沉降爐中粉煤氣化的實(shí)驗研究

轉化利用沉降爐中粉煤氣化的實(shí)驗研究黃鳳豹,張忠孝,張守玉,陳國艷,陸成(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093)摘要:以O2為氣化劑N2為輸送介質(zhì),在常壓沉降爐裝置上進(jìn)行了幾種粉煤的氣化試驗。試驗考察了溫度、氧碳比、停留時(shí)間對氣化產(chǎn)氣組成、碳轉化率以及冷煤氣效率的影響。關(guān)鍵詞:沉降爐;粉煤;氣化中圖分類(lèi)號:X511文獻標識碼:A文章編號:10066772(2010)01 0038-05煤氣化轉化是清潔高效利用煤炭的主要途徑了深人地研究,得到了兩段式氣化爐的工藝參之一,在眾多的煤氣化工藝中氣流床氣化技術(shù)占據數(°]。代正華等人用Gibbs自由能最小化方法對粉了主導地位。與水煤漿氣化技術(shù)相比,氣流床粉煤煤氣化過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)平衡分析,發(fā)現氧/煤、蒸.氣化技術(shù)具有煤種適應性廣、原料消耗低、碳轉化氣/煤是影響氣化爐出口煤氣組成的主要因素[]。率高、冷煤氣效率高等優(yōu)勢受到了國內外的筆者在實(shí)驗室的常壓高溫沉降爐上考察了工藝參重視'-3。數(溫度.0/C、煤粉停留時(shí)間)對粉煤氣化過(guò)程的影響氣流床氣化的參數很多,國內外的研究者影響。做了大量的研究工作。吳學(xué)成等人通過(guò)建立氣流1試儉床煤氣化動(dòng)力學(xué)模型研究了不同的氣化劑、氣化劑質(zhì)量比率、氣化溫度氣化壓力、停留時(shí)間等參數對1.1 試樣氣化過(guò)程和煤氣組分的影響,發(fā)現氣化溫度是影響試驗以龍口褐煤、大同煙煤和侯馬煙煤為原氣化進(jìn)程和煤氣組分的最關(guān)鍵因素,對給定的氣化料,煤樣粒徑為小于100um,與大規模煤氣化的粒反應系統,氧煤質(zhì)量比為0.87 ~0. 88時(shí)氣化效率達徑相同。煤樣的成分分析見(jiàn)表1。到最佳值(*-5]。許世森等人針對兩段式氣化爐進(jìn)行表1實(shí)驗煤種參 數分析工業(yè)分析/% I元素分析/% !Qnet.nd實(shí)驗煤種MAdCaH/(kJ. kg")大同姻煤2.6610.5227.4759. 3575. 484. 347. 351.520.7926831侯馬煙煤1. 8723. 8017. 6357. 7873. 623.569.641.960.7524621。龍H褐煤22.139.729.849.93.414. 220.6181881.2試驗裝 置及操作體中心高度位置上裝有1根熱電偶,用于測定和控試驗采用高溫電加熱沉降爐,如圖1所示。爐.制爐體溫度。當反應器內溫度達到設定溫度時(shí),經(jīng)子由剛玉管(內徑25mm,長(cháng)1. 5m)、加熱元件和耐干燥過(guò)的煤粉,由煤粉給料機在氮氣的攜帶下，均火材料組成,其中剛玉管是煤進(jìn)行氣化反應的場(chǎng)勻進(jìn)人氣化爐反應區,與同時(shí)進(jìn)人反應區的氣化劑所。剛玉管的外側是圓柱形的加熱爐膛,在爐膛內氧氣反應。煤粉與氧氣反應后,合成氣從下部管道分別均勻布置了4根硅鉬棒作為電加熱元件。在爐冷卻廠(chǎng)中國煤化土開(kāi)孔,用煤氣分析收稿日期:2009 -09 -29*TYHCNMHG作者簡(jiǎn)介:黃鳳豹(1986 -) ,男,山東菏澤,人,碩士研究生,從事煤化及潔凈燃燒方面的研究。通訊作者張守玉:zangshoupu197]@ hotmail com。38《沽凈煤技術(shù))2010年第16卷第1期.