煤气发生炉原理与工艺

（研究性学习论文）

煤气化技术研究

成员：尤雪云 洪金溪 洪梅花 杨灿源 吴美玲

单位：福建省晋江市季延中学高二年6班

指导教师：李明达

在科学技术日益崛起、更新的今天，经济也随之迅猛发展。经济的发展必然要消耗大量的能源，我市工业，特别是磁灶镇的磁砖厂每天都要消耗数以万吨计的煤，倘若处理不当，便会造成资源浪费、成本增加、环境污染等一系列的问题。因此，如何提高资源煤的利用率，采取新的燃煤技术，便成了各个工厂、企业生存和发展的一项重要环节。为了探索这一问题，我组就“煤气化技术”这一课题进行了较长一段时间的调查、参观、研究：我们在老师的指导下，先后参观了两种不同发生炉（“两段式煤气发生炉”和“冷煤气发生炉”）装置的煤气站；在相关知识（书本所学，图书馆、互联网上所调查知识等）基础上，认真询问了煤气站站长、技术员有关这方面的知识以及实际应用的一些情况，让我们对这一门技术有了较多的了解。下面本文分几个方面介绍这一“煤气化技术”：

Ⅰ 煤气化原理

发生炉煤气是通过水蒸气和空气混合形成气化剂后流经炽热的固定燃烧床生成的。空气中所含的氧气、水蒸气与燃料中的碳反应，生成了共含有CO、CO2、H2、CH4、N2等成分的发生炉煤气。

与空气混合的蒸气提高了热效率，并降低了燃烧床的温度，从而控制了熔块的形成。蒸气与碳反应是吸热反应：C＋H2O＝CO＋H2－Q（Q为热量，下同）

当氧气和碳反应时就放出热量：2C＋O2＝2CO＋Q 燃烧床的温度取决于气化剂的饱和温度，燃料的粒度、类型及发生炉的炉型。燃烧床的温度是非常重要的，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，重要的是既保持燃烧床高温而又不会形成熔块。形成熔块的温度取决于燃料的渣融特性，在氧气充足的情况下，还会出现两种反应：2CO＋O2＝2CO2＋Q C＋O2＝CO2＋Q 。所以说，CO的产生并不

一定意味着任何碳燃烧都能使煤气的热值降低。另外，一些水蒸气还与CO反应，由于每体积CO转化为CO2时，同时生成了相同体积的H2：CO＋H2O＝CO2＋H2。因此，不会有热损失。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 H2O＋C＝CO＋H2

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。通过还原带后，一些煤气被抽出，流经底部旋风除尘器和强制风冷器，这股煤气称为“底部煤气”，其温度约为400℃左右。

在干馏层，喂入发生炉的燃料，依次被干燥、预热和碳化，生成的蒸气、焦油雾和煤气一块从顶部离开发生炉，这一部分煤气称为“顶部煤气”，其温度保持120℃左右。

（如图）

Ⅱ 发生炉的流程

（如右图：①燃烧床，用于干馏煤；②炉栅，即篦；

③圆筒，用来装顶部流下的水；④灰盆，用于装溶水的灰

渣；⑤玻璃液位计，用于观察水位）

1、 发生炉包括炉体和底部

现将备好的合格煤（粒度为20~40mm）通过上煤装

置贮存在主车间贮煤仓中，再按事先设定好的程序喂入炉

内。煤经过干燥、预热后落到燃烧床上。

2、此时，甲段燃烧床上的温度已达1000℃以上（温

度由气体反应所得）。在高温、隔绝空气的情况下，煤粒

熔化，并干馏。这里对燃烧床的温度要求是比较严格的：

如果温度过高，煤粒会因此而来不及熔化，不能充分反应；如果温度过低，又达不到熔化干馏的要求。而燃烧床的温度取决于气化剂的饱和温度、燃料的粒度以及探火棒的作用。

煤的“干馏”分解成轻焦油、重焦油、焦炭、煤气（焦炉气）。其中，轻焦油和煤气先从A管流出，这部分气体为“顶部煤气”，温度大约120℃。（在“冷煤气发生炉”中，这部分气体没有先抽出，而干馏所得气体中也含有一部分CH4）

