固定床煤气化技术讨论一.docx
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固定床煤气化技术讨论一
固定床煤气化技术讨论
（一）
杜始南江西化工设计院昌昱造气技改设计所2011.5.1
我国的常压固定床煤气化技术水平可以说是代表了世界的。
但目前看来设备结构差别不少，工艺操作各有说法，消耗水平和发气能力差距极大，技术改造的方向又众说纷纭。
兹将固定床气化技术的几个工艺设备问题，结合工作经验教训进行简单地分析，以供大家讨论时参考。
1、高径比的问题。
造气炉引进高径比概念来指导造气炉的设备制造和工艺操作，实际上是很牵强的，有些人甚至鼓吹高径比应超过2。
更有甚者，俨然以专家权威自居，说是φ2.8造气炉2.2:
1的高径比是标准。
显然，这些人是忘记了固定床的床层是固定的这一前提了。
因为煤的气化反应只在高温区发生，煤的温度在900°以下时，煤气化反应在工业生产实践中已经没有实际效果。
根据固定床煤气化技术原理,固定床的气化火层最高温度区不会超出炉蓖风帽顶100-200高，你把炉子做得那么高，不是给气化火层往上移创造条件了么。
气化火层上移，煤气带出热增多，煤耗会急剧上升。
有人说气化炉高度提高，单炉贮煤容积增加，可以相应增加碳层高度和渣层厚度，有利降低造气炉的煤气温度、提高蒸汽分解率，对造气炉的负荷、消耗和气质均有利。
这些说法不是很准确的。
因为
（1）碳层高度和渣层厚度增加对降低煤气温度作用甚微，原因是煤和渣的导热系数都只有零点几，而气体的导热系数则只有零点零几靠气固两相对流传热，交换不了多少热量。
（2）蒸汽的分解只在高温的气化火层有效进行，热碳层和灰渣层再高再厚对它起作用甚微。
（3）由于碳层高度和渣层厚度增加造成气化剂进出气化火层的阻力增大，对造气炉的负荷只会不利不会有利。
（4）由于给气化火层上移创造了条件，使得煤耗只会增加。
（5）气质还有可能降低，比如，对间歇气化流程来说，提高造气炉的高度会引起吹风气中一氧化碳含量的升高。
制气时还会造成煤气中甲烷含量的增加。
当然，从炉体尺寸对比中，肯定可以得到高径比这个数值。
也就是说，炉体结构是有这么个高径比的数据的。
单看数据的话，人们其实可以很容易地发现炉膛直径越大，高径比数值越小。
知道固定床煤气化原理的人，头脑里马上就会理解，这正是固定床气化火层的床层特点，不是因为你把炉膛直径加大，气化火层厚度就会变高的。
遗憾的是，我国那么多的煤气化专家不这么认为。
据说是他们的共识，专家们一致认为造气炉三个高径比（炉体高径比、夹套高径比、容炭高径比）都得按标准，一个也不能差，据说这牵涉到高蓄热量和高气化强度。
其中炉体高径比还是采购造气炉的标准。
炉子愈高，气化火层会愈厚，但只是900℃以下温度的碳层厚，高温气化火层的厚度是不以炉膛高度的加高而变厚的。
高炉体能多装炭是最直接的结果。
各位不妨去问问实实在在操作着的工人，炉体改高了，碳层加高没有？
是什么原因不能把碳层加起来？
2、固定床炉系统的中氮流程和小氮流程哪种好？
从大的范围讲，煤气化流程其实只有一种，那就是煤在气化炉里利用燃烧自身发热形成高温炭分解水蒸气、还原二氧化碳，即通常说的煤气化产生高温含尘的粗煤气，高温含尘粗煤气经除尘、换热、洗涤即降温净化获得常温干净的冷煤气。
现在意义上的中氮流程指有燃烧室、三通阀、洗气箱、高烟囱和倾斜废热锅炉的，原化工部4.5万吨/a合成氨造气车间定型设计。
而小氮流程指的是装置配置在小型基础上造气炉炉膛却已改大，配套管道阀门相应变得比较紧凑，吹风烟气二次燃烧搬到了吹风烟气余热回收工号的，气化后除尘、降温配置简单化了的并且已全盘学来了中氮自动化程度高的那部分技术的优化流程。
不消说，现在的小氮流程要强于中氮流程。
