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1、根据建设单位提供资料要求，结合二段式煤气发生炉对气化用煤之要求，本工程选用神木煤、大同煤、内蒙包头煤、作为气化用原料煤。本设计以大同煤为基准。煤质分析如下：水份：4.9灰份：8挥发份：28固定碳：43.8煤气炉用煤的主要质量指标 编号项 目标准1粒度2040；2550；3060mm2最大粒度与最小粒度之比23块煤限下率（% ）104含矸率（%）25干基挥发分Vd（%）206干基灰分Ad（%）187干基全硫分Std（%）28灰熔融性软化温度ST（）12509热稳定性TS+6（%）6010抗碎强度（25mm）（%）6011胶质层厚度12mm12罗加指数R.I2013自由膨胀系数F.S.I214发热
2、量（应用基低位）：27MJ/kg煤气发生炉用煤指标1水分：煤的水份通常以三种状态存在。即游离水，一般由外界条件造成，如雨、雪等；二是结晶水，是组成煤的分子与水化合而成为结晶状态的水；三是吸附水，是煤本身的空隙形成笔细血管胡附现象所吸附的水。一般所指煤的水份是指实验室水份，即在空气干燥状态下的试料，在105温度下，加热一小时所放出的水份，这主要是吸附水。这种水份的含量与煤形成时间和长短有关系，通常泥煤和褐煤含1030%的水份，而煤和无烟煤的水份在5%以下。煤中的水份不但对煤运输、破碎、筛分都不利，而且煤的水份直接影响煤的发热值，还在气化中吸收大量的热量，降低煤气的温度，甚至降低还原层的温度，使煤
3、气质量变坏，CO2含量增加。同时在干燥层温度较低时，气化烟煤时干馏层逸出的焦油将会发生重新凝聚，而影响发生炉的透气性。所以，一般要求煤中的水份不超过8%。另外，由外界条件造成的游离水，特别是雨天，将严重影响煤的筛分，使大量煤末混入发炉，使料层透气变坏，煤气质量下降。故大多数南方工厂的煤气站设置了干煤棚或采取了其它的降低外界水分的措施。2灰份：煤的灰份是指除去水份、挥发份外，一切可燃质在一定温度（800上下）完全燃烧后的残留物。煤矿灰份，主要由二氧化硅（SiO）、三氧化二铝（AI2O3）、三氧化二铁（Fe 2O3）、氧化钙（CaO）和氧化镁（MgO）等组成。这些矿物质由于是由燃烧得来，故原来煤中
4、矿物质的真实情况是不同的。在燃烧时，它们经历了分解、脱水等过程。煤中的灰份是其原生植物的含有物及及其在形成过程中从外部渗透沉积而混入的。因此，它的种类、数量以至分布状态，由于煤层所在位置、种类以及形成过程的不同而异。往往在同一煤层中，灰份的分布也不均匀。每种煤的灰份含量差别极大，低的仅5%左右，高的可达30%以上，煤中灰的含量，相对的降低了煤中有用成分的含量，增加了运输费用，降低了使用效果。对气化来讲，希望煤的灰分越少越好。灰分高的煤发热值低，既妨害气化剂与碳的接触，又带走大量，使炉子热效率降低，故一般要求煤的灰分在20%以下为宜。另一个重要方面是灰份的组成决定了煤的灰熔点，这是发生炉煤气能否
5、稳定生产的一个重要因素。由于某些组分的影响。某些灰熔热低的煤无法用于气化。这一点，让我们留待后面专门计论。3挥发份：挥发份是实验室干燥的煤在隔绝空气条件下，加热至850时挥了出来的物质，其中包括氢气、甲烷、重碳氢化合物以及焦油、蒸气等，煤的挥发份含量视煤种而异，一般年青的煤如褐煤挥发份多，年老的煤如无烟煤挥发份少。其波动范围约5%40%。煤的挥发份对煤气发热值影响较大，因挥发份中甲烷、重碳氢化合物的发热值都极高，对发生炉煤气热值影响较显著。在气化时，挥发份高的煤进入气化区时，气孔率大、反应性能好。在使用热煤气时，挥发物中的焦油直接随煤气去用户燃烧使用，也增加了煤气的热值。在使用冷气时，挥发份中
