一种煤炭气化燃烧燃烬层理论的研究

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）

摘要：通过对煤的气化原理的研究，提出一种燃烬层理论，利用燃烬层理论对传统炉篦和炉膛的结构进行改进，通过试验证明了燃烬层确实存在，而且燃烬层对煤的燃烧和气化具有十分重要的作用。

关键词：煤炭；气化；燃烬层

中图分类号：TK212文献标识码：A

0 引言

煤炭作为我国主要的能源，如何对其清洁高效地利用，一直是个非常重要的问题。本论文究一种新的煤炭气化燃烧的燃烬层理论，具有高效利用各种煤炭资源的特点，不论是优质无烟煤，还是劣质褐煤，均能产生高热值的煤气，利用燃烬层理论对传统煤气发生炉进行改进，不但大大提高了热效率和气化效率，而且环保指标也非常突出，优于国家一类地区标准。因此，本论文所研究的煤炭气化燃烧燃烬层理论具有较高的经济价值和社会价值。

1 煤的气化原理

煤主要是由C、H、N、O、S等元素和不可燃矿物质（灰份）组成的。煤的燃烧过程，实质上就是煤中可燃物发生激烈的氧化反应的过程。煤在燃烧过程中生成CO2、H2O、CO等物质，并放出热量，其反应方程式为：

（1）xC+y/2O2=CxOy

（2）CxOy=mCO2+nCO

在反应中，n/m的比值大小，即碳氧复合物变成CO与CO2的多少，取决于反应的温度、流速等条件，温度越高，比值越大，CO越多。

煤炭气化是一个化学、物理反应兼有的过程。在煤气发生炉内，混合发生炉煤气是煤在燃烧的过程中，以空气和水蒸汽混合物为气化剂，经过一系列物理化学反应制取到的可燃气体。

生产过程中，炉内主要进行着下列反应：

（1） C+O2+3.76N2=CO2+3.76N2+408841kJ/kgmol

（2） C+1/2O2+1.88N2=CO+1.88N2+132218kJ/ kgmol

（3） CO+1/2O2+1.88N2=CO2+1.88N2+ 285623 kJ/ kgmol

（4） H2+1/2O2+1.88N2=H2O+1.88N2+ 242037 kJ/ kgmol

（5） C+CO2=2CO-162406 kJ/ kgmol

（6） C+H2O=CO+H2-118821 kJ/ kgmol

（7）C+2H2O=CO2+2H2-75237 kJ/ kgmol

（8）CO+H2O=CO2+H2+45385 kJ/ kgmol

这些反应分别在发生炉内不同反应层内进行着，气化剂中的氮气基本不参加反应，故可以忽略其变化。

虽然在发生炉内进行的化学反应比较复杂，但是制取混合发生炉煤气的各反应式，可以依照盖斯定律加以综合为：

C+O2+3.76N2=CO2+3.76N2+408841kJ/kgmol

C+CO2=2CO-162406kJ/kgmol

上两反应式相加得到：

2C+O2+3.76N2=2CO+3.76N2+246435 kJ/kgmol

碳与水蒸汽的还原反应式：

C+H2O=CO+H2-118821 kJ/kgmol

这两个化学反应方程式，为混合发生炉煤气在生产过程的热化学反应终结式，设在反应进行时没有其它热损失，放热反应所放出的热量，完全用来补偿吸热反应所消耗的热量，则可以计算出每2kgmol炭与空气中氧反应所放出的热能，可使水蒸汽分解kgmol数为246435/118821=2.07。

在C+H2O=CO+H2-118821 kJ/ kgmol 式中，参加反应的炭分子数和水蒸汽分子数相等，也为2.07，反应式可以写为：

2.07C+2.07H2O=2.07CO+2.07H2-246435 kJ/kgmol

此式与2C+O2+3.76N2=2CO+3.76N2+246435 kJ/kgmol

相加得到理想混合发生炉煤气热化学反应：

4.07C+2.07H2O+O2+3.76N2=4.07CO+2.07H2+3.76N2

2 理想混合发生炉煤气产率和煤气热效率

2.1理想混合发生炉煤气产率

理想混合气化炉煤气各组份分子数总和：

4.07CO +2.07H2+3.76N2=9.9 kgmol

各组份含量：

CO=4.07 / 9.9=0.411

H2=2.07 / 9.9=0.209

N2=376/9.9=0.38

每公斤炭元素煤气产率：

V=9.9×22.4/4.07/12=4.54Nm3/kg.c

此产率为理想情况下（无任何热损失）每kg纯碳的产气量。对煤炭来说，应该使用其固定炭含炭量，根据煤种不同差别很大，褐煤固定炭含量30%左右，烟煤固定炭含量50 ~ 60%，无烟煤固定炭含量70 ~ 80%，煤的产气率和纯炭比就要低得多。煤的产气率大约在2 ~ 3.5之间。

