煤制气燃料用于高温熔块生产的可行性研究

摘要 中国煤炭资源远比石油资源丰富，燃料的煤代油可以化解国内企业受国际石油市场变化制约的困扰。本文从煤气发生炉的设计和熔块池窑的配套改造两个方面着手，结合现阶段少数已经使用煤制气的熔块生产厂家所遇到的问题，从设备、工艺、环保、安全等方面进行研究后，认为煤制气取代重油作燃料用于熔块生产是可行的。

关键词 煤制气，熔块，可行性

1前 言

熔块池窑是连续性生产的熔炉，具有生产能力大、燃料消耗较低、质量比较稳定、易于机械化和自动化作业的优点，是制作釉料较理想的设备。目前国内使用的主要燃料有发生炉煤气、重油和天然气三种。近年由于国际油价不断上升，使用重油为燃料的熔炉的生产成本大幅上升。而国内煤价相对比较稳定，使其与使用重油燃料生产时的成本拉开很大差距，因此改燃重油为燃发生炉煤气的池窑已成企业节能创利的新起点。

2发生炉煤气的种类

由煤或焦炭生成发生炉煤气的过程是一个热化学过程。将煤或焦炭等固体燃料通过高温，在气化剂作用下即可得到气体燃料，由于使用的气化剂种类不同，因此分为下列三种发生炉煤气。

2.1 空气煤气

以空气为气化剂，利用空气中的氧与煤中碳的反应所生成的可燃气体，称为空气煤气。由于空气煤气的热值低而且气化过程中燃料层中温度高易结渣，造成固态排渣困难，故限制了空气煤气在工业窑炉中的应用。

2.2 水煤气

以水蒸气为气化剂，利用水蒸气与碳的反应所生成的可燃气体，称为水煤气。水煤气的热值较高，但由于水煤气的生产一般需用优质的无烟煤或焦炭作为燃料，并且气化的设备和操作管理均较复杂，煤气生产成本高，其应用也受到限制。

2.3 空气-水蒸气混合煤气

空气煤气和水煤气都存在着一定的缺点，用空气-水蒸气的混合物作为气化剂，则可以在很大程度上克服上述二种煤气的缺点。此时气化过程中的反应包括碳与空气，碳和水蒸气的反应，所产生成的煤气性质亦介于上述两种煤气之间，简称发生炉混合煤气。

在混合煤气的生产过程中，由于碳和水蒸气反应为吸热反应，能用以控制氧化层温度，避免碳渣结块，因此可采用固态排渣。与此同时，碳与水蒸气反应生成CO和H2，可使煤气热值提高，从而改善煤气的质量。

从上述三种煤气的比较来看，混合煤气不但在一定程度上能克服空气煤气与水煤气气化过程的缺点，而且其热值适中，适用于不同品种的煤，且气化过程中操作和管理也方便简单。因此它是工业上常用的燃料，也是熔块池窑的首选燃料。

3混合煤气的制造过程和种类

（1） 煤气发生炉内煤气发生过程是固态燃料煤在氧气不足的情况下，使固体燃料不完全氧化或先使它完全燃烧，再于高温条件下发生一系列物理化学反应，使之还原而得到CO、H2等可燃气体的热化学过程。

（2） 煤气发生炉的种类

煤气发生炉的结构型式很多，但目前国内大部分所用气化方法均为固定床层燃块煤常压气化法。发生炉已由过去间歇式的手工操作向连续化、机械化方向发展。发生炉手工操作和机械操作，主要由炉栅和加煤除灰装置的构造所决定。目前国内主要采用机械操作的发生炉。

机械操作的发生炉有单段式炉和两段式炉，单段式炉结构简单易于操作。而两段式煤气发生炉，即所谓低温干馏混合煤气发生炉的生产流程和单段炉基本一样，只是两段炉炉体高，分为上、下两段，煤气从上、下两段分别排出，上段为干馏段，煤气由干馏段顶部排出，其温度仅为100～120℃左右，可使煤进行很好低温干馏；下段为气化段，煤气直接从气化段和干馏段的会合处排出，此处的煤气温度为650～700℃左右。煤气不含干馏产物，也叫作清洁煤气。两段式煤气炉具有适用煤种宽、耗煤量低、设备紧凑、占地面积小、煤气热值高、污染小等优点。目前已在国内逐步推广应用。

