固定層間歇生產(chǎn)造氣爐吹風(fēng)量分析

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1、固定層間歇生產(chǎn)造氣爐吹風(fēng)量分析杜始南，白二川(山西原平化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西原平034100)2004-07-16眾所周知，影響固定層間歇生產(chǎn)造氣爐制氣反應(yīng)的主要因素是溫度。如果氣化層溫度遠(yuǎn)低于灰熔點(diǎn)t，增加吹風(fēng)時(shí)間或加大風(fēng)量都能夠提高氣化層溫度，從而有利于蒸汽分解，多產(chǎn)煤氣；但如果氣化層溫度已達(dá)灰熔點(diǎn)，繼續(xù)提高吹風(fēng)量反而易造成爐內(nèi)結(jié)塊、結(jié)疤。固定層造氣爐的生產(chǎn)能力，歸根結(jié)底，取決于吹風(fēng)階段爐內(nèi)的蓄熱狀況。在爐型和原料確定后，吹風(fēng)量的大小就成了關(guān)鍵。本文將結(jié)合調(diào)試實(shí)踐，對(duì)此作深層次的分析。1爐內(nèi)吹風(fēng)氧化層1.1爐內(nèi)氣相溫度

2、比固相溫度高很多由吹風(fēng)時(shí)炭氧化過(guò)程的原理知，炭與氧的燃燒反應(yīng)是不可逆的，在溫度高于1000℃時(shí)，燃燒產(chǎn)物主要為CO，而在500℃以下，燃燒產(chǎn)物主要為CO2。然而，只要?dú)饬髦黧w存在一定的氧濃度，高溫燃燒所產(chǎn)生的CO又會(huì)立即與氣流主體中的O2二次燃燒，形成CO2。實(shí)驗(yàn)證明，炭燒成灰，固相溫度最高為灰熔點(diǎn)溫度；而氣相溫度卻很高(最高達(dá)1800℃)，高溫炭粒和最高CO2濃度的球面是造成爐內(nèi)火層中氧化層氣相溫度大大高于固相炭溫度的真正原因。1.2一次風(fēng)的氧在氧化層被完全耗光炭與氧的燃燒反應(yīng)，在溫度＜527℃時(shí)，為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程控制，是在整個(gè)炭

3、顆粒中進(jìn)行的；527～927℃時(shí)，處于微孔擴(kuò)散控制，受O2鉆進(jìn)炭微孔的速率制約。燃燒速率與溫度的關(guān)系決定于活化能。在化學(xué)反應(yīng)控制區(qū)，炭氧本征反應(yīng)的活化能為138kJ／mol；在微孔擴(kuò)散區(qū)，表觀活化能為本征反應(yīng)活化能的一半，即69kJ／mol左右。外擴(kuò)散控制區(qū)，即溫度＞927℃時(shí)，炭氧反應(yīng)速率只受氧擴(kuò)散到炭外表面的過(guò)程控制，反應(yīng)速率幾乎與溫度無(wú)關(guān)。這也是一次風(fēng)的氧在氧化層為什么瞬間被燒得精光的原因。1.3吹風(fēng)氧化層的厚度很薄試驗(yàn)證明，吹風(fēng)氧化層在1100～1450℃的高溫區(qū)，厚度僅100～150mm，原因就是炭氧燃燒外擴(kuò)散控制過(guò)程反

4、應(yīng)速率超乎想象的快。因?yàn)镺2僅需擴(kuò)散至CO二次燃燒的球面，并在此被非常徹底地消耗光。2吹風(fēng)過(guò)渡層一次風(fēng)在氧化層燃燒后，氧與炭反應(yīng)生成了CO2，所以過(guò)渡層的熱量來(lái)源不是來(lái)自炭燃燒。過(guò)渡層的炭由于緊挨吹風(fēng)氧化層，其熱量來(lái)自高溫氧化層熔融炭灰渣的輻射熱及熱氣體上行在氣固對(duì)流中的傳熱。由氧化層來(lái)的煙氣中只有CO2和N2。過(guò)渡層實(shí)際上只進(jìn)行CO2的還原反應(yīng)，CO2和高溫碳反應(yīng)生成CO，因此，吹風(fēng)煙氣中除了N2和CO2外，還有CO。2.1過(guò)渡層的厚度決定于一次風(fēng)量輻射傳熱傳給過(guò)渡層的熱量幾乎全被吸收，過(guò)渡層與氧化層界面的溫度跟氧化層一樣高。氧

