多噴嘴對置式氣化爐中飛灰性質(zhì)

第60卷第11期化工學(xué)Vol. 60 No. 112009年11月CIESC JournalNovember 2009研究簡(jiǎn)報 資多噴嘴對置式氣化爐中”飛灰性質(zhì)3”》33I胡，郭慶華，梁欽鋒，張健，廖敏，于廣鎖(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237)關(guān)鍵詞:多噴嘴對置式氣化爐;水煤漿;飛灰中圖分類(lèi)號: TQ 541文獻標識碼: A文章編號: 0438-1157 (2009) 11-2918-06Properties of fly ash in opposed multi-burner gasifierLIAO Hu, GUO Qinghua, LIANG Qinfeng, ZHANG Jian, LIAO Min, YU Guangsuo(Key Laboratory for Coal Gasification of Ministry of Education, East China Universilyof Science and Technology, Shanghai 200237. China)Abstract: On a laboratory scale opposed multi-burner gasifier (OMBG), the fly ashes at different samplingmouths are collected and analyzed by SEM, EDS, XRF and Malvern mastersizer. Most fly ash particlesproduced in the gasification are irregular, aggregate or spherical. As for the composition of the particles,carbon is the main content, while S, Fe and Na get enriched. At the same time, the concentration of AI andSin the fly ash particles is lower than that in the original slag. From the nozzle plane to the exit ofgasification chamber, the carbon content of particles decreases along the axes of gasifier. The carboncontent of particles decreases rapidly from the nozzle plane to No. 7 sampling mouth and declines slowlyfrom No. 7 sampling mouth to the chamber exit. The size of particles generated in the gasification appears atriple humped-distribution with peaks at 0.1- -0.2 μm, 2 μm and 14 μm. The particle size distribution indifferent sampling places is different. Above the impact plane, more ultra-fine particles are found andcoarse particles are larger in location near the impact plane. In symmetrical up and down locations of theimpact plane, the particle size distributions are similar, but there are more coarse particles below theimpact plane. The coarse particle size decreases and the proportion of fine particles increases below theimpact plane, while the proportion of coarse particles increases at the chamber exit,Key words: opposed multi-burner gasifier; coal-water slurry; fly ash化技術(shù)，是沽凈煤技術(shù)的龍頭和關(guān)鍵"。