多爐芯氣化爐軸向溫度分布及影響因素

第27卷第2期西安科技大學(xué)學(xué)報Vol.27 No.22007年6月JOURNAL OF XI' AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOCYJune. 2007文章編號: 1672 -9315(2007)02 -0272 -04多爐芯氣化爐軸向溫度分布及影響因素田玉仙,王曉剛,田欣偉,強軍鋒(西安科技大學(xué)基礎課部,陜西西安710054)摘要:深入探討了多爐芯氣化爐成倍延長(cháng)氣化時(shí)間過(guò)程中集氣空間內軸向溫度分布,分析了集氣空間軸向溫度的主要影響因素;設計了煤氣"引射"實(shí)驗,詳細研究了煤氣排出速率對集氣空間軸向溫度分布,特別是集氣罩內表面溫度的影響,為煤氣收集過(guò)程中集氣罩的經(jīng)濟安裝提供了技術(shù)基礎。，關(guān)鍵詞:煤氣化技術(shù);多爐芯氣化爐;引射中圖分類(lèi)號: TQ 116文獻標識碼: AAxial temperature distribution and its influencefactors in multi-core gas cookerTIAN Yu-xian, WANG Xiao-gang, TIAN Xin-wei , QIANG Jun-feng(Dept. of Basic Courses, Xi' an University of Science and Technology, Xi' an 710054 ,China)Abstract: The axial temperature distribution of gas collecting space in multi-core gas cooker is dis-cussed during gasification time doubled. And its primary influence factors are analyzed. We design gaseducing experiment, and study the gas educing velocity ' s influence on the axial temperature of gas col-lecting space, especially the temperature of gas ollcting mantle inside. All that we have done provideseconomical fixing of gas collecting mantle with technical base in gas collecting.Key words: coal gasification technology; muli- core gas cooker; educing0引言我國是一個(gè)缺油少氣富煤的國家,目前探明可供開(kāi)采煤炭?jì)α考s為1100 億t,占全世界的11%左右"。比起石油、天然氣來(lái),煤炭的開(kāi)采、運輸和加工利用等技術(shù)難度大,環(huán)境污染嚴重。在煤的轉化利用方面,全世界所有國家都不同程度地面臨著(zhù)資源和環(huán)境的雙重壓力2。因此，如何高效潔凈利用煤炭資源,不僅是我國科學(xué)研究的課題，也是世界煤化工所研究的重要科學(xué)領(lǐng)域。煤炭氣化是將固體煤轉化為可燃氣體(煤氣)的煤炭熱加工過(guò)程,其在世界能源消耗中占有重要的位置[3-4]。傳統煤氣化方法[5-7]有移動(dòng)床氣化法、流化床氣化法氣流床氣化法、熔融床氣化法和地下煤氣化法等。它們均存在工藝流程復雜投資大、設備運行成本高、煤氣有效成分( CO + H2)含量不高以及氣化不完全,廢渣、廢氣和廢水排放嚴重污染環(huán)境等問(wèn)題。多爐芯氣化爐為本課題組開(kāi)發(fā)的新型煤氣化爐。它以中國煤化工，1石英砂為原料,利YHCNMHG收稿日期: 2006 -03 -01基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50174046);寧夏自治區科技攻關(guān)項目作者簡(jiǎn)介:田玉仙( 1970-),女,重慶人,博士生,講師,主要從事特種材料制備與煤炭利用研究.