因为，实质上它是中氮流程的优化。
细分制气、除尘、换热、洗涤四个主要阶段的设备配置，固定床炉系统的流程在我国的确多种多样，已经不是简单地说中氮流程、小氮流程所能说清楚的。
究竟哪种流程好？
答案是明显的，那就是煤耗、蒸汽耗、电耗低的流程好。
但这个答案是提问者不满意的，因为没有说清楚。
要真正说清楚牵涉的面很广。
咱们不妨从先弄清一些具体问题入手。
3、小氮煤耗为什么比中氮低？
煤耗低的原因是制气时间利用率高和气化火层热损失减少。
气化反应始终是只在气化火层里进行的。
由于送进气化剂和移出煤气的时间缩短，自然就提高了气化火层制气时间利用率，使单位时间煤气产量增加，同样产品数量的煤耗也就下降了。
况且小氮有炉顶阀，小氮的炉上空间（气化火层到炉顶阀之间的总空间）小，小氮的炉下空间都小（中央风筒小，裤叉管短小，一次风阀、下行阀挨炉体近）。
要理解这一点，必须明白气化剂是怎么进炉的，煤气又是怎么出炉的。
气体进出气化火层，首先是充满空间，然后是充够空间压力到该压力足以克服碳层或灰渣层的阻力才能来到气化火层或走出气化火层。
这段过程是需要时间的。
比起气化火层反应速度快得无法计量来，这气流进出气化火层所化的时间则是慢到完全可以计量了。
也就是说可控制了。
气流进出时间控制得短了制气时间利用率就高了。
气化火层热损失的多少主要在于煤气和灰渣离开气化火层，或者说走出炉口、走出灰斗带出热量是多还是少？
一般来说各家炉体散热、夹套锅炉吸热、灰渣排出显然的量都差不了多少。
所以气化火层热损失的多少主要看煤气和吹风烟气显热、吹风烟气潜热、灰渣残炭。
此三项中最重要的是煤气显热。
也就是说看上下行煤气温度。
因为它的含热量最多。
小氮厂炉上下温度≦300°，中氮厂却高得多。
所以中氮煤耗高得多。
4、许多中氮厂为什么纷纷拆除大炉改上小炉
大炉改小炉实在是很不科学的举措。
这样一来，浪费了土地资源又浪费了厂房，严重影响了后工序的负荷。
造气炉生产煤气是在造气炉内的气化火层里的高温炭上。
炉膛小了高温炭少了生产的煤气量少了。
这一点很好理解。
但，进一步思考，你的后系统仍然要求你供应那么多煤气，你就得让改小了的炉子多生产一些煤气。
你还是烧你原来的原料煤，要多生产煤气就不得不加大生产负荷，让气化剂送进多一些。
气化剂进炉量多，它在炉内的流速快，气化剂跟高温炭接触时间就短，气化剂被分解或还原成的一氧化碳和氢气的量就少。
未分解、未还原的气化剂多，它们离开气化火层时带出热量更多。
结果，造气炉有效气产量少、煤耗、蒸汽耗、电耗都上升。
造气车间倒了霉。
整个工厂倒了霉。
这些人可能是看见小氮厂煤耗低想学习小氮。
以为炉子小煤耗就低。
不懂得固定床煤气化的基本原理。
一些厂改了一台试了试，并没有效果，就收手不改了，还算好。
例如贵州化肥厂。
一些厂一下子全部由中型炉改成小炉。
跨了，工厂倒闭了。
例如，原平化肥厂。
问题的严重性还在于，迄今为止许多人对固定床煤气化的技术原理仍然没有认识明白，仍然有许多人在指挥着上小炉子，还一味地在改高炉膛。
5、煤球好还是煤棒好
许多厂的运行实践证明，煤棒气化优于煤球气化。
全部煤球进炉，一个是一个，粒度非常均匀。
透气性能太好的结果是炉上温度居高不下，煤气出炉热损失大，灰渣排出未烧透的煤球多。
要将炉上温度控制下来，灰渣残炭降下来得有较高的责任心和操作技巧。
总之是操作困难。
全部煤棒进炉则不然，200-300长的棒送到炉口时全部已经是40-80的短截。
随机堆积的结果是孔隙阻力大，炉出口煤气温度易于控制，灰渣排出未烧透的小短截煤棒不多。
显然煤棒炉比煤球炉好操作得多。
这恐怕是应着了水至清则无鱼那句话了。
顺便说一句，书上说的以及一直沿用至今的固定床造气炉适合烧25-75的块度的说法，即使这里的原料是只指焦炭，我认为其实也是不合适的。
