干馏煤气

干馏煤气　　煤在隔绝空气条件下受热分解产生的气体。煤干馏的目的是充分利用煤中所含的有机质，除煤气外，还得到焦炭和多种有价值的化学产品。干馏煤气是最早用做城市燃气的传统气源。在天然气和油制气未广泛开发的地区，它仍是城市燃气的主要气源。 煤的热解过程大体可以分为以下几个阶段:在200°C前，它的外形和结构均无变化，是煤的干燥和预热阶段，同时析出吸附在煤中的 CO2、CH4等气体；200～250°C时，煤质开始分解,分解出化合水、CO2、CO、CH4等气体及少量焦油蒸气；300～450°C时，由于侧链的断裂，生成大量的液体、高沸点焦油和固体微粒，煤质逐渐软化、熔融、流动和膨胀，生成胶质体；450～550°C时，胶质体进一步分解、析出气体，生成半焦；550～650°C时，半焦继续析出气体（主要是CH4和H2）而收缩，同时出现裂纹；650～900°C时，半焦进一步收缩和析出气体，最后变成焦炭。

干馏煤气　　煤干馏过程主要经历如下变化：当煤料的温度高于100℃时，煤中的水分蒸发出；温度升高到200℃以上时，煤中结合水释出；高达350℃以上时，粘结性煤开始软化，并进一步形成粘稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至400～500℃大部分煤气和焦油析出，称一次热分解产物；在450～550℃，热分解继续进行，残留物逐渐变稠并固化形成半焦；高于550℃，半焦继续分解，析出余下的挥发物（主要成分是氢气），半焦失重同时进行收缩，形成裂纹；温度高于800℃，半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时，一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触，发生二次热分解，形成二次热分解产物（焦炉煤气和其他炼焦化学产品）。

　　煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件（主要是温度和时间）。随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦，煤气产率低，焦油产率高；高温干馏固体产物则为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低。中温干馏产物的收率，则介于低温干馏和高温干馏之间。煤干馏过程中生成的煤气主要成分为氢气和甲烷，可作为燃料或化工原料。高温干馏主要用于生产冶金焦炭，所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物，是工业上获得芳烃的重要来源；低温干馏煤焦油比高温焦油含有较多烷烃，是人造石油重要来源之一。

干馏煤气　　最早的煤干馏沿用传统的烧炭技术，将煤堆成圆堆，其上覆盖泥土或焦屑，在中心引燃后制焦。其后出现了干馏炉，利用导出的煤气从炉外加热。加热的部分称为燃烧室，煤料干馏的部分称为炭化室。为提高热能利用,又增加了换热室,以后改进成为蓄热室。随着城市燃气发展的需要，逐渐形成了以制气为目的的煤干馏工业。

　　干馏时煤料从炉墙两壁加热，因此从炉墙到煤料中心的受热是不均匀的，出现温度梯度，即同时存在着煤热解过程的各个阶段。干馏过程层层推进，直到煤料全部变成焦炭为止。煤料热分解所析出的气态产物，在导出时与红热的煤料或焦炭接触，发生二次分解反应。

　　干馏在工业上以成焦最终温度分类，一般将最终温度在900°C以上的称高温干馏，600°C以下的称低温干馏，介于两者之间的称中温干馏。城市燃气工业一般不采用低温干馏。

干馏煤气　　干馏制气的炉型主要有水平炉、立箱炉、连续直立式炭化炉和焦炉。前两种炉型曾使用于中小型煤干馏制气厂。大中型煤干馏制气厂多采用连续直立式炭化炉和焦炉。连续直立式炭化炉在顶部连续加料，底部连续出焦。它对煤种的要求较宽，可使用单种煤，煤气质量稳定，废气和排焦温度低,热耗少,生产量有较大幅度的调节能力，适用于中小城市独立煤气厂。焦炉的操作为顶部间歇加煤和侧向间歇推焦。它以生产冶金焦为主,煤气只是作为副产品。在以制气为目的时,要注意焦炭的合理利用以及用低发热量燃气加热，使全部焦炉煤气外供。也可采用适当煤料生产气化用焦，后者在煤气厂内气化，生产气化煤气。现代焦炉具有产气量大、机械化自动化程度高、焦炭质量好、焦炉煤气成本低的优点。

