常压固定床造气的应用与展望

常压固定床造气的应用与展望

作者/来源：马德勉（山东博山化肥设备厂，山东 淄博 255215） 日期：2008-11-14

煤气化技术广泛用于化工、化肥、玻璃、建陶等行业，具有广阔的应用前景。煤气化可分为固定床、流化床、气流床技术。1958年Ф1980 mm土生土长的常压固定床间歇煤气发生炉在我国诞生，发展到现在，Ф2800 mm已广泛应用于化工、化肥等中小企业，各种炉型近9000台。可见，常压固定床间歇气化技术在国内化肥、化工企业中仍占主导地位，造就中国特色50年的历史。流化床、气流床适合规模大的装置，是发展的长远目标和远景规划。

１ 固定床间歇气化炉的发展

固定床间歇气化煤气发生炉从1958年的Ф1980 mm开始，逐步扩径到Ф2260mm、Ф2400 mm、Ф2600 mm、Ф2800 mm五个规格。它们的基本结构一样，即半水夹套锅炉，原设计高度为1845㎜，扩径改造过程中，在原水夹套设计基础上加高300～900㎜不等。直筒型上炉体为内砌耐火材料，采用人工手动加焦（煤），后改为半自动到全自动加焦（煤）。Ф1980～Ф2400 mm这几种炉持续使用近35年，现在仍然有一些小企业在用。Ф2600 mm系列炉20世纪90年中期已开始改造，近10年使用后改为Ф2800 mm，已达到极限。这种半水夹套锅炉煤气发生炉称为第一代煤气炉（下简称Ι炉）。

21世纪初，化肥、化工迅猛发展，各企业不断扩大规模，本着投资少，见效快，减少占地的原则，在直筒炉的基础上，改为外直内锥的锥形煤气发生炉。称为第二代煤气炉（下简称Ⅱ代炉）。

2003年，国家对煤矿规范管理，关闭一部分小煤矿，从此煤价逐年攀升。使以煤为原料的企业利润空间越来越小，不少企业不得不改变原料路线，用本地煤、劣质煤或用无烟沫制各种型煤。然而这些劣质煤气化带来的问题多，如炉况易恶化，不稳定。为适应这些煤种的气化需求，第三代煤气发生炉孕育而生，即全水夹套炉或复合煤气炉（下简称Ⅲ代炉）。 ２ 三种炉型近年来经典改造过程

2.1 Ⅰ代炉

这是我国建国初期移置了部分UGI工艺技术、结合国家的状况而设计的炉型。刚开初对原料的要求比较苛刻，要求是高温冶金焦，且粒度为25～75㎜。中期改为优质山西晋城无烟块煤。煤气炉运行较稳定，气量和气质都很好（负荷轻）。后期随着各企业规模扩大，煤炭紧张，改烧劣质煤，一些设备改造不匹配，没有系统性改造，暴露的问题就多了。炉况不稳定，易恶化，“二差”、“三高”、“一短”随时出现，即发气量差，气质差，煤耗高，蒸汽消耗高，煤气温度高，设备寿命短。为烧好劣质煤，广大造气专业人员和科技人员多年来共同努力，对煤气炉不断进行系统改造，使中国特色的小型炉又有新的生机。经典的改造情况（系统性全方位改造）如下。

