降低加压气化炉入炉蒸汽温度以降低汽氧比可行性分析

徐庆

摘 要：本文主要论证降低加压气化炉入炉蒸汽温度以降低汽氧比的可行性，如若施行，可大大降低加压煤气化工艺的能耗和水耗，对节能降耗、环境保护具有重大意义。

关键词：加压气化；蒸汽温度；汽氧比；节能降耗；控制成本，市场竞争力

0前言

加压气化是以煤为原材料，以氧气和蒸汽为气化剂，在高温、高压的条件下，通过化学反应方式把煤中可燃的部分转化为粗煤气的过程。粗煤气的主要成分有CH₄、CO₂、CO、H₂、SO₂以及水蒸气等，粗煤气经过进一步净化和煤气水分离后，可以作为合成气合成天然气（CH₄）或其它化工产品。气化剂汽氧比的大小对控制炉内温度起决定性作用，对任何煤制气企业来说，为了控制生产成本，都将会致力于降低汽氧比。

1煤的气化过程

图一：煤的气化过程示意（各层之间并没有明显分界线）

1.1煤的干燥

原料煤通过煤锁进入气化炉后，随着温度的升高，煤中的表面水和结合水会受热蒸发，使其得到干燥，其干燥速率主要受原料煤的粒度大小和气化炉内温度高低的影响。

1.2煤的热解

随着气化炉内温度进一步升高，煤会发生分解反应，生成一定量的挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），煤的热解过程化学反应非常复杂，包括煤中的有机物质裂解，裂解产物中的轻质部分挥发，裂解残留物的缩聚，挥发产物在逸出过程中继续分解或化合，缩聚产物的再一步分解以及再缩聚过程，而煤料中不能挥发的部分将会形成半焦。热解过程中产生挥发分的多少与原料煤的煤质、煤料的升温速率等因素有密切关系。

1.3煤的气化

煤料热解后形成的半焦在更高温度下，与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以H2、CO、CO₂、CH₄以及H₂S等为主要成分的气态产物，即粗煤气。在炉型结构、原料煤质、气化剂已定的前提下，影响反应的主要因素为气化温度和气化压力。

1.4煤的燃烧

煤中含有的部分碳元素与气化剂中的氧元素发生燃烧反应释放出热量，为煤的气化过程提供热能，以保证气化反应能够在较高的温度下快速、连续进行。

2降低气化剂温度可行性论证

2.1气化剂的作用

气化剂由过热水蒸汽和氧气组成，其中氧气的作用是助燃，使部分焦炭燃烧释放热量，为气化反应提供温度保证；而送入炉内的蒸汽，一部分作为原料与炉内气化、燃烧层中的半焦在高温、高压下发生气化反应生成粗煤气，另一部分则起到吸收燃烧层焦炭燃烧释放的热量，降低燃烧层温度防止煤灰因温度过高而结焦，并把热量向上传递、加热炉内上部原料，为气化层、热解层和干燥层提供热量的作用。

2.2气化剂入炉数量变化对燃烧层的影响

假设在入炉蒸汽量不变的前提下，逐渐增加入炉氧气量，即汽氧比降低，则炉内燃烧层会因燃烧强度增加，单位时间内释放的热量增多，没有足够多的蒸汽吸收、带走这部分增加的热量而使燃烧层温度升高；反之，减少入炉氧气量，汽氧比升高，则会使燃烧层温度降低。

假设在送入气化炉的氧气量不变（即氧负荷不变）的前提下，则燃烧层的燃烧强度也不变，单位时间内释放出的热量也不会变化。若此时逐渐减少送入炉内的蒸汽量，即降低汽氧比，则炉内燃烧层温度会因为缺少足够数量的蒸汽来带走燃烧产生的热量而逐渐升高，当蒸汽量减少到一定程度、炉内燃烧层温度升高到或超过灰渣熔点时，就会发生结焦现象。反过来，在氧负荷不变的前提下，逐渐增加入炉蒸汽量，即增加汽氧比，则燃烧层温度就会因有更多数量的蒸汽来带走更多的热量而逐渐降低。

