發(fā)生爐煤氣

發(fā)生爐煤氣是一種人工制備的可燃性氣體燃料，通過將煤炭在煤氣發(fā)生爐中進(jìn)行不完全燃燒（限制爐底空氣供給，避免煤完全燃盡）生成，核心成分為一氧化碳、氫氣、氮?dú)狻⒍趸嫉龋瑥V泛應(yīng)用于工業(yè)加熱等場(chǎng)景，是工業(yè)生產(chǎn)中重要的廣譜燃料之一。
一、分類
根據(jù)制備時(shí)所用氣化劑的不同，發(fā)生爐煤氣主要分為兩類，二者在熱值和用途上存在明顯差異，同時(shí)也常與其他同類煤氣區(qū)分使用：
空氣煤氣：僅以空氣為氣化劑，與煤炭反應(yīng)制得。其成分中氮?dú)庹急雀哌_(dá)60%左右，可燃成分主要為一氧化碳，還含有少量二氧化碳和氫氣，低位熱值較低，約為3762～4598kJ/m3，多用于化學(xué)原料或煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。
混合煤氣：以空氣和適量水蒸氣的混合物為氣化劑制得，是工業(yè)中最常用的類型。其可燃成分（一氧化碳、氫氣）占比更高，氮?dú)庹急蕊@著降低，低位熱值提升至5016～6270kJ/m3，熱值高于空氣煤氣，主要用于各類工業(yè)爐窯的加熱環(huán)節(jié)。
此外，工業(yè)生產(chǎn)中還有以水蒸氣為氣化劑的水煤氣、以水蒸氣為主加適量空氣的半水煤氣等相關(guān)類型，其中水煤氣的氫氣和一氧化碳含量合計(jì)可達(dá)85%以上，熱值更高，多用于化工原料等場(chǎng)景，與發(fā)生爐煤氣形成互補(bǔ)使用。
二、生產(chǎn)原理與爐內(nèi)分層反應(yīng)
（一）核心生產(chǎn)原理
發(fā)生爐煤氣的制備核心是“煤炭不完全燃燒與氣化反應(yīng)”：首先讓空氣通過煤氣發(fā)生爐內(nèi)的燃料層，碳與氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，提升爐內(nèi)溫度；隨后通入空氣與水蒸氣的混合氣（或單一氣化劑），碳與水蒸氣、氧氣發(fā)生吸熱與放熱結(jié)合的混合反應(yīng)，最終生成包含可燃成分的發(fā)生爐煤氣，整個(gè)過程中通過控制氣化劑供給量，避免煤炭完全燃盡，確保一氧化碳等可燃成分的生成與留存。
（二）爐內(nèi)燃料層分層
煤氣發(fā)生爐內(nèi)的煤炭與氣化劑呈逆流運(yùn)動(dòng)，發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)和熱量交換，自上而下形成6個(gè)明顯的分層（部分分類將其合并為5層），各分層功能與反應(yīng)特點(diǎn)不同，且分層之間無明顯界限，相互交錯(cuò)：
灰渣層：位于爐體最下部，覆蓋在爐篦子上，由煤炭燃燒后的灰渣組成。主要作用是保護(hù)爐篦和風(fēng)帽，避免被高溫?zé)龎模活A(yù)熱從爐底進(jìn)入的氣化劑（可將氣化劑預(yù)熱至300-450℃）；同時(shí)起到布風(fēng)作用，使氣化劑在爐膛內(nèi)均勻分布，其厚度隨操作條件略有波動(dòng)。
氧化層（又稱火層）：位于灰渣層上方，是氣化過程的核心放熱區(qū)域。從灰渣層上升的氣化劑中的氧氣，與熾熱的碳發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，生成二氧化碳，并釋放大量熱量，為后續(xù)還原反應(yīng)提供溫度支撐。反應(yīng)方程式為C+O?→CO?+熱量，氧化層溫度控制在1200℃左右（不超過煤的灰熔點(diǎn)），厚度約為100-200毫米，相當(dāng)于燃料塊度的3-4倍。
還原層：位于氧化層上方，是生成主要可燃?xì)怏w的核心區(qū)域，溫度約為800-1100℃，需吸收大量熱量，熱量來源于氧化層的放熱反應(yīng)。該層主要發(fā)生兩個(gè)還原反應(yīng)：一是二氧化碳與熾熱碳反應(yīng)，生成可燃的一氧化碳（CO?+C→2CO+熱量）；二是水蒸氣與熾熱碳反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣（H?O+C→H?+CO+熱量、2H?O+C→CO?+2H?+熱量），這兩個(gè)反應(yīng)直接決定了發(fā)生爐煤氣的可燃成分含量與熱值水平。還原層可進(jìn)一步分為兩層，下部溫度較高（950-1100℃）的為第一還原層，厚度約300-400毫米；上部溫度較低（700-950℃）的為第二還原層，厚度約450毫米左右。
干餾層：位于還原層上方，溫度約150-700℃。從還原層上升的熱氣體逐漸降溫，煤炭在此層經(jīng)歷低溫干餾過程，其中的揮發(fā)分發(fā)生裂解，生成甲烷、烯烴及焦油等物質(zhì)，這些物質(zhì)受熱汽化后，成為發(fā)生爐煤氣的組成部分。干餾層厚度隨煤炭中揮發(fā)分含量及操作條件變化，一般不低于100毫米。
干燥層：位于干餾層上方，是燃料的面層，溫度介于室溫至150℃之間。剛進(jìn)入爐內(nèi)的煤炭與上升的熱煤氣在此發(fā)生熱交換，煤炭中的水分受熱蒸發(fā)，避免水分進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)層影響反應(yīng)效率，其厚度無穩(wěn)定值，隨操作條件波動(dòng)。
空層：位于干燥層上方，是爐體內(nèi)的自由區(qū)域，主要作用是匯集生成的煤氣。部分情況下，煤氣在此層短暫停留時(shí)，會(huì)發(fā)生少量副反應(yīng)，如一氧化碳分解生成二氧化碳和炭黑等，對(duì)煤氣成分產(chǎn)生輕微影響。