第2期田玉仙等:多爐芯氣化爐軸向溫度分布及影響因素273用電熱還原反應SiO2 +3C =SiC +2CO,可獲取優(yōu)質(zhì)煤氣及C,化工原料。課題組曾用此新型煤氣化法完成了寧夏無(wú)煙煤新型氣化,制備出了有效成分(CO + CH. + H)達95%以上的煤氣,副產(chǎn)品SiC性能優(yōu)異，平均每噸售價(jià)可達2600元,此額外收入可大大降低氣化成本[8]。該氣化法煤中碳的轉化率可達百分之百,無(wú)廢水.廢渣和廢氣排放,真正實(shí)現了潔凈煤高效轉化,這是目前的任何煤氣化技術(shù)都無(wú)法達到的,國內外尚無(wú)其他學(xué)者研究報道過(guò)。由于該新型氣化爐的爐體大、爐內溫度高、合成氣具有酸堿腐蝕性,且可燃、可爆等特點(diǎn),使得該氣體收集過(guò)程對集氣材料的耐高溫性、抗腐蝕性和抗透氣性等要求很高,集氣罩價(jià)格比較貴。再加上廠(chǎng)房空間的限制,如何確定集氣罩經(jīng)濟安裝高度,提高集氣裝置在特定高度下的使用壽命,降低生產(chǎn)成本就成為氣體收集工作的重點(diǎn)之一-。本課題就是在這樣的前提下,在前期實(shí)驗的基礎上,采取成倍延長(cháng)氣化時(shí)間，通過(guò)研究極限條件下集氣空間軸向溫度分布及影響因索,以便通過(guò)實(shí)驗研究,找到有效降低軸向溫度的方法,從而為氣體收集過(guò)程中集氣材料的選擇和經(jīng)濟安裝提供技術(shù)基礎。1實(shí)驗表1石英砂及無(wú)煙煤的化學(xué)組成Tab.1 Ingredient of quartz and anthracite%石英砂無(wú)煙煤二氧化碳雜質(zhì)水￥固定碳揮發(fā)分灰分水汽99.00.70.386.57.53.52.5將原材料青海石英砂和寧夏無(wú)煙煤(化學(xué)組成見(jiàn)表1)按碳硅質(zhì)量比0.62 ~0. 67配料(使無(wú)煙煤過(guò)量10%~15%)后,球磨混合30min,裝入圖1所示自制雙爐芯氣化爐內,在圖示各測溫點(diǎn)布置好測溫熱電偶或熱電阻,按設定的密封工藝安裝自制高分子復合材料無(wú)機纖維紡織物集氣罩并密封爐體,氣化前集氣罩頂部與爐表距離為580 mm。掏空排氣孔里的殘渣,疏通排氣管道后,按如下兩種方案氣化并將從排氣管道排出的煤氣點(diǎn)火燃燒:①恒功率(30 ~ 35 kW)、不加引射自然排氣下氣化30 h;②恒功率(30 ~35kW),自設計引射裝置強制排氣下氣化30 h。每隔30 min記錄各測溫點(diǎn)溫度。集氣罩; CO引射tCO47T。ITg 'T。-T。_T, -圖1實(shí)驗裝置Fig. 1 Experimental apparatusr,集氣罩內表面溫度T2,Ts,7, 集氣空間軸向溫度Ts 爐料表面溫度T。,T, 集氣空間徑向溫度2結果分析與討論2.1集氣空間的溫度分布中國煤化工從圖2可以看出,用自制集氣罩收集煤氣并將爐內產(chǎn)生出CNM H C氣空間內各測溫點(diǎn)溫度均隨供電時(shí)間的延長(cháng)而升高,氣化前期因物料蓄熱各點(diǎn)溫度開(kāi)向速度牧便,中期(8~15 h)各點(diǎn)均快速升溫,后期各點(diǎn)溫度升幅極小;同-供電時(shí)刻,氣體溫度值由集氣空間徑向(T。和T)、集氣空間軸向(T2)、集氣罩(T,)、集氣空間軸向(T)、集氣空間軸向(T)到爐料表面( T)依次增大,即總體上是空間位274西安科技大學(xué)學(xué)報2007年置越高,距物料表面越遠,氣體溫度就越低(集氣罩例外);在實(shí)驗設定的集氣罩高度(從爐表到集氣罩580 mm)下,集氣罩最高溫度為440 C ,爐表最高溫度為1 000 C?？傮w而言,徑向溫度比較恒定且溫度值小,對集氣翠耐溫性影響小，而爐表與集氣罩間的軸向溫度變化大,是決定集氣罩使用壽命和經(jīng)濟安裝高度的關(guān)鍵。.