2.2理想发生炉煤气热效率

理想发生炉煤气低位热值为：Q=12753×0.411+10806×

0.209=7500kJ/Nm3

理想状态气化效率为:

り=7500×454/(408841/12)=1

其中，408841为1 kgmol炭的发热值，12为炭的分子量。

在气化过程中，很难达到理想工况，故此热效率永远小于1。

3 煤气发生炉传统分层理论

在一般煤气发生炉中，煤是由上而下、气化剂则是由下而上地进行逆流运动，它们之间发生物理化学反应和热量交换。

物料在炉内反应过程中，互相交错地分布着若干层，这样在煤气发生炉中形成了几个区域，按照煤气发生炉内气化过程进行的程序，可以将发生炉内部分为六层：灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层和空层，其中氧化层和还原层又统称为反应层，干馏层和干燥层又统称为煤料准备层。

3.1灰渣层

灰渣层是固体燃料经气化反应后的残留物,大部分是煤炭中不可燃物质，但因气化反应的某种原因（温度偏低，反应时间太短，运行不正常等）使用灰渣中含有一定量的炭，灰渣含炭量平均在15%左右。灰渣层的温度为300 ~ 500℃，厚度在150 ~ 200mm，其正常情况下，中间稍偏高，周边偏低，呈馒头形，均匀分布在炉篦周围，其作用是：（1）它在料层最下层，起着基础作用，它的正常分布，起着稳定气化层的作用。（2）由于灰渣层疏松地分布在炉篦上，气化剂通过炉渣层重新分配，若灰渣层厚薄粒度基本均匀，则气化剂也被均匀分布。（3）可以保护炉篦，由于灰渣层存在，氧化层不能直接接触炉篦，故此不能烧坏炉篦。（4）预热气化剂，气化剂一般在50 ~ 70℃之间，温度较低，通过灰渣层可以预热到200℃左右，有利于气化反应。

3.2氧化层

气化层又称火层，正常情况下其厚度为100 ~ 200mm，一般为燃料粒度的3 ~ 4倍，氧化层的主要作用是使气化剂中的氧遇到赤热的炭，进行剧烈的热化学反应，生成大量的CO2同时放出大量热量，供给与CO2、水、蒸汽和灼热的炭还原反应所吸收的热量。氧化层温度一般保持在1100 ~ 1200℃，其温度控制的高低，取决于原料煤灰份熔点高低及排渣形式。

3.3还原层

还原层是主要生成可燃气体区域，它根据气化反应式进行情况，自下而上分为第一还原层和第二还原层，第一还原层靠近火层，温度1100 ~ 950℃，其厚度150 ~ 200mm，在此层主要进行的反应多数为吸热多的CO2+C=2CO和C+H2O=CO+H2、CO2还原和水蒸汽分解的化学反应，第二还原层在第一还原层之上，温度950 ~ 700℃，厚度约为第一还原层的1.5倍。在这里进行的是吸热较少的还原反应C+2H2O=CO2+2H2还有CO+H2O=CO2+H2变换反应，还原层的高度约为450 ~ 500mm。

3.4干馏层

干馏层位于还原层之上，干燥层之下，经干燥后的煤炭在250 ~ 360℃开始析出挥发份及其它干馏产物，由于煤种不同其干馏层温度及产物也不同，挥发份是热值很高的可燃气体。因此气化挥发份高的煤所得的煤气热值高。

3.5干燥层

干燥层是物料层最上面一层，煤含有一定水分，当煤加到炉内，水分遇到上升的热气流而蒸发，煤失去水分而被干燥。

混合煤气发生炉物料层从炉篦风帽算起总高度，大约900 ~ 1100mm，总高为各层厚度的总和。但是灰渣是从炉篦座四周堆积到氧化层，这样炉内灰渣层如从灰盘算起，根据炉篦直径大小，高低不同，灰渣层最小厚度600mm，最大厚度1000mm左右，所以物料层总高约1500 ~ 2500mm，甚至更高。

