煤气发生炉煤气（烟气）放散污染特征分析

    苑卫军 王辉 韩明汝

    

    

    

    摘 要：分析了煤气发生炉在烘炉、点火送气、加煤、热备和停炉阶段煤气（烟气）放散的特性。并结合各阶段的燃料消耗情况，计算了Φ3.6 m煤气发生炉煤气（烟气）放散过程中主要污染物的排放量。同时提出了有效治理放散污染的相关措施和建议。

    关键词：煤气发生炉;烘炉;点火;加煤;热备;停炉;煤气放散

    1 前言

    发生炉煤气站作为气体燃料供应单元，在玻璃、陶瓷、冶金、化工等行业应用较为广泛，随着国家大气、水、土壤等污染防治计划的颁布实施，煤气发生炉生产过程的污染与防治问题，日益成为多方关注的焦点。正常生产过程中的酚水、SO2、NOx以及VOCs等是目前发生炉煤气站污染治理关注的重点环节，而在烘炉、点火送气、热备或停炉过程中煤气（烟气）放散的污染与治理问题，相对研究的比较少。对煤气发生炉煤气（烟气）放散的相关节点着手，分析其放散主要污染物排放特征，从而就主要环节采取有效措施，降低污染危害，有助于煤气发生炉的健康有序发展。

    2 煤气发生炉及煤气站

    煤在煤气发生炉内自上而下运行，在干燥层和干馏层经过干燥和干馏后，形成半焦状态的煤，作为气化剂的空气和水蒸汽自炉底鼓入炉内，在高温条件下，与进入气化反应层（氧化层和还原层）的呈半焦状态的煤发生氧化还原反应，生成以CO和H2为主要成分的煤气，气化炉内的主要反应如（1）（2）（3）式[1]。按照发生炉炉型和煤气净化工艺区分，目前应用的发生炉煤气站类型参见表1。

    3 煤气发生炉煤气（烟气）放散的污染特征

    3.1 烘炉放散

    3Q和5Q两段式煤气发生炉设置5 ～ 6 m的干馏段，干馏段一般采用耐火砖砌筑或不定型耐火材料浇筑而成，新炉运行前，需要按照设定的升温曲线进行烘炉处理。煤气发生炉的烘炉过程一般持续5 ～ 7天，烘炉燃料一般采用木材和焦炭，烟气放散采取自然放散形式。

    以Φ3.6 m的煤气发生炉为例，烘炉过程一般需要木材5000 kg、焦炭1000 kg。烘炉过程中放散烟气的主要污染物为少量SO2，通过木材和焦炭的含硫量进行估算（燃烧过程S-SO2转化率取90%），其主要污染物排放量参见表2。

    3.2 点炉送气放散

    3.2.1 启炉阶段

    煤气发生炉烘炉完毕，需要自然冷炉后检查炉衬烘烤效果，然后点火送气。点火送气前期，先用木材引火，然后用焦炭启炉。启炉阶段初期，发生炉放散废气以CO2为主，其排放特征与烘炉阶段相似。随着启炉时间延续，废气中的CO含量逐渐增加，直至火炬放散可以将废气点燃，启炉阶段结束。启炉阶段主要以烟气自然放散形式为主。Φ3.6 m发生炉该阶段木材消耗量约为1500 kg，焦炭消耗量约为5000 kg，木材和焦炭含硫量为表2时，主要污染物SO2排放量约为99 kg左右。

    3.2.2 培养反应层阶段

    启炉阶段结束后，开始利用加煤机向发生炉内加入烟煤，培养氧化层和还原层。经取样化验煤气含氧量少于0.4 ～ 0.8%时，关闭放散阀结束煤气放散，并向煤气净化区设备供气，培养反应层阶段结束[2]。启炉阶段和培养反应层阶段一般延续24 ～ 36 h。培养反应层阶段的放散煤气在放散口点燃，以火炬放散形式排放废气。废气主要污染物为SO2。Φ3.6 m发生炉在该阶段消耗煤炭约3000 kg左右，煤含硫量为0.24%时，S-SO2转化率按照90%计算，其主要污染物SO2排放量约为19 kg左右。

    3.3 加煤放散

    发生炉加煤机多采用中间储仓结构分批次加煤，加煤机结构如图1所示，加煤流程：插板阀2打开后，开启滚筒阀1，向中间储仓3加煤，延时关闭滚筒阀1，然后关闭插板阀2，延时打开钟罩阀4，向煤气发生炉内加煤，完成加煤后，延时关闭钟罩阀4，完成一次加煤过程。每完成一次加煤过程，便放散一中间储仓的煤气。这部分放散煤气经过加煤机上方设置的储煤料仓，通过仓顶放散管高空排放，放散煤气中的焦油等物质大多附着在储煤仓的煤料表面，放散主要污染物为CO、H2S等。

