专利名称：：混合煤气发生炉富氧制气方法
技术领域：
：本发明涉及一种混合煤气发生炉，具体涉及一种混合煤气发生炉的富氧制气方法。技术背景以空气和水蒸汽的混合气体作为气化剂的常压固定床煤气发生炉简称混合煤气发生炉，我们目前使用的TG-3m型和A-3m型煤气炉均属于混合煤气发生炉，气化煤种主要是粒度为1350mm的贵州中块煤，该种煤的煤化程度较低、冷热强度差，经发生炉气化后煤气热值、气化强度和效率较低，灰渣含碳量偏高，煤炭资源没有得到充分利用。混合煤气发生炉内的主要化学反应种类有1)煤中的碳与气化剂中氧、水蒸气之间的反应。2)气化剂中的氧、水蒸气、各种生成气之间的反应。3)煤的热裂解反应。这三种反应在发生炉中的不同层次内进行。混合煤气发生炉的层次大约可以分为下列几层1)准备层①干燥层煤中的水份从此层逸出。②干馏层又称为分解层，煤经热裂解后，其中挥发份及部分气体从此层逸出。2)气化层①还原层水蒸气与碳反应，二氧化碳与碳反应生成发生炉煤气的主要部分氢气和一氧化碳。②氧化层氧气与碳反应生成一氧化碳和二氧化碳。3)灰渣层气化剂预热及灰渣冷却。4)空层有少量生成气和气化剂之间的气相反应。混合煤气发生炉中起最主要作用的是在气化层。发生炉正常生产运行时，由于炉中有氧与碳的氧化反应释放热量，又有二氧化碳与碳的吸热还原反应和水蒸汽与碳的吸热反应，可保持生产的连续进行，所以混合煤气发生炉是连续制气的，其产出煤气因有大量氮气，C0+H2的量相对较低，在4oy。左右，故煤气热值较低。
发明内容本发明的目的是釆用氧气含量超过20.93%的富氧空气与蒸汽的混合物作为发生炉生产煤气的气化剂。混合煤气发生炉富氧制气工艺的最大特点是通过提高气化剂中有用成分氧气的浓度来降低惰性气体氮气的含量，从而提高发生炉的气化强度和煤炭利用率。本发明的原理是根据并利用混合煤气发生炉内所进行的化学反应。其主要变化发生在气化层，即氧化层和还原层。煤在气化中是先燃烧产生热量，然后以产生的热量使进一步反应而产生可供燃用的一氧化碳和氢气，如没有热量则下一步生成一氧化碳和氢气的反应就不可能进行，燃烧即是碳与氧起的氧化反应，氧化可以生成二氧化碳，也可以不完全氧化生成一氧化碳，由二氧化碳生成一氧化碳以及由水蒸气和碳进行的反应都是还原反应，随着发生炉气化剂氧含量的提高，则燃烧速度加快，单位时间和空间内产生了更多的热量和二氧化碳，为下一步的还原准备了更充足的反应条件。还原层可以分为二层，即第一还原层和第二还原层；第一还原层在还原层的下部，第二还原层在还原层的上层。在第一还原层中主要的反应是C+CO产2CO-162405千焦/千摩尔C+H20=CO+H2-118821千焦/千摩尔C+2H20=C02+2H「75237千焦/千摩尔所以从第一还原层中的三个反应可以看到，由于靠近氧化层，层内温度高，反应更容易在吸热量多的反应中进行，这样C+C02=2C0反应的机会就比较多，4C+H20-CO+H2次之，最少起反应的是C+2H20-C02+2H2，这样可知生成的CO比较多，而&比较少。在第二还原层中主要的反应是C0+H20=C02+H2+43585千焦/千摩尔C+CO2=2CO-162405千焦/千摩尔在第二还原反应层，因为它远离氧化层，所以温度比较低，故对于在第一还原中已生成的CO在此条件下与水蒸气反应就转换为H2。同时COz又与焦炭生成CO，但由于第二还原层温度低，所以此反应的进行速度较缓慢。氧化在氧化层中进行，还原是在还原层中进行，氧化层和还原层是没有明显的界线，气化层的下部主要是氧化层，在气化层的上层主要是还原层，但它们还是有交错的。由附图1可以大致了解到各气体成分在各层次内的分布。(1)氧气在灰渣层不起反应，主要反应是在氧化层与碳起反应，在氧化层结束时，氧气已经趋近于O,正常气化时在煤气中只含0.2%左右氧气。(2)二氧化碳是在氧化层生成，在氧气消耗逐渐下降时，二氧化碳就逐渐上升，在氧化层的上部至第一还原层时，由于碳与二氧化碳还起还原反应，所以二氧化碳就逐渐下降，当到达第二还原层时，二氧化碳下降缓慢，然后又有上升，这是因为一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳所造成。(3)—氧化碳在氧化层后段及第一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，在第二还原层上部就有微微下降的趋势，逐后在空层部分由于一氧化碳和水蒸气生成二氧化碳，而此时一氧化碳就有下降趋势。(4)水蒸气主要是耗用在第一还原层和第二还原层，在空层中也有少量耗用。