貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究

第38卷第1期煤炭轉化Vol. 38 No. 12015年1月COAL CONVERSIONJan.2015貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究婁彤"張忠孝2)周志豪3)摘要選取貴州典型高灰熔點(diǎn)煤種老礦中煤,在柱塞流反應器中進(jìn)行氣化特性研究,在未反應碳縮核模型以及動(dòng)力-擴散模型兩種氣化反應動(dòng)力學(xué)模型的基礎上，建立了相應的一維柱塞流氣化小室模型.結果表明,當反應溫度從1 200 C上升至1 500 C時(shí),CO2的體積分數下降約15%，CO的體積分數上升約16%,H2的體積分數上升約2%,碳轉化率上升約20%;在相同溫度下,水煤漿濃度增加5%,CO的體積分數約增加3%,H2的體積分數約增加0. 5%,碳轉化率下降約1.5%,氣化模型計算結果與實(shí)驗結果吻合較好.同時(shí)建議在實(shí)際氣化爐運行過(guò)程中，應提高水煤漿濃度,以保證碳轉化率同時(shí)盡量提高合成氣有效成分.關(guān)鍵詞高灰熔點(diǎn)煤,氣化,動(dòng)力 學(xué)模型,柱塞流中圖分類(lèi)號TQ54, TQ018條件,分別基于兩種不同的氣化反應動(dòng)力學(xué)模型,建0引言立了一維柱塞流反應的氣流床氣化爐小室模型,以預測高灰熔點(diǎn)煤的氣化過(guò)程.煤氣化技術(shù)作為目前潔凈煤技術(shù)的重要組成部分,在近年來(lái)有著(zhù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展.而氣流床氣化技1實(shí)驗部分術(shù)以其高效高容量等優(yōu)勢,成為煤氣化的主流技術(shù).氣流床氣化爐內的反應非常復雜,有學(xué)者采用實(shí)驗1.1 裝置及實(shí)驗方法的方法探索氣流床氣化爐內部反應的規律,實(shí)驗裝置一般采用柱塞流反應器[12]實(shí)驗臺或者熱天平實(shí)水煤漿常壓柱塞流氣化實(shí)驗系統見(jiàn)圖1. 該實(shí)驗臺.[34]也有學(xué)者采用模擬的方法嘗試描述氣化行驗系統由水煤漿供給系統、--維高溫管式電加熱爐、為,模型分為平衡模型C57和動(dòng)力學(xué)模型.平衡模型供氣系統、鎖渣罐、氣體凈化檢測系統以及合成氣并不能描述整個(gè)氣化的過(guò)程,只能得出氣化過(guò)程之燃燒爐等部分組成.其中,一維高溫管式沉降爐爐膛后的結果,而動(dòng)力學(xué)模型則可描述每個(gè)變量在氣化為長(cháng)2.1m,內徑50mm的剛玉管,加熱元件為硅過(guò)程中的變化.小室模型89]被證明適用于氣流床氣.鉬棒(最高可控溫度為1 600 C);水煤漿供給系統化爐的氣化過(guò)程模擬,其中煤焦異相反應速率一般由煤漿罐、攪拌器、濾網(wǎng)、煤漿泵和霧化噴嘴等組成，/ W ater cooling lube使用未反應碳縮核模型810]和隨機孔模型211進(jìn)行NozzleCooing waer Agilatory計算.傳統的氣流床氣化技術(shù)只適用于低灰熔點(diǎn)煤，因此部分文獻的研究目標為低灰熔點(diǎn)煤1112],少量PumpTank文獻采用實(shí)驗的方法來(lái)研究高灰熔點(diǎn)煤的氣化特Heating elementFlowmeter8性[13,而且并無(wú)相對應的模擬結果.本實(shí)驗在水煤Gas combustion furnace漿常壓柱塞流氣化反應器中,對我國貴州的典型高.Analyzer灰熔點(diǎn)煤種老礦中煤在固、液態(tài)排渣氣化溫度范圍白白子jSlag tankSampling pump8一Depuratar內的氣化特性進(jìn)行了實(shí)驗研究,考察了氣化工藝參.數(如氣化溫度和0與C物質(zhì)的量比等)對高灰熔圖1實(shí)驗系統流程點(diǎn)煤氣化特性的影響，并根據柱塞流實(shí)驗臺的邊界Fig. 