空氣煤比對循環(huán)流化床煤氣化過(guò)程的影響

第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月空氣煤比對循環(huán)流化床煤氣化過(guò)程的影響張榮光',常萬(wàn)林',那永杰,呂清剛( 1.華北科技學(xué)院,北京101601 ;2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080 )摘要:以空氣和水蒸 氣為氣化劑,在循環(huán)流化床煤氣化熱態(tài)試驗臺上進(jìn)行了神華煤的氣化試驗,研究了空氣煤比對氣化過(guò)程的影響。在試驗研究范圍內,神華煤最高的冷煤=氣效率為45.64%,碳轉化率為83.84%。隨著(zhù)空氣煤比的增加,提升管溫度上升,煤氣產(chǎn)率增加;碳轉化率先迅速上升,但繼續增加空氣煤比則碳轉化率變化較小;煤氣中CO濃度先增高而后有所下降,CO2濃度的變化規律與此剛好相反, CH和H2的濃度呈減少趨勢。存在最佳的空氣煤比,使得煤氣熱值、冷煤氣效率和煤氣有效成分含量出現最大值。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床;煤氣化;空氣煤比中圖分類(lèi)號: TQ546文獻標識碼: B文章編號:0253 - 2336 ( 2006 ) 03 -0046 -03Air and coal ratio effected to circulated fluidized bed coal gasificationZHANG Rong guang' ,CHANG Wan-lin' , NA Yong-jie2 , LU Qing-gang2( 1. North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601 , China ;2. Institue of Engineering Thermophysics , China Acodemy of Sciences , Beijing 100080 , China )作為一種高效、無(wú)氣泡、高生產(chǎn)能力的反應器1試驗系統及試驗用煤的性質(zhì)-循環(huán)流化床已應用于許多領(lǐng)域,但國內應用于煤氣化的研究和開(kāi)發(fā)工作尚處于起步階段。與鼓泡CFBR100熱態(tài)試驗系統、主要裝置尺寸、試流化床相比,循環(huán)流化床具有單位容積生產(chǎn)能力驗過(guò)程及神華煤的特性詳見(jiàn)文獻[8]。進(jìn)行該階大、顆粒停留時(shí)間長(cháng)、容易實(shí)現大型化等特點(diǎn)。為段試驗時(shí),在以下方面對原有試驗設備進(jìn)行了完此,中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、東南大學(xué),善:①將洗滌箱改造成為袋式除塵器;②將旋風(fēng)德國Lurgi公司、瑞典Studsvik 能源公司、美國爐排氣管直徑由58 mm縮小到24 mm,插入深度HRI和Foster Wheeler公司先后進(jìn)行了循環(huán)流化床由200mm縮短到100mm;③設計并制造了一臺的煤氣化研究1-7]。簡(jiǎn)易蒸氣發(fā)生器,供試驗用;④加大提升管底部2002~2004年,中國科學(xué)院工程熱物理研究測壓管直徑。該階段試驗系統如圖1所示,試驗操所承擔’了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃”循環(huán)流化床作詳見(jiàn)文獻[9 ]。加壓煤氣化”課題,在循環(huán)流化床常壓煤氣化熱2 試驗結果分析.態(tài)試驗系統CFBR100上完成了以氧氣和水蒸氣為氣化劑的初步試驗研究8] ,而后進(jìn)行了以空氣和當加煤速率和蒸氣煤比一定時(shí), 以神華煤為原水蒸氣為氣化劑的煤氣化試驗,共完成100多個(gè)試料研窮了空氣煤比對氣化過(guò)程的影響。圖2 ~6分驗工況，研究了煤種、加煤速率、空氣煤比、蒸氣別顯中國煤化工、蒸氣煤比為0.21 ,0.30MHCNMH C提升管平均溫度(提煤比等對氣化過(guò)程的影響。本文僅對空氣加入量對煤氣過(guò)程的影響的試驗結果進(jìn)行分析和討論。升管頂部與底部溫度的算術(shù)平均值)碳轉化率、煤氣產(chǎn)率、煤氣熱值和冷煤氣效率的影響情況?