生产实践已经表明，恐怕改成25-40，甚至15-30会更合适一些。
因此，烧煤球、烧煤棒、烧块煤、烧焦炭各有各的优点和缺点，总体看来，块度不能大。
而煤球则掺烧小粒煤才好烧。
煤球的直径，如果将压球机的球模改成20-35，各家的煤耗将会有明显的下降。
6、渣是工艺造的，渣层的稳定高于一切。
气化炉的稳定运行是实现优质低耗的根本。
但影响固定床气化炉稳定运行的关键是什么呢？
毫无疑问，是炉内结大块。
入炉煤块度均匀、大小颗粒度配比合理、含粉少，气化剂入炉流量平稳，炉篦布风均匀、炉条机排灰能力适当，恰当的百分比，合理的负荷和上下吹比例，合适的蒸汽用量都是保证气化炉稳定运行的基本条件。
操作运行当中，固定床碳层高度和气化渣层厚度的稳定是气化炉稳定运行的首要问题。
特别是渣层稳定，影响着全局。
渣层好坏就是指有没有大块。
最好的灰渣层指灰渣的粒度和入炉煤块一样大小一样均匀，都是熔渣却极少残炭的那种。
这样，气化火层和炉篦层面有相当的安全距离，同时入炉的气化剂能得到均匀的分布和预热，但问题是我们无法直接观察渣层和去测量其厚度，这就是渣层控制的实际困难。
虽然炉条温度计安装在炉蓖第一层缝隙处，应当说和渣层温度存在着一定的相关性。
但由于时下炉条温度计是高温热电偶，主要测量得到的是气流流动带出热，等测量到气化火层辐射热时，它跟炉蓖一样已经被烧坏了。
所以我们测得的炉条温度数值，往往跟下行温度差不了多少就是这个缘故。
许多小氮厂并不安装炉条温度计也就是这个缘故。
渣层的厚度，渣层的灰渣块的大小和均匀度，关系着造气炉的负荷量，关系着灰渣残炭量。
其操作控制主要靠操作工的责任心和炉况判断能力及炉情处置能力。
不仅仅是通过调整炉条机的转速，改变排灰量和渣层的厚度。
重要的是对全局的分析判断。
有人提出了炉蓖造渣的“工艺造渣理论”反对工艺造渣的理念。
他们认为渣块的大小是炉条机的运动决定的，换句话说，是炉蓖造渣。
并且自诩为提出了“工艺造渣理论”，而且是一种微型改造发明。
在一篇报道改进氨厂造气传统的工艺与操作的文章中是这么说的：
正像锅炉链条炉排一样，煤燃尽又达到成渣温度，由于炉排的转动，作用于熔融发粘的薄渣层，使松动裂成碎块。
同理造气炉工艺造渣就是由于炉条机转动才能波及到成渣区，使熔融状态的渣，在炉条机的波动下，熔融发粘的薄渣层松动、分裂成为小碎块。
每个循环的吹风空气和上吹蒸汽又容易直接窜入熔融的成渣区，故形成了蜂窝状的小碎块。
固定床煤气化原理告诉我们，气化火层高温炭的温度必须达到该炭的最高点，煤的气化效率最高。
而该炭最高温度是其灰熔点。
到了灰熔点时炭里的灰就熔融。
气化剂到达气化火层跟高温炭反应消耗了高温炭和熔融灰的热量，熔融灰被降温到灰熔点以下。
灰熔点以下的灰就结成块。
你看碳只有跟空气里的氧反应才能获取高温。
高温炭和熔融灰只有跟气化剂接触才能产生煤气同时产生灰渣。
同样，氧多则高温炭多、熔融灰也多气化剂消耗多、煤气产量多、灰渣块产生大而且多。
空气的进送，气化剂的进送不都是工艺嘛。
这造渣的功劳不归工艺，还能归属给别的吗。
千万要明白，炉内的渣块大小、多少都是被操作工艺控制着的。
并不是靠炉蓖控制的。
炉蓖只能实施正常的布风排灰。
炉内正常生产是必须有渣块的，没有渣块是生产不正常的表现。
当然太大的大块是工艺操作指标与入炉原料品质不匹配造成，是气化剂进出量不稳定造成的，是工艺操作参数在操作中被控制失误造成的。
渣层的稳定，靠操作指标合理靠操作工的操作控制责任心和技术水平。
渣层的稳定之所以这么重要是因为渣层所处的位置十分重要。
在这个位置上，由它控制着气化剂、煤气在炉下部进出气化火层的路径。
它让你进你才能进，它不让你进，你就进不去，它的颗粒均匀，你能均匀进出，它的颗粒不均匀，你进出气化火层就均匀不了，吹翻漏碳全由它决定。
