两段式煤气发生炉在超细锌粉生产中的应用.pdf

第6 0 卷第3 期 20 08 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o I ．6 0 ．N o ．3 A u g u s t2008 两段式煤气发生炉在超细锌粉生产中的应用 王 立，鲁立华，刘全民，郭梁，耿 平 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要阐述采用煤气发生炉生产煤气作为精馏法生产锌粉生产工艺中加热源的合理性，分析两段式煤气发生炉在用于生 产热煤气时的优缺点，介绍其在精馏法生产锌粉生产工艺中的应用及其所做的改进。 关键词金属材料；锌粉；精馏法；两段式煤气发生炉；煤气 中图分类号T F l 2 3 ．1 4 ；T K l 7 4 ；T K l 7 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 3 6 0 4 士7萎竺蔫絮黧竺三煮篓奎苎黧f1I加热源的选择 电子等领域⋯，随着市场需求的增加和生产规模的 ””⋯1 ⋯一～“ 逐步扩大，在精馏法生产超细锌粉的生产工艺中，在精馏法生产锌粉工艺中，对加热源的选用考 需要寻找更适合的加热源来提高产率，降低成本。虑主要有电、煤、煤气、天然气几种，表1 分析了这几 种加热源的优缺点。 表1 加热源的分析 T a b l e1 A n a l y s i so fh o tF P _ ．s O L U S e 电作为加热源除了能源消耗在成本中所占比重 很大的原因外，属于比较好的加热源，适合在生产规 模小，产品利润非常高的情况下使用。煤直接燃烧 后带来的环保问题，需要一定的投入来解决粉尘烟 气污染的排放，加上温度控制精度问题不太适合更 大规模的超细锌粉的生产工艺，而天然气作为一种 相对高效的清洁能源如果在没有天然气管网的供应 的情况下新建气站也需要有很大的基建设备以及安 全投入，因此采用煤气作为精馏锌粉生产工艺中的 加热源是一个相对比较适宜的选择。 目前用煤气发生炉生产煤气按设备种类分主要 一段式煤气发生炉和两段式煤气发生炉【2 _ 3J ，按煤 气发生炉出口的温度分为热煤气和冷煤气，参见图 l ～图3 。 冷煤气和热煤气相比。在于煤气后部增加了水 收稿日期2 0 0 7 1 1 2 4 ． 作者简介王立 1 9 7 5 一 ，男，沈阳市人，高级工程师．主要从事 材料和冶金设备与工程设计等方面的研究。 洗冷却的换热装置，可以利用煤气中的余热，并通过 降温使煤气中的焦油含量进一步降低，煤气温度虽 然降低，但煤气清洁程度有很大提高，输送距离可以 更长 超过3 0 0 m 并且不容易阻塞管道。从能源利 用角度看，热煤气的能源利用率比冷煤气较高，热煤 气的温度高于冷煤气，煤气在进入燃烧炉中不会给 炉体降温，并且煤气中还含有少量的气化焦油有利 于促进燃烧，节约煤气消耗。因此结合目前锌粉生 产工艺和车间配置中，在锌粉生产车间旁建设煤气 站，在输送距离小于2 0 0 m 的情况下采用热煤气作 为锌粉生产的加热源在设备投资成本和生产效率上 看是合适的。 “ 现阶段用于气化烟煤的热煤气站，其煤气发生 炉分为一段式煤气发生炉和两段式煤气发生炉，都 是非常适合于生产热粗煤气的炉型。一段式煤气发 生炉、两段式煤气发生炉从基本原理上是相同的，都 是以煤为原料生产煤气，原料煤从炉顶部加入，随煤 气炉的运行向下移动，在与从炉底进入的气化剂 空 万方数据 第3 期王立等两段式煤气发生炉在超细锌粉生产中的应用3 7 气、水蒸汽 逆流相遇的同时，受炉底燃料层高温气 即热煤气 经过除尘后就可以供用户使用。 体加热，发生物理和化学反应．产生粗煤气，粗煤气 图1 一段式热煤气煤气发生炉工艺流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fo n e s t a g eh o tg a ss t a t i o n 图2 一段式冷煤气煤气发生炉工艺流程 F i g ．