（1）煤气系统流程 四炉—站—机—锅（组合）—塔，即四台炉共用一台油压泵站，一台空气鼓风机，一台废锅炉（上废锅下过热器），一台洗气塔。

（2）蒸气流程 水夹套及废热锅炉自产蒸汽，去过热器过热，回蒸汽缓冲罐（罐容积

3不小于35～40 m），放在四炉中间，尽量靠近炉子，蒸汽总管Ф377 mm或Ф426 mm，单炉支

管Ф273 mm或Ф325 mm，四台炉以上可将缓冲罐连通使用。这样便于蒸汽压力的稳定，有利于造气炉工况的稳定。

（3）吹风气回收流程 无论上第二代（中燃式）还是第三代（下燃式）吹风回收系统，采用微负压的工艺（有数种流程）。根据企业自身状况，选择适合工艺需求的流程。

（4）空气流程 四台炉共用一台空气鼓风机，总管Ф1000㎜、支管Ф700 mm、上吹加氮Ф273 mm。

（5）油压流程 油路总管Ф76mm、支管Ф38 mm，泵站设连锁装置，设置低限为

3.8MPa，若到低限另一台自动开启，保持油压系统正常，减少阀门因油压系统波动大，导致开关慢或开关不到位，影响造气炉的稳定运行的情况。

（6）高径比 煤气炉逐步扩径改造，但每次扩径都未重视高径比，导致高径比严重失调，即扩径后截面积大了，也不多产气，反而出现炉况不稳定，一些企业扩径改造运行一段时间又改回来，走回头路。其实他们没有把扩径后运行不正常的真正原因找出来，盲目行动，草率行事，使企业蒙受较大的经济损失。煤气炉改造不光要考虑整体合理高径比，还应考虑水夹

套的高径比。过低，夹套易挂壁，一般半水夹套高径比为1∶1。煤气炉整体高径比块煤为2∶1；型煤2.2∶1。

（7）炉箅 随着高径比的提高，炉箅过低也不适应，应采用多层多边的，布风均匀合理，破渣排渣能力强，适当增加高度，即炉箅自然的倾斜角大，有利于排渣畅通，同时适当加大炉箅底座6个大角，使与灰犁尺寸匹配，保证气化的灰渣落在灰盘上通过炉条机转动能及时排出。再次衍生的灰渣有立足之地，实现新陈代谢，不滞流灰渣，减少炉条机做无用功。

（8）灰渣的排放 形成的灰渣在排灰口能否及时排出，根据不同的煤种设立排灰口的安息角角度。无论设计内防或外流，安息角设计为35～40°为最佳。

（9）加焦（煤）的方式 加焦（煤）由手动、半自动到自动加焦（煤），但实现不了煤的综合利用和显热的综合利用，只是减少了工人的劳动强度。最优的造气加焦（煤）实现了自循环，当上行温度低，显热很难回收。对半自动加焦（煤），可以提前把煤送入造气炉内，利用吹风和上吹制气的显热逐步加热料层，即使下吹（过热蒸汽180～230℃）制气也能加热料层，提前慢加热和干馏，热稳定性得到提高，减少热损失，实现煤的自产自用，减少用显热自产蒸汽的过程。因此提高高径比，加长布料长度，把煤放在布料器中提前慢加热（对一些劣质煤更有利），这样同时缩小了空程死空间，有利于间歇制气转换时间，是目前小型炉最佳的加焦（煤）方式。故此河南新乡心连心化工厂近70台煤气发生炉均是半自动加焦（煤）。

（10）系统阻力 根据不同炉型、煤质，产成品及气量的要求，计算出切实可行的管道尺寸，应尽量减少管道弯头和避免远距离传送，减少水封装置，这样尽量减少系统阻力。

（11）控制系统 由单片机到PLC粗放型的控制系统已过时，应淘汰。随着DCS系统的应用，智能化、程控化、管理化得到广泛应用，发挥了很好的经济效益。

2.2 Ⅱ代炉

第二代煤气发生炉是在Ⅰ代的基础上发展演变而成的。结构是半夹套（外直内锥），水夹套截面积下大上小。其他部件及外静止设备的流程与Ⅰ代炉完全一样，锥型炉结构的主要特点是，煤气炉内下大上小，有利于介质流动；改造方便，节约工期和费用；有利于通风，便于提高炉温，增加产气量；蒸汽分解率高、气质好、煤耗低、返焦少。此炉型投放市场后，颇受小氮肥企业的青睐，纷纷改造或上马。改造上马初期运行稳定，有十分明显的效果。然而在运行一段时间后，出现了炉况不稳定，产气低、消耗高等问题，有时还需扒炉，新开起来的装置没有把真正的原因找出来，未能对症下药。笔者走访了不少用此炉型的用户，有类似的原因，有的把原因找准了，问题得到解决，恢复正常的使用。有的企业没有找准原因，问题仍得不到解决，炉况时好时孬。我认为是操作不稳定造成的，出现问题束手无策，无所适从。炉条机是调渣层厚薄的，不是调炉下温度高低的，炉下温度的高低主要通过上下蒸汽及时间来控制。用炉条机调节炉下温度，若加快转速，其结果是炉下温度在指标范围了，但没有渣层了，使炉下设备寿命短，影响炉况稳定。两排灰口由于没有灰渣层，极易塌炉、流生炭，从而使炉内“五层次”即灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层“紊乱”，“层位交错”或称为“断层”。原有条不紊的五个层次彻底打乱不复存在了，只好减负荷，重新养炉，逐步恢复。由于塌炉、流生炭极易导致灰渣在灰盘二次燃烧，烧坏上灰仓，跑冒滴漏严重，污染环境；两排灰口烧坏、内外防流板或变形，影响正常的使用，使炉况很难稳定，轻者（下偏灰重者）两边均流生炭，炉况难以恢复正常，只好扒炉，修整防流装置，方能使炉子稳定正常运行。一些片法看法把这种现象归结为这种炉型结构不合理、不成功，是不恰如其分的判断，误导了新技术的推广利用。