(5)氢气主要在第一还原层生成，在第二还原层及空层中还有少量生成。从上面各种气体的消耗及生成的情况可以得到这样一些规律①氧的耗用与二氧化碳的生成是一消一涨，氧的下降才能促进二氧化碳生成。②二氧化碳与一氧化碳也是一消一涨的关系。③水蒸气与氢气基本也存在一消一涨的关系。这些规律可以指导我们在实际操作中掌握气化剂氧含量、气化温度、饱和温度，以便获得更好的气化效果。本发明技术方案如下通过提高气化剂中有用成分氧气的浓度来降低惰性气体氮气的含量，提高发生炉的气化强度和煤炭利用率，确定了TG-3ra型或fl-3m型混合煤气发生炉富氧制气时的最佳气化剂氧浓度范围为24.0%~25.5%。混合煤气发生炉富氧制气时的气化剂流量控制在2800~3300mVh。混合煤气发生炉富氧制气时的饱和温度控制在65°C-75°C，炉出温度控制在500°C-65(TC。本发明确定了TG-3m型或fl-3m型混合煤气发生炉富氧制气时的最佳气化剂氧浓度范围，在气化煤化程度较低、冷热强度差、粒度为1350mm的贵州中块煤时，煤气热值可以比没有实行富氧制气的混合发生炉煤气高出10%以上(以5.40MJ/Nm3为基准)，灰渣含碳量也可以降低10%以上(以33%为基准)，达到提高混合发生炉煤气热值、气化强度、效率和降低灰渣含碳量的效果。节能减排，有很好的经济效益和社会效益。图1为按燃料高度的蒸汽空气煤气的组成变化图。具体实施方式2007年7月份，在选定的炉子上按80mVh、100m3/h、120m3/h的氧气流量通入空气管，对富氧制气进行了初步的探索。由于装置在负荷运行初期，设备原因起、停装置频繁，产气总量约为350m3/h、浓度大于80%,以15'炉作为主要试验用炉，多余的氧气通入13#炉或放空，期间炉内曾出现不同程度的氧化层拉长、结渣等现象，富氧气化期间炉况相对稳定，指标有一定的改善。在富氧投入或退出时，炉况不易掌握，煤气质量波动比较大，曾因炉况恶化被迫退炉检修。尽管遇到个别程控阀关闭不到位、水环真空泵漏气、UPS电源不能工作、PLC系统死机和富氧后炉内料层移动快等问题，但是相关人员在实践中，了解和掌握了系统的工作原理和操作技能，总结出了一套行之有效的操作方法，为下一步试验积累了经验。表1氧气流量80mVh~120m7h效果对比\^称时间\^氧气流且里(m3/h)氧气浓度(%)入炉富氧折算浓度(%)富氧炉热值(MJ/Nm3)无富氧炉热值(MJ/Nm3)富氧后热值提高(％)一周808022.485.7985.4187.0一周1058323.15.8395.5635.0一周1208223.345.9025.5117.1月平均10181.722.975.8455.4657.0从表1可以看出，富氧制气工艺技术工业应用可行，在富氧含量不同的条件下煤气品质得到不同程度的提升。另外，由于富氧成为气化剂后，炉内化学反应加剧，给司炉岗位操作带来了一定难度，岗位员工短期内还不适应。实施例22007年8月份，制氧系统共停机5次，其中2次是程控阀故障，停机时间较长，2次因CPU背板接线接触不良死机，1次是对氧气站计划性修理。15曰开始生产，由于有上月的经验，炉况控制的比较平稳，66个热值分析数据有7个超过6.0MJ/Nm3以上。表2氧气流量140m7h200m7h效果对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>从表2看出，富氧炉热值稳中有升，中块煤质量也比较稳定，灰渣含碳量比上月偏高(见表6)。实施例32007年9月份，按计划继续提升富氧含量，每当增加或减少氧气流量时，炉况难于控制；另外，9月外供无烟煤紧张，仓底煤和露天堆场倒进的无烟煤占了很大比例，该煤含粉率髙达25%，且含水5.5%以上，都会造成发生炉内料层易被吹翻，料层局部形成风洞、冒火等现象，使炉温上升过快，容易导致炉况恶化，影响煤气质量、产量。表3氧气流量200m7h~230mVh效果对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>从表3可以看出，富氧炉灰渣含碳量月均29.20%(见表6),热值变化也比较大，可见煤质和气化剂含氧量(增加)都变化时，司炉工的搡作能力还有待加强。而无富氧的中块煤炉灰渣含碳量控制较低、热值相对稳定，说明司炉操作人员积累了一定烧劣质煤的经验。在同等条件下富氧制气的的部分指标发生了变化，如饱和温度、炉出温度升高，气化反应加快，操作难度加大，调整炉况频繁。那么原来发生炉的钢材材质和筑炉材料即工艺是否在炉内温度增加后发生变化呢？