水量为发生炉造气、净化、加压及输送全过程水的入项与出项之差，由此可知，减少煤气含水量，应该从减少入项加强出项着手控制。
4.两段发生炉煤气含水的控制
4.1优化发生炉操作
4.1.1控制煤的含水
        美国的FW-Stoic两段炉，规定入炉煤中含水量为12-15%；英国的W?M两段炉要求入炉煤中的含水量＜15%；我国根据实际情况确定，入炉煤中的含水量以控制在＜15%为宜。发生炉用煤含水的控制，首先是选择含水较低的气化用煤，另外需要尽量控制煤中外在水的增加，特别是在我国雨水较多的南方地区，应注意煤炭运输过程的防雨，并设置防雨的干煤棚储煤，同时避免煤气站打扫卫生时的冲洗水流入煤棚。
4.1.2优化发生炉的操作
（1）饱和温度的控制与调整
        所谓的“饱和温度”，是指气化剂中空气和水蒸气组成的混合气体的温度，利用它来间接反映气化剂中空气和水蒸气的比例关系，但该温度除受空气和水蒸气流量变化的影响外，还受到空气温度和水蒸气压力变化的影响，例如昼夜温差较大的地区，在其他条件不变的前提下，同样的空气和水蒸气的流量比例，由于昼间与夜间空气温度不同，检测到的饱和温度也不相同。所以，需要参照发生炉实际炉况对饱和温度进行控制与适度调整，既保持较好的炉况，又能够保证最佳的蒸汽分解率，有效降低煤气含水量。如果需要实现空气和水蒸气比例关系的自动控制，最好选择比较直接的或经过数据补偿的测量方式，取得其比例关系并进行控制。
（2）减少探火、打钎次数
        探火的目的是检查炉况，打钎是为了处理非正常炉况，减少探火、打钎次数的前提是维持较好的气化层次，保持最佳炉况，这需要煤气站从气化煤种的选择开始，对贯穿加煤、清灰、饱和温度的调节及后续净化设备的维护等各个环节进行控制，探火、打钎次数的减少，可以减少打开蒸汽汽封的时间，从而有效控制煤气含水量。
4.2优化煤气净化工艺
4.2.1采用煤气间接初冷工艺
        煤气初级冷却采用间接冷却工艺，避免冷却水和高温煤气的直接接触，有效减少煤气净化过程中混入的水量。风冷工艺和带余热回收的环保节能型工艺，都是目前比较成熟的煤气间接初冷工艺，风冷工艺采用风冷器，利用外界空气与高温煤气进行间接换热，环保节能型工艺是采用余热回收器，利用高温煤气显热间接加热软化水，使之气化为蒸汽进行利用，采用以上两种初冷工艺，可以达到控制煤气混入过量水的效果。
4.2.2降低煤气终冷温度
        目前两段炉冷煤气站，通常应用间接冷却器，利用冷却水与煤气进行间接换热，对煤气进行终冷降温，煤气终冷温度一般为35-45℃，煤气压力为500-2500Pa左右，煤气处于过饱和状态，降低煤气终冷温度，可以使煤气中的水汽进一步析出，从而减少煤气含水。降低煤气终冷温度，首先需要降低与煤气进行换热的冷介质的温度，既进一步降低冷却水的温度，或采用其他低温换热技术对终冷后的煤气进一步降温。
4.3提高煤气输送压力
        调整煤气增压系统的增压能力，提高煤气输送压力，有利于提高煤气中水蒸气分压，使煤气中水分进一步析出，从而降低煤气最终含水量。但输送压力的过高，势必加大煤气增压的能耗，所以，煤气增压程度需根据煤气输送阻力、用气点煤气压力和含水量的要求综合考虑，适当提高煤气输送压力。
5.结语
        对两段发生炉冷煤气中水的来源进行综合剖析，找出相关环节，并对其采取相应措施，进行有效控制，减少煤气中的含水量，既利于煤气站的环境控制，又有助于节约能源和提高终端产品质量。