实际操作中，在氧负荷不变的前提下，就是通过控制入炉的蒸汽量的多少来调整燃烧层温度，使其在保证燃烧层不结焦的前提下，尽量维持炉内温度在较高水平，以保证气化反应快速进行。

2.3气化剂入炉温度变化对燃烧层的影响

假设在氧负荷、汽氧比不变的前提下，调节入炉气化剂的温度会对燃烧层有什么影响呢？若提高气化剂温度时，因气化剂自身温度的升高而降低了其吸收更多热量的能力，将会使燃烧层温度升高。若降低气化剂温度，因气化剂自身具有较低的温度而提高了其吸收更多热量的能力，将会使燃烧层温度降低。

单位质量较低温度的蒸汽将能带走更多的热量，就像人在夏天吹电风扇不凉快，而吹空调凉快的道理一样，凉爽的风能带走更多人体产生的热量，“凉爽”蒸汽也能使气化炉更“凉快”。

所以，除了通过控制入炉蒸汽量来调整燃烧层温度外，也可以通过控制入炉蒸汽温度来调整燃烧层温度。

2.4降低入炉气化剂温度、降低汽氧比操作方法

为了降低汽氧比，在实际操作中，可先降低入炉蒸汽温度，待燃烧层温度降低后，再适当减少蒸汽量的投入，使燃烧层温度回升至原水平，再次降低蒸汽温度，再次减少蒸汽投入量，这样反复操作，直至把蒸汽温度降低到一定的水平后，使汽氧比降到最低水平。蒸汽温度降低到多少合适呢？需要通过分析计算来确定。

3入炉蒸汽温度降低程度计算

为了保证气化剂不带水，必须保证气化剂中的水蒸气有一定的过热度，目前气化炉内压力在4.0Mpa的环境下，水蒸气对应的饱和温度为250.5℃，只要保证温度高于250.5℃，气化剂就不会带水，假定入炉气化剂温度控制在260℃，入炉前蒸汽温度应该降低到多少呢？

为了保证汽氧比降低后，入炉气化剂温度不低于260℃，我们以汽氧比为6Kg/Nm³来进行热力计算。入炉氧气温度按20℃计算，氧气在标准状态下的密度为1.429Kg/m³，定压比热容为0.909Kj/（Kg·℃）。

每标方氧气从20℃升高到260℃需要吸收的热量为：

1.429 × 1 × 0.909 × （260 - 20） = 311.75 Kj 。

4.0Mpa、260℃的水蒸气焓值为2837.22 Kj/Kg，气化剂汽氧比为6时，6千克蒸汽共提供311.75 Kj的热量来加热一立方氧气，每千克蒸汽提供的热量为51.96Kj。

所以蒸汽焓值应该降低到2837.22 + 51.96 = 2889.18 Kj/Kg，查表可知，此焓值对应的蒸汽温度为275.6℃。

4入炉气化剂汽氧比降低程度计算

目前我厂进入气化炉前的蒸汽压力为4.3Mpa，温度为440℃，其焓值为3303.55 Kj/Kg，各炉平均汽氧比为7.5左右，当蒸汽温度降低到275.6℃时，焓值为：2889.18 Kj/Kg。

原料煤灰渣熔化温度大约为1150℃，为了保证灰渣不结焦，燃烧层温度就不能超过1150℃，但为了能最大程度地保证炉内气化反应温度，又需尽量高地维持在接近1150℃的高温环境，假设炉内燃烧层温度维持在1120℃，进入炉内的蒸汽则经过吸热后从入炉温度升高到1120℃，在4.0Mpa的炉内压力下，其焓值为4939.17 Kj/Kg。

在温度为440℃时，每千克蒸汽吸收燃烧层释放的热量为：

4939.17 - 3303.55 = 1635.62 Kj/Kg ；

进行降温后，在温度为275.6℃时，每千克蒸汽吸收燃烧层释放的热量为：

4939.17 - 2889.18 = 2049.99 Kj/Kg 。

所以，入炉蒸汽温度从440℃降低到275.6℃后，其吸收燃烧层热量的能力提高了，提高的倍数为：

2049.99 ÷ 1635.62 = 1.253 倍；

所以，蒸汽温度降低后，只需要原设计1.253分之一的蒸汽量，就可以达到同样的吸热能力，汽氧比可从原来的7.5降低到：

7.5 ÷ 1.253 = 5.99

即汽氧比可以降低到6左右。

5汽氧比降低后带来的经济优势

以氧负荷为80000Nm³/h时的生产负荷来计算，气化剂汽氧比从原来的7.5降低到6左右时，其带来的经济效益是非常可观的，需要的入炉蒸汽量从600t/h降低到480t/h，假设使用的减温水温度为150℃，其焓值为630 Kj/Kg，每小时需要440℃的蒸汽量约为：