9月11日我们有计划地对15#煤气发生炉进行退炉检查，在场的工程技术人员针对以下问题点进行了确认a、磨损的炉排、阻灰器25#铸钢的磨损程度进行了判定，磨损程度处于正常范围。b、炉内夹套外观是否变形或表面炭化等，水套工作正常，材质没有异常。c、耐火材料即筑炉适应工况的变化。结论在TG-3m型煤气发生炉实施富氧制气工艺，技术可行、设备适用。实施例42007年10月份，经过三个月的反复实验研究，富氧变压吸附装置运行趋于稳定，产能由350mVh逐步提高到440m7h，司炉对富氧技术的应用的认可，操作水平得到提高。课题组从现场实际和成本考虑决定氧气流量控制在180mVh~200m7h之间再次进行实验，截止20日共60个热值分析样，有19个超过6.0MJ/Nm3以上。表4氧气流量180mVh200m7h效果对比<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表4可以看出入炉富氧浓度在24.5%~25.29%，富氧炉煤气热值比较高，富氧炉灰渣2175%(见表6)，中块煤发生炉灰渣含碳量创近年新低。试验期间，我们不但摸清了发生炉、氧气站的运行情况，还对釆集的数据作了分析，对发生炉关键操作参数进行了有效控制气化剂流量为3000±300m7h,饱和温度为70土5。C，炉出温度为600±50。C,掌握了煤气成份、热值及效益随富氧浓度变化的规律。由于9月份，富氧送入发生炉的比例增加炉况不易控制，指标反弹，数据釆集不够，不具有代表性，故9月的数据只做技术判定，不纳入效益计算。尽管单台煤气发生炉通入25.42%富氧气化剂与课题设计富氧最大到33%有一定距离，但是我们认为富氧气化剂在24%~25.29%是比较经济可行的。所以我们后期工作的重点是控制适当比例富氧稳定炉况，10月份13#、15#炉的最高热值分别为6.441MJ/Nm3、6.466MJ/Nm3，平均热值分别为6.020MJ/Nm3、6.000MJ/Nm3。表5不同富氧浓度的煤气热值等主要技术经济指标比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从表5中可以看出富氧浓度在24.06%到25.42%之间的数据是比较理想的(统计使用10月份的数据比例比较大)。其一、在装置的正常供氧能力工作范围内；其二、富氧后热值提高的效果比较显著；其三、选取运行时间最长、最稳定的富氧浓度24.06%、24.50%、24.80%和25.29%计算得出平均热值为5，976MJ/Nm3,同比平均提高了9.5%，富氧浓度每提高iy。，煤气的热值提高2.5%即增加0.137MJ/Nm3;如果以10月份13#、15#富氧炉平均热值6.010MJ/NmH十算热值提高11.3%,超过考核目标10%(均以技术指标5.40MJ/Nm3)。表6同煤种富氧与否灰渣含碳量月对比<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由表6可见氧气的氧化助燃作用，在气化过程中，对煤碳的充分氧化还原十分重要。去除工况不太稳定的9月份，平均灰渣含碳量由加氧前的32.64%降为25.53%,下降了21.78%，节能效果显著。权利要求1、一种混合煤气发生炉富氧制气方法，其特征是通过提高气化剂中有用成分氧气的浓度来降低惰性气体氮气的含量，提高发生炉的气化强度和煤炭利用率，确定了TG-3m型或Д-3m型混合煤气发生炉富氧制气时的最佳气化剂氧浓度范围为24.0％～25.5％。2、根据权利要求l所述的混合煤气发生炉富氧制气方法，其特征是混合煤气发生炉富氧制气时的气化剂流量控制在28003300ni7h。3、根据权利要求l所述的混合煤气发生炉富氧制气方法，其特征是混合煤气发生炉富氧制气时的饱和温度控制在65'C75X:,炉出温度控制在50(rC650°C。全文摘要本发明提供了一种混合煤气发生炉富氧制气方法，通过提高气化剂中有用成分氧气的浓度来降低惰性气体氮气的含量，提高发生炉的气化强度和煤炭利用率，确定了TG-3m型或Д-3m型混合煤气发生炉富氧制气时的最佳气化剂氧浓度范围为24.0％～25.5％。本发明可以有效提高混合发生炉煤气热值、气化强度、效率，降低灰渣含碳量，达到节能减排目的，有可观的经济和社会效益。文档编号C10J3/20GK101250438SQ200810073538公开日2008年8月27日申请日期2008年4月17日优先权日2008年4月17日发明者乃为田,刘保伟,刘智勇,毅孙,张铁韬,瞿向东,胡黔生,谢爱武,韦茂森,黄先朝,黎枝肖申请人:中国铝业股份有限公司