轉化利用全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊《CAJ-CD 規范)執行優(yōu)喬期刊-儀對合成氣的成分進(jìn)行測量,可以測得氣化產(chǎn)氣中1.4.2 0/C 摩爾比的計算的CO、H2、CH4、CO2.02的含量?；以匀怀两档綄?shí)驗運行參數所選用的0/C摩爾比采用公式爐底的不銹鋼套管內。(2)進(jìn)行計算:xorc = -Vo/22.4x2 +M。. Wg/16(2)Mc.W./12式中V一氧氣投入量,m'/h;M。Mc--煤中氧和碳的百分含量,%;wc-煤粉投入量 ,kg/h。2實(shí)驗 數據的處理[4]2.1 合成氣流量( Q)計算由于熱煤氣溫度高,直接測量較為困難,合成氣流量采用氮平衡公式計算:Q:(3)INJ式中Qm一 所有進(jìn)人氣化爐內的N2流量,m'/h;[N2]一干煤氣氮氣體積份額,%。圈1氣化爐結構示意2.2碳轉化率(n。)1.3 氣化爐內溫度分布碳轉化率是衡量煤中碳元素在氣化過(guò)程中利氣化爐內溫度分布如圖2所示。用程度的指標,在氣化過(guò)程中，煤中的碳將轉變成1400r煤氣中的CO、CO2、CH和其它碳氫化合物,未轉化1200的碳則殘留在飛灰、底渣中從氣化爐排出。因此，，1000碳轉化率可依下式計算:11400Cg 800([CO] +[C02] + CH4) x Q/22.421300Cx 100%相600n。 =3 1200CM. x Mc/124004 10051000C(4)200式中[CO]、[CO2]、[CH.]一 合 成氣中CO、CO26 20406080100 120和CH的體積百分比濃度,Vg%;離管口距離/cm圈2氣化爐內溫 度分布Q一合成氣體積流量 ,m'/h;Mc--固定碳含量,% ;從圖2中可以看出,氣化爐的恒溫區間在40 ~Wc-給煤量,kg/h。100 cm之間,煤粉剛進(jìn)人爐子的時(shí)候溫度較低,為2.3 冷煤氣效率(nd)預熱釋放水分和揮發(fā)分析出的過(guò)程。距爐體頂部冷煤氣效率ηs按冷煤氣效率定義進(jìn)行計算,即40cm以后,溫度基本恒定,能夠滿(mǎn)足恒溫氣化的煤氣化制得煤氣熱值與燃料的熱值之比。計算公要求。式如下所示:1.4試驗工況設計1.4.1 停留時(shí)間的確定na =hn.0 + hco.o + hcr,o，?x 100% (5)hy.cou在本試驗中煤粉在爐內的停留時(shí)間由N2的流式中hm,o、hco.o和hcu,.0-- 合 成氣中H2、CO、量調節。氮氣的流量由下式確定:CH,的熱值,kJ/h;V = Idh(273 +4)/4(273 +h)TJ (1)中國煤化工式中d- - 剛玉管內徑;h--加熱段高度;3FYHCNMHGTg- - 停留時(shí)間;3.1溫度對氣化效果的影響q和12- - -室溫和氣化爐內溫度。溫度是影響氣化反應的一個(gè)重要因素。改變沉降爐中粉煤氣化的實(shí)驗研究39轉化利用氣化爐的溫度有很多方法,如改變氧煤比、氣化爐圖3、圖4是氧碳比為1. 1時(shí)的實(shí)驗結果,從圖壓力等,但通過(guò)這樣的方法并不能單獨研究溫度對中可以看到,隨著(zhù)溫度的升高,最終煤氣成分中CO、氣化過(guò)程及煤氣組分的影響[4]。試驗采用電加熱H2體積分數逐漸增加,CO2、CH,體積分數逐漸減沉降爐,通過(guò)控制加熱功率來(lái)改變氣化爐溫度。少,碳轉化率、冷煤氣效率逐漸增加。主要是因為7060R 50-*15金10e 20151(0 0.511.522.5300.57.1.522.53停留時(shí)間/so-.5-00.511.522.53圖3溫度對氣化過(guò)程的影響( 侯馬煙煤氧碳比1. 1)3.2 O/C 對氣化效果的影響由圖5可以得出,隨著(zhù)0/C的增加CO逐漸減少,H2逐漸減少,CO2逐漸增加,碳的轉化率逐漸增第50; 熔片撰珍樓氣效率加,冷煤氣效率先增加后減少。