6、的焦油则必须很好地清除并利用。另外挥发份中含有酚类等有机物将严重污染洗涤循环水，必须进行脱酚处理，否则排放时，将造成严重的环境污染。这些都是必须给予注意。 4 固定碳：煤中的固定碳，是除去灰份、挥发份、水份以外的其余可燃物质。 固定碳的含量受上述几种组分影响。一般固定碳含量高的煤，其发热值较大。碳是气化反应的主要参加者，它在火层与氧化合生成CO、CO2，并放出大量的热量的热量，对煤气的产率影响较大。煤的元素的分析是什么意思？煤的元素分析是测定煤中的有机物质是由哪些元素组成的，一般测定煤中有机质的碳、氢、氧、氮和硫等元素的含量。（1） 碳C：碳是煤中最主要的组成部分。在煤中，碳以结合状态存在，成
7、为复杂的有机化合物。煤的含量与形成年代有关，生成年代越久所含的碳越多。其波动范围约5090%。煤中的碳在燃烧时与空气中的氧化合生成二氧化碳，放出大量的热量，无论碳与什么元素化合，燃烧时都放出同样的热量。（2） 氢H：氢也是煤中有机物质的一个主要组成元素。其含量随着煤化程度的增加而减少。煤的含量一般不超过6.5%。氢在燃烧时与空气中的氧化合生成水，同时放出大量的热。（3） 氧O：煤中氧含量波动很大，煤化程度越深，其氧含量越低。如泥炭中氧含量可达30%以上，而无烟煤中仅有13%，一般氧含量高的煤，在热加工过程中易分解，生成热解水、酚等含氧化合物。另一方面，我们可以说，氧含量随着挥发份的减少而减少。
8、在燃烧过程中，氧本身不能发生热量，还要与能产生热量的元素氢结合成水，使煤的发热值降低。故煤的氧含呈影响着煤的使用价值，氧含量高的煤易自燃，给贮存和运输带来困难。（4） 氮N：煤中氮含量一般都不高，小于2%。煤的发热值与氮无关，但它在加工过程中能生成氨及某些含氮的有机化合物。（5） 硫S：硫是煤中最有害的杂质，在不同的煤中，硫含量差别很大，一般在0.53%之间.煤中硫存在的形式不三种：即硫化物、硫酸盐以及含有复杂高分子的有机硫。其中大多数情况下，煤中硫以硫铁矿的硫为最多，它在燃烧时生成二氧化硫和三氧化硫气体逸出，它既蚀设备，又污染大气。在气化中，煤中硫的7080%以H2S的形式进入煤气中，其余残
9、留在灰渣中。H2S能使煤气设备及管道严重腐蚀，在洗涤过程中还以氢硫酸的形式进入水体，腐蚀循环水系统。含H2S的煤气对热加工的生产不利，它易助长氧化皮的产生，损坏金属的品质。所以，气化用煤，根据不同的用户要求，对含硫量有一定的限制。一般不希望超过1.5%，而对某些高硫的煤，用于气化时，往往必须采取适当的脱硫装置来除去H2S。以上，我们简要的介绍了煤的元素组成。那么，这些元素又是如何组合成煤的呢？这儿涉及到了煤的基本结构问题，是一个长期以来人们广为研究的课题。而至今，对它的认识仍很不完善。简单的说，煤是一种以缩合香族结构为主体的，不均一聚合高分子有机化合物。根据研究，煤的基本结构单元之间是排列成立
