無(wú)焰氧化氣流床氣化實(shí)驗爐設計與氣化特性研究

第9卷第3期長(cháng)沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.9 No. 32012年9月Journal of Changsha University of Science and Technology( Natural Science)Sep. 2012文章編號:1672- 9331(2012)03- -0070 -07無(wú)焰氧化氣流床氣化實(shí)驗爐設計與氣化特性研究陳文衛，陳冬林，文大綴，焦學(xué)鵬(長(cháng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南長(cháng)沙410004)摘要:根據煤粉無(wú)焰氧化燃燒的條件與技術(shù)要求,設計定制了一圓形橫截面的煤粉氣流床氣化實(shí)驗爐.并在爐膛上對沖布置了三層煤粉噴嘴、切向布置了三層空氣噴嘴.在實(shí)驗爐上分別進(jìn)行了冷態(tài)流場(chǎng)實(shí)驗與典型工況下的煤粉無(wú)焰氧化氣化特性實(shí)驗.研究結果表明,在三層煤粉噴嘴投人運行且氧/碳原子比為1.0左右時(shí),氣化爐的氣化特性最佳,有效氣組分(C0+ H2)濃度、合成氣熱值和冷煤氣效率均達最大值，分別為30. 3%,4 477 kJ/Nm'和75. 29%.關(guān)鍵詞:煤粉;無(wú)焰氧化;氣流床;氣化實(shí)驗爐中圖分類(lèi)號: TQ 546.2文獻標識碼: ADesign of an erimental entrained flameless combustion flowbed gasification furnace and its gasification researchCHEN Wen-wei, CHEN Dong-lin, WEN Da-zhui, JIAO Xue- peng(School of Energy and Power Engineering, Changsha University ofScience and Technology ,Changsha 410004 ,China)Abstract: An experimental entrained flow coal gasification furnace with a circular sectionwas customized according to the conditions for flameless combustion of pulverized coal andthree tiers of PC nozzle, and three tiers of air nozle are arranged in the furnace opposedlyand tangentially respectively. Cold air flow tests in the furnace and PC gasification testsbased on the flameless combustion under different typical conditions were carried out andthe experimental results show that PC gasification is optimum when the three tiers of PCnozzle are simultaneously in operation and the atom ratio of Oz/C is about 1. 0 and mean-while, the concentration of CO + H: ,the calorific value of the synthesized gas and the effi-ciency of the cold coal gas are all at their maximum value,i. e. 30. 3%, 4477kJ/Nm3 and .75.29% respectively.Key words: pulverized coal; flameless oxidation; entrained flow bed; experimental gasifica-tion furnace世界上常用的煤氣化技術(shù)可分為三類(lèi):移動(dòng)能 力強以及大容量運行經(jīng)驗豐富等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)和氣流床氣化技術(shù).煤氣化技術(shù)的首選方向[1.2.這三種技術(shù)相比較，氣流床氣化技術(shù)具有煤種與近年來(lái),無(wú)焰燃燒技術(shù)[377因其反應區域溫度粒度適應性廣、碳轉化率高、單爐容量大、變負荷更均勻、平均溫度較高、氧化反應強度較大和收稿日期:2012-06-13作者簡(jiǎn)介:陳文衛(1984-).