摘要：从煤气发生炉的结构及造气过程着手，对两段式干馏煤气发生炉与一段式和两段式煤气发生炉进行了较为系统的对比分析。就煤气质量和产量、焦油回收、资源的节约利用、设备的操作维护等方面，两段式干馏煤气发生炉都优于一段式煤气发生炉和两段式煤气发生炉，两段式干馏煤气发生炉特别适合于气化含水分、挥发分和灰分较高的烟煤。
关键词：一段式煤气发生炉；两段式煤气发生炉；两段式干馏煤气发生炉；煤气；焦油；资源节约利用；设备操作维护
Keywords:Single-stage coal gasifier; Double-stage coal gasifier; Pyrolysis coal gasifier; Coal gas; Tar; Resource conservation; Equipment operation maintenance
1. 引言
近年来受国际石油价格波动及国内石油、天然气供应能力和供应构架的影响，国内石油、液化石油气及天然气的价格在不断攀升，而中国煤炭资源相对丰富，其供应价格相对较低，受国际能源价格的影响较小，其供应构架也比较符合市场经济规律，但同时煤炭作为直接燃料的应用又受到国家严格的环保政策的制约，在这种形式下，煤气发生炉作为煤炭资源洁净利用的一种形式，既符合中国能源安全战略和环保政策，又符合相关燃耗企业的利益要求，得到了诸如玻璃、陶瓷、冶金、机械、化工等燃耗较大行业的广泛应用。通过对一段式煤气发生炉、两段式煤气发生炉和两段两段式干馏煤气发生炉三种炉型进行系统的对比分析，从而揭示相应炉型的优缺点，为企业提供煤气发生炉炉型选择的相关理论依据，在某种程度上可以有效避免或减少企业的失误性投资。
2. 煤气发生炉的结构及造气过程分析
2.1 一段式煤气发生炉（单段式煤气发生炉）
表1 一段式煤气发生炉示意图
一段式煤气发生炉结构如图1示意，该炉型特点是炉体较低，炉内干馏层和干燥层较薄，约为300mm左右，加煤操作时炉顶处须保持1.5-2m的空层。一段式煤气发生炉的煤气生产过程：通过加煤机将煤加入煤气发生炉炉膛内，煤入炉后首先进行较短时间的干燥和干馏热解，然后进入气化反应层。作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，高温条件下与气化反应层煤发生氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气M，M’为干馏热解产生的干馏煤气。
2.2 两段式煤气发生炉
表2 两段式煤气发生炉示意图
两段式煤气发生炉结构如图2示意，该炉型特点是在一段式煤气发生炉基础增加了6m左右的干馏干燥段，炉内保持满料层操作。两段式煤气发生炉的煤气生产过程：作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，在高温条件下，与进入气化段的呈半焦状态的煤发生氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气M。煤气分两部分向上运行，其中一部分M2通过下段煤气夹层通道上移，最后从下段煤气出口导出，该部分煤气被称为下段煤气；而另一部分煤气M1则在煤气发生炉料层内上行进入干馏段，通过与缓慢下移的气化用煤直接接触，将其热量直接传给气化用煤，对煤进行干馏和干燥，同时产生一部分以烷烃类高热值气体为主的干馏煤气M3。这部分上行煤气及干馏过程中产生的干馏煤气一起由上段煤气出口导出，形成上段煤气。
2.3 两段两段式干馏煤气发生炉【1,2】
表3 两段式干馏煤气发生炉示意图
两段两段式干馏煤气发生炉结构如图3示意，该炉型与两段式煤气发生炉的不同之处在于该炉去掉了下段煤气出口，炉内产生的所有煤气全部从炉顶煤气出口导出炉外。两段两段式干馏煤气发生炉的煤气生产过程：作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，在高温条件下，与进入气化段的呈半焦性质的煤发生氧化还原反应，形成以CO和H2为主要成分的煤气。煤气向上运行进入干馏段，通过与缓慢下移的气化用煤直接接触，将其热量直接传给气化用煤，对煤进行干馏和干燥，同时产生一部分以烷烃类高热值气体为主的干馏煤气，这部分上行煤气及干馏过程中产生的干馏煤气一起由煤气出口导出。
3. 两段两段式干馏煤气发生炉的优势分析
3.1 煤气及焦油