煤在氣化引言過(guò)程中不但生成日標產(chǎn)品合成氣，同時(shí)還生成副產(chǎn)煤炭氣化技術(shù)，尤其是高壓、大容量氣流床氣品 飛灰和熔渣。其中飛灰由于比表面積很大，很容2009- -05- 13收到初稿，2009-07-01收到修改稿。Received date: 2009-05- 13.聯(lián)系人:于廣鎖。第一作者:廖胡(1985-)，男，碩上研Guangsuo, gsyu兗生。中國煤化工ecust.基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(20876048);國家重點(diǎn)蔫礎研究發(fā)展計劃項日(2004CB217703); 教育部新世紀優(yōu)秀人才支YHC N M H Gitional Natural Science持計劃項H (NCET-06-0416); 上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人資助計劃項Foundation of China (20876048) and the National Basic Research目(08XD1401306).Program of China (2004CB217703).第11期廖胡等:多噴嘴對置式氣化爐中飛灰性質(zhì)●2919●易富集大量有毒的重金屬元素(如鉛、 鎘等)，嚴重危害人類(lèi)健康，同時(shí)造成環(huán)境污染[2-3];另外，氣化爐內飛灰由于運動(dòng)軌跡的不同，一部分隨合成:站「氣一起排出氣化爐，另一部分進(jìn)人熔渣中，成為熔渣的一部分司，因此飛灰的組成會(huì )對熔渣的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。因此，煤燃燒或氣化過(guò)程中形成的好852飛灰的特性及其形成機理已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。圖1熱模實(shí)驗裝 置流程圖目前，國內外的學(xué)者對流化床、鍋爐中煤粉氣Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup化燃燒形成的飛灰的特性及形成機理進(jìn)行了大量的1-CWs pump; 2- -oxygen cylinder; 3- nitrogen cylinder;研究[5+6]。但對水煤漿氣化過(guò)程中不同階段的飛灰4-gas mass flowmeter; 5- -burmer; 6- syngas exits:的性質(zhì)卻鮮有報道，特別是對水煤漿在撞擊流反應7- waterspout; 8- -slag discharge; 9- water pump:器中氣化過(guò)程中形成的不同階段的飛慶的性質(zhì)的報10- water tank; 11, 13-flame monitoring system;道就更少。多噴嘴對置式水煤漿氣化爐是由華東理12-thermocouple or sampling probe;14-mass spectrograph; 15-- computer工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所自主開(kāi)發(fā)的，多噴嘴對置式氣化爐的四個(gè)噴嘴安裝在氣化爐中上.部的某- -平1.2實(shí)驗原料面，并月互成90°夾角。四噴嘴對置式冷模裝置的實(shí)驗所用水煤漿為自制水煤漿，濃度為62%, .測試結果表明”，氣化爐內流場(chǎng)可劃分為射流區、煤粉為神府煤和北宿煤的混煤(神府煤/北宿煤=撞擊區、撞擊流股區、回流區、折返流區和管流.7 : 3),神府煤和北宿煤的工業(yè)分析及元素分析如.區。氣化反應是串并聯(lián)反應同時(shí)存在的極為復雜的表1所示，混煤的粒徑分布如圖2所示。反應體系，在氣化爐內存在一次反應區、二次反應表1煤的工業(yè)分 析和元素分析區及- -次與二次反應共存區(8,氣化爐內的氣氛為T(mén)able 1 Proximate and utimate analysis of coal還原氣氛，且多噴嘴對置式氣化技術(shù)已實(shí)現工業(yè)Proximate analysisUltimate analysis化。因此，無(wú)論是完善氣化技術(shù)的基礎研究還是改Coal/%(mass)/%( mass)進(jìn)工業(yè)技術(shù)，研究多噴嘴對置式水煤漿氣化爐內飛MAVFCCHNs0灰的特性都是必要的。本文以SEM、EDS、XRFShenfu 3.2 6.32 35.05 55.43 73.5 4.43 0.9 0.26 11.39和Malvern激光粒度儀為測試手段，研究了多噴嘴Beisu 3.05 10.64 36.89 49.42 70.647.14 1.25 2.11 5.17對置式水煤漿氣化爐中飛灰的特性。