男.湖北通山人,長(cháng)沙理工大學(xué)碩土研究生，主要從事傳熱傳質(zhì)技術(shù)與工程運用方面的研究.第9卷第3期陳文衛,等:無(wú)焰氧化氣流床氣化實(shí)驗爐設計與氣化特性研究71NO,排放濃度及燃燒噪音低等優(yōu)良特性[8-10]而得旋給粉機、送粉管道、點(diǎn)火用氣瓶、電子點(diǎn)火器和熱到廣泛的應用.本課題的研究目的是結合無(wú)焰氧.電偶等組成. 輸送煤粉的空氣及二次風(fēng)來(lái)自于實(shí)化的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)現途徑C377,設計并開(kāi)發(fā)一套以驗室的公用風(fēng)系統.基于無(wú)焰氧化的氣流床粉煤氣化爐11-:12為主體的2冷態(tài)試驗實(shí)驗系統,并在爐內進(jìn)行冷態(tài)流場(chǎng)測試與干煤粉的無(wú)焰氧化氣化特性實(shí)驗.2.1實(shí)試工況 及試驗氣化爐內的氣體流動(dòng)特性對爐內的煤粉濃度1無(wú)焰氧化 氣化試驗爐及試驗系統分布、氧濃度分布、溫度場(chǎng)分布及氣化特性具有重要影響,因此需對不同流量工況及噴嘴投運方式氣化試驗爐的設計應充分考慮無(wú)焰氧化的實(shí)下的爐內流動(dòng)特性進(jìn)行試驗測試，以便為氣化爐現條件[547],具體結構如圖1所示.由氣化爐組成氣化實(shí)驗工況調整提供依據.根據氣化爐二次風(fēng)的煤粉氣化試驗系統如圖2所示.切向布置及煤粉噴嘴對沖布置的特點(diǎn)(如圖3示),冷態(tài)試驗設計了如表1所示的3種進(jìn)氣工況.AQ1CQLCJ1EQ2;8AJ21536_086464AQ2EQ1 7CJ2EJ1. Q1.Q2為二次風(fēng)噴嘴; 2. J1,J2為煤粉噴嚅:3. C1 ,G3為測溫孔; 4. 1-9為溫度測點(diǎn)圖3氣化爐噴嘴及溫度測點(diǎn)布置示意圖ig. 3 Ilustration of nozzles and temperature1.氣化室; 2.保溫材料: 3.防火磚; 4.防火水泥; 5.徽冷室;measuring points for the furnace截面A-A,C-C,E-E為粉煤和氣化劑噴嘴布置截面;截面B-B,D-D,F-F,C-G為測溫點(diǎn)布置截面，表1氣化爐冷態(tài)試驗工況Table 1 Conditions for cold air flow圖1氣化爐爐膛結構示意圖Fig. 1 Ilustration of the gasification furnacemeasurement in the furnace工況二次風(fēng)噴嘴總流量/ 噴嘴出口速度/位置(m3.h-1)(m.s-1)4954↓66. 63te2七9. 95電1AQ1,AQ21213. 26 :后B。16. 581819. 89(a)正視圖(b)俯視圖3. 311.主管道; 2.預留氮氣出口:3.載氣管道; 4.送粉管道:5.干燥箱:94. 976.煤帆管逍;7.排空管道;8.煤粉倉;9.氣化劑主管逍;10.氣化劑AQ1,AQ2,營(yíng)道: 11.電子打火器;12.液化氣管道;13.液化氣瓶;14.螺旋輸CQ1 ,CQ2粉機;15.觀(guān)察孔;16.氣化爐本體1508.2.95圖2氣化爐實(shí)驗系統示意圈.2. 21Fig. 2 Ilustration of the gasification furnace based bench3. 32氣化爐主要由氣化室、耐火磚、隔熱保溫材4. 42CQ2,EQ1,EQ2料煤粉噴咀、空氣噴咀、急冷室及爐膛支撐結構等5.53組成.煤粉氣化試驗系統主要由氣化爐、煤粉倉、螺1806.6372長(cháng)沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年9月每種工況的總空氣流量設計了60,90,120，測 點(diǎn)切向速度逐漸域小其原因是,空氣自噴嘴沿150,180 m'/h 5種工況,并分別以F60, F90，切線(xiàn)方向進(jìn)人爐 膛,在近爐膛壁面處切向速度較F120,F150,F180表示.試驗按表1所示的試驗工大,在近爐膛中心區域因大部分空氣旋轉向下流況組織,各測點(diǎn)的風(fēng)速采用熱線(xiàn)風(fēng)速儀測量，試驗動(dòng)而使切向速度較小,表明在下排氣氣化爐內實(shí)過(guò)程中根據測試結果動(dòng)態(tài)調整閥門(mén)開(kāi)度,使各工現向下旋轉氣流的可行性.況的冷空氣流量滿(mǎn)足或接近表1所示各工況的2)爐內切向速度隨噴嘴級數的增加而逐漸下要求.降.圖4表明,隨著(zhù)氣化爐噴嘴投人級數的增加，2.2試驗結果與分析爐膛橫截面上各測點(diǎn)切向速度及切向速度梯度均整理氣化爐冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)的實(shí)驗測試結果逐漸減小.