主要是因為,增加至10 31侯馬燁碳轉化率 6大同煤冷燥心效率氧量,反應式2龍口按轉化事量30f4.3人同煤轉化率番10L1000110溫皮9%13001400龍口煤碳轉化率圖4溫度對碳轉化率和冷煤 效率的影響2大同煤碳轉化率3侯馬煤碳轉化率C(s) +CO2(g)-→2CO(g) AH= + 162kJ/mol實(shí)5o4龍口煤冷煤氣效率5大同煤冷煤氣效率(R-1)6侯馬煤冷煤氣效奉C(s) + H20(1)- +CO(g) +H,(g)AH= + 119kJ/mol(R-2)0.91.0 .1 1.2 1.30/C(mol/mol)R-1、R-2為強吸熱反應,提高溫度有利于氣化反應向正方向進(jìn)行,有利于CO、H2的生成,CO2正圖5氧碳比對碳轉化率和冷煤氣效率的影響(反應溫度1300C;停留時(shí)間1.5s)好相反;煤氣中的CH,主要由揮發(fā)分析出和通過(guò)C(s) +2H2(g)- +CH4(g) AH= - 87kJ/molH(g) +號O2(g) = H2O(g)(R-3)CO(g) +3H(g)- +CH,(g) + H20(g)中國煤化工(R-5)AH = -206kJ/ mol(R-4)YHCNMHGR-3、R4反應得到，提高溫度不利于R3、R4AH= - 283.2kJ/mol(R-6)向正方向進(jìn)行,不利于CH的生成。40《潔凈煤技術(shù))2010年第16卷第1期轉化利用全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊(CAJ-CD 規范)執行優(yōu)秀期刊~CH(g) +202(g) =2H2O(g) +CO2(g)80AH= - 803.2kJ/mol(R-7)R 70就會(huì )發(fā)生,使得煤氣中的無(wú)效氣體成分CO2增加,而H2、CO含量減少,所以雖然碳的轉化率隨著(zhù)大同煤碳轉化事3侯馬煤碳轉化率。0/C的增加而增加,但氣化效率是先增加后減少，4大回煤冷煤千效率這與Y J Kim!0-1]等的研究結果- -致。另外吳學(xué)6侯馬煤冷煤氣效率成15-6)等人對氣流床氣化做了模擬研究,得出的氧煤比為0.87 ~0.88，筆者得到的0/C比為1.1,換20算成氧煤比為0.88 ,結果吻合的較好。100.51.02.0 2.5停留時(shí)間/s50t圖7停留時(shí)間與碳轉化率、冷煤氣效率的關(guān)系11.3(反應溫度1300C ;氧碳比1. 1g/g)i0r50-40-COO:H.您30氣體種類(lèi)“20-圈6不同氧碳比 下產(chǎn)氣組分濃度變化(侯馬煙煤反應溫度 1300C ;停留時(shí)間1.5s)L■4.3爐內停 留時(shí)間對氣化效果的影響”氣體種炎CH氣化過(guò)程是一系列反應通過(guò)競爭反應饅慢使圖8不同停留時(shí)間下產(chǎn)氣組分濃度變化系統趨于平衡的過(guò)程,理論上來(lái)講要達到完全平衡(侯馬煙煤反應溫度 1300C,氧碳比1. 1g/g)需要較長(cháng)時(shí)間;從階段.上看,某個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前是激烈的競爭反應過(guò)程,過(guò)了這個(gè)時(shí)間點(diǎn)后系統進(jìn)入了發(fā)份含量較高而總的碳含量較低,所以在最初較短緩饅反應并無(wú)限接近平衡[01。實(shí)際氣化爐中的煤的反應時(shí)間內褐煤的碳轉化率和冷煤氣效率較高,氣組分都是在--定的停留時(shí)間下得到的,停留時(shí)間隨著(zhù)反應時(shí)間的延長(cháng)，氣化反應進(jìn)人緩慢反應階在實(shí)際氣化爐的設計和運行中是很重要的。