    单位时间内的加煤次数取决于煤的含碳量和发生炉的产气量，例如KM5Q3.6的煤气发生炉加煤机中间储仓容积为0.26 m3，中间储仓容煤空间为0.17 ～ 0.19 m3。气化如表3所示的煤炭，产气量为8000 Nm3/h时，耗煤量为2670 kg/h，发生炉加煤次数约为14 ～ 15次/h。加煤机下钟罩开启时间（发生炉向加煤机中间储仓充气时间）约8 ～ 10 s，由于充气时间较短，充入中间仓的煤气温度接近发生炉的炉顶煤气温度，1Q、3Q、5Q发生炉顶部温度不同，其放散煤气量也存在相应的差异。煤气中CO含量约为28 ～ 32%，H2S的含量与煤的含硫量及煤中所含矿物质和气化炉型等相关。苑卫军等[3]通过5Q两段炉工业试验发现，煤中氧化铁类和碳酸钙类矿物质协同作用，具有较好的炉内固硫效果。一般煤气发生炉中煤的S-H2S转化率约为80%左右[4]。根据以上数据计算，加煤过程放散煤气主要特征参见表4。

    3.4 热备放散

    煤气站出现停电或设备故障时，煤气发生炉需要转入热备状态，待故障排除后再由热备转入运行状态。热备状态时，一般停供水蒸气气化剂，并将鼓风机转入低负荷状态供应空氣，以维持炉内氧化层，或将鼓风机停机，靠放散管的抽吸力由自然吸风阀吸入空气，以维持炉内氧化层。Φ3.6 m的煤气发生炉热备状态时耗煤量约为120 ～ 130 kg/h，热备阶段的放散煤气以火炬放散形式排放废气，废气主要污染物为SO2。S-SO2转化率按照90%计算，气化表3煤种时，Φ3.6 m的煤气发生炉热备过程SO2排放量约为0.8 ～ 0.84 kg/h。

    3.5 停炉放散

    煤气发生炉停炉时，需要停止空气供应，并由炉底进风箱大量鼓入水蒸气，使炉内温度尽快下降。此时炉内为式（3）的吸热还原反应，该反应随着炉温的下降而不断减弱，直至停止。停炉过程一般延续时间较长，在水蒸气充足的情况下一般延续48 h。停炉前期，发生炉产生的尾气H2和CO含量较高，可以点燃，采取火炬放散形式，随着炉温下降H2和CO含量降低，火炬无法点燃废气，此时采取自然放散形式。放散废气主要污染物为SO2。Φ3.6 m煤气发生炉完成一个停炉过程约消耗表3煤炭3000 ～ 4000 kg左右，S-SO2转化率按照90%计算，其SO2排放量约为19 ～ 26 kg。

    3.6 总结

    就Φ3.6 m煤气发生炉而言，加煤过程放散煤气主要特征参见表4，烘炉、点火送气、热备和停炉阶段煤气（或烟气）放散主要特征参见表5。

    加煤过程的煤气放散量较小，而且间歇性强，收集处理难度较大。可以在钟罩阀下部设置气封，当钟罩阀启动加煤时，以高压水蒸气或高压惰性气体形成气封，封闭炉内煤气，避免煤气通过加煤机外泄放散，从而减少加煤过程中煤气放散造成的环境污染。

    烘炉、点火送气、热备或停炉过程中的自然放散烟气或火炬放散烟气，其主要成分是CO2和N2，其主要污染物是SO2，对其采取相应措施进行收集并脱硫处理，可以有效减少环境污染。另外，优化设备结构和操作手段，尽量减少烘炉、点火送气、热备或停炉的延续时间，在节约资源的前提下，也可以有效降低环境污染。

    4 结语

    由于其阶段性和隐蔽性较强，煤气发生炉烘炉、点火送气、热备或停炉过程中煤气（烟气）放散的污染，一直属于被忽视的治理盲点。虽然就单台发生炉而言，污染强度较小，但就全国应用的数量众多的煤气发生炉而言，煤气（烟气）放散造成污染相对就比较严重，不容忽视。需要系统分析其污染特性，进而采取有效措施进行治理，以求煤气发生炉在环保规范性达标的前提下，达到更高的环保水准。

    参考文献

    [1] 苑卫军，郭健，陈玲. 煤气发生炉造气过程煤炭与热量消耗的分布概算[J]. 佛山陶瓷. 2010，7：28-30.

    [2] 寇公. 煤炭气化过程[M]. 北京：机械工业出版社，北京. 1992.

    [3] 苑卫军，王冬青，周金国，等. 干馏式发生炉利用煤中矿物质进行炉内固硫的分析[J]. 能源工程. 2015，6：51-55.

    [4] 郭树才. 煤化工工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，北京. 2006. 283.