4煤气的净化

由发生炉出来的400～600℃的高温煤气中含有一定量的杂质，杂质分为固态、液态和气态。固态杂质是呈悬浮状的不同粒渣的烟尘，是灰尘和煤渣的混合物；液态杂质主要是焦油和醋酸，焦油的含量与燃料种类和气化形式有关；气态杂质由水蒸气和硫化氢、氮化物等有害气体组成。如果不除掉这些杂质，煤气质量将降低，并给煤气的输送和使用带来不利影响。

4.1 热煤气净化

所谓热煤气是指不经冷却，仅经粗除尘后以热的状态供熔炉使用的煤气，热煤气的物理热可给熔炉带入一定热量，而热煤气中的焦油能提高煤气的热值和火焰的黑度，因而提高了熔炉的热效率。热煤气不能长距离输送，管道也必须保温，否则煤气温度降低会导致焦油蒸汽凝结而堵塞管道。上面这种仅经粗除尘而不除去水蒸气和焦油的净化过程，称为干法净化。

4.2 冷煤气净化

冷煤气是指经冷却、干燥、除尘及除焦后的煤气，可以远距离输送，这种净化称为湿法净化。湿法净化的工艺流程和设备比干法净化复杂得多。当然用焦炭和无烟煤气化所制得的煤气不需要除去焦油。

4.3 净化设备

（1） 热煤气的净化设备比较简单，一般配备斗式除尘器和旋风除尘器就可满足，单段和双段煤气炉净化基本相同。

（2） 冷煤气湿法净化流程设备

1）煤气中只含灰尘不含焦油时（用无烟煤或焦炭为燃料）

发生炉直筒冷却器洗涤器集气总管加压机（通风机）捕滴器输气器煤气贮藏塔（可无）熔炉

2）由烟煤或木柴制得的煤气除要分离焦油外还要将煤气通过石灰液以吸收其中的醋酸

发生炉冷却器（直筒式或双联竖管式）洗涤塔焦油分离器醋酸吸收器集气总管加压机（通风机）水雾捕滴器输气管煤气贮藏塔（塔可无）熔炉

5熔块池窑

（1） 池炉分类

炉内火焰作横向（相对于炉纵轴而言）流动，与釉熔液流动方向相垂直的称为横焰炉。

炉内火焰作纵向（相对于炉纵轴而言）流动，与釉熔液流动方向相平行的称为纵焰炉。

炉内火焰呈马蹄形流动，与釉熔液流动方向相平行的称为马蹄焰炉。

（2） 蓄热式马蹄焰池炉的性能

这种炉火焰行程长，燃烧完全，只需在炉的端部设一对小炉，占地面积少、投资省、燃耗较低、操作维护简便。这种炉的缺点是：沿炉长方向难以建立必要的热工制度，火焰覆盖面积小，并且炉宽上的温度分布不均匀，受火焰换向的影响较大。一对小炉限制了炉宽，炉的规模小，燃料燃烧喷出的火焰会起到推料的作用。

（3） 蓄热式马蹄焰池炉的结构

该炉结构分为：釉熔制、热源供给、余热回收、排烟供气四大部分。与本研究相关主要是后三大部分。目前，国内主要采用发生炉煤气、重油和天然气三种燃料。由于不

同燃料的燃料结构和热值不同，其后三大部分结构也有所不同。

1）小炉结构上的区别

燃气小炉结构包括空气、煤气通道、舌头、预热室及喷火口四部分。

燃烧重油小炉结构包括油喷嘴、预热空气通道、预热室及喷火口四部分。

2）余热回收部分区别

为了提高炉内火焰温度，设置了烟气余热回收设备。当用重油为燃料时，只需预热助燃空气，当用发生炉煤气时，必须同时预热助燃空气和煤气。特别当窑炉火焰温度要求较高时，使用发生炉煤气必须增加煤气蓄热室。