2.3 Ⅲ代炉

Ⅲ代炉是吸收了Ⅰ、Ⅱ代煤气炉的精华和经典研制而成的。其结构是全水夹套，炉顶采用椭圆封头（夹层），有直筒和外直内锥两种结构形式。其他部件及外流程图与Ⅰ、Ⅱ代炉基本相似，除具有Ⅰ、Ⅱ代炉优点外还有以下特点：（1）煤种适应强、操作弹性大；（2）有利于高炭层操作；（3）蓄热效果好、产气量大、气质好；（4）消耗低、返焦少；（5）有效降低炉上温度、减少热损失，把吹风及上吹的显热首次回收，可降低吹风气及煤气的流速、减少带出物；（6）完全避免挂炉现象的发生；（7）蒸汽分解率高，降低了洗气塔负荷及循环水用量，也降低了煤气温度。关于上述优点笔者曾在小氮肥发表《复合炉锥形炉的浅析与应用》一文。因此近年来这种炉型得到数家企业的认可应用，发挥了很好的作用。一些中型氮肥厂把20世纪30年代从美国引进的UGI也进行改造，移植小氮肥经典改造流程，使UGI炉面目全新，美式的UGI也变成了中国式的煤气炉，运行稳定，效益显著。

3 常压固定床间歇气化技术的展望

常压固定床间歇气化技术在中国已走过50个春秋，为化工、化肥中小型企业作出了突出的贡献。随着时代的发展，资源的逐步枯竭，能源的利用率已是全社会及全球关注的问题。进入21世纪我国提出了节能减排的战略目标。节能减排、能源综合利用，保持生态平衡，造福子孙后代已是全社会的责任，每个公民责无旁贷。然而，常压固定床间歇气化技术存在能耗高、污染重、煤利用率低的弊端，但又是化工化肥煤气化的主要工艺，食之无味，弃之可惜。淘汰这种气化技术只是时间的问题，只有将常压固定床间歇气化技术改为连续气化。

3.1 常压固定床间歇气化与富氧（纯氧）连续气化的对比分析

将常压间歇气化改为连续气化，在原炉型基础上增加空分装置，改动控制系统。连续气化是等径间歇气化煤气炉产气量的1.8～2.5倍，且热损失少，蒸汽分解率高，气体质量好，煤炭的利用高，返焦含量低，无吹风气排放，节能减排，安全环保。

3.1.1 连续气化无吹风阶段，富氧（纯氧）+蒸汽连续入炉，气化反应可以维持两大平衡（物料、热量），压力和温度稳定，介质流向一致，热损失少，气质好，蒸汽分解率高，产气量

1大，煤炭利用率高，氨醇成本低。间歇气化每个循环的6个步骤中，吹风占/3的时间，储存的

热量利用40%，60%的热量去吹风气回收或放空，即使回收也是用无烟煤换蒸汽，烟煤与无烟煤价格差得大，不经济，且污染环境，放空更是浪费，每循环过后周而复始，炉温变化大，产气量不稳定。