渣层的稳定高于一切。
还用再解析吗。
7、气化炉负荷的控制。
气化炉的负荷能力对应着一定品种品质的原料是肯定的。
随着气化炉负荷的提高，首先是吹风烟气带出热增加，煤气炉出口煤气带出热上升，蒸汽用量会以比负荷提高更大的比例增加，煤气和未反应的蒸汽带走的热量相应以非想象比例增加。
同样截面炉膛气流速度加快，气化剂在气化火层停留时间缩短，蒸汽分解率下降、二氧化碳还原率下降，煤气有效成分降低，综合煤耗将急剧上升。
原因是，让气化炉负荷提高，我们的本意是让吹风进去的氧提高。
而氧提高的同时不得不跟着进去4倍氧体积的氮。
这些氮进炉带出气化火层的热量、大大提高气化火层中气相体积使气流速度增加减少气固接触时间。
多大炉截面的煤气炉，烧什么样的原料煤，只能生产它能够生产出的煤气。
你让它多产是要付出高煤耗的代价的。
因此气化炉的出口煤气温度（包括吹风烟气温度）对蒸汽分解率的影响是十分明显的。
气化炉出口的煤气温度（包括吹风气温度）和蒸汽分解率对气化炉的消耗水平和发气量关系极大。
同样的设备、同样的煤种、同样的负荷，炉出口煤气温度越低，蒸汽分解率越高，煤气和未反应的蒸汽带走的显热越少，则煤耗越低、煤气中有效成分愈高，反之亦然。
当然，建造煤气炉是为了生产煤气的，你也不可能为了低煤耗就降低生产负荷是不是。
8、加压夹套锅炉问题
造气炉的夹套锅炉是保护造气炉炉壁不被烧坏用的。
因为造气炉气化火层位置在造气炉炉蓖附近，其炭温度高达1300°。
没有水夹套钢铁会被烧坏，如果该处也采用耐火材料做衬里，则灰渣肯定要挂壁。
夹套的用途是保护气化火层处的炉壁钢板不被烧坏，同时保持气化火层热量不过多损失。
当然，如采用特殊材料比如河南新乡的中科化工，用黏贴新密瓷砖取代水夹套不是不可以，甚至像国外的气流床那样在夹套炉膛侧内部水冷壁管外再搞SiC涂层也行，但成本高，而且经常结渣、挂渣难处理。
为了这点小事折腾，何必呢。
所以我觉得做水夹套已是最佳选择。
个别厂，比如河南安阳的几台一氧化碳煤气炉以及大多数燃气气化炉采用全夹套造气炉结构。
我认为也是没有必要的。
因为气化火层就那么一点高度。
煤气化炉夹套的高度值一般是等于炉膛直径值，这是指小型炉。
正确设计不是这么随便说的。
为了适应宝塔炉蓖创建的气化火层的位置。
夹套高度是这样设计计算来确定的。
首先，宝塔炉蓖确定计算总倾角，一般是45度。
然后，气化火层上限位确定计算值，一般视所烧原料煤的粒度特性分析计算而得，最大不超过1.5米。
因此，宝塔炉蓖炉的夹套高度总是二分之一炉膛内径另加约1.0-1.5米。
每台煤气化炉应该有独立的一个汽包，夹套锅炉的汽包应该独立放置到比夹套锅炉高的位置，汽包升降管不得安装任何阀门。
这些是国家锅炉安全监察规程为了锅炉运行安全规定的。
固定床煤气化炉夹套锅炉应该按蒸汽用途的工艺需要确定控制压力。
许多厂一味地追求加压夹套。
以为蒸汽压力高蒸汽品质就好、可以克服造气炉冷壁效应多产煤气、可以减少气化火层跟夹套锅炉水的温差降低气化火层热损失。
这些说法并不科学。
因为
（1）蒸汽品位是依附于蒸汽的用途的。
（2）冷壁效应的概念在固定床造气炉并不适用，因为气化火层位置的传热主要起作用的是辐射传热而不是对流传热，更不是靠接触传递导热。
在1300℃情况下，连对流给热都是被忽略了的。
君不见气流床水冷壁管的管壁还要挂熔渣呢。
（3）生产蒸汽为目的的夹套锅炉拿走热量的多少，不是以气化火层给出热量多少为依据的，而是以蒸汽想拿走多少热量来衡量的，要让气化火层减少一些热损失，那得少向它要些热量。
（4）事实上，夹套锅炉压力提高后锅炉水的温度提高，对周围环境散热增加，浪费的热量更多。
当然必须让造气炉夹套锅炉生产高压蒸汽才能将蒸汽送到使用的地方时，造气炉夹套锅炉还是应当采用加压夹套的，否则，夹套蒸汽怎么送过去呢。