1 Schematic diagram of experimental system中國煤化工國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2013AA051101).1)博士生;2)博士、教授(通訊作者);3)碩士生，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院2000,MYHCNMH G收稿日期:2014-03-28;修回日期:2014-05-22.2煤炭轉化2015年煤漿泵采用JLM系列電磁隔膜式計量泵;氣體分析氣密性良好的情況下,將管式爐內的溫度升高至指裝置為武漢四方光電科技有限公司生產(chǎn)的Gas-定溫度并保持恒溫;將事先篩好的煤倒入煤漿罐中，board-3100型煙氣分析儀.加水進(jìn)行實(shí)驗室制漿工藝.制漿過(guò)程中加入0. 3%實(shí)驗使用的霧化噴嘴結構見(jiàn)圖2.該噴嘴為空的水煤漿添加劑,該添加劑由西北化工研究院提供.氣霧化式噴嘴,利用氣體與水煤漿的摩擦,產(chǎn)生均勻.用攪拌器將煤粉、水和添加劑充分均勻地攪拌與混而細密的霧化效果.為了達到良好的霧化效果,同時(shí)合;打開(kāi)煤漿泵對制成的水煤漿進(jìn)行流量標定(流量又能保證噴嘴出口不被煤漿顆粒堵塞,經(jīng)過(guò)多次嘗.約為0.9 L/h);前期準備完成后,進(jìn)入實(shí)驗階段.在.試，最終將噴嘴出口直徑確定為0.8 mm;另外,噴給漿量一-定的情況下,通過(guò)調節O2流量來(lái)實(shí)現不嘴外部加有水冷套簡(jiǎn),使水煤漿在噴嘴內部不因過(guò)同n(O) : n(C);高溫下,煤漿與氧氣在爐內發(fā)生氣.度受熱而導致水分蒸發(fā)，影響其流動(dòng)過(guò)程.化反應,最終生成的煤氣從爐底出口排出,一-小部分煤氣經(jīng)冷卻及氣體凈化后,進(jìn)人Gasboard-3100 型煤氣分析儀對合成氣中的主要氣體成分(CO,H2，Coal sluryCO2和CH,等)進(jìn)行在線(xiàn)監測;另一部分氣體則在燃燒爐內進(jìn)行燃燒處理.實(shí)驗過(guò)程中,使用煙氣分析儀對合成氣進(jìn)行取樣監測,待數據穩定后記錄下來(lái)，并對每個(gè)記錄下數據的工況進(jìn)行灰渣收集,之后將渣樣放置在馬弗爐內進(jìn)行燃燒處理,以求得其碳轉化率.實(shí)驗結束后,將沉降爐內溫度降至環(huán)境溫度，0.8 mm關(guān)閉煤漿泵以及O2瓶和N2瓶的閥門(mén),同時(shí)關(guān)閉冷卻水系統.應即時(shí)對噴嘴、煤漿泵和供氣管路進(jìn)行清圖2霧化噴嘴結構理,避免下次實(shí)驗時(shí)出現堵煤現象.Fig. 2 Schematic diagram of atomizing nozzle structure實(shí)驗時(shí)首先檢查實(shí)驗系統各閥門(mén)位置、供氣系1.2貴州高灰熔點(diǎn)煤特性及實(shí)驗工況統、排渣系統、冷卻水系統和水煤漿供給系統是否均在高灰熔點(diǎn)煤氣化特性實(shí)驗中，選取我國典型處于可用狀態(tài),用N2檢查各系統的氣密性,特別是高灰熔點(diǎn)煤貴州老礦中煤為實(shí)驗煤種,其煤質(zhì)分析供氣系統中的輸氣管以及霧化噴嘴與爐膛間的連接和實(shí)驗室制漿特性見(jiàn)表1. 為使隔膜式計量泵和噴口,確保整個(gè)實(shí)驗系統氣密性良好;在確定實(shí)驗系統嘴出口不被煤漿顆粒堵塞,制漿所用的煤粉平均粒徑t1 老礦中煤及水煤漿的特性分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Laokuang middings and coal slurryProximate analysis/ % ,adUltimate analysis/ %,adAsh fusion temperature/C Concentration of Density of coal slurry/MAVFCCH0Ns,DTSTFT coal slurry/%(kg.m-3)_2.7229.1326.5342.7957.363.560.656.210.83 1270 1410 147050950小于75 μm(200目以下).