由以上三种炉型的结构可以看出，其灰层区、氧化层区和还原层区处的炉体结构基本相同，不同之处在于其干馏层区的结构，而干馏层区结构的不同直接影响到煤炭在此进行干馏热解的传热介质的变化，从而影响到干馏热解过程中干馏煤气及副产焦油的析出情况。降文萍【3】介绍煤的热解过程大致可分为三个阶段：第一阶段，室温—300℃为干燥脱气阶段，脱水主要发生在120℃以前，CH4、CO2和N2等气体的脱除大致在200℃时完成；第二阶段，300—600℃，以解聚和分解反应为主，析出大量煤气和焦油，450℃左右焦油析出量最大；第三阶段，600—1000℃，以缩聚反应为主，半焦变成焦炭，该阶段析出焦油量极少，产生的气体主要是H2和少量CH4。崔银萍等【4】指出温度是影响干馏热解产物的最主要因素，煤在干馏热解过程中产生干馏煤气，其中H2在400-600℃开始缓慢生成，600-900℃时H2生成量最大，CO的最大生成速度在700-800℃，CH4的释放峰温在550-700范围内，C2、C3的烃类气体释放峰温为500-600℃；400-700℃干馏热解过程中焦油的产率最大，400-600℃时产生的焦油主要由脂肪烃、芳香烃以及含氧化合物组成，其密度和黏度较低；高温状态下产生的焦油基本完全是芳烃，密度和黏度较高，而且由于二次反应的存在，焦油产率明显下降。
一段式煤气发生炉的干馏热解介质为还原层产生的全部煤气，其温度约为550-650℃，煤气“炉出温度”约为500-550℃，由于一段式煤气发生炉的干馏层较薄，煤炭在干馏层内进行的低温干馏热解时间较短，煤中的挥发分只有一小部分在干馏层中通过低温干馏热解析出，大部分未脱除的挥发分随煤进入还原层上部，在700-800℃下进行中温热解脱除。由于炉内主要进行的是中温干馏热解，干馏煤气主要以H2和CO为主，CH4和C2、C3类物质相对较少；另外热解出的焦油中低温干馏焦油比例较少，大部分为中温干馏焦油，焦油的密度和黏度较高，同时焦油产率也明显较少。入炉煤挥发分为25-28%时，一段式煤气发生炉炉出煤气热值≥5643KJ/Nm3，焦油产率约为3%左右。
两段式煤气发生炉的干馏段较高，干馏段高度一般约为6m左右，两段式煤气发生炉上段煤气“炉出温度”只有80-120℃，由此可以判断，尽管其干馏段高度较高，但其有效干馏层高度预计只有3m左右。由于干馏段内的干馏热解热源只由气化段产生的煤气的一部分M1提供（热介质温度约为550-650℃），所以尽管煤在两段式煤气发生炉干馏段内进行的低温热解时间相对较长，但由于干馏热量提供不足，致使低温热解程度不够，进入还原层的半焦挥发分含量偏高，还原层上部中温热解脱除的挥发分比例较高。与一段式煤气发生炉相比，两段式煤气发生炉干馏煤气主要以H2、CH4和C2、C3类物质为主，煤气热值相对较高；另外热解出的焦油中低温干馏焦油比例也明显增高，焦油的密度和黏度较低，同时焦油产率也明显增高。入炉煤挥发分为25-28%时，两段式煤气发生炉炉出煤气热值≥6061KJ/Nm3，焦油产率约为5%左右。
两段两段式干馏煤气发生炉干馏段高度与两段式煤气发生炉相同，两段两段式干馏煤气发生炉煤气“炉出温度”一般在400-450℃左右，由此可以判断，其有效干馏层高度应该在5m左右，约为一段式煤气发生炉的16倍左右，干馏段内低温干馏热解时间是一段式煤气发生炉的16倍左右，干馏热解的热介质总量与一段式煤气发生炉相同，是还原层产生的全部煤气（热介质温度约为550-650℃），单位时间内提供的热解热量基本是两段式煤气发生炉的2倍以上。即两段两段式干馏煤气发生炉内干馏段内单位时间内低温热解热量与一段式煤气发生炉相同，低温干馏热解时间与两段式煤气发生炉相同，低温干馏热解程度高于其他两种炉型。与另外两种炉型相比，两段两段式干馏煤气发生炉干馏煤气中H2、CH4和C2、C3类物质的析出量较大，煤气热值相对较高；另外热解出的焦油主要是低温干馏焦油，焦油密度和黏度较低，同时焦油产率也明显增高。入炉煤挥发分为25-28%时，两段两段式干馏煤气发生炉炉出煤气热值≥6479KJ/Nm3，焦油产率约为7%左右。
3.3 煤炭资源节约
一段式煤气发生炉由于1.5-2m的空层的存在，加煤时出现大量的煤粉暴扬，随煤气导出炉外，另外插钎操作和煤料热爆产生大量煤粉也会被煤气携出，从而造成大量的煤炭资源浪费。两段式发生炉没有空层，保持满料层操作，克服了加煤时煤粉暴扬造成的煤炭资源浪费，但在插钎操作、煤料热爆时产生的大量煤粉自下段煤气导出口引出，也同样造成一部分煤炭资源的浪费，但和一段式煤气发生炉比较煤粉携出量要少许多。与两段式煤气发生炉相比，两段两段式干馏煤气发生炉同样没有空层，保持满料层操作，克服了加煤时煤粉暴扬造成的煤炭资源浪费；另外由于两段两段式干馏煤气发生炉没有下段煤气导出口，插钎操作和煤料热爆产生大量煤粉随煤气进入干馏段，经过厚厚的料层过滤后全部沉积下来，随煤料下移进入还原层，重新进行还原造气反应，入炉煤在炉内得到充分的利用，有效节约了煤炭资源。