2 F l o w s h e e to fO R e s t a g ec o l dg a ss t a t i o n 图3 两段式冷煤气发生炉工艺流程 F i g ．3 F l o w s h e e to ft w o - s t a g eh o tg a ss t a t i o n 在一段式煤气发生炉中，煤是由上而下、气化剂反应和热量交换在一个炉体里发生，从炉体顶部输 则是由下而上地进行逆流运动，它们之间发生化学出煤气，在煤气发生炉中形成灰渣层、氧化层 又称 万方数据 有色金属 第6 0 卷 火层 、还原层、干馏层、干燥层和空层6 个层。 一段式煤气发生炉优点为设备、土建投资较少， 设备制造周期、调试周期，厂房建设周期都要比其他 炉型短。其缺点是 1 操作时由于一段式煤气发生 炉空层高、料层薄，加煤、探火时产生大量煤粉，煤气 携灰较多，从而造成资源浪费； 2 干馏产生黏度较 高、流动性较差的高温裂解焦油，不易处理和利用， 而且容易和携出的煤粉胶粘在一起，堵塞管道，使煤 气输送阻力加大，影响正常供气，因而输送距离受到 限制。 两段式煤气发生炉则有明显区分的干溜层 上 段 与气化层 下段 ，在反应过程中产生的热煤气中 一部份受热而失去水分，进而脱出挥发分，成为低温 干馏半焦进入气化段。气化段上升的热煤气在干馏 段中经过充分热交换后，由炉顶分出，此煤气是由气 化气和干馏气组成，也称之为上段煤气，煤经上段成 为低温干馏半焦进入气化段后，与水蒸气、空气逆流 接触，所有的碳几乎完全被气化，气化段生成的煤气 称为下段煤气。两段炉有上下两个煤气出口，可输 出不同热值的煤气，其气化效率和综合热效率比单 段炉高。上段煤气含有少量轻质的焦油。可用静电 捕油器消除和回收利用；而下段底部煤气出口含有 一定量的炭黑和灰尘，可以用旋风除尘器除尘MJ 。 两段式煤气发生炉优点为 1 操作属于满料层 操作，其上段煤气携灰较少； 2 干馏产生焦油属于 流动性较好的低温干馏焦油，便于处理和利用； 3 煤气管道不易堵塞，煤气输送距离长相对一段炉要 长； 4 煤气热值较高，煤气热值一般都在5 8 0 0 ～ 6 5 0 0k J ／m 3 ，较一段炉高出1 5 ％。两段式煤气发生 炉的缺点是上、下段煤气量需要分别调节，分别净 化，操作工艺相对复杂。 两段式煤气发生炉和一段式煤气发生炉比，由 于增加了料仓高度及提供了结构上的干馏段，使煤 在干馏段内被均匀加热，进行低温干馏，所产生的焦 油不会发生裂解，焦油粘度低，流动性好，在长距离 输送时，不易堵塞管道。上段煤气中含有低温干馏 焦油，经过电捕除焦器后捕除部分大颗粒焦油滴，剩 余大部分焦油呈雾状留在煤气中。下段煤气经旋风 除尘器，除去大颗粒粉尘后与上段煤气混合，下段煤 气温度较高，上段煤气与其混合后温度升高，焦油雾 再次蒸发，这种蒸发物和下段除尘后的煤气中的低 含量细尘不致在煤气总管中沉积过于严重，因此煤 气输送距离可以大于2 0 0 m ，并且电捕除焦器中捕出 的焦油可以进一步综合利用。 两段炉生产热煤气除具有以上优点外，其本身 应具有尽量高的温度，以提高煤气显热。下段煤气 出口设置使煤在于馏段内得以充分低温干馏，不致 使上段出口煤气温度过高，以免高温下的焦油不易 除去。另外，在两段炉的操作中，上、下段煤气流量 的调节非常重要，如果上段煤气流量小。用于干馏的 热量不足，煤炭干馏不充分，会造成下段煤气含有大 量高温裂解焦油，为避免这样的情况发生，在工艺配 置上，在下段煤气出口处增加煤气流量调节阀，对煤 气可进行适当的调节。但也使煤气发生炉操作复杂 程度增加。 从精馏锌粉生产工艺角度综合考虑，精馏锌粉 炉的生产周期在一年左右，煤气也相应要求保证在 生产周期内能够正常的供应，除了保证供气压力、供 气流量、供气质量外，还应该保证在生产周期内煤气 管道不被堵塞，能够正常供气。