　　抚顺矿业集团页岩炼油厂对油页岩进行炼制所采用的工艺为抚顺式炉干馏工艺，其最关键的干馏设备即为抚顺式干馏炉（简称抚顺式炉）。这是一种将油页岩干馏过程和页岩半焦气化过程连接在一起的直立圆筒式炉。成品页岩由炉顶装入机送入干馏炉内，干馏产物也由炉顶导出，经冷凝回收系统的洗涤和冷却，主要产品面岩油被送往成品油罐，所得副产品——干馏煤气中的一部分送蓄热式加热炉进行加热，作为干馏炉的循环煤气，一部分作为蓄热式加热炉的燃料，剩余部分则送往锅炉作为燃料。

　　一、抚顺式干馏炉工作原理

　　1.抚顺式干馏炉的结构

　　抚顺式干馏炉的结构见图1

　　图1 抚顺式干馏炉结构图

　　抚顺式干馏炉由加料设备、炉体及排灰设备三部分组成。

　　（1）加料设备

　　该设备也叫页岩装入机，位于炉顶部位，由放料溜槽和闸板组成，成品仓内的油页岩经放料溜槽进入干馏炉。放料为间歇式操作。为了防止向炉内抽入空气，放料溜槽上装有气动闸板。

　　（2）炉体

　　这是干馏炉的主要部分。炉腔被中间的拱台分为上部干馏段和下部气化段两部分，中间除拱台外，还有由耐火砖砌成的环形空间即混合室。

　　（3）排灰设备

　　该设备由排灰器、风头、水盆和铁锹四部分组成，安装在炉底盘之上，炉盘按一定方向不断转动，页岩灰通过铁锹排至炉外。

　　2.抚顺式干馏炉的干馏工艺流程

　　12mm~75mm的成品油页岩，由干馏炉上部的装入机进入干馏炉内，在干馏段进行干燥、预热与干馏，此时大部分页岩油被释放出来。干馏后的页岩半焦进入气化段与炉底通入的热主风进行激烈的燃烧反应，然后形成页岩灰被排灰设备排出炉外。在气化段，主风与页岩半焦中的固定碳反应生产的煤气作为热载体，分别由混合室及炉中间腰部进入干馏段，供给页岩干馏所需热量，最后与干馏煤气一起通过炉上部的阵伞导出炉外。正常情况下，炉出口干馏煤气的温度范围为80℃~120℃。

　　二、抚顺式干馏炉料空过大的危害

　　在实际生产中，曾发生过干馏炉爆炸情况，严重的导致干馏段人孔崩开、炉皮扯坏，不仅危及人身安全，而且造成生产中断，轻微的则使炉子“鼓包”，炉内耐火砖脱落，为维修工作增加负担。上述情况多发生在炉子的干馏段。干馏炉发生爆炸的原因很单一，即为干馏炉料空过大，导致空气进入干馏段，使干馏煤气达到爆炸极限所造成。

　　1.干馏炉出口导出物的组成

　　从抚顺式炉干馏炉上部导出的气体为各种干馏产物与水蒸汽的混合物，其中干馏产物的组成情况见表1。

　　表1 干馏产物的组成及其含量

　　导出物中所含煤气包括三个部分：一部分是油页岩干馏所产生的煤气；一部分是作为热载体的循环煤气；还有一部分是干馏炉气化所产生的发生煤气。这三部分统称为干馏煤气。各部分煤气产生量见表2。

　　表2 各部分煤气产生量

　　2.干馏煤气的组成及其爆炸极限

　　抚顺煤科院曾对该厂干馏煤气的组成及其爆炸极限进行了实验研究，分析结果如下。

　　（1）干馏煤气的组成

　　干馏煤气的组成见表3。

　　表3 干馏煤气的组成（v/v）

　　由表3可以算出：干馏煤气中可燃气体含量为14.94%。

　　（2）干馏煤气的爆炸极限

　　图2为煤气爆炸性判定示意图，其中，三角形ABC为干馏煤气与空气混合后的爆炸范围。直线P标志着干馏煤气的爆炸性状态，而点E为爆炸上限，即可燃气体含量为8.1%,氧含量为7.8%；点D为爆炸下限，即可燃气体含量为4.75%，氧含量为13.5%。

　　正常生产过程中的干馏煤气，可燃气体含量为14.94%,氧含量为3.66%，其状态处于可燃气过量区，可燃气含量过大而氧含量过小，不在爆炸范围之内，安全性较高。但如果煤气中进入空气，其状态将沿图中直线P向E点移动，从而进入爆炸范围。