設計給漿量約為0.9 L/h,器的恒溫段,進(jìn)行燃燒和氣化反應.其中包括揮發(fā)分實(shí)驗溫度范圍為1 200 C~1 500 C,n(O) : n(C)(CO,H2和CH,等)與O2的同相燃燒反應、C與的范圍為0.8~1.2,煤漿在爐內恒溫段的停留時(shí)間O2的異相燃燒反應、C與CO2及C與H2O的異相約為2.5 s.氣化反應、水煤氣變換反應和甲烷化反應.一般情況下,燃燒反應速率要大于氣化反應速率,而同相反應2氣化模擬速率大于異相反應速率. O2與揮發(fā)分之間的燃燒反應速率最快,在爐內率先進(jìn)行;燃燒反應結束后,C從水煤漿在柱塞流反應器中的氣化過(guò)程來(lái)看:與CO2,及C與H2O發(fā)生異相氣化反應;水煤氣變水煤漿與氣化劑(O2)先經(jīng)霧化噴嘴噴人柱塞流反換反應為可逆反應,并被視為平衡反應,對出口合成應器內的非恒溫區,該區域溫度為200C~氣化爐氣成分的組成起關(guān)鍵作用由于實(shí)驗裝置是電加熱設定溫度(1 200 C~1 500 "C). 在該區域內，認為式沉降爐,'中國煤化工氣化反應所需水煤漿中的水分受熱蒸發(fā),煤中揮發(fā)分析出,生成氣熱量并不需,為了使爐內0HCNM H G,體產(chǎn)物和半焦,接著(zhù)半焦、揮發(fā)分和氣化劑進(jìn)入反應恒溫段盡量保付仕一心血皮，取細水重應盡量小，以第1期婁彤等貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究29免破壞爐內恒溫段的溫度,給計算過(guò)程帶來(lái)困難.慮的反應有:2.1 模型基本假設條件2H2+O2一→2H2O(1)2C0+O2-→2CO2(2)根據實(shí)驗氣化爐的特點(diǎn)作出假設和簡(jiǎn)化(4:認CH.+2O2一→CO2 + 2H2O(3)為一維管式爐內流動(dòng)為均勻柱塞流,爐膛內各物質(zhì)CO+H2O一→CO2 +H;(4)混合均勻,溫度均勻,煤顆粒粒度均勻,爐膛內反應CH, + H2O-→CO+3Hz(5)過(guò)程處于穩態(tài),模型只考慮CO,CO2,H2和H2O四C+1/pO2-→(2 - 2/p)CO+(2/φ- 1)CO2 (6)種氣化產(chǎn)物,氣體組分遵循理想氣體狀態(tài)方程.揮發(fā)C+ H2O一→H2 +CO(7)分組分按經(jīng)驗模型進(jìn)行計算,假定水分蒸發(fā),煤漿進(jìn)C+CO2-→2CO(8)人爐膛后揮發(fā)分瞬間析出.只考慮甲烷水蒸氣重整.對于氣化爐內的均相反應,如可燃氣體燃燒反反應與CH4和O2的燃燒反應.應、水煤氣變換反應、甲烷化和水蒸氣的反應等,這2.2氣化化學(xué)反應方程及模型些反應速率表達式見(jiàn)表2.本模型將氣化爐內部發(fā)生的反應進(jìn)行簡(jiǎn)化,考采用經(jīng)典的未反應碳縮核模型和在隨機孔模型表2均相反應速率表達式Table 2Homogeneous reaction rate expressionsReaction numberReaction rate expressions/(mol. m~3●s=1)Kinetic coefficientkn=kz/0. 35Rz=krco●co2kz=2. 4602X 101*exp( - 21137/T+24. 744 14)T3)Rg=kcCH,●co2ks=3. 552X 10"exp( -9.304X 10*/(R. T))kn- 2.987X 10°exp(-3.69X 10*/(R. T))R.=knco●ch,o- keaco2●cn2ksz = ke1/Keuks-312.exp( -2X10*/(R. T)) Porn = KpPco. Pi2/Pn2oRs=ks(PcH,●PEH )Kz=6. 712 5X10- *exp(27 020/T)基礎上提出的動(dòng)力-擴散模型對異相反應(6)~反應Ot與小室的高度Oz的關(guān)系見(jiàn)式(14):(8)進(jìn)行描述并加以對比,以考察哪--種模型更適合Oz=|。