两段式煤气发生炉 在操作工艺上虽然比一段式煤气发生炉复杂，前期 投资较大，但较好的煤气热值，较干净的煤气质量， 较远的输送距离，都能够减轻管道的堵塞，延长检修 周期，因此选择两段式煤气发生炉做为精馏锌粉炉 的配套设备比较合适。 2对两段式热煤气发生炉的设备和工 艺改进 2 ．1 降低管道堵塞的工艺改进 根据上面的介绍可知，两段式热煤气发生炉生 产出的煤气中也会含有一定量的粉煤灰，或者操作 不当产生黏度较高、流动性较差的高温裂解焦油，这 些都会增加造成管道阻塞的可能性。因此在精馏锌 粉设备工艺实施上尽可能采用大口径管道输送煤 气，煤气输送主管道采用直径8 0 0 m m 的口径，第二 级支管路上采用直径3 5 0 m m 的口径，第三级支管路 采用直径2 0 0 m m 的V I 径，输送到锌粉精馏炉燃烧室 前的喷嘴直径选用l O O m m 的口径，选用较大口径的 管道以降低堵塞可能性，另外在管道设计上尽量少 采用水平管道，管道水平倾角在1 0 。以上，在管道端 头设置清理口以及水封等措施来防止管路的堵塞。 在操作工艺上。通过配置高频筛煤机过筛，减少 煤粉的入炉量。另外，建立合理的操作规程，加强旋 风收尘器的排灰，减少下段煤气中的携灰量。 此外，在两段式煤气发生炉操作中，增加对下段 煤气流量的监控和调节，减少因干馏不充分而产生 出的高温裂解焦油。并选用大功率的电捕焦器来提 高收集焦油的效率。 万方数据 第3 期王立等两段式煤气发生炉在超细锌粉生产中的应用3 9 2 ．2 提高煤气热值的工艺改进 煤气质量的好坏取决于煤气的热值高低。而煤 气主要成分C O ，C H 4 。H 2 ，N 2 ，C 0 2 [ 5 】中，最终能够提 供燃烧放热的可燃气体有C O ，C I - L ，H 2 ，在煤气炉中 发生的化学反应主要有以下几种情况。 1 氧化层。气化剂中的氧与碳发生剧烈的燃 烧面生成二氧化碳，并放出大量的热量，主要反应是 C 0 2 一C 0 2 4 0 8 1 7 7 k J 。 2 还原层。二氧化碳和水蒸气被碳还原成一 氧化碳和氢气，其主要反应为c 0 2 c 一2 C O 一 1 6 2 1 4 2 ．2 k J ，H 2 0 C H 2 C O 一1 1 8 6 2 8 ．4 k J ， 2 H 2 0 c - c c h 2 H 2 7 5 1 1 4 ．6 1 d 。 3 干馏层。1 5 0 - - 7 0 0 “ C 之间，煤中挥发份发生 裂解，产生甲烷、烯烃及焦油等物质，它们受热成为 汽态，也成为煤气的组成部分。 4 空层。发生一些副反应发生，比如C O 分解 释放出炭黑，2 C O - - ，C 0 2 C ，2 H 2 0 ∞一C 晚 2 H 2 a 发生炉煤气的热值高低，主要由可燃气体成分 C I - h ，C o ，H 2 决定，它们主要来自还原反应和裂解反 应。其中单位体积的热值提供由大到小依次是 C H 4 ，C O ，H 2 ，在热煤气成分中C O 含量约是2 5 ％～ 3 2 ％，C 地和H 2 各为3 ％～8 ％，其余N 24 0 ％～ 6 0 ％，C 0 22 ％～5 ％。N 2 是惰性成分，从空气中带 入不参加反应，因此煤气的热值主要提供的是C o 参考文献 和C H 4 ，C 0 2 和C O 属于负相关，煤气中C 0 2 含量 大，c o 的含量就少，因此如果能降低煤气中C 0 2 含 量，促进C 0 2 反应完全，就能提高发生炉煤气的热 值。可以利用出炉煤气余热用热管预热气化剂，提 高煤气产量和热值，改善煤气发生炉内的反应过 程b J 。也可以通过提高气化剂的鼓风温度，使气化 剂中的蒸汽处在过热状态，这样既可带人大量的物 理热，又使蒸汽处在过热状态，既加快气化反应速 度，又可降低供应用煤的氧化燃烧产生的化学热，既 节省了煤气炉中的碳，又可减少供应的空气，从而也 少带人N 2 ，提高煤气的热值。