3.1.2 连续气化工艺流程简单，操作稳定，便于管理。程控阀门少，故障率低，维修费用少，气体成分易调节。间歇气化流程复杂，操作不稳定，不便于管理，程控阀门多，开关频繁，故障率高，维修强度大，费用高，气体成分不便于调节。

3.1.3 连续气化取消吹风阶段，无吹风气排放，环保好，间歇气化吹风气放空，热损失大，浪费能源，污染环境。

3.1.4 连续气化正常生产中，程控阀门不需开关步骤，噪音小，安静，稳定性好；间歇气化阀门开关频繁，气体流向交替变化，噪音大，不利于健康。

3.1.5 连续气化气体中CO2比间歇法高6％～8%，有联醇工艺可消化一部分，若有碳酸氢铵基本消化完，无这两种的工艺可采取其他方式回收利用，实现变废为宝，循环经济，节能减排。回收的CO2送入造气炉，实现三种气化剂连续气化，可大大提高有效气体含量，降低生产成本。

以上两种气化技术的对比分析表明，连续气化从工艺技术、原料消耗、安全环保、操作稳定、维修费用、产气量、蒸汽消耗等方面，均优于间歇气化技术，是煤气化技术小规模大发展之必然趋势。

4 连续气化种类

连续气化有纯氧连续气化（氧浓度99.5%）和富氧（氧浓度50％～60%）连续气化。纯氧连续气化又分为纯氧＋CO2气化和纯氧＋蒸汽气化两种。

（1）纯氧＋ CO2气气化技术

称为焦（煤）部分氧化还原法，简称CO炉。CO炉利用纯氧和CO2作为气化剂，通过常压固定床以焦（煤）为原料连续气化的方法制备高纯CO气，煤气中CO为68％～71%，通过后面的净化、压缩、精脱硫变压吸附提纯等工序，最终得到纯度大于96%的CO，可生产甲酸、甲胺羰基合成等产品。此技术是一种较新型的气化技术，在国内有数十家近60台Ф2400～Ф2600

3mm煤气炉使用，发气量3000～10000 m/h（炉径不等）。

CO炉的特点：（1）结构设计独特，高径比大于3∶1；铸钢炉箅具有强破渣和排灰功能，合理均匀分布气化剂，从而保证气化过程达最佳状态，使CO2得到充分还原，提高CO质量；实现连续自动加焦和不停炉下灰，为连续气化提供了安全技术保障。（2）干燥原料焦吊运或皮带输送至加煤料仓，实现自动控制入炉量，纯氧和脱碳系统或再生的CO2按一定的气气比混合自炉底加入，在炉内高温条件下进行部分氧化还原反应，生产粗CO煤气。（3）可连续制气，运行费用低，效益显著。CO2取代了蒸汽作气化剂，CO2发生氧化还原反应，起到了调节温度和热载体的作用，控制火层温度在t2点以下，防止结疤。（4）焦燃烧完全，返焦＜5%。

（5）无吹风阶段，没有热损失，清洁生产，安全环保，经济效益好，CO2可循环再生利用，变废为宝，节能减排，环保，保持生态平衡。

（2）富氧（50％～60%）或纯氧（99.5%）＋蒸汽连续气化

两种连续气化技术有连续气化的几大特点，所不同的是富氧气化原是半水煤气用于生产合成氨或联醇产品，是这两种产品的最佳气化工艺。而纯氧连续气化后的煤气是水煤气，用于生产单醇或焦化厂副产的焦炉气，可作补碳生产单醇，也可用于炼油厂柴油或汽油加氢装置，是这几种产品的首选气化技术。另根据CO炉焦部分氧化还原法，可将富氧（纯氧）＋水蒸气连续气化同有CO2来源的厂联手，即三种气化剂同时入炉，实现连续气化，生产的有效气体成分（CO＋H2）可提高3％～5%，实现循环利用，节能减排，具有广泛的使用价值，值得大力推广应用。

5 结 语

中国式常压固定床间歇煤气化技术经历了50年的发展，在中国生根开花结果，是国人的骄傲和自豪。将常压间歇气化逐步改为常压连续气化是一条新路子，最终走具有我国自主知识产权、煤气化、大型化、流化床和加压气流床的气化技术道路。

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