10、体结构的，因此使质地坚硬、具有较大的机械强度。 从上面介绍中，我们可以看出，对气化影响较大元素是硫，它的含量受到我们格外重视。另外，煤的元素分析数值，在我们进行气化过程计算的物料平衡时需使用，这一点我们将在后面再介绍。煤中的灰分对气化有何影响？及成份为了研究煤的灰对气化的影响，我们必须对灰份的来源作一简单的介绍。煤的灰份是煤中可燃成分完全燃烧后残留下来的固体矿物质混合物的总称。其来源可分二类：一类是在煤形成过程中夹入的不纯物质，可称为固定碳；另一类是独立于煤外混杂或开采过程中混入的泥石，称为自由灰。自由灰可以在洗煤时洗去。煤灰的主要成分为：SiO2、Al2O3、FeO或Fe2O3，CaO及少量
11、MgO，TiO2和碱金属的化合物。煤的灰熔点主要取决于组成灰分各组分的比例，各组分熔点如下： 成分SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3FeOK2O+Na2O熔点1625205025702800158010308001000从上表可经看出含铁、钠、钙、镁、钾等元素多的煤，灰易熔；含硅、铝我地则灰难熔。一般可用下式来判断灰之熔融难易。 SiO2+Al2O3 Fe2O3+CaO+MgO当此式比值在1以下时为易熔，在5以上时为难熔。在实际生产中，我们根据灰渣的颜色亦可粗略的判别灰熔点高低。氧化铁呈红色，若灰渣颜色近于红色，则其灰熔点低。而颜色浅时，其灰熔点较高。灰熔点的测定，是将煤灰按规定的尺寸制
12、成三角锥体，在半还原气氛中加热升温，灰锥逐渐发生变化，取以下三点； 1。变形温度T1：锥体顶点开始变圆或弯曲，倾斜： 2。软化温度T2：锥体尖端弯到锥托上或呈半圆形； 3。熔化温度T3；锥体完全熔化成液体并流动。煤的灰熔点对气化有直接影响，直接关系到煤的结渣性煤在气化时，我们希望氧化层和还原层温度高些，使气化反应彻底，水蒸汽分解率也高些。但是，煤的灰熔点限制了氧化层的温度，当炉内温度高于灰熔点时，灰成熔融状态并与燃料结成大硬块，严重破坏了气化过程的正常进行，甚至造成停炉。为了防止与减轻结渣情况，我们只好调高饱和温度，多通入一些水蒸汽以降低氧化层温度，来维持连续生产。但对灰熔点太低的煤，由于气化
13、层温度只能控制较低，致使煤气质量差，生产能力低，燃料利用率差，甚至无法维持正常生产。所以，对发生炉煤气气化用煤一般要求灰熔点T21200煤中的灰分对气化来讲是多余的东西，还往往给气化过程带来许多不利因素。一般地说灰分愈多渣中损失之厌烦碳愈多，煤的气化效率就低。故一般希望灰低一些，通常以10为佳，20也可以使用。煤中的水分对气化有什么影响在气化过程上中，煤中的水分被上升的煤气加热干燥，故少量的水分对气化影响不大。但水分太高时，大量的水分蒸发要降低煤气温度，当上部料层不够厚时，势必影响干馏层以至还原层温度，使煤气质量变坏，所以气化水分大的煤时宜采用高料层生产。另外炉出煤气温度也不允许太低，温度太低
14、时，可能使流经上层煤中之焦油及水分重新凝结，堵塞气流通道，破坏料层透气性，故一般希望煤气水分愈少愈好。了解了煤之水分对气化是有害的成份后，我们就可理解为什么南方地区许多生产厂先后增设了干煤棚，以保证雨季入炉煤的外水分尽量少，另外，干煤是正常运输筛分的主要保证，雨季往往造成煤屑筛不尽，使炉内带出物增加，气化不均匀。个别厂则采用了烘干设备除去煤之外水分。煤中挥发份含量与煤气成份有何关系我们在前面已经指出，煤的挥发份在煤气炉的干馏时将逸出，成为甲烷等碳氢化合物及焦油，而甲烷的发热值较高，为8600千卡/标米3，故它的含量多少，对煤气热值有显著影响。在我们常用的气化用炉中，挥发分的含量因煤种而异。但简