需要煤气发生炉操作 者在操作过程中，按照操作规程严格控制气化剂流 量，控制鼓风温度，开发厚煤层操作，促进还原层反 应，才能保证煤气的热值处于较高水平。 3结论 在精馏锌粉生产工艺中采用常压的两段式热煤 气发生炉是根据目前生产规模、生产工艺和投资预 算综合考虑后相对比较合适的选择，在实际应用过 程中进行的管道改进、优化煤气站操作条件，改善供 气质量，提高煤气热值，为锌粉生产中提供高效优质 煤气，要提高入炉煤的质量，合理的选择和控制饱和 温度、降低二氧化碳含量，提高发生炉煤气热值，开 发厚煤层操作，严格要求煤气发生炉操作和加强管 理，建立和完善操作制度是保证煤气生产质量的有 效措施。 [ 1 ] 虢明芳．中国镀锌领域与锌工业发展[ J ] ．世界有色金属，2 0 0 7 ， 3 2 0 2 2 ． ～ [ 2 ] 高卫国．煤气发生炉节能降耗的探讨[ J ] ．煤气与热力，1 9 9 5 ，1 5 3 2 0 2 1 ． 【3 ] 宋国强，陈晓婷．发生炉煤气生产过程的优化操作[ J ] ．煤气与热力，2 0 0 1 ，2 1 5 4 6 0 4 6 2 ． [ 4 ] 武利军，周静，刘璐，等．煤气化技术进展[ J ] ．洁净煤技术，2 0 0 2 ，8 1 3 1 3 4 ． 【5 ] 徐振刚，张振勇．煤气发生炉煤气化工艺效率分析[ J ] ．煤化工，2 0 0 0 ， 4 9 一1 1 ，1 6 ， A p p l i c a t i o no fT w o - s t a g eH o tC o a lG a sS t a t i o ni nS u p e r f i n eZ i n cP o w d e rP r o d u c t i o n W A N GL i ，L 己厂L i - h u a 。L I UQ №挖一r a i n ，G U OL i a n g ，G E N GP i n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p o s i t e n e s so fg a sf u r n a c eg a sa p p l i c a t i o ni nt h ep r o d u c t i o no fz i n cp o w d e rb yd i s t i l l a t i o nm e t h o da s h e a t i n ge n e r g yi sd e s c r i b e d ．T h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w o - s t a g eh o tc o a lg a ss t a t i o ni ng a sp r o d u c t i o n a r ea n a l y z e d ，a n di t sa p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n di m p r o v e m e n t si nt h ep r o c e s so fz i n cp o w d e rp r o d u c t i o nw i t hd i s t i l 一 1 a t i o nm e t h o da r ei n t r o d u c e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；z i n cp o w d e r ；d i s t i l l a t i o n ；t w o s t a g eh o tc o a lg a ss t a t i o n ；c o a lg a s 万方数据