摘 要:通過合理的簡化和假設(shè)，經(jīng)計算指出:在常壓固定床煤氣發(fā)生爐氣化反應(yīng)過程中，碳與氧的氧化反應(yīng)、水煤氣反應(yīng)和CO還原反應(yīng)各消耗總用煤量的33.2%、47.5%和16.0%，隨灰渣排出爐外的煤占總用煤量的3.3%。飽和溫度控制的不同，則各反應(yīng)的反應(yīng)強度不同，煤氣中H2、CO及CO2組分比例不同，各反應(yīng)層煤炭消耗的比例也略有不同;氧化反應(yīng)放熱量的56.92%用于水煤氣反應(yīng)和CO還原反應(yīng)，其余43.08%為反應(yīng)余熱，氣化用煤氣化反應(yīng)活性越強，消耗的反應(yīng)余熱越少。

關(guān)鍵詞:煤氣發(fā)生爐;氧化反應(yīng);還原反應(yīng);煤炭;熱量;消耗比例

1 引言

我國是世界上煤炭資源較為豐富的國家之一，煤炭在我國能源構(gòu)中占有舉足輕重的地位，大力發(fā)展?jié)崈裘簯?yīng)用技術(shù)符合我國能源安全戰(zhàn)略，而且隨著國際能源形勢的日趨緊張，石油及天然氣等能源價格不斷飆升，以煤炭為原料制取的人工煤氣，開始成為許多企業(yè)的首選燃料，其中發(fā)生爐煤氣的應(yīng)用最為廣泛。煤氣發(fā)生爐的造氣過程，是煤炭與空氣中的氧氣和水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程，最終生成以CO和H2為主要可燃成分的發(fā)生爐煤氣，為燃氣用戶提供燃料。通過一系列合理的簡化和假設(shè)，估算出煤炭及反應(yīng)熱量在發(fā)生爐各氧化還原過程中的消耗比例，有利于有針對性地采取相應(yīng)措施，強化氣化反應(yīng)，降低不必要的能耗，達到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

2 基礎(chǔ)簡化及假設(shè)

2.1煤氣發(fā)生爐氣化反應(yīng)簡化[1]

發(fā)生爐氣化反應(yīng)是以煤炭為氣化原料，以空氣及水蒸氣為氣化劑，煤氣生產(chǎn)過程可以分兩步理解:首先是空氣通過燃料層，C與O2發(fā)生放熱反應(yīng)，為下一步反應(yīng)提供熱量和反應(yīng)物CO2;隨后是蒸汽和空氣混合通過燃料層，C與H2O、O2和CO2發(fā)生吸熱和放熱的混合反應(yīng)，生成發(fā)生爐煤氣。忽略諸多中間反應(yīng)，可以將發(fā)生爐氣化反應(yīng)過程簡化如下。

(1) 氧化層反應(yīng)

碳被氣化劑中的氧氧化成二氧化碳，并放出大量的熱量，煤氣的熱化學(xué)反應(yīng)所需的熱量靠此來維持。氧化層溫度一般維持在1000～1250℃左右，這主要取決于原料煤的氣化反應(yīng)活性，反應(yīng)活性越強，需要的氧化層溫度越低。

C+O2=CO2;△H=-409 kJ/mol(1)

(2) 還原層反應(yīng)

還原層是生成主要可燃氣體的區(qū)域，CO2與灼熱碳進行吸熱化學(xué)反應(yīng)，生成可燃氣體CO;水蒸氣與灼熱碳進行吸熱化學(xué)反應(yīng)，生成可燃的CO和H2，同時吸收大量的熱。

CO2+C=2CO;△H=162kJ/mol (2)

C+H2O=CO+H2;△H=119 kJ/mol(3)

2.2相關(guān)數(shù)據(jù)假設(shè)

(1) 氣化用煤的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1和表2。

(2) 灰渣的成分組成參見表3。

(3) 假設(shè)氣化過程無固體帶出物損失。

(4) 煤氣成分參見表4。

3氣化反應(yīng)過程煤炭耗量計算[2]

3.1水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生CO量及耗煤量

根據(jù)煤氣H2量計算(按照1000Nm3煤氣計算)，假設(shè)1000Nm3煤氣H2全部由水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生，由反應(yīng)方程式(3)可知，水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生的CO量應(yīng)與H2量相同，即: CO=H2=163.5 Nm3。

則水煤氣反應(yīng)需要碳量:C=163.5×=87.5kg。

耗煤量: =114.8kg。

3.2CO還原反應(yīng)產(chǎn)生CO量、耗煤量及CO2需求量

1000Nm3煤氣中CO還原反應(yīng)產(chǎn)生CO量:

CO=274-163.5=110.5Nm3。

則CO還原反應(yīng)需要碳量:

C=0.5×(110.5×)=29.6kg。

則CO還原反應(yīng)CO2需要量:

