苑卫军 苏亚斌 徐东海 王辉
（唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063300）
摘要：简要介绍了KM5Q两段式煤气发生炉热煤气站工业化系统的基本情况，并对其终端煤气当量热值和系统有效能源利用效率进行了计算和说明。通过对比KM5Q两段式煤气发生炉热煤气站与3Q两段式煤气发生炉热煤气站，说明前者的终端煤气当量热值高于后者，指出KM5Q两段炉热煤气站在玻璃熔窑中的应用效果要优于3Q两段炉热煤气站。同时指出：采取充分回收利用系统清理出的焦粉和焦油的措施，和强化保温效果，以提高终端煤气温度的措施，都可以有效提高系统的能源利用效率。
关键词：KM5Q两段式煤气发生炉；3Q两段式煤气发生炉；煤气；焦油；当量热值；能源利用效率
Summary and analysis of industrial application of KM5Q two-stage gasifier hot gas station
YUAN Wei-jun SU Ya-bin XU Dong-hai Wang Hui
（ Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd, Hebei Tangshan 063300）
Abstract: This article briefly introduces the basic situation of the industrialization system of the KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station, and calculates and explains the terminal gas equivalent calorific value and the effective energy utilization efficiency of the system. A comparison between KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station and 3Q double-stage coal gasifier hot gas station shows that the terminal gas equivalent calorific value of the former is higher than that of the latter. It is pointed out that the application effect of KM5Q double-stage coal gasifier hot gas station in glass melting furnace is better than 3Q double-stage coal gasifier hot gas station. At the same time, it was pointed out that the measures to fully recycle the coke powder and tar removed by the system, and the measures to strengthen the heat preservation effect to increase the temperature of the terminal gas can effectively improve the energy efficiency of the system.
Keywords: KM5Q Double-stage coal gasifier; 3Q Double-stage coal gasifier; Coal gas; Tar; Equivalent calorific value; Energy efficiency
1. 引言
煤气发生炉煤气站作为玻璃熔窑的燃料供应单元，应用极为广泛。虽然近几年国家环保形势趋紧，“煤改气”政策频出，但基于国家现行环保标准及目前的能源安全形势分析，煤气发生炉作为洁净煤转化的技术装备，符合我国的能源结构要求，辅以先进技术的发生炉煤气站可以达到或优于国家的现行环保标准要求【1】【2】，故而，煤气发生炉在玻璃行业仍然具有其合理性的发展需求。对煤气发生炉先进技术的研究和探讨，具有现实性和储备性的意义。基于以上考虑，本文就KM5Q发生炉热煤气站在水玻璃熔窑的工业化应用过程，进行总结和分析，旨在探究先进的发生炉工艺技术在玻璃行业的应用，继而不断提高煤气发生炉的技术水平。