4.01實(shí)驗部分3.53.01.1實(shí)驗流程望2.5熱模實(shí)驗流程如圖1所示。實(shí)驗中采用氧氣作號20-為氧化劑，水煤漿作為氣化介質(zhì)，噴嘴為雙通道。重1.5-水煤漿由帶有液晶顯示屏的螺桿泵輸送，經(jīng)噴嘴內1.0.5 t通道進(jìn)入氣流床氣化爐內，氣化妒爐膛高約220010 100 1000 .mm、內徑300 mm,氣化室出口處內徑為100 .particle size/μmmm。氧氣由氧氣鋼瓶提供，由氣體質(zhì)量流量計控圖2混煤粒徑分布制計量后，經(jīng)噴嘴外通道進(jìn)入爐膛內。實(shí)驗條件設Fig.2 Size distributions of mixed coal particles置氧氣總流量16.7 m°●h-',出口氣速約為120m.s-',煤漿進(jìn)料量為41 kg●h"'，O/C約為1.3 取樣1.0，吹掃保護氣Ar流量約為2.0m3●h-'.氧氣中國煤化工過(guò)濾裝置、流量與水煤漿在爐內劇烈攛擊燃燒，進(jìn)一步氣化反應生計和.MYHCNMHG驗過(guò)程中首先通成合成氣，合成氣經(jīng)洗滌冷卻室冷卻后放空。實(shí)驗過(guò)質(zhì)量流量計控制氬氣的流最及質(zhì)譜儀測得的氬氣結束后采用氬氣吹掃爐膛. .含量反算出氣化爐內的氣速，再通過(guò)調節取樣系統●2920 ●化工學(xué)報第60卷=[O0]=一 -@- Q- exitfiluration flowmeter air pumpsystemgasifier圖3取樣系統Fig.3 Sample cllctioni system的流量計來(lái)保證等速取樣。取樣位置沿氣化爐軸向從上往下分別為1#、3*、7"、11#、 14# 取樣口，其中1"和3*取樣口位于噴嘴撞擊平面上方，距噴嘴平面分別為500 mm和200 mm, 7#、11#* 和14"取樣口位于撞擊平面下方，距噴嘴平面分別為200 mm、960 mm和1440 mm。b)2實(shí)驗結果與討論2.1飛灰形態(tài) .水煤漿氣化爐中飛灰的形態(tài)如圖4所示，從圖中可以看出，飛灰形狀以不規則形狀飛灰、飛灰團聚體和球形飛灰為主。其中20 μm以上飛灰基本上都是不規則形狀的飛灰，1~20 pm之間飛灰包c(diǎn))含球形飛灰和不規則形狀飛灰，球形飛灰粒徑基本在10 μm以下，而1 pum以下飛灰形狀都為球彤，它們以飛灰團聚體的形式存在。不規則形狀的飛灰是由氣化過(guò)程中煤焦飛灰破碎形成的，其中含有部分殘炭;實(shí)驗測得在噴嘴平面上，距爐膛中心60mm處溫度為1450C， 高于混煤灰熔點(diǎn)1250C,因此球形飛灰大部分是在煤燃燒中經(jīng)過(guò)熔融過(guò)程形成的;灰分中的半揮發(fā)性金屬元素在1300C高溫燃燒過(guò)程下還會(huì )發(fā)生蒸發(fā)一成核- 凝結/凝聚過(guò)程，圖4氣化爐 飛灰的SEM即通過(guò)蒸發(fā)、成核、凝聚克接形成亞微米飛灰，或Fig.4 SEM of paricles in gasifier者經(jīng)過(guò)異相凝結、表面反應被較大顆粒的飛灰吸下，S、Fe和Na蒸發(fā)、冷凝或同其他礦物反應，附，形成超微米飛灰(PM-1o)，這一過(guò)程形成的飛灰一般也為球形[明，但容易形成團聚體。在飛灰中出現了富集，而AI和Si等元素不易揮發(fā)，因此在飛灰中含量低于平均含量。2.2飛灰質(zhì)量濃度分 布及元素分布圖5為氣化爐軸向不同取樣口的溫度(距壁面2.3 軸向不同取樣位置飛灰的含碳量60mm處)及飛灰的質(zhì)量濃度(0mm處為噴嘴平飛灰含碳量沿軸向不同取樣位置的變化如圖7面)分布。圖6為14*取樣口處飛灰的能譜圖，由所示。 由圖7可知，從噴嘴平面至14"取樣口，飛圖6可以看出，水煤漿氣化產(chǎn)生的飛灰中碳元素含灰含中國煤化工面處飛灰同除去揮量最高，對比圖6和表2,可以看出飛灰中S、Fe發(fā)分YHCN M H G降約9%，這表明和Na元素出現了富集，Al和Si元素含量低于各煤飛灰在噴嘴平面處所進(jìn)行的反應主要為脫揮發(fā)自在原煤渣中的平均含量。這是因為在還原性氣氛分 和結合水，同時(shí)煤中的固定碳發(fā)生了部分燃燒。第11期廖胡等:多噴嘴對置式氣化爐中飛灰性質(zhì)●2921.表2煤的XRF熒光分析Table 2 XRF fluorescence analysis of coal/ % (mass)SiOzCa(Al2O% Fe2O3iO3Mg()K;ONa2OTiO2SrOMnOBaOP2(0335. 719. 9918.85 15.71 3. 491.511. 481.120.86 0.53 0. 260.160.101 mass concentration| 1400。temperature1350二751300! 