功率/kW100[-T/C3501 000ot: 3008-100集氣罩疆度利600+T/C別-200卡200→Tr-Ts 展150-300R 100200-400 t功率-500τ-T25°5510120253005σ22530哈51012023時(shí)間/h圖2無(wú)引射時(shí)氣化爐軸圖3相鄰兩軸向測溫 點(diǎn)溫差曲線(xiàn)圖4 5~9 h出氣口減半集氣向溫度分布Fig.3 Curve of temperature difference單溫度隨功率變化Fig.2 Axial temperature distribution between two axial temperature testing pointsFig.4 Temperature of gasofgas cooker without gas educingcollcting manthe實(shí)驗過(guò)程中,從爐表到集氣罩所設置的5個(gè)測溫點(diǎn)間距相等,故用相鄰點(diǎn)的溫差代替其溫度梯度繪制集氣空間溫度梯度曲線(xiàn)(圖3)。從圖3可以看出,供電前18h內,任意相鄰兩點(diǎn)的溫度差隨時(shí)間延長(cháng)逐漸增大,后期變化平緩。沿軸向向上,溫度梯度先是逐漸減小,后在集氣覃附近稍增加,且集氣罩附近溫度梯度出現了正值。顯然,軸向集氣空間內存在明顯的溫度場(chǎng),且爐表附近和集氣罩附近溫區溫度場(chǎng)主控因素是不同的。2.2軸向 溫度主要影響因素探討從集氣空間傳熱特點(diǎn)來(lái)看,通電后,石墨爐芯發(fā)熱后所產(chǎn)生的熱量,一部分加熱爐料,使其干燥、溫度升高,煤在高溫下熱解釋放出揮發(fā)組分;達到1 500 C以上時(shí),Si02與C發(fā)生電熱還原反應生成大量CO,由于爐料是散料,透氣性較好,爐內所產(chǎn)生的熱氣體將擴散,經(jīng)爐表逸出到達集氣空間,在爐表與集氣罩間形成較強的速度梯度溫度梯度和濃度梯度,煤氣必然源源不斷地自爐表向集氣罩流動(dòng),形成對流場(chǎng);另一部分爐芯電熱還將 通過(guò)爐料的傳導作用到達爐表,使其成為強輻射源。因此,在煤氣收集過(guò)程中,集氣空間各點(diǎn)溫度同時(shí)受爐表輻射場(chǎng)和煤氣對流場(chǎng)兩種傳熱方式控制。這與圖3所示集氣罩附近的溫度梯度為正值,不符合單純的輻射場(chǎng)傳熱規律相對應。當輻射源的熱量-定時(shí),輻射場(chǎng)的大小單- - 地由被測點(diǎn)與輻射源的距離決定,距輻射源越遠,溫度越低。集氣空間對流場(chǎng)大小顯然與爐內逸出的煤氣自身的溫度和集氣空間各點(diǎn)煤氣的總量有關(guān),而煤氣排出速率將直接影響到集氣空間各點(diǎn)的煤氣總量,因而對集氣空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)將產(chǎn)生重大影響。供電過(guò)程中(5~9h)人為將排氣口口徑減小--半時(shí)發(fā)現,集氣罩溫度上升很快,反應進(jìn)行10h時(shí)已超過(guò)340 C,11 ~ 19 h強行降低功率其值也幾乎不變,形成-一個(gè)長(cháng)達5 h的溫度平臺(圖4),而集氣空間其余各點(diǎn)溫度變化不明顯,即集氣罩溫度受氣體排出速率的影響較大。為了摸清氣體排出速率對軸向各點(diǎn)溫度的影響,設計了氣體引射實(shí)驗,強制將集氣空間氣體快速排出。實(shí)驗發(fā)現,此時(shí),集氣空間的溫度分布不變,只是相同時(shí)刻各點(diǎn)溫度值均不同程度地有所降低,集氣罩溫度下降幅度較大,而其他測溫點(diǎn)溫度下降幅度很小。從引射煤氣與自然排氣時(shí)集氣罩溫度變化規律對比研究可知(圖5) ,在整個(gè)氣化過(guò)程中,引射氣體都能在不同程度上降低集氣罩絕對溫度,本引射條件下集氣罩內表面最高溫度下降了10. 2% ;在不同反應階段中國煤化工程度不同,反應前期和中期影響大,每小時(shí)集氣罩溫度遞增速率分別下降了9.YHC NMH G升高了3.3C。極限條件下,反應后期爐料幾乎吃空,爐內煤氣生成反應幾乎停止,爐芯周?chē)鸂t料全變成了氣化反應副產(chǎn)品一-SiC,其導熱能力較好,爐芯電熱絕大多數傳導到爐表,集氣空間輻射場(chǎng)有所加強,集氣空間各點(diǎn)溫度均達到最高值,但與氣化反應息息相關(guān)的對流場(chǎng)卻大大減弱,引射氣體對集氣罩溫度影響減小,此時(shí)集.第2期田玉仙等:多爐芯氣化爐軸向溫度分布及影響因素275氣罩絕對溫度降低但溫度遞增速率與前期和中期相比就升高了。