15、单的讲，VR10%是无烟煤，VR10%为烟煤，而褐煤的挥发份可高达45%左右。挥发份除能使煤气热值增高外，其副产的焦油也于挥发份含量有直接关系。一般挥发份高的煤，焦油产量大，而在使用热煤气时，焦油蒸汽也直接可燃，又增加了煤气之热值，并能使火焰发亮。所以，过去炼钢之平炉，经常采用烟煤热煤气作热源。煤中的挥发份在气化中产生的焦油，在煤气净化过程中，与洗涤水接触，能产生酚类有害物质危害水系，故应考虑酚水处理。而挥发份低的无煤洗涤水中，酚含量较低，对环境危害较少；而且煤气中焦油含量基微，一般无需专门的除焦油设备，使净化系统简单，管理方便，所以一般冷煤气站乐于采用无烟煤作气化燃料。煤的块度大小与气化有什
16、么关系造气要用煤，这是大家都明白的道理，但为什么要用块煤呢？能不能将混煤，不分大小块与煤屑一起入炉呢？这是一个经常碰到的问题。在固定层煤气发生炉中，为使煤气产量和质量较高，操作方便，一般都要求使用块煤均匀、大小适当、无煤末的块煤。我们知道气化强度的提高有赖于燃料的反应表面积。为使反应表面积提高，有两个途径：一是将料层增高，使用大煤块；二是不增加料层高度而使用小块煤。而在实际生产中，煤的粒度要根据炉型、煤种及经济性来决定，一般煤气站为了充分利用碎煤减少粉煤量，不得不使用一些粒度较小的煤。一般常用块度： 褐煤 25-50mm50-100mm 烟煤 13-25mm25-50mm50-100mm无烟煤
17、、焦炭 6-13mm13-25mm25-50mm 大块煤在气化时阻力小，但反应表面积小，而小块煤在气化时表面积大，料层可低些，同时水份和挥发份在干燥层和干馏层内除去，对气化有利。但块度不能太小，太小则料层阻力太大，并且随煤气带出的煤灰增多，造成燃料的损失并易堵塞管道。在实际使用中，还应注意不能将大小块混杂入炉。因为混杂的大小块将沿着发生炉截面不均匀分布，在气化时造成偏炉、烧穿或结渣等不正常现象。所以，入炉燃料的块度组成，要求大小块度之比不超过2。如25-50mm或13-25mm。另一个问题是煤屑，一般发生炉都要求块煤中煤屑量尽可能少。煤屑加入炉内，便使炉内阻力大大增加，因而不得不提高鼓风压力并
18、使带出物增多。综上所述，我们可以看出，要维持发生炉的正常生产，供给合格的煤块是一个十分必要的条件。煤的粘结性对发生炉结构的影响如何？先简单的介绍一下，什么是煤的粘结性。有些煤在干馏过程中，到某一温度(400-450C)时，会发生熔融的现象，挥发分逸出后，形成多孔性的硬块即焦炭，这种煤称为粘结性煤。而另一些煤在这种情况下，不发生或稍微发生熔融现象，而在放出挥发份后本身成为粉末状的死渣，这种煤称为不粘结煤，煤的这种性质称为粘结性。褐煤和无烟煤属于不粘结性煤，烟煤属于粘结性煤，但其粘结情况(强弱)差异很大。粘结性的表示方法有两种：一是用数字表示，以测定挥发份后所得焦渣外形来确定，用1-7数字来表示：
19、 (1)粉状 (2)粘着-以手指轻压即成粉状； (3)弱粘结-以手指用力压即成小块； (4)不熔化粘结-用手指用力压即分裂成小块； (5)不膨胀化粘结-有银白金属光泽； (6)弱膨胀熔化粘结-不挥发残留物之表面，有银白色金属光泽，其高度大于15MM； (7)强膨胀熔化粘结-不挥发残留物之表面，有银白色金属光泽，且高度大于15MM；一般情况下，粘结指数在1-4之间能在发生炉内气化。二是用胶质层厚度(Y值)表示：洨质层厚度的测定是将一定数量(100克)粉碎到1.5MM的试样，入在一圆筒中从下面加热，并在煤上加以一定的不变负荷，到350-430C时，煤发生软化、熔融并生成胶质层，随着温度的提高其厚度