70214|| 1250專(zhuān)6556(12006 ss10-115050500 1000 1500! 11000 200 400 600 800001200 1400 1600distance from nozzle plane/mm圖5不同取樣位置溫度及飛灰的質(zhì)量濃度圖7飛灰含碳量沿軸向不同位置的變化Fig. 5 Temperature and mass concentrationFig. 7 Percentage of carbon in particlesof fly ash at dfferent locationsat different locations30006g25001500100010.4 2.8 4.2 5.6 7.0.01 0.1 110100 1000energy/keVparticle size/um圖6灰的能譜圖圖8不同取樣位 置飛灰的粒徑分布Fig.6 Elemental spectrum of ashFig. 8 Size distributions of particles at而到7#取樣口處，飛灰含碳量迅速降至51%，這different sampling locations是因為這段正處于撞擊流股區，主要反應為碳的燃礦物質(zhì)蒸發(fā)一凝結一長(cháng)大形成，第二個(gè)峰值對應的燒，因此飛灰含碳量迅速下降。由7#取樣口至飛灰是由外在礦物破碎或內在礦物聚并形成，因此14#取樣口，飛灰含碳量逐漸下降，但幅度不大，粒徑變化不大。而第三峰值對應飛灰主要是含碳量這是因為這一-階段主要反應為氣化反應，而氣化反較大的飛灰，這些大飛灰隨著(zhù)在氣化爐內停留時(shí)間應為慢反應，因此飛灰含碳量下降較慢。的不同，粒徑變化會(huì )很大。2.4軸向不同位置 飛灰的體積粒徑分布由于噴嘴位于氣化爐中間段，氣化爐流場(chǎng)在撞由圖8可以看出，水煤漿氣化過(guò)程中生成的飛擊平面上下存在差異，因此，飛灰在不同取樣位置灰的粒徑分布呈現三峰分布的特點(diǎn)，這與Neville的粒徑分布也存在差異。從圖8中可以看出，3#等l0J、Taylor 等11]的結論相同，峰值出現在0.1取樣口處0.1 μm和2 μm的飛灰含量要高于1#取~0.2 pm、2 μm和14 pm。在氣化爐軸向，飛灰樣口，這是因為3#取樣口離火焰撞擊平面較近，粒徑分布的第一個(gè)和第二個(gè)峰值都分別出現在0.1根據中國煤化工高度和氣化爐內~0.2μm和2μm左右，而第三個(gè)峰值分布范圍較徑比YHCNM H G流股區內，此處的寬(15~50 μm)，這是因為3個(gè)峰值對應的飛灰溫度要高于 1"取樣口，反應更激烈，煤飛灰破碎形成機理有所不同，第一個(gè)峰值對應的飛灰是通過(guò)程度更大，產(chǎn)生的細小焦炭還未反應，同時(shí)，礦物●2922 ●化工學(xué)指第60卷蒸發(fā)-冷凝產(chǎn)生的飛灰還未長(cháng)大，因此產(chǎn)生的0.1平面至7"取樣口處飛灰含碳量下降很快，7"取樣μm和2μm的飛灰的比重高于1"取樣口。由于3#口以下飛灰含碳最下降較慢。取樣口離煤漿入口更近，粒徑較大的飛灰未反應完(4)水煤漿氣化過(guò)程中生成的飛灰的粒徑分布全。隨著(zhù)停留時(shí)間的增加，飛灰的粒徑逐漸減小，呈現三峰分布的特點(diǎn)，峰值出現在0.1~0.2 μm、反映在圖上:就是圖8中3"取樣口粗飛灰的粒徑要2pm和14μm。大于1"取樣口的。(5)氣化爐流場(chǎng)在撞擊平面上下存在差異，因3"和7*取樣口的飛灰粒徑分布很相似，但7#此，飛灰在不同取樣位置的粒徑分布也存在差異。取樣口處的飛灰體積平均粒徑為27 μm, 3"取樣在撞擊平面以上，靠近撞擊平面位置的超細飛灰含口處為23 pm，7" 取樣口處的飛灰更大。根據水量高，粗飛灰的粒徑大。在撞擊平面上下對稱(chēng)位平同軸撞擊流中飛灰的受力和運動(dòng)特點(diǎn)分析可置，飛灰粒徑分布相似，但撞擊平面以下粗飛灰更知"，重力對于粗飛灰的影響要大于細飛灰，而多，體積平均粒徑更大。在撞擊平面以下，隨著(zhù)氣浮力和阻力對細飛厭的影響要大于粗飛灰，粗飛灰化反應的進(jìn)行，粗飛灰的粒徑減小，細飛灰含敏增向下運動(dòng)的概率要高于細飛灰，那么撞擊平面以下加。但由于氣化室下渣口處內徑縮小，飛灰數量濃位置的飛厭粒徑應稍大于撞擊平面以上的飛灰。實(shí)度上升，造成細飛灰聚并概率增大，粗飛灰含量驗結果與理論分析一致。上升。與7"取樣口相比，11# 取樣口的細飛灰含量更高，粗飛灰含量下降且粒徑減小，這是因為隨著(zhù)References反應時(shí)間的增加，粗飛灰粒徑減小，而細飛灰是由[] Yu Ciuangsuo (于廣鎖)，Niu Miaoren (牛苗任)，Wang外在礦物質(zhì)破碎、內在礦物質(zhì)直接形成或內在礦物Yifei (王亦飛)。