輻射場(chǎng)和對流場(chǎng)對集氣空間溫度場(chǎng)影響可以從停爐后降溫曲線(xiàn)(圖6)得到進(jìn)一步 證明,停爐后,輻射場(chǎng)臧弱,爐內溫度還處于煤氣生成溫區,但煤氣產(chǎn)量很小,煤氣對流作用減弱,爐表與其他測溫點(diǎn)溫度下降幅度大,而集氣罩溫度幾乎不變，因為對流傳熱抵消了輻射熱的損失。5.5 Ch1400 [450p。引射氣體300p400f“自然推cn1200p 350{8.8 C/h200 t士-AP?kW8 300-◆-A7;25011.1 C/h。800t100150-30.8 cng40010021.6C/m200051120230681012141618時(shí)間/h停電后時(shí)聞/h時(shí)間h圖5有無(wú)引射時(shí)集氣罩 溫度比較圖6停爐后集氣罩及爐表降溫曲線(xiàn) 圖7爐表 和集氣罩溫度隨功率波動(dòng)曲線(xiàn)Fig. 5 Temperature contrast ofFig.6 Temperature flling curve of Fig.7 Curve of T, & T, fluctuant with powergas collecting mantleTs & T, after power cuted鑒于煤新型氣化反應是一個(gè)強吸熱過(guò)程,其反應所需熱量全部來(lái)源于石墨爐芯電熱，顯然,集氣空間各點(diǎn)溫度會(huì )大幅度隨供電功率而波動(dòng)。從圖7可知，爐表和集氣罩變化步調一致,但爐表受功率影響要大些。由于離爐表較近區域,軸向溫度主要由輻射場(chǎng)控制,而離集氣罩較近區域,軸向溫度受對流場(chǎng)影響顯著(zhù),而對流場(chǎng)可借助外力(引射)加以控制,故可通過(guò)進(jìn)一步探索輻射場(chǎng)與對流場(chǎng)的分界面位置確定收集裝置的經(jīng)濟安裝高度,從而節約成本,或在安裝高度確定下，降低氣體收集對集氣罩材質(zhì)耐溫性要求,提高集氣裝置高溫使用壽命。3結論多爐芯煤氣化爐集氣空間內軸向各點(diǎn)溫度均隨供電時(shí)間延長(cháng)而升高,且存在明顯的溫度場(chǎng),空間位置越高,氣體溫度越低(集氣罩例外)。本實(shí)驗條件下,集氣罩內表面最高溫度為440 C ,爐料表面最高溫度為1000C。爐料表面附近區域,軸向溫度主要由輻射場(chǎng)控制,而離集氣罩較近區域,軸向溫度受對流場(chǎng)影響顯著(zhù),引射氣體可大大降低集氣罩溫度。實(shí)驗過(guò)程中,集氣罩的最高溫度下降了10. 2% ,但反應各階段影響不同,反應前、中期集氣罩溫度遞增速率分別下降了9.2和7.8 C/h, 而后期反而升高了3.3 C/h。功率對集氣空間內各點(diǎn)溫度均有影響,且各點(diǎn)變化步調- -致。參考文獻:[1] 汪壽建.潔凈煤氣化技術(shù)淺析[J].化肥設計, 2004 ,42(3):15-17.[2] 張占濤,王 黎,孫雪蓮,等.煤的氣化與陜北煤炭化工利用關(guān)系探討[C].//陜西省自然科學(xué)學(xué)會(huì )研究會(huì ).陜西省煤轉化學(xué)術(shù)研究會(huì )論文集.西安:三秦出版社, 2004.[3]黃戒介 ,房倚天,王洋. 現代煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2002 ,30(5) :385 -391.4]李龍清, 秦國玉,田俊峰.煤炭工業(yè)可持續發(fā)展的系統動(dòng)力學(xué)模型[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2006 ,26(2):151 -153.[5] 王擎.潔凈煤技術(shù)前景[J].環(huán)境保護科學(xué), 2001 ,27(6):1 -2.[6] 武利軍,周 靜,劉璐.氣化技術(shù)進(jìn)展[J]潔凈煤技術(shù)，2002,8(1):31 -34. .[7] 鄭振安. SCGP特點(diǎn)[J]. 煤化工, 2003,5(2):7-11.[8]田玉仙,王曉剛，田欣偉,等.低變質(zhì)煙煤新型氣化聯(lián)產(chǎn)高品質(zhì)中國煤化工。,2006,12(2):48 _53YHCNMHG