（2889.18 - 630）× 480 ÷ （3303.55 - 630）≈ 316吨；

需要减温水量为：

（3303.55 - 2889.18）× 360 ÷ （3303.55 - 630）≈ 164吨。

比汽氧比在6比在7.5时少消耗新蒸汽的量为：

600 - 316 = 284吨，

一年按8000运行小时计算，每年可节省除盐水：（600 - 480）× 8000 = 96万吨，可节省5.0Mpa新蒸汽：284 × 8000 ≈ 227.2万吨。

5.1节省的资源费用

除盐水单价大约在5元/m³左右，每年可节省除盐水资源费用为：96 × 5 = 480万元；

汽氧比降低后，煤气水处理量也大大降低，每吨煤气水的处理费用大约在26元左右，每年可节省煤气水处理费用为：96 × 26 = 2496万元；

同样，污水处理量也将大大降低，每吨污水处理费用约为2.7元，每年将节约污水处理费用为：96 × 2.7 = 259.2万元；

根据锅炉产汽煤耗163Kg/吨计算，每年将节约燃料煤37万吨，每吨燃料煤的单价约为120元，每年将节约的燃料煤费用为：37 × 120 = 4440万元。

每小时节省284吨的新蒸汽用量，基本可以停用一台锅炉，而每台锅炉每小时的耗电量大约为3800Kw·h，每度工业用电的价格约为0.36元，则每年节省的电费为：

3800 × 8000 × 0.36 = 1094.4万元。

所以每年将节约的资源费用约为8769.6万元，这是一笔非常宝贵的财富！假设在8万氧负荷工况下一年的天然气产量为12亿Nm³，则每方天然气成本单价降低约0.073元。

5.2带来的其他好处

1. 生产系统水不平衡问题将得到大大缓解；

2. 锅炉负荷大大降低，以我厂布置5台280t/h的循环流化床锅炉的实际情况来说，基本可以做到从目前的4开1备改变为3开2备，节省大量厂用电的同时也更有利于生产设备长周期、稳定运行，特别是为冬季高负荷运行创造了良好条件；

3. 5.0Mpa蒸汽用量降低后，管道内蒸汽流速降低，蒸汽流动阻力减少，可提高气化炉前蒸汽压力，压力的提高将对炉内煤气化反应更加有利；

4. 污水处理量及锅炉烟气排放量的减少，很大程度上可以缓解公司环保压力，还可以节省部分排污费用；

5. 在相同氧负荷的前提下，降低汽氧比后，出炉粗煤气及蒸汽总量降低，气体流速减慢，其携带粉尘的能力下降，单位体积混合气体所携带的粉尘量减少，这就为煤气水工段长期运行创造了更加有利的条件。

6改造方案

图二：减温器示意

如图二所示，在每台气化炉前的蒸汽管线上，增加一台减温器，气化炉点火时，减温器不投入，待点火成功、正常运行后，投入减温器，逐渐降低入炉蒸汽温度，如若在运行过程中出现故障，可随时关闭减温器减温水阀门，恢复到原设计方式运行。

7结束语

小技改，大丰收，以目前国内外的市场经济形式来看，降低成本将更有利于产品市场拓展，也更有利于企业的生存和发展，通过公司生产经营分析会的精神指引，在生产过程中，我们需要想尽一切办法进行节能降耗，降低产品成本，提高产品的市场竞争力。

8参考文献

【1】高素萍，煤气化反应的过程与影响因素分析【C】，科技信息，第21期，2011

【2】邵洪兴，煤气化技术的选择与对比【J】，化工设计通讯，2009,35（1）：14-17

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