L.iang Qinfeng (梁欽峰)，Yu Zunbong(于遵宏)，Application status and development tendency of質(zhì)聚并形成，因此粒徑變化不大，但含量會(huì )有所增coal entrained bed gsification. Journal of Modern加。比較14"和11#取樣口可以看出，0.1 μm附Chemistry (現代化T), 2004. 24 (5): 23-26近的飛灰增多，造成這種現象的原因可能是溫度降2] ChowJ C. Watson J G. Review of PMz.s and PMyo低，礦物蒸氣進(jìn)一步冷凝形成更多的超細飛灰。但apportionment for fossil fuel combustion and other sourcesby the chemnical mass balance receptor model. Journal of細飛灰含量下降而粗飛灰含量上升的原因不明確，Energy and Fuels. 2002, 16; 22-260推斷可能的原因是氣化室下渣口半徑減小使得下渣3] Flemming. Trace elements-from combustion [ D ].口處飛灰濃度增大，細飛灰聚并成粗飛灰的概率增Lyngby; Technical University of Denmark, 1995大，造成粗飛灰的含量增加。4] Lawrence J Shadle, Peter L Roele, Victor K Der. Theparitioning of particles between slag and fly ash during coal3結論gasification//GasificationTechnologies Conference.uS, 2007通過(guò)在水煤漿氣化爐小型實(shí)驗裝置上進(jìn)行實(shí)5] YanL, Gupta R. Wall T F. Fragmentation behavior of驗，研究氣化爐中飛灰的性質(zhì)，得出了以下結論。pyrite and calcite during high temperature processing and(1)水煤漿氣化過(guò)程中生成的飛灰形狀以不規mathematcal simulation. Journal of Energy and Fuels, .2001，15; 389-394則形狀飛灰、飛灰團聚體和球形飛灰為主。其中6] Quann RJ, Neville M，Sarofim A F. A laboratory study of20 μm以上飛灰基本上.都是不規則形狀的飛灰，the efeee of coal slection on the amount and composition of1~20 μm之間飛灰包含球形飛灰和不規則形狀飛combustion generated submicron paricles. Jounal of灰，球形飛灰粒徑基本在10 um以下，而1 pum以Combustion Science and Technology, 1990 (74); 245-2657] Gong Xin (龔欣)， Liu Haifeng (劉海峰)，Wang Fuchen下飛灰形狀都為球形，它們以飛灰團聚體的形式(王輔臣)，Yu Guangsuo (于廣鎖)，Yu Zunhong (于遵存在。宏). New coalwater slurry gsifier. Journal of Energy(2)水煤漿氣化產(chǎn)生的飛灰中碳元素含量最Saving and Environmental Protection (節能與環(huán)保)，2001高，S、Fe和Na元素出現了富集，Al和Si元素中國煤化工8]Jined bed gasification含量低于各自在原煤渣中的平均含量。YHCNMHGChinUnveaiof(3)沿氣化爐軸向，從噴嘴平面至14#取樣口Science and Technology, 1995處，飛灰含碳量沿氣化爐軸向逐漸降低，其中噴嘴9] Linak W P，Wendt J 0 L Toxic metal emissions from第11期廖胡等:多噴嘴對置式氣化爐中飛灰性質(zhì)●2923 ●incineration;concentration and impinging flame height in the entrained-Energy Combustion Sci., 1993, 19 (2): 145-185flow gsifier. Journal of Coal Comversion (煤炭轉化)，[10] Neville M，Quann R J，Haynes B s. Sarofirm A F.2008. 