影响气流床煤气化工艺性能的主要影响分析

【摘 要】影响气流床煤气化工艺性能的主要因素有两类：其一，为生产工艺条件，其二为煤的物理化学性质。从稳健优化与分析的角度来看则可以分为三类，其一为可以直接控制的生产操作工艺参数，其二为煤质性质，其三为煤的水分、灰分、粒度等不宜直接控制的噪声因素。

【关键词】煤化工；工艺参数；煤质性质；优化控制；反应速度；煤气质量；热稳定性

0 引言

对于气流床煤气化而言，氧煤比、蒸汽煤比、温度、压力等工艺条件是影响CO含量、H2含量、产气率和碳砖率等煤气化性能指标的主要工艺条件。除此之外，气化性能评价指标还会受诸如煤的水分、灰分、粒度、煤质等多种噪声因素的影响。各工艺参数如何影响煤气化性能，包括各评价指标的均值及其波动，是进行气流床气化工艺性能稳健优化与控制的基础。

1 可控工艺参数的影响分析

1.1 气化温度T（℃）

碳与水蒸气的转化反应是可逆的吸热反应，提高温度可以提高反应平衡转化率，从而提高CO和H2的平衡浓度。从动力学的角度分析，提高温度有利于加快反应速度。但是，气化温度并不是一个独立的条件，通常需用改变氧煤比或蒸汽煤比的方法来调节气化炉温度。

1.2 操作压力P（MPa）

随着粉煤气化反应的进行，气体体积不断增加，所以从热力学分析，提高压力不利于化学平衡。但是由于气化反应距离平衡很远，主要是反应速度控制了反应程度，提高压力能使反应物及生成物浓度增加，从而提高反应速度。另外，提高压力也相应的提高了气化强度，气化炉产气能力增加，对工业应用而言，加压气化还可以节约压缩功耗，降低生产成本。

1.3 氧煤比O/C

从粉煤部分氧化的化学方程式可知：

氧的理论用量应该是氧原子数与煤中碳原子数相等。这样使煤中的碳能全部转换成煤气中的CO。如果氧的用量超过了这个比值，则一部分碳将发生完全氧化而生产CO2。因此，按原子数比计，氧与碳之间的比值不超过1。但是粉煤在气化反应时，大量的CO与H2是有下列反应产生的：

C+CO=2CO

C+H2O=CO+H2

而这两个反应的反应时间为燃烧反应时间的数百倍，因此，其反应速度比燃烧反应缓慢的多。因此按照理论量供氧，必须有一部分煤粉进行完全燃烧而生成CO2和H2O。当气化剂中加入水蒸气（或CO2）可以提高上述气化反应的速度，并且上述两个气化反应的结果也产生了CO和H2。也就是说，水蒸气（或CO2）中的氧原子代替了一部分氧气，从而使氧耗降低，这样，由水蒸气（或CO2）带入的氧原子数应计算在氧煤比值内。因此，实际生产过程中，氧气的用量可以小于理论用量。

1.4 蒸汽煤比（W/C）

在气化剂中加入适量的蒸汽，能增加煤气中H2的含量，降低氧耗，并使炉温不至过高。但是，加入过量蒸汽后，降低了气化炉温度，不利于CO2的还原和水蒸气的分解反应。这两个影响是相互矛盾的，但在一定的条件下，必有一个起主导作用。一般当气化剂中蒸汽浓度很低时，加入蒸汽的有利影响起主导作用，随着蒸汽煤比的提高，气化炉温度渐低，使加蒸汽的影响逐渐减弱，相反，使反应温度起主导作用，所以提高蒸汽煤比的结果，只能使反应速度下降。蒸汽煤比对碳转化率影响较小，但影响了煤气中H2和CO的含量。

2 煤种与煤性质的影响分析

2.1 煤种的影响分析|

（1）煤种对煤气成分的影响煤种不同，煤气化反应中的煤气成分差别很大；

（2）煤种对煤气化产率的影响煤种对煤气化产率也有较大影响。

2.2 煤的性质对气化性能的影响分析

（1）煤的粘结性对气化过程的影响煤的粘结性指煤在高温干馏时的粘结性能。粘结性煤在气化炉内进入千馏层时会产生胶质体，这种胶质体粘度较高，它将较小的煤块粘结成大块，这就使得干馏层的透气性变差，从而导致床层气流分布不均和阻碍料层的下移，使气化过程产生波动。因此，粘结性煤对气化过程是一个极为不利的因素。