；痦椖?國家”863” 計劃資助項目( 2003AA529220 )隨著(zhù)空氣煤比的增加,提升管平均溫度上升,46第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月成分分析儀4.0 rF一蒸氣煤比為0.21。蒸氣煤比為0.30|三3.5|0蒸氣煤比為0.51]飛灰1 飛灰2感3.02.52.7 2.9 3.3.3 3.5 3.7亡]Q空氣、煤質(zhì)量比亡排渣~1211I098圖5煤氣熱值 與空氣煤比的關(guān)系1-提升管;2-煤斗;3-螺旋給料機;4-旋風(fēng)爐;5-管式間璧冷卻器;6-袋式除塵 器;7- -煤氣流量計;8-電加熱爐;9-柱塞式計量泵; 10-液化石油氣瓶; 11- -空氣壓縮機; 12- -電加熱爐圖1試驗臺示意-。蒸氣煤比為0.30|心l000p 蕉氣煤比為0.21-o-蒸氣煤比為0.51J蒸氣煤比為0.302.900-蒸氣煤比為0 51空氣、煤質(zhì)朵比圖6冷煤氣效率 與空氣煤比的關(guān)系由700.9逐步下降,存在最大值;隨著(zhù)空氣煤比的增加，煤氣中-氧化碳濃度先增高而后有所下降,二氧化碳圖2提升管平均溫度 與空氣煤比的關(guān)系濃度的變化規律與此相反,甲烷和氫氣的濃度逐漸減少,煤氣有效成分含量(一氧化碳、氫氣、甲80烷之和)先增高而后逐漸下降,存在一個(gè)最大值。i 70空氣煤比對氣化過(guò)程存在2個(gè)方面的影響:①隨著(zhù)空氣煤比的增加,燃燒反應放熱量增加,從而60--蒸氣煤比為0.30使煤氣化爐溫度提高,促進(jìn)了二氧化碳還原、碳與一-蒸氣煤比為0.51水反應和焦油的二次裂解反應的進(jìn)行,增加煤氣中2.7 2.9 3. i33 3.5 3.7--氧化碳和氫氣的含量,從而提高煤氣熱值和碳轉化率;②由于燃燒反應速率遠大于氣化反應速率,圖3碳轉化率與 空氣煤比的關(guān)系所以空氣煤比較大時(shí),參加燃燒反應的份額也越大,使得煤氣中無(wú)效成分二氧化碳的濃度也越大,而氫氣和一氧化碳濃度下降"12。此外，由于空氣量的增加,導致氣體停留時(shí)間減少,對氣化反應。蒸氣煤比為0.2也將產(chǎn)生不利影響。33.0F影=o蒸氣煤比為0.30o-蒸氣煤比為0.51當空氣煤比較小時(shí),隨著(zhù)空氣加入量的增加，2.7 2,9 3.13.3 、3.5 3.7煤氣化爐溫度.上升,氣化反應速率增長(cháng)迅速。因此,碳轉化率增加,煤氣中一氧化碳、氫氣產(chǎn)率增圖4煤氣產(chǎn)率與空氣煤比的關(guān)系加中國煤化工圣。圖7和圖8分別為加煤CNMH G謀比為0.21時(shí)，空氣煤氣產(chǎn)率增大,碳轉化率先迅速上升,而后變化較煤比對煤氣組成和煤氣組分產(chǎn)率的影響情況。小,這與Shadle 10]的研究結果相同;隨著(zhù)空氣煤但當空氣煤比較高時(shí),隨著(zhù)空氣加入量的增加比的增加,煤氣熱值和冷煤氣效率先逐漸增高而后煤氣中一氧化碳和氫氣的產(chǎn)率下降,而二氧化碳產(chǎn)47第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月風(fēng)分離器分離效率并非總是隨入口氣體速度增加而0p增加,若分離器入口氣流速度比沉降速度高,顆粒將無(wú)法穿過(guò)流線(xiàn)到達壁面,在入口速度更高時(shí)已被10分離到壁面的顆?？赡鼙辉俅螉A帶,這就限制了分離器效率進(jìn)一步提高14。通常情況下分離器入口- -H2 -0 CH,氣體速度為20~25 m/s515] ,而該試驗在空氣煤比3.5 3.7空氣、煤質(zhì)量比較低時(shí)旋風(fēng)爐入口速度差不多已達到或接近25m/s。圖7煤氣組成與空氣煤比的關(guān)系-般而言,向煤氣化爐中通入空氣使部分煤發(fā)生燃燒反應的目的是為氣化反應過(guò)程提供所需的熱300量。增加空氣量將使碳轉化率增高,但過(guò)多的空氣2001加入量也將使煤氣氣質(zhì)量變差。因此,為了獲得比較好的氣化效果,必須選擇合適的空氣煤比,要均衡- -H2 -o- CH，兼顧煤氣產(chǎn)率和熱值(或效率)。2.7 2.3.1 .3.3 3.5 3.73結論(1)隨著(zhù)空氣煤比的增加,提升管平均溫度圖8煤氣組分產(chǎn) 率與空氣煤比的關(guān)系上升,煤氣產(chǎn)率增加。