其原因是,當氣化爐內總空氣流量(或發(fā)現,氣化爐截面A-A,C-C,E-E上的切向速氣化爐負荷)相同時(shí),隨著(zhù)投人空氣噴嘴級數的增度分布具有相似性,并具有以下特點(diǎn).加,各噴嘴出口空氣切向速度逐漸減小，爐膛內部1)下排氣氣化爐內的氣體流動(dòng)為下旋氣流.氣流的旋轉動(dòng)量下降 ,爐內氣流速度變化趨緩.這由圖4知,從爐膛壁面到爐膛中心,爐膛橫截面各對煤粉的氣化比較有利.6ro2-220 -110 010 220-220-110 0110 220-1101122L/mm(a) E-E截面工況1(b) E-E截面工院2(e) E-E截面工況3匡細-220 -110L/mm ，(d) C-G截面工況1(e) G-G截面工況2(f) C-C截面工況3圖4氣化爐E- -E,G- -G截面各測點(diǎn)的切向速度分布圖Fig.4 The measured tangential velocity at different points on section F- F,G-G of the furnace控制在50kg/h,并通過(guò)挖制噴人氣化室內的空氣3煤粉無(wú)焰 氧化氣化試驗流量來(lái)控制氧碳原子比.3.1試驗步驟 ;氣化爐的煤粉和空氣噴嘴布置如圖3所示.1)開(kāi)啟急冷室玲卻水閥門(mén)，然后依次啟動(dòng)引試驗中的溫度測點(diǎn)位置如圖5所示.氣化用煤粉風(fēng)機、送風(fēng)機,最后開(kāi)啟燃氣開(kāi)關(guān)并點(diǎn)火對爐膛預的燃料特性如表2所示.氣化試驗工況如表3所熱.預熱期間控制爐膛升溫速率不超過(guò)5 C/min,示.試驗中所用的氣化劑為常溫空氣.為了便于比當 爐壁處溫度達到1 000 C時(shí),預熱完成,并準備較不同工況下粉煤的氣化特性,試驗中將給煤量投人煤粉.第9卷第3期陳文衛,等:無(wú)焰氧化氣流床氣化實(shí)驗爐設計與氣化特性研究7氣噴嘴投運方式及各噴嘴中空氣的流量,同時(shí)觀(guān)察爐內火焰.當爐內火焰由明顯的高亮度火焰變成低亮度暗色火焰時(shí),可認為爐內燃燒已由傳統的5古中寸場(chǎng)4有焰燃燒方式轉變?yōu)闊o(wú)焰燃燒方式(如圖6所示).(a) B-B,F-F截面(b) D-D.G-C截面圖5氣化試驗中溫度測點(diǎn)位置示意圖Fig. 5 Temperature measuring points during the test表2氣化用煤粉 燃料特性(a)有焰氧化氣化(b)無(wú)焰氧化化化Table 2 Proximate and ultimate analysis of囝6不同氣化方式下的爐內火焰:the pulverized coalFig. 6 Flames in different combustion model項目數據Ms1. 37%1.69%3)按照表3所列工況調整運行參數,同時(shí)利用熱電偶采集各測點(diǎn)溫度,并用氣體采樣袋在急6. 37%53. 42%冷室出口采樣收集合成氣樣本.33. 65%2. 82%4)試驗結束，控制爐膛降溫速率不超過(guò)0. 90%20 035 kJ/kg5 C/min,待爐膛溫度降到200 C以下后,依次停V.13. 39%oT1226C止給粉機、鼓風(fēng)機和引風(fēng)機,最后關(guān)閉急冷室冷卻表3 氣化試驗工況水閥門(mén).Table 3 Conditions for the gasification3.2試驗結 果及分析進(jìn)料總空氣流量/氣碳1)爐內溫度分布.粉煤噴嘴氣化劑噴嘴工況(L.s5) 原子比.①爐膛內氧化區的溫度隨氧碳原子比的增加56. 980.8而升高.試驗結果表明,當氧碳原子比從0.8增加64.110.9到1.2時(shí),爐內氧化區各測點(diǎn)的溫度均相應升高.1AJ1,AJ2AQ1,AQ271. 231.0其原因是,隨著(zhù)氧碳原子比的增大,煤粉粒子的燃78. 351.1燒反應越來(lái)越強烈,燃燒放熱量也越來(lái)越大,從而85. 481.2使得氧化區的溫度整體升高.②不同工況下?tīng)t膛各截面的溫度分布具有相56.98似性,且爐膛上部(氧化區)的溫度自爐壁向爐中2AJ1.AJ2,AQ1AQ2,心逐漸降低,而爐膛下部(還原區)則與此相反(如CJ1,CJ2 ;CQ1 ,CQ2圖7所示).爐內溫度呈現出上述分布的原因是，85.48爐膛上部近爐壁區域氣體旋流速度較大,較大的離心力作用使煤粉粒子聚集在爐壁附近而使氧化反應強烈,燃燒溫度較高，而近爐膛中心區域的流AJ1,AJ2,CJ1,動(dòng)情況剛好與此相反，因此參加氧化反應的煤粉CQ1CQ2,CJ2,EJ1,E[2粒子數量較少而使得該區域的燃燒溫度較低(如EQI ,EQ2圖7中的F-F截面);爐膛下部因受漸縮結構出口及旋流速度下降的影響,氣流中的煤粉粒子向2)啟動(dòng)螺旋輸粉機,調節煤粉和氣化劑(空出口中心區域匯聚,煤粉濃度增加,從而使得中心氣)流量,使爐膛內的煤粉穩定著(zhù)火燃燒.