（2）煤的机械强度和热稳定性的影响煤的机械强度是指煤的抗破碎能力。易破碎的煤在筛分后的传送及气化炉加煤过程中必然产生很多煤屑，这样会增加入炉煤的粉煤含量，使煤气带出物增加，从而导致煤气质量降低，煤耗增加。煤的热稳定性是指煤在经受高温和温度急剧变化时的粉碎程度。

（3）煤的化学活性的影响煤的化学活性是指煤同气化剂反应时的活性，也就是指碳与氧气、二氧化碳或水蒸气相互作用时的反应速度。煤种不同，其反应活性不同。一般煤的碳化程度越低，焦炭质的气孔率越大，则其内表面积越大，反应性越高。

3 不可控噪声因子的影响分析

3.1 原料煤中水分含量的影响分析

煤中所含的水分随煤变质程度的加深而减少，水分较多的煤，挥发分往往较高，则进入气化层的半焦气孔率也大，因而使反应速度加快，生成的煤气质量较好。另外在气化一定的煤种时，其焦油和水分存在着一定的关系，水分太低，会使焦油产率下降。由于加压气化炉的生产能力较高，煤在炉内干燥、干馏层的加热速度很快，一般在20-40℃/min之间，因此对一些热稳定性差的煤，为防止热裂，要求煤中含有一定的水分，但煤中水分过高又会给气化过程带来不良影响。

煤中水分含量过高，增加了干燥所需热量，从而增加了氧气消耗，降低了气化效率。同时，煤的水分含量过高，煤处于潮湿状态，易形成煤粉胶结结和堵塞筛分，使人炉粉煤量增加。其次，入炉煤水分过高，干燥不充分，这样将导致干馏过程不能正常进行，进而又会降低气化层温度，最终导致甲烷生成反应、二氧化碳及水蒸气的还原反应大大降低，煤气质量显著变差。

3.2 煤中灰分含量的影响分析

煤中的灰分是煤燃烧后所剩余的矿物质残渣。煤中灰分较高时对气化过程带来以下危害。随着煤中灰分的增大，灰渣中的残碳总量增大，燃料的损失增加。另外灰分增大后，带出的显热增加，从而使气化过程的热损失增大，热效率降低。从而气化的各项消耗指标，如氧气消耗、水蒸气消耗、原料煤消托等指标显著上升，而煤气产率却明显下降。灰分过高，在气化炉氧化层易形成灰渣熔融，即通常所说的灰结渣。结成的渣块导致床层透气性差，造成气化剂分布不均，致使工况恶化，气化床层紊乱，煤气成分大幅波动，严重时将导致恶性事故的发生。另外，灰结渣易将末反应的碳包裹，使碳末完全反应即被带出炉外，使灰渣中含碳量增加，燃料损失增加。为了维持氧化层反应温度，就需要增加入炉气化剂中的水蒸气量，从而增加了水蒸气的消耗。

3.3 煤的粒度的影响分析

在加压气化过程中，煤的粒度主要影响气化炉的运行负荷、煤气的产率以及各项消耗指标。煤的粒度越小，其比表面积越大，在动力学控制区的吸附和扩散速度加快，有利气化反应的进行。煤粒的大小也影响着煤准备阶段的加热速度，很显然煤粒度越大，传热速度越慢，煤粒内部与外表面之间的温差也大，使颗粒内碳反应时间延长，且可能导致碳的不完全气化，从而影响煤气质量和产率。但粒度过小将会造成气化炉床层阻力加大，煤气带出物增加，这样也将影响煤气质量和产率。另外，煤的粒度越小，水蒸气和氧气的消耗量增加，煤耗也会增加。

4 结束语

总之，随着人们对气化产品需求的不断增加，对煤气化效率和环保要求的不断提高，作为新一代煤炭转化利用的主要技术，气流床煤气化技术的必将会得到更为广泛的应用。气流床煤气化工艺性能稳健优化与控制的研究对于提高煤炭的清洁高效，保证气化生产的经济、稳定、安全运行有着重要意义。

【参考文献】

[1]廖汉湘.现代煤炭转化与煤化工新技术新工艺实用全书[M].合肥：安徽文化音像出版社，2004.

[2]许世森，张东亮，任永强.大规模煤气化技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[责任编辑：刘帅]

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