率增加,說(shuō)明燃燒反應逐步占據優(yōu)勢。此外,碳轉(2)隨著(zhù)空氣煤比的增加,碳轉化率先迅速化率不再增加或增加幅度較小,這與旋風(fēng)爐出口的上升,但繼續增加空氣煤比則碳轉化率變化較小。飛灰含碳量增高有關(guān)。圖9給出了加煤速率為5.4.(3)存在最佳的空氣煤比，使得煤氣熱值和kg/h、蒸氣煤比為0.21 , 0.30時(shí),不同空氣煤比冷煤氣效率出現最大值。工況下取得的冷卻器飛灰(即在冷卻器取得的飛(4)煤氣中一氧化碳濃度先增高而后有所下降,二氧化碳濃度的變化規律與此剛好相反，甲烷灰)的灰分情況。和氫氣的濃度呈減少趨勢,煤氣有效成分含量先增高而后逐漸下降,存在一個(gè)最大值。g 80「(5)在試驗研究范圍內,神華煤取得的最高爾6的冷煤氣效率45. 64% ,最高碳轉化率為83.84% ,40最高煤氣熱值為3.84 M.J/m'。心蒸氣煤比為0.21甓200蒸氣煤比為0.30參考文獻:3.23.3.8[ 1 ] Yitian Fang ,Jiejie Huang , Yang Wang ,et al. Experiment andmathematical modeling of a bench - scale eirculating fluidized圖9冷卻器飛灰的灰分與空氣煤比的關(guān)系bed gasifer[ J]. Fuel Processing Technology , 2001( 1 ).[2] Hirschfelder H , Verrah H. Electricity and syngas from biomass從圖9中可以看到,隨著(zhù)空氣煤比的增加,冷and wastes applying CFB gasification[ A ] Circulating Fluidized卻器~飛灰的灰分減少,即冷卻器飛灰含碳量增高。Bed Technology VI : Proceedings of 6" International Conference這可能有2個(gè)方面的原因:①隨著(zhù)空氣煤比增加,on Circulating Fluidized Beds[ C ]. W urzburg , Germany , 199.流化風(fēng)速增高，使粒度較小的碳(由于旋風(fēng)爐對[3] 武利軍,周靜,劉璐,等.煤氣化技術(shù)進(jìn)展[J]潔凈粒徑較小顆粒的分離效率較低[13] ,所以通常這部[4]中國煤化工Z ,et al. Partial Gasification分碳無(wú)法被分離并參與循環(huán))停留時(shí)間減少,從CHC NMH G.', umi A] The 28“Inter. Tech.而使碳轉化率下降;②空氣煤比的增加使提升管Conf. on Coal Utilization & Fuel Systems[ C] Florida , USA.出口固體帶出量增加,但旋風(fēng)爐的分離效率并沒(méi)有2003.得到相應提高,從而造成更多的飛灰損失。由于旋.(下轉第52頁(yè))48第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月歸系數)分為兩部分。在試驗開(kāi)始階段,也就是本試驗在軸為了方便比較把表2的不同粒徑的軸力與位移力小于200kN時(shí),粒徑與控制體增量的關(guān)系是粒的回歸曲線(xiàn)繪在圖4中,可見(jiàn)在相同軸力下不同粒徑小的控制體增量大,粒徑大的控制體增量小。而徑浸水飽和砂巖的軸力與位移的關(guān)系因粒徑的不同當軸力大于200kN時(shí),粒徑越小控制體增量也越而有所不同,在相同軸力條件下浸水飽和砂巖的粒小,粒徑越大控制體增量也越大。徑越小位移越大。(4)同軸力下不同粒徑浸水飽和砂巖的軸力與位移的關(guān)系遵循對數函數關(guān)系,相關(guān)系數都大于50 [0. 99 ,它們的關(guān)系因粒徑的不同而有所不同,在相同軸力的條件下浸水飽和砂巖的粒徑越小位移越30大。a 20廿粒徑為15 ~20 mm?粒徑為10~15 mm參考文獻:0會(huì )粒徑為5~10mm[1]繆協(xié)興,茅獻彪,胡光偉，等，巖石(煤)的碎脹與壓實(shí)10300400特性研究[J]實(shí)驗力學(xué), 1997 (3).軸力/kN[2]張振南，茅獻彪,郭廣禮.松散巖塊壓實(shí)變形模量的試驗圖4不同粒徑的軸力與位移的回歸曲線(xiàn)研究[J]巖土力學(xué)與工程學(xué)報, 2003 (4).