停留段,碳轉化率和冷煤氣效率增長(cháng)緩慢。而煙煤由于時(shí)間太長(cháng),或者設備投資增加,或者煤氣產(chǎn)率降低;碳含量較高,在同樣的反應時(shí)間內仍處于較激烈的停留時(shí)間太短,煤炭轉化率低,煤氣組分品質(zhì)反應過(guò)程中,碳轉化率增長(cháng)較快。差'2-1]。吳學(xué)成等人對停留時(shí)間與煤氣組分做了5結語(yǔ)模擬研究,認為高溫高壓下設計停留時(shí)間在0.9~1.2s是比較合理的。(1)溫度是影響氣化反應進(jìn)程的關(guān)鍵因素,溫試驗是高溫常壓下的氣化試驗,從圖7、圖8停度升高氣化過(guò)程得到強化。CO、H2 含量增加,碳轉留時(shí)間和產(chǎn)氣組分,碳轉化率以及冷煤氣效率的關(guān)化率和冷煤氣效率都有很大提高。系上綜合分析。停留時(shí)間為1. 5s之前煤氣組分的(2)通過(guò)改變氧碳比分析,認為對于給定的氣變化比較激烈，而1. 5s之后就開(kāi)始趨于平緩了。?；癄t,存在最佳0/C。對本試驗中用到的氣化爐最留時(shí)間到2s后,基本上已經(jīng)達到了平衡。對于該工佳0/C為11釘慣質(zhì)縣比為0 9況,設計停留時(shí)間在2s是比較合理的。隨著(zhù)停留時(shí)中國煤化工中碳轉化率有較大間的增加,大同煙煤和侯馬煙煤的碳轉化率和冷煤影響,TYHCNMHG時(shí)間點(diǎn)之前是激氣效率由開(kāi)始的低于龍口褐煤變?yōu)楦哂邶埧诤置旱奶嫁D換效率和冷:煤氣效率,主要是因為褐煤的揮緩饅反應并無(wú)限接近平衡。沉降爐中粉煤氣化的實(shí)驗研究4轉化利用[9]彭萬(wàn)旺.步學(xué)朋.加壓粉煤流化床氣化技術(shù)試驗研究參考文獻:[J].煤炭轉化,1998 ,21(4):67 -74.[1]擴鎖.氣流床氣化技術(shù)的現狀和發(fā)展趨勢[J].世界[10] Y J Kim, S H Lee. 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Study the influence of temperature, oxygen-carbon ratio, residence time toComposition of gasification gas, carbon fractional conversion and gas eficiency.Keywords: drop-tube furmace; powdered coal; gasif.cation信息檢素。超化礦:深度凈化礦井水不需要添加化學(xué)制劑,每小時(shí)產(chǎn)水160噸近日,經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的緊張施工，--套無(wú)機陶瓷膜礦井水處理系統在河南鄭州煤炭工業(yè)集團超化礦投入使用,使井下煤水排污問(wèn)題得以解決。據了解,超化礦礦井水處理系統先把從煤礦井下排出的黑煤水匯集到平地的沉淀池,再將污水進(jìn)行膜滲透凈化和消毒,使之達到國家生活飲用水標準。超化礦礦井水處理系統產(chǎn)水量每小時(shí)可達160噸,不僅緩解了居民用水緊張局面,還減少了污染物排放,并可收集到更多的水煤灰。據悉,超化礦礦井水處理系統采用先進(jìn)的膜滲透技術(shù),具中國煤化工手動(dòng)控制兩套操作程序,在各出水管路都安裝有濁度監測報警儀,在水池上安有CN M H G無(wú)人值守運行。同時(shí),超化礦礦井水處理系統凈化成本低廉,不添加化學(xué)IRUL?？趗,超化礦在河南省煤礦中尚屬首家使用該系統。此后,鄭煤集團將在各生產(chǎn)礦井陸續推廣該系統。42《潔凈煤技術(shù))2010年第16卷第1期