3、在“干馏层”所得的重焦油、焦炭（占干馏所得气体的大部分）由于密度比较大，就从燃烧床旁边进入乙段，其温度大约在1000℃~2000℃。在乙段底部的炉栅转动，其目的有三：一是使从甲段中流下来的气体保留在乙段；二是通过对气体剂的作用控制燃烧床的温度；三是过滤反应后的灰渣，使其落到丙段的水内，以便除去。通过顶部加入的水导流到③中，由于高温气化成水蒸气，与甲段下来的气体混合反应：C＋H2O＝CO＋H2（在“冷煤气发生炉”中的水蒸气是直接炉外加热变成水蒸气，再鼓入炉内，这些蒸气称为“外来蒸气”）。另外，由底部的鼓风机要12KPa的压力下把空气通过B鼓进炉内，通过炉栅进入乙段。这时发生了C＋CO2＝2CO反应。上述两个反应同时进行，使得CO、H2的浓度大大提高，而C、H2O浓度下降。（在“冷煤气发生炉”中没有炉栅，由甲段下来的气体与“外来水蒸气”反应：C＋H2O＝CO＋H2。同时，也发生C＋CO2＝2CO。这段称为“还原层”。生成的气体上浮，剩下的进入“气化层”。）由于这两个反就都是吸热反应，所以温度降至500℃左右。这部分煤气和着些重焦油、灰渣，通过侧管后，被抽到C管中，并送到洗涤装置中。（在“冷煤气发生炉”中的导出气体的管道只有一个。炉内物质完全反应后，并着“顶部煤气”一起被抽出炉外，送到洗涤装置中。）气化剩余的灰渣通过炉栅进入④中，内有灰盆、灰犁等除渣装置，当灰渣积累到一定程度，这些装置就启动把灰渣排到炉外。在乙段生成的气体就是“底部煤气”，乙段称为“气化段”。

4、发生炉壁

发生炉内高温反应区与炉壁之间衬有一层耐火砖和约50mm厚的绝热保温层，避免反应区热量散失和反应物对炉壁产生的腐蚀，而且附带地解决了材料的热胀冷缩问题。

5、导气管

在通道的出口处装有底部气流调节器，以保证煤气流量的均衡。

Ⅲ 物质的净化

（一） 主要净化设备

1、 电除焦油器：用于顶部煤气

电除焦油器由三大单元组成：即主体、高压变压整流器和控制柜。主体内部为直立式管束状结构，每个圆管中央悬挂一根放电极，管壁作为沉淀极，下端设有贮油槽。在每个释放电极和接地的管壁之间，建立起一个高压强电场，煤气通过该电场时除去焦油和粉尘。贮油槽中设有蒸气加热器，以保证焦油以液态方式定期地用泵抽出。（因为混有粉尘的焦油一旦凝固，重新熔化它就变得非常困难了。）

2、 旋风除尘器：用于底部煤气

带有灰尘的高温底部煤气通过不锈钢材质的旋风除尘器后，大部分灰尘被清除，通过锁灰斗和两道滑板阀定期地排出。

3、 管束式强制风冷器：用于底部煤气

管束式风冷器用来冷却旋风除尘后的高温底部煤气，可使400℃左右的高温煤气冷却至120℃左右。冷却器设有三台风扇，使用时可根据环境温度及气体流量负荷大小来决定启动风扇的数量。

4、 洗涤冷却器：用于混合煤气

洗涤冷却器实质是由壳体和管束组成的热交换器。

“顶部煤气”和“底部煤气”进入该设备后混合穿过管束内下行直接进行洗涤冷却，管束外部循环冷却又上行循环冷却。这样，经过直接和间接冷却后的混合煤气温度降至35℃~40℃。煤气在洗涤和冷却过程中会有部分酚溶液冷凝析出，最后通过设备下部的溢流口流到油水分离器。

5、 电除轻油器：用于混合煤气

此设备同电除焦油器类似，只是主体直径大点，以便满足混合煤气负荷能力。

（二） 气体净化和灰渣排除

发生炉形成两段独立的煤气流，即“顶部煤气”和“底部煤气”。由于两股煤气性质不同，其净化工序亦不同。“顶部煤气”流经电除焦油器，在这里95%以上的焦油从煤气中析出，暂存于除焦油器下端的贮油槽中。