3）排烟供气部分

当用重油为燃料时，排烟、空气交换比较简单，只要先关闭油阀，再用交换器（翻板式或闸板式）交换烟和空气即可。但当用发生炉煤气时，必须设立一整套排烟供气系统，包括交换器（跳罩式）空气、煤气烟道、中间烟道、鼓风机、总烟道、排烟泵和烟囱等。交换器是气体的换向设备，它能依次向炉内送入空气、煤气以及由炉内排出的烟气，此外还能调节气体流量和改变气体流动方向。发生炉煤气的交换器要求换向迅速、操作方便可靠、严密性好、气体流动阻力小、检修方便。

6池窑的作业制度

6.1 温度制度

炉内温度决定于很多可变因素，必须调节影响炉内温度的各个因素，使温度相对稳定。马蹄焰池窑因结构特性，温度波动较大，一般不易确定温度曲线，只能确定热点的数值和位置。马蹄焰炉每换火一次，炉内温度、热点位置、料堆变动一次，即窑炉在一个阶段内的温度是不稳定的，要达到成功的温度控制，这些问题必须考虑。必须控制好换向时的燃料和开启时间、加料时间，保证换向结束后迅速达到所定温度值，减少温度的波动。特别是用发生炉煤气时，由于煤气热值相对重油较低，要达到上述要求，必须将空气和煤气预热到700～1000℃，才可使炉温迅速达到1600℃左右。

6.2 压力制度

燃重油和发生炉煤气对池窑压力的要求基本相同，均要保持零压和微正压，不允许负压。

6.3 换向制度

蓄热式池炉定期倒换燃烧方向，使蓄热室中格子体系统蓄热和放热交替进行。而对使用发生炉煤气的熔炉应先换煤气，再换空气，并应确定合理换向时间。

7煤炭气化技术和设备选择原则

煤炭气化技术在中国被广泛应用于化工、冶金、机械、建材等工业和生产城市煤气的企业，国内使用气化的核心设备气化炉有近1万台。其中以固定床气化炉为主，近几十年，引进了加压鲁奇炉、德士古、水煤浆气化炉等，主要用于生产合成氨、甲醇或城市煤气。所以从国内目前的使用和技术状况看，选用固定床气化炉较为妥当。

目前两段煤气发生炉技术成熟，单段和双段在性能上的差异已较明显。当然双段发生炉在造价上较高，管理上要求也高，经济效益可取。

熔块池窑的温度要求较高，而混合煤气热值较低，提高煤气的热值，确保温度，是需要考虑的关键点。煤气中的焦油能提高煤气中的热值和火焰黑度，净化装置简单，可减少投资和管理费用，热煤气在技术上完全可行，是首选方案。

冷煤气使用时，比较方便企业管理和煤气用量调节，也有利于集中管理供气。冷煤气净化方案较多，其中以无烟煤为燃料的净化方案比较简单，在条件许可的情况下是首选方案。至于净化后是否需要配置煤气贮藏塔，要看投资条件和管理水平。一台20000m3湿式螺旋结构型式煤气贮藏塔直径达39m，高度达32.15m，耗用钢材356吨，混凝土74m3，造价400万元左右，一台30000m3贮藏塔直径达42m，高度达33m，耗用钢材600吨，混凝土80m3，造价为700～800万元，同时还要对进塔煤气进行严格管理。因而选择气化用设备时，要充分考虑煤气的具体用途、操作条件并选择适宜的气化设备。

8重油改发生炉煤气燃料初步预计效益

以重油为燃料的池窑燃耗量为0.18～0.35kg重油/kg熔块，以发生炉煤气为燃料时，池窑燃耗量为0.4～0.75kg标准煤/kg熔块，两者燃耗量相差一倍左右，而重油和煤的市场差价在4～6倍左右，因此使用煤气的经济效益十分可观。

综上所述，熔块池窑油改为煤气燃料，在技术上完全可行，可以确保生产工艺的要求，其效益也十分可观。正确分析各种技术条件，选择合适的气化工艺流程和气化设备，可以做到一次投产成功。

参考文献

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