2. KM5Q两段式发生炉热煤气站的工业化应用
2.1 煤气站基本情况
福建南平某水玻璃生产企业选用KM5Q3.2两段式煤气发生炉热煤气站，为水玻璃熔窑供应煤气。KM5Q两段式煤气发生炉【3】【4】结构如图1示意，其气化段产生的煤气M全部上行，进入干馏段对煤进行干馏和干燥，同时生成干馏煤气M，和焦油，M和M，汇总后导出炉外。煤气发生炉热煤气站工艺流程如图2所示，KM5Q两段式煤气炉出煤气（煤气温度420℃）经旋风除尘器捕除粉尘后，经过隔断水封，然后通过厂区煤气管道输送至煤气交换机后供熔窑燃烧。煤气交换机前煤气温度约为300℃，煤气交换机后煤气温度约为240℃。
煤气站以神府煤田的弱粘结性烟煤作为气化用煤，其工业分析数据如表1，发生炉煤气成分化验数据如表2，实测灰渣含碳量为5.5-6.6%，依据以上数据进行碳平衡计算，结果显示该煤的产气率约为3.1Nm3/kg。煤气发生炉单炉耗煤量为40t/d，单炉产气量约为5200Nm3/h（单炉生产负荷约为70%）。煤气站装机功率及实际耗电情况如表3。
2.2 煤气析出物清理
煤气站系统的煤气析出物清理节点包括旋风除尘器、隔断水封、厂区煤气管道沉降室及煤气交换机。旋风除尘器每8h清理一次，清理出的物质为经过干燥和热解后的焦粉；隔断水封每8h清理一次，其清理物以焦粉为主，并混有少量焦油；厂区煤气管道沉降室每隔7天清理一次，其主要物质是焦油；煤气交换机每8h清理一次，由于此节点处煤气温降较大，焦油析出量也比较多，其清理物质为焦油。表4所列为各清理节点的物质清理基本情况。
2.3 终端煤气当量热值及系统有效能源利用效率
2.3.1 终端煤气当量热值计算
依据其他相关冷煤气站和半冷煤气站的工业化数据，KM5Q两段式煤气发生炉气化神府煤田的烟煤，其焦油产率约为入炉煤量的7.5%左右【5】【6】。据此推算，本煤气发生炉炉出煤气的焦油含量约为：(40×〖10〗^6×7.5%)/(24×5200)=24.04g/Nm3干煤气。由表4可知，煤气输送过程中24h焦油析出量为：100+5=105kg，折合数据为：(105×〖10〗^3)/(24×5200)=0.84g/Nm3干煤气。即入熔窑前煤气中焦油含量约为：24.04-0.84=23.2 g/Nm3干煤气。焦油低位发热量按照7800×4.18kJ/kg计算，煤气中所含焦油的发热量为：23.2×10-3×7800×4.18=756kJ/Nm3干煤气。
入熔窑前煤气温度为240℃，煤气比热容取1.453kJ/（Nm3•℃），则煤气的物理显热为：1.453×240=349kJ/Nm3干煤气。根据表2数据计算，干煤气低位发热量为6220kJ/Nm3。综上计算，入熔窑前终端煤气当量热值为：6200+756+349=7305kJ/Nm3干煤气。
2.3.2 系统有效能源利用效率【7】计算
本煤气站系统能源输入项主要包括气化用煤和系统耗电，系统有效输出项为入熔窑的发生炉煤气。输入项中气化用煤提供的热量为：(40×〖10〗^3×28.03×〖10〗^3)/(24×5200)=8984kJ/Nm3干煤气；根据表4数据计算，煤气站系统用电耗能量为：(483.80×3600)/(24×5200)=14kJ/Nm3干煤气。综合以上数据计算，煤气站系统有效能源利用效率为：7305/(8984+14)=81.2%。
3 工业化应用的总结与分析
3.1与3Q两段炉热煤气站的应用比较
目前，玻璃行业3Q两段炉热煤气站的应用相对较多，3Q两段式煤气发生炉结构示意如图3，其炉内煤气导出流程与KM5Q两段炉不同，其气化段产生煤气M分两部分M1和M2，其中M1上行进入干馏段对煤进行干馏和干燥，同时生成干馏煤气M3和焦油，M1和M3组成上段煤气导出炉外；M2则通过下段煤气夹层通道，不经过干馏段直接以下段煤气的形式导出炉外。3Q两段炉热煤气站工艺流程如图4所示，下段炉出煤气（煤气温度450-470℃）进入旋风除尘器，捕除煤气中携带的粉尘后进入隔断水封，同时上段炉出煤气（煤气温度80-120℃）也进入隔断水封，上下段煤气在隔断水封处汇合后，通过厂区煤气管道输送至煤气交换机，然后进入熔窑燃烧。
表5为煤气发生炉副产煤焦油的馏程试验数据，轻质煤焦油的初馏点温度为188℃，重质煤焦油的初馏点温度为177℃。3Q两段式发生炉上段煤气温度范围为80-120℃，此温度范围已远低于煤焦油的初馏温度，说明3Q两段炉上段煤气中携带的焦油已经全部冷凝为液态，以液滴或雾滴状态随煤气漂移。