5、化層上行的吹風(fēng)氣溫度極高，根據(jù)過(guò)渡層厚度不同，傳熱溫差達(dá)800～900℃。氣固對(duì)流傳熱的傳熱系數(shù)主要取決于氣體對(duì)固體的沖擊程度。一次風(fēng)量愈大，煙氣量愈大，煙氣流速就愈大，高溫?zé)煔鈧鹘o過(guò)渡層的熱量也就愈多，過(guò)渡層就愈厚。2.2吹風(fēng)煙氣CO含量與造氣爐況的關(guān)系吹風(fēng)煙氣從炭的氧化層出來(lái)時(shí)的主要成分是CO2+N2，經(jīng)炭過(guò)渡層后，主成分變成了CO2+CO+N2。過(guò)渡層以上的炭層，僅接受氧化層過(guò)來(lái)的煙氣的對(duì)流傳熱，溫度不高(900～400℃)，所以，吹風(fēng)煙氣在這段行程中可認(rèn)為只進(jìn)行換熱，基本無(wú)化學(xué)反應(yīng)。吹風(fēng)煙氣上行至上氣道，經(jīng)燃燒室、廢熱鍋爐

6、從煙囪放空。由于在燃燒室未加二次風(fēng)，故整個(gè)行程也只傳熱、無(wú)反應(yīng)。所以，可從煙囪取樣分析煙氣中的CO含量來(lái)評(píng)判造氣爐的爐況。2.3吹風(fēng)煙氣分析CO的含量有個(gè)較低值吹風(fēng)過(guò)渡層上面進(jìn)行的CO2還原反應(yīng)的反應(yīng)速率遠(yuǎn)較燃燒反應(yīng)慢。該反應(yīng)在1000℃以下為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，在1000℃以上為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程控制。但不管是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制還是內(nèi)擴(kuò)散控制，此反應(yīng)速率都強(qiáng)烈依賴于溫度。在過(guò)渡層的迎氧面，由于溫度高，CO2還原反應(yīng)特快，再往上，隨著溫度的降低，CO的平衡含量急劇下降。因此，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，煙氣對(duì)流傳熱給過(guò)渡層的熱量較多，過(guò)渡層溫度較高，CO2還原

7、反應(yīng)更趨充分；風(fēng)速較低時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)過(guò)渡層的時(shí)間將較長(zhǎng)，由于時(shí)間因素的作用，也能使CO2還原反應(yīng)充分。各種爐況下的吹風(fēng)煙氣CO含量有個(gè)較低值。因?yàn)镃O2分解需要消耗爐內(nèi)熱量，盡管可以用吹風(fēng)煙氣余熱回收裝置回收吹風(fēng)煙氣中的CO潛熱，但畢竟移走了爐內(nèi)熱量，會(huì)降低煤氣產(chǎn)量，因此，一般不希望吹風(fēng)煙氣里含有太多的CO。我公司2004年2月對(duì)4#爐最佳吹風(fēng)量尋優(yōu)調(diào)試的記錄如表1。通過(guò)表中反映的吹風(fēng)量和吹風(fēng)煙氣CO含量數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)量在28500～29700m3/h時(shí)，吹風(fēng)煙氣中CO含量較低。3合適吹風(fēng)量吹風(fēng)量決定了爐內(nèi)蓄熱量，亦即決定了爐內(nèi)吹

8、風(fēng)氧化層的溫度、厚度，以及爐內(nèi)過(guò)渡層的溫度、厚度，從而決定了制氣氣化層的狀態(tài)。由此可見(jiàn)一次風(fēng)量在造氣爐制氣生產(chǎn)中的重要性。爐內(nèi)氣化層溫度的提高靠更多的氧跟炭燃燒反應(yīng)放出熱，故風(fēng)量愈大放熱愈多?；胰埸c(diǎn)高的原料允許一次風(fēng)量大一些。但風(fēng)量的上限受兩個(gè)因素