31 (1); 26-29, 74Vaporization and condensation of mineral matter during[13] Wang Zengying (王增瑩)，Liang Qinfeng (梁欽蜂)，pulverized cocombustion/ / EighteenSymposiumZhang Zhiwen (張志文)，Yu Guangsuo (于廣鎖)，Yu(International) on Combustion. US, 1981Zunhong (于遵宏)，Numerical simulation of concentration[11] Taylor Dean D. Flagan Richard C. The influence 。and temperature in impinging entrained flow gasifier.combustor operation on fine particles from coal combustion.Journal of Computers and Applied Chemistry (計算機與Journal of Aerosol Science and Technology. 1981, 1 (1):應用化學(xué))，2007. 24 (10); 1319-1323103-117[14]Tamir A. Impinging Stream Reactor (撞擊流反麾器). Wu[12] Zhang Zhiwen (張志文)，Guo Qinghua (郭慶華)。YuYuan (伍沅)， trans Bejig Chemical Industry Press,Guangsuo (廣鎖)，Yu Zunhong (于遵宏)，Dai Songtao1994; 39.40(代松濤)，Li Xinglong (李興龍)。Analysis of gas(上接2917頁(yè))二、開(kāi)放課題申請須知和基金管理辦法1.申請課題應為煤潔凈轉化提供新思路、新方法，或為實(shí)驗室新生長(cháng)點(diǎn)課題。2.開(kāi)放基金主要支持實(shí)驗室及依托單位以外的研究人員( 即客座研究人員)與實(shí)驗室固定人員合作進(jìn)行的研究課題，由客座研究人員和固定人員共同申請，客座人員相任課題負責人。3.凡具有講師和助理研究員以上職稱(chēng)、博七后經(jīng)歷或相應水平的國內外學(xué)者可與實(shí)驗室固定人員合作提出申請，填寫(xiě)并提交紙質(zhì)的實(shí)驗室開(kāi)放課題申請書(shū)-一式三份，所在單位的學(xué)術(shù)管理部門(mén)簽署意見(jiàn)并加蓋單位公章，同時(shí)提交電子版申請書(shū)。本次開(kāi)放基金申請時(shí)間: 09年9~11月?；饒绦心甓葹?010年1月1日~2011年12月31日。4.由實(shí)驗室學(xué)委會(huì )或專(zhuān)家組審定開(kāi)放課題申請，建議擬資助課題和資助金額，實(shí)驗室主任會(huì )議根據審定結果統一調整并報學(xué)委會(huì )會(huì )議通過(guò)后公布執行。5.開(kāi)放課題資助強度: -般課題平均10萬(wàn)，重點(diǎn)課題平均20萬(wàn)。6.實(shí)驗室開(kāi)放基金由國家科技部下?lián)艿膶?zhuān)項經(jīng)費-開(kāi)放運行費支出。課題資助金額專(zhuān)款專(zhuān)用。課題經(jīng)費僅限于中科院山西煤化所內進(jìn)行財務(wù)結算。經(jīng)費的使用需符合國家專(zhuān)項經(jīng)費管理制度和煤化所財務(wù)制度。主要支付與課題直接相關(guān)的材料費、分析測試、加工費、不形成固定資產(chǎn)的小型儀器設備購置費、客座人員差旅費、會(huì )議費、發(fā)表文章版面費等與課題直接有關(guān)的費用。三、課題結題和研究成果的歸屬1.開(kāi)放基金課題負責人應在第- -年年底提交階段總結，對于無(wú)階段總結、未按計劃進(jìn)行課題者，實(shí)驗室主任有權調整課題資助額度或中止課題資助。2.第二年年終提交結題總結和研究成果(論文、專(zhuān)著(zhù)、專(zhuān)利、獎項等)的復印件和電子版文件。3.開(kāi)放基金課題相關(guān)的論文和研究成果應署課題負責人所在單位名稱(chēng)和本實(shí)驗室名稱(chēng)，并注明實(shí)驗室開(kāi)放基金資助(標注課題編號)。四、聯(lián)系方式聯(lián)系人:高航通訊地址:山西省太原市桃園南路27號，030001電話(huà): 0351 -4155552傳真: 0351- 4050320電子信箱: gaohang@ sxic. ac. cn中國煤化工k重點(diǎn)實(shí)驗室.MHCNMHG年九月二十日