目前的问题是，有的厂思想观念有些问题。
他们不仅想采用加压夹套来提高夹套内的水温，从而减少气化火层热损失；还想用提高夹套制造的压力等级来避免夹套锅炉的爆炸损坏。
造气炉的夹套是受火的，并不是普通压力容器。
制造实践中是相当严格的。
但即使这样，夹套爆炸的事件仍时有发生。
安徽华尔泰、湖北金源和楚星、福建三明等等多家在用造气炉的加压夹套锅炉，几乎没有一家是控制在设计规定压力以上才爆炸的。
在不到设计规定的操作压力情况下就爆炸了，爆炸的原因要认真分析。
缺水时，内筒受火钢板烧变形拉裂焊缝内筒爆炸。
现在一些厂甚至夹套外筒也爆炸，是不是都是操作失误—缺水造成的呢？
从预防缺水这一点出发，每个夹套配一台汽包，每个汽包配两套液位计是必要的。
要知道，一旦它要爆炸起来，夹套锅炉设计成再高压力等级也是不抵事的。
另外造气炉的夹套内筒在采用大的总倾斜角度的塔型炉蓖时，是很快要被磨损应定期更换的，尤其是内筒的底下1m，采用造气炉设备时一定不能忘记考虑。
9、炉顶阀问题
从前是没有炉顶阀的。
原因1、是造气炉的单炉消耗问题没有被很重视，2、造气炉的煤耗跟炉上温度的关系没有被充分认识，所以造气炉工艺指标的炉上温度比较高，3、造气车间的固定床煤气炉操作水平还没有达到能将炉上温度降低到≦300℃的程度。
煤价在不断上涨，化肥价已经很难提高、甲醇价则受石油价格的制约捉摸不定。
固定床煤制气的许多厂，要是没能挂靠有煤矿的公司，真不知道能活到哪一天。
固定床煤气化现在正面对大规模流化床、气流床煤气化的竞争性压力。
要生存下去，只有一条路，那就是降低单炉消耗。
现在是不用提醒，谁家也已经非常重视了。
造气车间的领导权已逐渐落到对固定床煤气化原理更了解的人的手里，他们清楚煤气和吹风烟气从气化火层里出来时不仅有效气带出显热，那些氮气、二氧化碳气、未被分解或未被还原的气化剂等等都要将气化火层热量以显热方式带出，固定床造气炉炉上温度高和炉下温度高都是煤耗高的主要原因。
三高一低、三低一高、……等一窝蜂式的群众运动已经被明白人摒弃。
造气炉炉上温度和炉下温度指标已经被定到300℃以下。
上行阀的阀门结构和制造质量已经有了很大进步。
现在上行阀安装在炉顶，已经是安全的，不会被很快损坏的。
造气车间现在操作工的操作水平，比从前的操作工操作水平有了相当大的提高。
炉上温度的控制已经能够通过调节一次风量、调节入炉蒸汽流量，达到满足工艺指标的规定要求。
炉顶阀的安装大大缩小气化火层的工作气从气化火层外到气化火层内的距离，提高了气化火层制气时间利用率，也节约了一定量的蒸汽。
好处是不少的。
（10）三个高径比
许多人强调的三个高径比，即炉体结构高径比、夹套锅炉本体高径比、炉内正常生产的容炭高径比，只是造气炉结构设计的参数，为了方便比较得出的计算结果。
并没有什么重要的指导意义。
炉体总高，一般说的是炉体大法兰平面到炉顶大盖平面之间的高度值。
炉体总高有灰仓高度、夹套锅炉高度、炉上体高度三部分组成。
夹套锅炉高度，指的是夹套内筒下沿到夹套顶跟炉上体焊接处的高度。
此问题我已经在上述（8）加压夹套锅炉问题里面说清楚了。
容炭高度，实指炉体大法兰平面到正常生产操作控制的炉面碳层位置之间的高度。
炉上体的高度，由炉内红炭层高度加空程高度组成，红碳层温度一般是800-200℃梯级温度，其高度不超过800mm。
空程高度主要为稳定气化剂和煤气进出气化火层时的速度和均衡其压力而设计，同时为煤气成分平衡反应预留时间和空间，兼作出气降尘室。
通常要有1000mm
到1500mm高。
空程上头的炉顶盖底下隔热层必须有500mm厚。
这样，炉上体的总共高度应该在2300-2800mm。
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