20、先增大后减少，而胶质层的最大厚度Y就是煤的粘结性指标。在一般情况下，煤的Y值在12MM以下是较易气化的，Y值在12-16之间气化比较困难。而Y 值在20以上时就不宜气化了。粘结性的煤在气化时，会在干馏 层形成大的硬块，而使气流分布不均匀，严重影响气化过程的正常进行。针对这一情况，发生炉结构设计中必然要考虑有破粘设备，对煤层进行搅拌，以保持料层的透气性。在气化粘结性煤的各种发生炉中都配有形状不同的搅拌设备。如：3A13型煤气炉，1.5D型煤气炉都采用水冷却的搅拌耙，而W型煤气炉则用搅拌棒。所以，在选用煤种时，要对其粘结情况给予重视，否则粘结性较大的煤在一般发生炉中将无法使用。煤的机械强度、热稳定
21、性对气化有什么关系？煤的机械 强度 是指它的抗破碎力，即其破碎难易的程度。用于煤气发生炉的燃料，要求机械 强度大，以减少输送过程中的破碎量。机械 强度 差的煤，在转运过程中易于破碎，使煤含粉量过高，块煤量降低。另一方面，在气化过程中，煤还要承受上层燃料的挤压，易被压碎，影响料层的正常通风，不利于气化。机械强度一般用转鼓方法和落下方法来确定。转鼓方法是把经过筛分的一定粒度的煤(13-100MM)块，放在直径100的钢制卷筒中，转筒以25转/分的速度回转4分钟，在100转之后停止转运，将试料倒出用1313MM的筛孔过筛，用筛上残留燃料与原加入燃料的百分比表示煤的机械强度。落下试验是将粒度为60-1
22、00MM的煤样25公斤(或10块)，从2米高自由落下三次(落在铁板上)，以大于25MM的煤与原样的重量百分比来表示煤的机械强度。煤的热稳定性又叫热强度，是指煤在高温下是否易于破碎的性质。热稳定性的强弱直接影响气化过程，热稳定性差的煤在高温作用下，易在炉内碎裂，产生大量煤末，使燃料层阻力增加，气流分布不均匀，使气化条件恶化。固体燃料受热不稳定 ，主要是由于下列原因引起的： 1)燃料受热时，由于内部的水分蒸发和放出挥发分而导至碎裂。2)燃料中的碳酸盐受热分解生成二氧化碳的过程中引起碎裂。3)燃料受热时，粒度内外温差较大，以及由于不同组成物质的膨胀系数不同，发生肢解破裂。无烟煤与烟煤相比热稳定性较差
23、。这是因为无烟煤结构紧密，含脆性的固定碳多，含挥发分少，而且与烟煤相比热传导率低。褐煤的热稳定性也较差。这是因为加热时，褐煤内的水分蒸发使煤破裂。热稳定性的测定方法是：从煤中选出10块60MM-100MM的标准煤块在900C的马弗炉内加热15分钟，拿出来冷却后，放在直径为200MM的转鼓内以50转/分的速度转动5分钟，然后用2525MM的筛子过筛，用残留煤与加入煤的重量百分比来表示热稳定性。由于原料煤的粘结性大小不同，所用煤气发生炉的结构也不同，主要是对粘结性煤需配有专门的搅拌设备。而除焦油设备，除常见静电除焦油外，过去还采用机械式除焦油机，利用离心作用来脱除焦油。优点： 1)煤气热值比气化无烟煤、焦炭的煤气站高，煤气中CH4含量高。2)供应距离远。和无烟煤冷煤气一样，它所含焦油和灰尘少，便于加压、输送和使用自动调节控制。3)原料来源比无烟煤易于解决。缺点： 1)系统复杂、投资大，管理较麻烦。2)煤气洗涤水中酚含量高达1500毫克/升，对环境污染严重，必须进行水处理。3)煤气中焦油的热值不能被利用。而付产的焦油质量差、含水多、贮存运输困难，对站区污染大。综合利用困难。