v,dt(14)描述高灰熔點(diǎn)煤老礦中煤的氣化行為.未反應碳縮核模型[15]的基本表達式為:可求得固體顆粒在小室內的停留時(shí)間Ot:Oz=Ot. (..e -bsx+(vg+u)(1-e-0)) (15)Rate=一(9)kedetke(Y)+yk.2.4模型的求解胡世磊等162在隨機孔模型的基礎上,進(jìn)行了內、以模型求解過(guò)程中第i個(gè)小室的求解計算過(guò)程外擴散修正后提出動(dòng)力-擴散模型的基本表達式為:為例,單元體內變量有:固體質(zhì)量m..,焦炭質(zhì)量K=-m.i,第j種氣體的質(zhì)量m.1.本文的建模對象為電gooleXkoexp(- E/RT)X(1-x)[1-yAn(1-x)]/2t M.D,加熱式沉降爐,爐內溫度T為定值,由于給煤量極6aRT小，可忽略掉能量方程,因此求解方程有0:(10)1)固體顆粒質(zhì)量平衡方程2.3停留時(shí)間.m.i-1- m.i : - m.s,s=0(16)小室中總固體質(zhì)量的停留時(shí)間t;可以由動(dòng)量2)焦炭質(zhì)量平衡方程定理求得,由于人爐煤的粒徑非常小，因此可以采用me,i-1' - me,i 一mr.e=0(17)Stoke's準則數來(lái)描述固體的流動(dòng)，固體的流動(dòng)速3)氣體的質(zhì)量平衡方程率采用下列公式進(jìn)行計算[8] :m.-1- m.,,- m.,j=0(18)v.=v,e-0 +(vg+v,)(1-e bx) (11)計算流程為:輸人數據-→計算物性-→計算揮發(fā)分開(kāi)始計算中國煤化工小室的停留時(shí)(12)ρsd;間→計算第.TYHCNMHGF始計算小室v,=(p.-pz)●g/(b.p.)(13) i計+1- ....計算小室n-→結果.第1期婁彤等貴州高灰熔點(diǎn)煤氣化特性研究3水煤漿濃度的增加,合成氣中CO和H2的體積分氣化原料的氣化爐 ,存在一個(gè)最佳的水煤漿濃度,在數不斷提高. n(O) : n(C)為0. 95時(shí)，CO的體積分數保證其順利供漿和合適的碳轉化率條件下,盡量提高出口煤氣中的有效氣體成分.596一60%675- n(0):m(C)=1.050-2012001250 i 300 1 350 140014501500n(0): n(C )=0.95/--65CGasification temperature/ C451200 12501300135014001450 i 50050Gasifcation temperature/ C65%..圖6水煤漿濃度對碳轉化率的影響Fig.6 Effect of coal slurry concentrationon carbon conversion20 120012501 3001350 140014501 500Gasifieation termperature/ C4結論圖5水煤漿濃度對合成氣組分的影響對高灰熔點(diǎn)煤漿在柱塞流反應器中的氣化反應Fig. 5 Effect of coal slurry concentration過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗,在經(jīng)典的未反應碳縮核模型和動(dòng)on syngas componentsa-n(O) : m(C)=0.95;b- -n(O) : n(C)=1.05力-擴散模型兩種氣化反應動(dòng)力學(xué)模型的基礎上,建約增加3%,H2的體積分數約增加0.5%. n(O) :立了相應的一維柱塞流氣化小室模型,對整個(gè)氣化n(C)為1.05時(shí),CO的體積分數約增加2. 5%,H2過(guò)程進(jìn)行模擬并加以對比.結果表明，在相同反應溫的體積分數約增加0.3%.提高水煤漿濃度可以得度下,隨n(O) : n(C)的增加,CO2的體積分數和碳到更高的合成氣有效成分,這與劉洋等[6]的結論相轉化率增加,CO和H2的體積分數減小;隨著(zhù)水煤似.但是隨著(zhù)水煤漿濃度的增加,碳轉化率卻呈現出漿濃度的上升,CO和H2的體積分數上升,CO2的不斷降低的趨勢,且降低幅度較為明顯.