當給煤區域的氧化放熱反應比近壁區域強烈,因而中心量達到50 kg/h時(shí),穩定運行一段時(shí)間后,調節空區域溫度較高(如圖7中的G-G截面).長(cháng)沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年9月1300 i1 3001 3401280 |1280t132012601 2601300匡翻g 124012801 220道1220網(wǎng)12601 2001 2401 18011801 1601200-300-200-100 0 100 200 300-00-200-100 0 100 200 30000-20-100 0 100 200 300距爐內中心鈾線(xiàn)的距離/mm距爐內中心軸線(xiàn)的距離/mm距爐內中心軸線(xiàn)的距離/m(a)工況1C-C截面(b)工況2F-F截面(c)工況3F-F截面1 140I180r1 120，1110。1140 tp1150要1100g 11301140駟1090駟1120! 113010801 1101 0701 0601 0901 100”-300-200-100 0 100 200 300(d)工況IC-G截面(e)工況2C-G截面(f)工況3C-G截面圈7 F-F, G-G截面的溫度測量結果Fig. 7 The measured temperatures on sectionF-F, G-G .③爐膛下部溫度隨噴嘴投運層數的增加而升使得下部區域的氧化反應更加強烈，燃燒放熱更高.由圖7知,在工況3下,G-G截面的溫度均高多,因而溫度比中上部區域高.于其他2種工況，溫度梯度也均小于其他2種工2)合成氣組分濃度.況.其原因是，上、中層噴嘴送人爐內未完全反應利用1903型奧氏氣體分析儀對所收集到的的煤粉粒子和可燃性氣體與下層噴嘴出口的煤合 成氣樣本進(jìn)行分析,得到合成氣中CO,H2 ,CH,粉、空氣混合后，在旋轉氣流的帶動(dòng)下向下移動(dòng)，和CO2的濃度(如圖8所示).24F22-匡銎10L)8 0.9 1.0 1.1 1.20.8 09 1.0 1.1 12氧碳原子比(a) co濃度(b) H2濃度13廠(chǎng)1.00.9-0F0.80.6F.5匡掇.4-0.7 0.8 0.9， 1.0 I.1 1.0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.(c) CH濃度(d) CO,濃度圖8各組分氣體濃度Fig.8 Concentration of the component gas第9卷第3期陳文衛,等:無(wú)焰氧化氣流床氣化實(shí)驗爐設計與氣化特性研究75圖8表明:熱值、冷煤氣效率及煤耗等來(lái)表征.①隨著(zhù)氧/碳原子比的逐漸增加,合成氣中可碳轉化率:燃組分的濃度呈現出先上升后下降的趨勢，且存在一最高濃度值,而CO2的濃度一直呈上升趨勢.Vr x ([CO]+[CO2]+[CH])X2412導致這一現象的原因是,在人爐煤粉量保持不變.- X 100%.的情況下,氧/碳原子比增加,煤粉粒子的氧化燃C入護燒反應加強,燃燒放熱量增加,爐內溫度升高,氣(1)化反應加強,從而使得合成氣中CO,H2和CH熱值:的組分濃度快速上升,并達到一個(gè)最大值.當氧/Hgan= 4.187X碳原子比繼續增加時(shí),過(guò)多的空氣一方面降低了(3020[CO] + 3 050[H2]+ 9 500[CH,]). (2)爐內溫度水平，使得氣化反應速度下降;另一方冷煤氣效率:面,過(guò)量的氧氣與合成氣中的CO,H2和CH,發(fā)HganXVr生氧化反應,并且過(guò)多的空氣還進(jìn)一步稀釋了合”= G文Han X 100%.(3)成氣中CO,H2和CH,的濃度,從而使得可燃氣煤耗:體成分的濃度進(jìn)一步下降.煤耗=VrCxx 100%.(4)②合成氣中可燃組分的濃度隨噴嘴級數的增加而逐漸升高.導致這一現象的原因是,隨著(zhù)噴嘴以上各式中:Vx為合成氣流量,Nm'/h,由煤氣流級數的增加,爐膛內部氣體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布速和煤氣管道半徑求得;[CO],[H2],[CH,]為合越來(lái)越均勻,整體溫度也明顯升高,強化了煤粉的成氣中的體積百分數,%;G端 為給煤量，kg/h;無(wú)焰氧化和氣化反應.V有效氣為合成氣中(CO+ H2 )的體積,Nm'/h.3)氣化工藝參數.式(1)~(4)計算所得結果如圖(9)所示.煤粉氣化爐的技術(shù)性能還可通過(guò)碳轉化率、100 r4 600954 400豐4200t盛4000-華3800-3 80f 36003400t7:匡攝33 2003 0000.