CO2=0.5×110.5=55.3 Nm3。

耗煤量:=38.8kg。

3.3 氧化層CO2總產(chǎn)生量及耗煤量

氧化層CO2總產(chǎn)生量:CO2=55.3+59=114.3 Nm3。

氧化反應(yīng)需要碳量:C=114.3×=61.2kg。

耗煤量: =80.3kg。

3.4灰渣含碳量及耗煤量

水煤氣反應(yīng)、CO還原反應(yīng)及氧化反應(yīng)共產(chǎn)生凈灰重量:QAsh =(114.8+38.8+80.3)×14.02%=32.8kg。

假設(shè)灰渣產(chǎn)量為Q則:Q-32.8=，即:

Q=40.8kg。

灰渣含碳量:C=40.8×15%=6.1kg。

耗煤量:=8kg。

3.5總耗煤量及各反應(yīng)階段耗煤百分比

總耗煤量:114.8+38.8+80.3+8=241.9kg。

由以上計算結(jié)果可知，各氧化還原反應(yīng)及灰渣等耗煤百分比，數(shù)值參見表5。

4氣化反應(yīng)過程熱量產(chǎn)生及消耗計算[2]

4.1 氧化反應(yīng)放熱量

氧化反應(yīng)放熱量:

△H=-409××1000=-2089(MJ)。

4.2 還原反應(yīng)吸熱量

(1) 水煤氣反應(yīng)吸熱量:

△H=119××1000=788(MJ)。

(2) CO還原反應(yīng)吸熱量:

△H=162××1000=401(MJ)。

4.3 反應(yīng)余熱

反應(yīng)余熱的一部分用于克服煤的結(jié)構(gòu)反應(yīng)阻力，另外一部分熱量被灰渣、爐體散熱、煤氣及水蒸氣顯熱等帶走，反應(yīng)余熱量:H=2089-788-401=900MJ。

4.4 各部分熱量消耗所占百分比

(1) 還原反應(yīng)吸熱占總放熱百分比:

=56.92%。

(2) 反應(yīng)余熱占總放熱百分比:

=43.08%。

5 結(jié)論

(1) 發(fā)生爐氣化反應(yīng)過程中，碳與氧的氧化反應(yīng)消耗總用煤量的33.2%，水煤氣反應(yīng)和CO還原反應(yīng)各消耗總用煤量的47.5%和16.0%，隨灰渣排出爐外的煤占總用煤量的3.3%。發(fā)生爐操作時，控制的飽和溫度不同，則各反應(yīng)的反應(yīng)強度不同，煤氣中H2、CO及CO2組分比例不同，則各反應(yīng)層煤炭消耗的比例也略有不同。

(2) 在煤氣發(fā)生爐內(nèi)，碳與氧的氧化反應(yīng)在最后一道煤炭有效利用的反應(yīng)層內(nèi)進行，通過均化爐內(nèi)布風(fēng)、采用富氧氣化技術(shù)等措施，強化該層的反應(yīng)，有利于降低灰渣含碳量，有效利用氣化用煤[3]。

(3) 氧化反應(yīng)放熱量的56.92%用于水煤氣反應(yīng)和CO還原反應(yīng)，其余43.08%為反應(yīng)余熱。反應(yīng)余熱的一部分用于克服煤的結(jié)構(gòu)反應(yīng)阻力，氣化用煤氣化反應(yīng)活性越強，消耗的這部分熱量越少[4];另外一部分熱量被灰渣、爐體散熱、煤氣及水蒸氣顯熱等帶走，對這部分熱量損失，采取相應(yīng)的余熱回收措施，可以有效提高系統(tǒng)的熱效率[5]。

參 考 文 獻

[1] 王同章.煤炭氣化原理與設(shè)備[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001.

[2] 苑衛(wèi)軍.常壓固定床帶干餾段煤氣發(fā)生爐研究[D](工程碩士學(xué)位論文).北京:清華大學(xué)，2004.

[3] 胡東強等.兩段煤氣發(fā)生爐采用富氧氣化的探討[J].工廠動 力，2005，(3):37-38.

[4] 謝克昌.煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[5] 苑衛(wèi)軍等.環(huán)保節(jié)能型兩段式煤氣發(fā)生站節(jié)能及環(huán)保效果 分析[J]，節(jié)能與環(huán)保，2008，(2):38-41.

Distributing Budgetary Estimate of Coal and Heat Consumption in Coal Gasifier Gas Making Process

YUAN Wei-jun， LI Jian-sheng

(Tangshan Keyuan Environmental Protection TechnologyEquipment Co.，Ltd.，Tangshan063020，China )

Abstract: According to reasonable simplification and assumptions， it calculated that:in the process of gasification， oxidation of carbon and oxygen， water gas reaction and CO reduction reaction would consume 33.2%，47.5% and 16.0% of coal in the total coal consumption. The coal which outside with the ash ranked takes up 3.3% of the total coal consumption. According to the different saturated temperature control， the intensity of each reaction will be different. Different components proportion of the H2， CO and CO2 in gas will have different proportion of coal consumption in the reaction layer. The 56.92% heat released by oxidation was used for the water-gas reaction and CO reduction reaction.The 43.08% heat was waste heat of reaction. The more intense gasification reactivity， the less waste heat will be consumed.

Key words: coal gasifier; oxidation reaction; reduction reaction; coal; heat; consumption ratio