3Q两段炉上下段煤气流通体积比一般为1:2，假设上段煤气温度为120℃，下段煤气温度为470℃。在不考虑液态焦油汽化吸热的前提下，假设上下段煤气在隔断水封处进行绝热状态下的充分混合，混合后的煤气温度为353℃。实际情况是上下段煤气在低于353℃的情况下，仅进行短暂时间的混合，则上段煤气携带的液态焦油绝大部分不可能得以汽化，仍然以液态形式存在于混合后的煤气中。 即3Q两段炉煤气自发生炉出口开始至熔窑前，其所含焦油绝大部分一直以液态形式存在。而KM5Q两段炉炉出煤气温度为420℃，至煤气交换机前煤气温度为300℃，煤气中的焦油在煤气输送过程中，大部分时间是以气态形式存在的。如此可以推断：KM5Q两段炉热煤气站的焦油清出量要低于3Q两段炉热煤气站，其终端煤气由于焦油含量高，其当量热值也高于后者。综合以上分析，KM5Q两段炉热煤气站在玻璃熔窑中的应用，其效果应该优于3Q两段炉热煤气站。
3.2 系统优化措施
3.2.1 系统清理物利用
由表4数据可知，煤气站自旋风除尘器等处不断清理出焦粉和焦油等高热值物质，造成系统能耗指标增加，严重影响了系统的有效能源利用效率。可以考虑将这些焦粉和焦油，再配以煤气站筛下煤粉和少量灰渣，混合后压制成气化型煤，将其回炉气化【8】，从而有效提高系统的能源利用效率。这部分物质如果得以充分利用，系统有效输出能量增加量为：(5932×〖10〗^3)/(24×5200)=48kJ/Nm3干煤气，则系统有效能源利用效率提高为：(7305+48)/(8984+14)=81.7%，较采取此措施前提高了0.5%。
3.2.2 强化煤气输送过程的设备及管道保温
本煤气站自煤气发生炉出口至煤气交换机后，煤气温度降低了180℃，干煤气物理显热减少量为：1.453×180=262kJ/Nm3干煤气。采取有效措施，强化煤气输送设备及管道的保温效果，可以有效提高系统的有效能源利用效率。假设在充分回收利用系统清理物的前提下，再将终端煤气温度提高60℃，则系统有效能源利用效率可以提高为：(7305+48+（1.453×60）)/(8984+14)=82.7%，较采取此措施前提高1%。
4. 结论
（1）综合考虑干煤气的低位发热量、煤气中焦油的热量和煤气物理显热等因素，KM5Q两段式发生炉热煤气站入熔窑前煤气的当量热值为7305kJ/Nm3干煤气，煤气站系统有效能源利用效率为81.2%。
（2）KM5Q两段炉热煤气站的焦油清出量低于3Q两段炉热煤气站，其终端煤气的当量热值高于后者，其在玻璃熔窑中的应用效果也优于后者。
（3）将系统清理出的焦粉和焦油，配以煤气站筛下煤粉和少量灰渣，混合后压制成气化型煤，将其回炉气化，系统的能源利用效率可以达到81.7%。
（4）强化煤气输送设备及管道的保温效果，提高终端煤气的温度，可以有效提高系统的能源利用效率。在充分回收利用系统清理物的前提下，再将终端煤气温度提高60℃，则系统有效能源利用效率可以达到82.7%。
参考文献：
苑卫军，韩明汝，杨征，王辉. 基于环保标准发生炉冷煤气作为玻璃熔窑燃料相关问题分析［J］. 玻璃，2020 47（01）：51-55.
苑卫军，王辉，韩明汝，杨征. 基于环保标准和能源安全玻璃熔制燃料选择分析［J］.玻璃，2019，46（12）：52-57.
唐山科源环保技术装备有限公司，带干馏段的单出口煤气发生炉［P］，中国：200520024406.X，2006年8月
苑卫军，常压固定床带干馏段煤气发生炉研究（硕士学位论文）［D］，北京：清华大学，2004
苑卫军，刘春道，张艳，王冬青. 发生炉冷煤气站处理焦油废水生产总结［J］，燃料与化工，2016，47（02）:42-45.
苑卫军，成振刚，王愿新. 干馏式发生炉煤气站处理焦油废水生产过程的总结分析［J］. 煤化工，2015，43（06）：45-49.
苑卫军，李建胜，郭健. 煤气站能量利用效率评价［J］. 玻璃，2010，37（02）：31-33.
苑卫军，韩明汝，王辉，杨征. 煤气站副产焦油的处置与污染治理［J］. 玻璃，2019，46（11）：49-53.
第一作者
姓名：苑卫军（1968-），男，河北省霸州市，高级工程师，工程硕士，1990年本科毕业于华北理工大学；从事工作内容：煤炭气化行业；研究方向：煤气化工艺及设备；联系电话： 13703243469； E-mail：2329081462@qq.com。
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