當n(O) :體積分數下降,碳轉化率也有所下降;增加水煤漿濃n(C)為0.95和1.05,氣化溫度相同時(shí),碳轉化率約度會(huì )提高出口合成氣中的有效氣體成分,但會(huì )降低降低1.5%.因此,水煤漿濃度不能無(wú)限制增加，否.碳轉化率;動(dòng)力-擴散模型比未反應碳縮核模型更適則雖然提高了合成氣中的有效氣體成分,但是造成合描述高灰熔點(diǎn)煤的氣固反應行為.實(shí)際的氣流床了煤炭利用率的降低,影響經(jīng)濟效益,而且增加水煤氣化爐是在極高壓力下進(jìn)行工作的,在高溫與高壓漿濃度會(huì )同時(shí)增加其黏度,可能會(huì )降低其霧化效果，的工況下進(jìn)行實(shí)驗十分困難,本研究并未考慮壓力影響氣化爐的運行.綜上所述,對于采用水煤漿作為因素對煤氣化反應過(guò)程的影響,有待進(jìn)一步的研究.符號說(shuō)明co一 CO氣體濃度,mol/Lp一反應氣體有效分壓,MPaCH,-CH,氣體濃度,mol/L-內控擴散效率因子-CO2氣體濃度,mol/L-顆粒半徑,mH2氣體濃度,mol/L-顆粒密度,kg/m-H2O氣體濃度,mol/L- 指前因子,s 'Kequ-- 水煤氣反應的平衡常數-活化能,kJ/mol.甲烷蒸汽重整反應的氣體常數R一 理想氣體常數,J/(K●mol)Y一未反應核半徑與煤焦半徑之比- 環(huán)境溫度,Kx-熱解后任意時(shí) 刻的碳轉化率.%ψ---顆粒結構尺寸kan-氣膜擴 散系數,kg/(m2●MPa.s)M.一 反應氣中國煤化工k,一煤焦表面反應速度常 數,kg/(m2●MPa. s)w.一初始焦:MYHCNMHGkah-灰層阻力系數,kg/(m2 ●MPa.s)D.-氣體擴散系數,m' /s.32煤炭轉化2015年g-重力加速度 ,m/3-固體顆粒密度,kg/m2v%一氣體 平均速度,m/s氣體密度,kg/m2v.--固體顆粒初始速度,m/s氣體動(dòng)力黏度,Pa/s固體顆粒平均速度,m/sme..--第i小室內氣體;的質(zhì)量,kg固體顆粒終端速度,m/s第i小室內C的質(zhì)量,kg-停留時(shí)間,snR.co,- - i小室內C反應掉的質(zhì)量,kgQz--小室高度,m參考文獻[1] Kejiani s,Suzuki N,Ashizawa M,et al. 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The result shows that whenthe temiperature increased form 1 200 C to 1 500 C, the volume fraction of CO2 decreases by15 % , the volume fraction of CO increases by 16%, the volume fraction of H2 increases by 2%，the carbon conversion increases by 20%; at the same temperature, when the concentration of coalslurry increases by 5%，the volume fraction of CO increases by 3%，the concentration of H2 in-creases by 0. 5%，the carbon conversion decreases by 1. 5%. The calculated result is correspond-ing to the experiment result well. It is suggested that the concentration of coal slurry should beimproved as high as possible, so that there will be more effec中國煤化工S. .KEYWORDS coal with high ash fusion temperature,fYHCNMHGdel, plugflow