3.4 气化煤种的适应性
煤气发生炉内的干燥层和干馏层高度，随入炉煤的水分含量发生变化，由于干燥脱水温度较低，所以煤在干燥和干馏过程中，优先进行干燥脱水，然后进行干馏热解，如果气化用煤的水分含量较高，干燥过程耗热增加，干燥层高度相应增加，干馏层高度随之降低，为保证低温干馏热解充分，单位时间内供应的干馏热解热量必须提高；如果气化用煤的挥发分含量较高，则干馏热解所需要的热量较多，必须有大量的高温煤气通过干馏段，而且干馏热解时间必须足够长，为煤炭干馏提供足够的热解热量，才能保证低温干馏热解进行彻底；灰分含量较高的煤，一般固定碳含量较少，对于同样规格的煤气发生炉而言，气化灰分含量较高的煤，其还原层内单位时间产生的煤气量较少，即单位时间内向干馏层供应的热解热量较少，这时就需要保持较高的干馏层以增加干馏热解时间，从而达到充分低温干馏热解的目的。
利用一段式煤气发生炉气化高水分、高挥发分、高灰分的煤时，由于干馏层较薄、干馏时间较短，无法保证煤炭充分的低温干馏热解，煤中大部分挥发分在气化层的上部高温状态下脱除，从而造成干馏煤气中CO含量增加、CH4、C2、C3含量降低，煤气热值下降，同时焦油产率低，焦油密度和黏度较高。
利用两段式煤气发生炉气化高水分、高挥发分、高灰分的煤时，还原层产生的煤气量本身就较少，而且还有一部分煤气M2不参与干馏热解，直接从下段导出口引出形成下段煤气，而作为干馏热介质的上行煤气量M1提供的干馏热解热量严重不足，从而造成干馏段内的煤炭低温干馏热解不彻底，煤中大部分挥发分在气化层的上部高温状态下脱除，致使下段煤气中出现大量密度和黏度较高的中高温干馏焦油，同时煤气热值下降，焦油产率也降低。
利用两段式干馏煤气发生炉气化高水分、高挥发分、高灰分的煤时，还原层产生的高温煤气全部上行进入干馏段，干馏热解热量供应充足，而且两段式干馏煤气发生炉干馏段较高，低温干馏热解时间充裕，煤炭在干馏段内进行的低温干馏热解充分，干馏煤气中H2、CH4、C2、C3含量较高，炉出煤气热值较高，同时焦油产率较高，焦油密度和黏度较低，干馏式发生炉适于气化水分、挥发分和灰分较高的煤。
3.5 操作与维护
一段式煤气发生炉加煤时需要控制适当高度的空层和相对水平的料层，对加煤和炉内布煤要求较为严格，必须按时探测空层高度，而且一旦出现顶部布料不均，必须及时进行拨煤操作；两段式煤气发生炉加煤为满料层自动操作，不需要保持空层，而且对顶部料层的水平程度要求也比较宽松，但需要根据气化用煤的水分、挥发份含量以及煤气产量的不同，对上、下段煤气流量比例进行适当的调节，否则会造成煤炭干馏段内低温干馏热解不充分，既影响煤气质量，又会造成下段煤气焦油含量增加【5】。两段式干馏煤气发生炉在加煤方面与两段式煤气发生炉相同，保留了两段式煤气发生炉在料层控制方面简单、容易操作的优势，同时与两段式煤气发生炉相比，由于取消了下段煤气出口，还原层所生产的煤气全部上行对煤进行低温干馏热解后导出炉外，所以不需要对煤气进行流量比例的调节，大大降低了煤气发生炉的操作和维护的复杂程度。
4. 结论
综上对三种煤气发生炉炉型的结构及造气过程进行对比和分析，与一段式煤气发生炉和两段式煤气发生炉相比，两段式干馏煤气发生炉在煤气热值、副产焦油的质量、炭资源的节约利用和设备操作与维护等方面存在诸多优势，而且两段式干馏煤气发生炉特别适合于气化水分高、挥发高和灰分高的烟煤或褐煤。
参考文献：
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[2] 苑卫军，常压固定床带干馏段煤气发生炉研究（硕士学位论文）［D］，北京：清华大学，2004
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[4] 崔银萍；秦玲丽；杜鹃，煤热解产物的组成及影响因素分析［J］，煤化工，2007，29（2）：10-15
[5] 苑卫军；李建胜；秦利生，两段式煤气发生炉上下段煤气比例调节影响因素分析［J］，玻璃，2010，37（1）：14-18
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