　　图2 煤气爆炸性判定示意图

　　干馏炉是一个密闭的定容绝热系统，若进入空气而使其中的氧含量达到爆炸极限时，干馏煤气的压力、温度会急剧升高，燃烧速度猛增而引起干馏炉爆炸。所以当干馏炉内的压力、温度增加时，干馏煤气的爆炸范围也将加宽。

　　3.干馏炉爆炸危险因素分析

　　从干馏煤气的爆炸性判定结果可以看出，干馏炉发生爆炸的主要危险因素是炉内进入了空气，瞬间造成氧含量增大，达到爆炸上限（7.8%）时，煤气即发生爆炸。干馏炉料空过大是使空气进入炉内的直接因素，而造成干馏炉料空过大的原因有：

　　（1）岗位人员没有按时、按量放页岩，造成干馏炉内料空过大，干馏段温度偏高，使煤气爆炸范围扩大。

　　（2）岗位人员凭感觉放页岩，放页岩过程完毕后不认真探料，使炉内料空未达到要求。

　　（3）干馏炉单炉页岩处理量过大，与放页岩操作间隔时间不匹配，造成炉内料增大。

　　（4）雨雪季节时，页岩湿碎，严重堵塞装入机，使放页岩操作困难，延长了放页岩操作的时间。

　　（5）干馏炉阵伞拉筋松动或断开，使阵伞倾斜，造成上部页岩布料不均，炉内局部料空过大。

　　（6）页岩内混入杂物或页岩块度过大而卡在阵伞上部，使阵伞托货，使炉内料空增大。

　　（7）干馏段出现炼炉，页岩结焦现象严重，也会造成料空过大。

　　4.干馏炉料空过大的防范措施

　　（1）按时、按量进行放页岩操作，将操作时间控制在最小范围之内，并认真执行探料操作。

　　（2）认真做好干馏炉的单炉调整，使其页岩处理量与放页岩间隔时间相匹配。

　　（3）当出现炉内局部料空大或发生炼炉时，炉内各处的温度将会超出正常控制范围，所以要认真监视各干馏炉的出口、干馏段及发生段的温度，发现异常时及时查找原因并做出相应的处理。

　　三、建议

　　1.在干馏炉炉顶处安装料位计，用计算机监控炉内页岩料位情况，并将料位设定在一个工艺范围之内，超出该范围即发出报警信号，便于岗位人员及时操作。

　　2.采用PID控制程序对页岩装入机进行改造，通过计算机控制即可进行气动闸板的开关等放页岩操作，既方便、快捷，还可以解决放页岩操作时炉顶跑烟大对岗位人员的人身伤害。

　　3.在干馏炉上部增设预热段，利用烟道气将页岩加热至105℃，使其失去外在水分，有利用雨季节的放页岩操作及湿碎页岩的干馏操作。

　　4.在干馏炉顶部设置带有双闸板的中间料仓，仓贮量可根据干馏炉的每小时最大处理量进行设计，并在料仓内通入烟道气以驱赶页岩内所带的空气。

　　四、结论

　　1.抚顺式干馏炉是抚顺式炉干馏工艺中的一个重要的干馏设备，油页岩由炉顶上部的页岩装入机送入炉内，而包括干馏煤气在内的干馏产物由炉顶导出管导出。

　　2.正常情况下，干馏煤气的组成中可燃气体含量过大而氧含量过小，其安全性较高，但如果煤气中进入空气或温度、压力波动较大时，其爆炸范围将扩大。

　　3.实际生产中如果干馏炉料空过大，易使空气进入干馏炉内，而且此时干馏内炉内的温度、压力均有波动，若操作不规范，极易引起干馏炉内干馏煤气爆炸。

　　4.实际生产中，严格执行放页岩操作步骤及规程，认真监控各种工艺指标特别是干馏炉各处温度的变化情况，做好巡回检查等，均可避免料空过大而造成的干馏炉爆炸事故。

　　5.安装料位计及采用先进的PID控制技术除可改善作业环境、减少工人劳动强度之外，还可以减少因料空过大和进入空气而使干馏爆炸的情况，值得推广应用。

　　6.为干馏炉增设预热段可以保证页岩湿碎时的正常干馏操作，炉顶增设双闸板中间料仓并通入烟道气进行气封，也可以减少放页岩时带入的空气量。

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