张庄天然焦固定床气化特性研究

　　试验用小型装置采用发生炉气化方式操作，目的在于在基本分析化验的基础上，初步综合考查天然焦的气化性能，同时摸索天然焦发生炉气化较理想的操作参数。气化炉内径Φ100 mm，炉体设置料位探测器，6～13 mm 块焦直接由封闭的螺旋输煤机由煤箱经计量后送入炉内，出灰靠炉底的竖螺旋控制数量，由横螺旋排送到灰斗，过热蒸汽及空气（氧气）由炉侧经环形管喷嘴喷送入炉，产生的煤气由炉顶煤气出口进入间冷器进行冷却，冷却后的煤气进入气液分离罐，出气液分离罐的煤气经计量、取样、分析后点火燃烧。试验结果如表2所示。

表2　Φ100 mm发生炉气化结果

气化强度
/m^3.m^-2.h^-1

1 006

图1　Φ100 mm发生炉气化工艺流程
1—过热器；2—气化炉；3—煤箱；4—灰斗；5—间冷器；6—
气液分离器；7—转子流量计；8—气相色谱；9—火炬；10—
温度控制器；11—排灰竖螺旋；12—料位探测器；13—星形给
料器；14—加煤螺旋；15—出灰横螺旋；16—温度显示器

　　Φ100 mm气化炉小型试验结果表明：① 天然焦气化运行过程稳定；② 1 200 ℃时已具备足够的气化活性；③ 产气量大，热值较高；④ 过程中因气化炉结构制约，自然料位较高，热煤气对块焦的预热作用明显，未发现热爆裂特性对过程有不利影响；⑤ 强度试验得出的发生炉气化较理想的操作条件为：汽、氧比1.62 kg/m³，气化强度1 006 m³/(m^2.h)。

3　Φ1.6 m两段水煤气炉试烧

　　张庄天然焦在Φ100 mm固定床发生炉气化试烧的基础上，进行了Φ1.6 m两段水煤气炉工业性试烧。试验用块状原料全部从烟煤输送胶带上手工分拣，入炉块度25～75 mm。两段炉采用满料位操作，目的在于利用干馏柱，使天然焦与上吹制气能够充分进行热交换，以消除天然焦进入气化高温段时受剧烈热冲击可能引发的热爆裂。Φ1.6 m两段炉水煤气气化工艺流程如图2所示。

图2　Φ1.6 m两段水煤气炉气化工艺流程
1—气化炉；2—燃烧蓄热室；3—废热锅炉；4—烟囱；5—电捕焦油器；6—间冷器；7—二级电捕焦油器；8—洗涤塔；9—激冷塔；10—汽包；11—焦油罐；12—油水分离器；13—酚水罐；14—酚水泵；15—过滤器；16—鼓风机；17—下吹煤气总管；18—上吹煤气
总管；19—高温烟气阀；20—鼓风空气阀；21—二次空气阀；
22—下吹蒸汽阀；23—上行煤气阀；24—上吹蒸汽阀；
25—下行煤气阀；26—酚水阀

　　气化过程为间歇式循环操作，一个完整的运转周期主要分成3个阶段：① 鼓风：空气经离心式鼓风机加压后，由两段炉底部入口进入气化炉，在气化段空气与天然焦进行强力燃烧，放出大量潜热，使床层温度提高，蓄积热量，燃烧过程产生的高温烟气及其部分可燃成分由火道排出炉外。② 上吹制气：饱和蒸汽由两段炉底部入口进入气化炉，在气化段与炽热的半焦发生反应，产生的水煤气及未分解的高温水蒸汽进入气化炉上部的干馏段，显热与干馏段内的天然焦进行热交换，上吹煤气及少量挥发分经气化炉顶部排出后，依次进入上吹洗涤竖管、冲击除尘器，洁净煤气进入总管。③ 下吹制气：水蒸汽经火道过热后，经由与鼓风气相反的方向进入气化炉，在气化段与炽热的半焦发生反应，生成的水煤气与未分解的水蒸汽一道由炉底排出后，依次进入下吹洗涤竖管、冲击除尘器，洁净煤气进入总管。除上述三个阶段外，鼓风前设置二次上吹，目的在于使用蒸汽吹扫炉底煤气，防止发生爆炸；上吹制气前设置蒸汽吹净，目的在于使用蒸汽将炉内不合格的低热值燃烧气吹出炉外。气化试烧结果如表3所示。

表3　天然焦Φ1.6 m两段水煤气炉气化结果

4　结论和应用前景

　　（1）张庄天然焦作为Φ100 mm的小型固定床发生炉及Φ1.6 m两段水煤气炉的气化原料与焦炭和晋城无烟煤一样具有气化运行过程稳定，产气量大，带出物少，冷却水处理简单等优点，同时其最大的特点是价格较为低廉。
　　（2）新鲜采制的天然焦未发现有明显的热爆裂特征。但是，露天存放过久的天然焦，受风吹、日晒、雨淋多种气候因素的综合影响下，易风化破碎且受热时爆裂特征明显，建议在开采的同时，做好天然焦的后期管理工作。
　　（3）合成氨厂的固定床气化炉均采用焦炭或无烟煤作气化原料，不仅价格昂贵，而且煤源严重受限制，对于安徽省全境以及苏、鲁毗邻地区的氮肥厂尤其如此。年产合成氨3.5万t的小氮肥厂采用天然焦替代无烟煤后，年平均降低原料成本约500万元。
　　（4）淮北矿务局濒临报废的老矿井形成天然焦开采规模后，至少可延长服务年限10 a，且经济效益较生产原煤时有所提高。

作者简介　王乃计　1966年生，工程师，1998年毕业于煤炭科学研究总院北京煤化学研究所，获工学博士学位，现从事煤炭气化及热煤气净化技术方面的研究工作，发表论文13篇。地址：北京市和平里，邮码：100013。

作者单位：煤炭科学研究总院北京煤化学研究所