“底部煤气”首先流经旋风除尘器，除去煤气中的粉尘，然后流经强制冷风器，冷却到120℃左右。此后，两股煤气混合流经洗涤冷却器，冷却到35℃~40℃，洗涤后的混合煤气流经电除轻油器，在这里除去煤气中剩余的粉尘和油类，且暂存在贮油槽中。通过伴热保持其液态，然后定期地通过输送泵将贮油槽内的油类物质送到贮油罐，最后作为焚烧燃料烧掉或由用户出售。

强制风冷器、洗涤冷却器及电除油类器在冷却除尘、净化煤气的过程中，会有相当量的酚液析出，含有部分轻质油的酚液混合液流入油水分离器进行油水分离，分离后的轻质油又流回到贮油槽，酚液则通过酚液缓冲罐后，用输送泵送到贮存罐中。通过伴热保持其液态，然后定期地通过输送泵将贮油槽内的油类物质送到贮油罐，最后作为焚烧燃料烧掉或由用户出售。

由电除油类器流出的冷净煤气，其压力维持在2KPa左右，必要时，再用增压机向煤气增压到15至20KPa后，送入脱硫塔进行脱硫，脱硫后的冷净煤气直接送至用户或送入贮气柜（留待后用）。

气化后剩余的灰渣积存于灰盆中，依靠灰盆的转动与灰犁配合把它水封中驱出，注入溜灰槽，最后人工定期送往堆存处。

两种煤气生产流程如下图：

Ⅳ 两套装置的比较

这两套装置煤气化原理大致相同。其不同之处，有以下几点：

1、净化设备：“两段式”的除尘设备主要是利用电除，而“冷式”主采用水除；电除用电成本较高，但除尘效果较好。［注：煤气经电除净化后含灰尘（包括焦油）量小于10mg/Nm3］水除，相对成本较低，但不彻底，［注：水除净化后含灰尘（包括焦油）小于80mg/Nm3］且水污染程度较大。

2、“两段式”的生产能力较高，日产量多，在正常情况下，能同时满足3到4条3ｍ辊道窑磁砖生产线气体的需要；而“冷式”日产量较低，刚好满足1到2条辊道窑磁砖生产线气体的需要，因此，在冷煤气生产流程中，无需设立贮气柜。

3、“两段式”的气体除尘、洗涤、净化工序较为完善，加上装有脱硫设备，整个生产过程中，对环境造成的污染比较小。我们参观煤气站时，基本上没有闻到刺激性气味；而“冷煤气”生产过程中，对气体的处理较为简单，同时产生较多的有毒气体，其站内臭气难闻，并且“冷式”气化过程中所用的“外来水蒸气”是在另一锅炉中用煤燃烧加热产生的，这部分燃煤反应不充分，也是造成空气污染的一大原因。

4、“两段式”在生产安全方面有较好的保证：如有比较全面的系统主控室，自动化程度高，装置中设有防爆阀门，生产制度较为规范合理。

5、“两段式”虽有较多的优点，但投资成本（包括厂房建筑）几乎是“冷式”的3倍，规模较大，占地面积广，特别是在黄金地段，地价高的情况下，对于较小的企业厂家来说投资“冷式”倒不失为一种好方法。

6、这两种方式的煤气化技术，都是应用较早，推广较为成熟的技术。经我们研究发现，它们在后序处理中都存在着较为不足的弊端：除了一些焦油类物质可以卖给其他用户再利用外，无法很好地回收利用废液、灰渣等一些有害物质。（这还有待我们进一步研究）

Ⅴ 结束语

在我们的调查、参观、研究过程中，发现仍然存在相当一部分工厂、家庭在利用煤还是采用直接烧煤的方法，相比之下，这样做不仅对热的利用率低，煤燃烧时生成的烟和燃烧后剩余的灰分也会对环境造成污染。所以，我们建议：所有燃煤的企业、厂家，在条件许可的情况下，尽可能采用将煤气化（或液化）后再使用。虽然在煤的气化（或液化）过程中，会有一部分煤的潜在能量受到损失，但由于加工后得到的气体（或液体燃料）的热利用率高，而且比较清洁，因此，从总体来看，将煤气化（或液化）后再使用，还是比较合理的。

2002年4月

参考（技术）资料：

1、 全日制普通高级中学《化学》第二册（必修加选修）教师教学用书

2、 山东淄博东方能源技术工程有限公司

3、 山西太原重型机械集团公司动力分厂