3.6空层

空层是物料层上面的空间，作用是汇集煤气和排出煤气，同时分布物料。若温度控制不当，在空层有可能发生水煤气平衡反应。

我们可以看出，在煤气发生炉内进行的气化过程是比较复杂的，既有气化反应，也有干馏和干燥过程。而且在实际生产的发生炉中，分层也不是很严格的，相邻两层往往是相互交错的，各层的温度也是逐步过渡的，很难具体划分，各层中气体成分的变化就更加复杂了，即使在专门的研究中，看法也存在分歧。

4 燃烬层理论的提出

在传统煤气发生炉中，气化剂经灰渣层预热到200 ~ 300℃后进入氧化层。气化剂中的氧气在氧化层中和炭反应，被完全燃烧掉，生成CO2 、CO。正常情况下，灰渣中含碳在15%左右，不正常时高达20%以上。在长期的生产实践中，我们发现，在氧化层的温度保持在1100 ~ 1200℃时，（不能超过灰渣）加大底层布风强度，适当降低炉内中央风速，就会增加气化剂中的含氧量，并使气化剂在炉内停留的时间加长。同时也会减少未经充分燃烧反应的带出物。气化剂中充足的氧气随气流经灰渣层预热，遇到从氧化层移动下来的炽热灰烬中未燃烧的炭，使其燃烧，放出热量。由于氧气充足，接触时间长（此层比氧化层厚），灰烬中的炭在这里就基本燃烬。

通过对此类似现象进行分析。我们认为，在氧化层的氧化反应过程中如果具备以下四个条件即可将灰烬中的炭基本燃烧干净，转化成煤气。（1）具有充足（过剩）的氧气，（2）足够的反应时间，（3）可将反应物带走的足够流速，（4）足够的反应温度（800 ~ 1000℃）。

因此，我们认为，在条件适宜时，炉篦四周灰渣层与氧化层之间分布着一个“燃烬层”。

燃烬层起着将氧化层移动下来的赤热炉渣中的炭进一步燃烧直至基本燃尽的作用。这样固定层发生炉内层次的分布演变成七层，即：灰渣层、燃烬层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层。燃烬层分布在炉篦周围有200 ~ 300mm厚。

5 原理样机的设计与试验

在该理论指导下，改传统的径向水平布风方式为现在均匀分布式梯度布风，使各处同一截面的气流速度和温度分布均匀；同时，还改进炉篦和炉膛的结构设计，制造出原理样机并投入生产运行试验。

5.1 试验方法

在煤气发生炉正常工作1小时后，将探钎由炉顶插入炉膛，静置2 ~ 3分钟后拿出，发现在底端灰渣层与氧化层之间明显产生了新的温度带。同时在煤气发生炉正常工作1小时后，在出气口采集气体，用气体分析仪进行分析，并对气化产出物进行分析。

5.2 试验结果

5.2.1在探钎试火的过程中，根据探钎受热程度不同，探钎整体在不同部分表现出不同颜色，探钎检测结果如图1所示。

图1 探钎检测结果

5.2.2本次试验对气化产物、煤气杂质、气化效率、炉渣可燃物的测定数据如表１所示。

表1数据列表

气化1KG煤产出物煤气中含杂质量[g/m3(标准)]气化效率

（%）炉渣含

碳量（%）

蒸汽(g)空气(m3)煤气(m3)炉渣（g）带出物（g）焦油灰水

3261.2531.98315106.436890.32.30

3221.2251.98310106.02.96591.7

3181.2221.99308105.982.86093.9

3161.2231.99306105.62.55693.73

3151.2482.0305105.42.35594.2

6 结论

在传统的煤气发生炉中，探钎只能表现出6个不同颜色的部分，由下至上分别代表灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层。而在本次试验中，在灰渣层与氧化层之间，明显多出了新的温度带，并且探钎整体出现了7个不同温度的部分（如图1所示），因此我们可以说，在新的炉篦和炉膛结构下，燃烬层确实存在；并且由于燃烬层的存在，整个煤气发生炉的炉渣可燃物下降到2.3%（如表1），气化效率提高到85%以上（如表1所示），均大幅优于传统气化炉。

参考文献

[1] 煤的化工学[M].煤炭工业出版社，1976.

[2] 煤的化工利用[M].化学工业出版社，1979.

[3] 煤炭低温干馏核气化过程计算[M].化学工业出版社，1976.

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[5] 发生炉煤气的生产原理与使用[M].科学普及出版社，1985.

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