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2氧碳原子比(a)碳轉化率(b)合成氣熱值787506506005s060500560.7 0.8 0.9 1.01.1 1.2(c)冷煤氣效率(d)煤耗.囝9氣化爐的氣化工藝參數ig. 9 Gasification parameters for the gasifier圖9表明:原子比增加,煤粉的氣化反應加強,碳的轉化率也①隨著(zhù)氧/碳原子比的增加,碳轉化率逐漸升隨之增大;當氧碳原子比增加到一定值時(shí),煤粉的高,最后趨向平緩.導致這一現象的原因是,氧/碳主要反應由氣化反應變成了氧化反應,此時(shí)氧碳76長(cháng)沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年9月原子比的增加對碳的轉化率影響也相應變緩.tion[J]. Progress in Energy and Combustion Sci-②氧/碳原子比變化時(shí),合成氣熱值的變化趨ence,2004 ,(30) :329-366.Ambrogio Milani, Alessandro Saponaro. Diluted com-勢和(CO+ H2 +CH4)的組分濃度變化趨勢一致，bustion technologies[J]. IFRF Combustion Journal,冷煤氣效率的變化趨勢和合成氣熱值的變化趨勢2001(1):1-32.一致,而煤耗的變化趨勢和有效氣體的變化趨勢[6] F J Weinberg. Combustion temperatures[J]. The fu-相反.ture, Nature,1971 ,233(24) :239-241.③當氧/碳原子比為1.0左右時(shí),氣化爐處于[7] 唐超君,方明,唐志國，等.煤粉無(wú)焰氧燃的試驗研究最佳工況，此時(shí)的ηc為92. 86%,Hgm.h為[].電站系統工程,2010,26<1):8-10.4 477 kJ/Nm3 ,為75. 29%，煤耗為482 g/Nm'.TANG Chao-jun, FANG Ming, TANG Zhirguo, etal. The experimental research of coal flameless oxidation4結論[]. Power System Engineering,2010,26(1) :8-10.[8] 唐志國,程建萍,馬培勇,等.新型常溫空氣無(wú)焰燃燒實(shí)現技術(shù)及特性分析[J].工業(yè)加熱,2007,36(1):1)氣化試驗爐在三層六噴嘴進(jìn)料無(wú)焰氧化氣48-51.化工況下,氧/碳原子比為1.0左右時(shí)，氣化試驗TANG Zhi-guo, CHENG Jian-ping, MA Pe-yong,et爐的工作狀況最佳.此時(shí)的碳轉化率為92. 86%，al. The technology of realizing flameless combustion冷煤氣效率為75. 29% ,有效氣體(CO+H2)組分in normal temperature and its characeteristics analy-濃度為30. 3% ,煤耗為482 g/Nm'.zing[J]. Industrial Heating ,2007.36(1):48-51.2)本試驗爐的無(wú)焰氧化氣化特性指標均低于[9] 刑獻軍,林其釗.常溫空氣燃燒中CO生成的研究[].熱能動(dòng)力工程,2006 ,21(6):612-617.其他常規氣流床的技術(shù)指標.其主要原因是,試驗XING Xian-jun, LIN Qi-zhao. The research of CO爐在常壓環(huán)境下運行,且氣化劑為常溫空氣.generation in normal temperature air combustion[J].3)雖然這些氣化特性指標無(wú)先進(jìn)性,但是可Journal of Engineering for Thermal Energy and Pow-以證明在本試驗系統平臺上進(jìn)行煤粉的無(wú)焰氧化er, 2006,21(6) :612-617.氣化特性研究的可行性,并為今后更加深入、細致[10]刑獻軍 ,林其釗.常溫空氣無(wú)焰燃燒中NO,生成的的研究奠定了理論與試驗基礎.，研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006 ,26(10) :1671-1676.在下一階段的試驗中,可以考慮采用以下方XING Xian-jun,LIN Qi-zhao, The research of NO。式加以改進(jìn):①采用加壓氣流床51617);②對氣化劑generation in. normal temperature air flamelesscombustion[J]. 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