[3]張振南,茅獻彪，葛修潤、松散巖塊側限壓縮模量的試驗研究[J]巖土力學(xué)與工程學(xué)報, 2004( 18).4結論[4]繆協(xié)興 ,張振南.松散巖塊側壓系數的試驗研究[J]徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2001 (4).( 1)體積變化量與軸力的關(guān)系是一種冪函數[5] 日本土質(zhì)工學(xué)會(huì ).粗粒料的壓實(shí)[ M]郭熙靈,文旦,的關(guān)系。對于不同粒徑的巖塊在軸力施加條件相同譯、北京:中國水利水電出版社, 1999.時(shí)粒徑大的巖塊體積變化量大,而粒徑小的巖塊體積變化量小。作者簡(jiǎn)介: 張連英(1971- ),女,山東青島人,講師,中國(2)控制體增量與應力的關(guān)系和體積變化量礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事巖石力學(xué)特性研究。Tel : 0516 -83884881 , E - mail : zhanglianying@ 126. com與軸力的關(guān)系差不多,都遵循冪函數的關(guān)系。(3)同一軸壓下的控制體增量與粒徑的關(guān)系收稿日期: 2005-10-01 ;責任編輯:朱栓成(上接第48頁(yè))[11 ] Kim Y J, LeeJ M , KimS M. Coal gasification characteristicsin an intemally circulating fluidized bed with draught tube [ J ][5]Robertson A. Development of Foster Wheeler'ssion 21 PartialFuel ,1997( 12 ).Gasifcation Module [ A ] Vision 21 Program Review Meeting[ 12]Kim Y J ,LeeJ M ,KimS M. Coal gasifcation characteristics[ C] Morgantown , West Virinia ,2001.in a downer reactor[J] Fuel ,2001 (13).[6] Robertson A. Vision 21 , Partial Gasification Module Pilot Plant[ 13]譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理(第二版) [M]北Testing[ A ] The 27" Inter. Tech. Conf. on Coal Utilization京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1990.& Fuel Systems[ C ]. Florida ,USA.2002[ 14]巴蘇P.循環(huán)流化床鍋爐的設計與運行[ M]北京:科學(xué)[7]黃亞繼，金保升,仲兆平,等.循環(huán)流化床部分煤氣化試驗出版社, 1994.研究.煤炭科學(xué)技術(shù), 2003 (2).[ 15]岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設計[8]那永潔,張榮光，呂清剛,等.循環(huán)流化床常壓煤氣化的與運行[ M]北京:中國電力出版社, 1998.初步試驗研究[J]煤炭學(xué)報, 2004(5).[9]張榮光,那永潔，呂清剛. Experimental study on coal gasifi-中國煤化工，河北邯鄲人,博士,副教caion in a eirelating fuidized bed[J]中國電機工程學(xué)報,2005 (9).授，:TYHC N M H G化方面的教學(xué)與研究。Tel:61591265 ;E - mail :z_ rg@ sohu. com[ 10] Shadle LJ , Monazam E R , Swanson M L. Coal gasification ina transport reactor [ J ] Ind. Eng. Chem. Res. ，2001( 13).收稿日期: 2005-10-21 ;責任編輯:劉軍娥52