苑衛(wèi)軍　蘇亞斌　馬寧　張福亮

摘 要：結合煤氣發(fā)生爐的造氣原理和過程，對煤氮在發(fā)生爐熱解、還原、燃燒過程中的轉化以及NOx與前驅體的生成進行了定性的分析。指出發(fā)生爐熱解、氣化過程中，煤氮一部分轉化為焦油；一部分以NH3、HCN、N2形式轉化為煤氣；另外一部分殘存于灰渣中。通過分析，說明一段式發(fā)生爐、兩段式發(fā)生爐和干餾式發(fā)生爐三種爐型在氣化過程中，NH3、HCN和N2的生成量基本沒有差異；NH3和HCN主要來源于氣化過程；而熱解過程次之，但干餾式發(fā)生爐在煤的熱解過程中NH3和HCN的生成量最少。

關鍵詞：煤氣發(fā)生爐；NOx；前軀體；分析

1 引言

中國是世界上煤炭資源最為豐富的國家之一，煤炭在中國能源構中占有舉足輕重的地位，開發(fā)研究深度潔凈的煤炭資源利用技術，符合我國的能源安全戰(zhàn)略要求。NOx是煤轉化過程中產生的主要有害氣體之一，目前國內外學者一致認為煤轉化過程中NH3和HCN是NOx的主要前驅體，該前驅體進一步氧化生成NOx。作為在中國應用較早的潔凈煤技術，常壓固定床發(fā)生爐氣化技術一直是工業(yè)燃料氣的主要煤氣化供氣技術，對于其造氣過程中NOx及其前驅體的產生進行系統(tǒng)分析，有助于采取相關措施控制煤氣中NOx及其前驅體的產生，從而使煤氣燃燒過程中生成的NOx得到有效控制。

2 煤氣發(fā)生爐造氣過程

煤氣發(fā)生爐各反應層如圖1所示，煤在煤氣發(fā)生爐內的主要反應包括熱解、氣化過程。發(fā)生爐內通過熱解過程脫除煤中的揮發(fā)物，同時析出焦油和以CH4、H2、CO為主的干餾煤氣；發(fā)生爐內的氣化過程如（1）、（2）、（3）、（4）式。

C+O2=CO2；△H=-409 KJ/mol（1）

2C+O2=2CO；△H=-221.2 KJ/mol（2）

CO2+C=2CO；△H=162KJ/mol（3）

C+H2O=CO+H2；△H=119 KJ/mol（4）

一段式發(fā)生爐結構如圖2所示，該爐型特點是爐體較低，爐內干餾層區(qū)和干燥層區(qū)較薄，操作時爐頂處須保持1.5～2 m的空層。一段式發(fā)生爐的煤氣生產過程為：通過加煤機將煤加入煤氣發(fā)生爐爐膛內，首先進行較短時間的干燥和干餾熱解；然后進入氣化反應層。作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，高溫條件下與氣化反應層煤發(fā)生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成份的煤氣。

兩段式發(fā)生爐結構如圖3所示，該爐型特點是在一段式發(fā)生爐基礎增加了5～6 m的干餾干燥段，爐內干餾層一般達到4 m左右，爐內保持滿料層操作。兩段式發(fā)生爐的煤氣生產過程為：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在高溫條件下，與進入氣化段的呈半焦狀態(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成份的煤氣M。煤氣分兩部分向上運行，其中一部分M2通過下段煤氣夾層通道上移導出成為下段煤氣；而另一部分煤氣M1則上行進入干餾段，通過與緩慢下移的煤接觸換熱，對煤進行干餾和干燥，同時產生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣M3。M1與M3一起導出形成上段煤氣。

干餾式發(fā)生爐結構如圖4所示，該爐型與兩段式發(fā)生爐的不同之處在于該爐去掉了下段煤氣出口，爐內產生的所有煤氣全部從爐頂煤氣出口導出爐外。干餾式發(fā)生爐的煤氣生產過程為：作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在高溫條件下，與進入氣化段的呈半焦狀態(tài)的煤發(fā)生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成份的煤氣Q。煤氣Q向上運行進入干餾段，通過與緩慢下移的煤接觸換熱，對煤進行干餾和干燥，同時產生一部分以烷烴類高熱值氣體為主的干餾煤氣Q，Q和Q一起由煤氣出口導出爐外。

3 發(fā)生爐造氣過程中NOx及其前驅物的生成分析

3.1 發(fā)生爐熱解過程NOx及其前驅物的生成分析

發(fā)生爐內的煤通過熱解，煤中氮的一部分以NH3和HCN的形式轉化至煤氣中，同時還有一部分轉化至氣態(tài)焦油中，以上兩部分僅占煤中氮的較少比例，大部分以大分子雜環(huán)結構存留于半焦中。NH3和HCN的生成受溫度、壓力、粒徑、加料速度、加熱速率、停留時間、反應器類型、煤種等諸多因素的影響[1]，其中熱解溫度是影響NH3和HCN生成的較為重要因素，常麗萍[2]和趙煒等[3]在熱解實驗中得出基本相同的結論，發(fā)現在500～600 ℃時，熱解氣體中可檢測出NH3和HCN的存在，熱解溫度越高，熱解形成NH3和HCN的量越大，慢速加熱有利于NH3和HCN的生成。常麗萍[2]還指出所有影響揮發(fā)分及半焦形成的因素都會影響NH3和HCN的形成。煤氣發(fā)生爐為常壓固定床爐型，煤在爐內的加熱速度較為緩慢，一部分以低溫熱解的形式在干餾層區(qū)中進行，其熱解溫度一般為500～600℃，還有一部分以中溫熱解的形式在還原層區(qū)上部進行，其熱解溫度約為700～800℃，低溫熱解過程中NH3和HCN的生成量小于中溫熱解過程的生成量。一段式發(fā)生爐、兩段式發(fā)生爐和干餾式發(fā)生爐熱解過程中進行的低溫熱解和中溫熱解程度各不相同，三種爐型熱解過程NH3和HCN的生成量也存在相應的差異。

一段式發(fā)生爐內干餾層較薄，一般只有300 mm左右，煤在干餾層區(qū)進行的低溫熱解時間較短，一般只有30 min左右。雖然向干餾層區(qū)提供的熱解熱源是氣化段產生的全部煤氣，熱解熱量較為充足，但由于干餾層較薄、熱解時間短，所以一段式發(fā)生爐干餾層區(qū)進行的低溫熱解程度遠遠不夠，煤中揮發(fā)分只有一小部分在低溫熱解階段脫除，煤中揮發(fā)分的脫除大部分集中在還原層的上部完成，此處熱解溫度較高，屬于中溫熱解范疇，所以煤在一段式發(fā)生爐熱解過程中NH3和HCN的生成量較大。

兩段式發(fā)生爐的干餾段較高，兩段式發(fā)生爐內的干餾層厚度一般都在4 m以上，煤在此進行的低溫熱解時間較長，約為6～8 h左右。由于干餾段內的熱解熱源只由氣化段產生的煤氣的一部分M1提供，所以盡管煤在兩段式發(fā)生爐干餾段內進行的低溫熱解時間較長，但其低溫熱解程度不夠，進入還原層的半焦揮發(fā)分含量偏高，致使還原層上部中溫熱解脫除的揮發(fā)分比例較高，煤在兩段式發(fā)生爐熱解過程中NH3和HCN的生成量也相對較大。