高溫快速加熱條件下壓力對煤氣化反應特性的影響

第18卷第1期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol.18 No.12012年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb. 2012高溫快速加熱條件下壓力對煤氣化反應特性的影響劉皓'， 黃永俊'，楊落恢'，祝賀',任瑞琪',嚴麗葉', KOJIMA Toshinori?(1.蘇州大學(xué)能源學(xué)院，蘇州215006; 2. 成蹊大學(xué)物質(zhì)與生命科學(xué)系，東京180-8633， 日本)摘要: 建立了一套能同時(shí)實(shí)現高溫高壓和快速加熱的實(shí)驗設備和研究方法，使煤氣化反應動(dòng)力學(xué)基礎研究能在與實(shí)際氣流床煤氣化爐相近的條件下進(jìn)行，研究表明，當CO2體積分數相同時(shí)，最大Co生成速度隨壓力的升高而升高;煤焦的氣化反應速度隨全壓的升高而升高.即使全壓和CO2體積分數不同，只要CO2的分壓、溫度等其他條件相同，煤焦的氣化反應速度就基本上-致.說(shuō)明全壓和CO2體積分數對煤焦氣化反應速度的影響可以歸納為CO2分壓的影響.高溫快速加熱條件下，除了溫度以外，CO2 分壓是影響煤氣化特性的重要因素.關(guān)鍵詞:煤;氣化;流化床中圖分類(lèi)號: TK224.1*1文獻標志碼: A文章編號: 1006-8740(2012)01-0015-05Gasification in a Pressurized Fluidized Bed at High TemperatureLIU Hao'，HUANG Yong-jun'，YANG Luo-huil', ZHU He', REN Rui-qi',YAN Li-ye'，KOJIMA Toshinori?(1. School of Energy, Soochow University, Suzhou 215006, China;2. Department of Materials and Life Science, Seikei University, Tokyo 180-8633, Japan)Abstract: An experimental facility and a method of simultaneously realizing high pressure, temperature and heatingrate are developed, which makes it possible to study coal gasification under the condition close to that in a practicalentrained flow gasifier. It was revealed that when CO2 concentration remained the same both the maximum CO forma-tion rate and the reaction rate of char gasification increased with the total pressure. Moreover, despite different CO2concentration or total pressure, the reaction rate of char gasification was almost the same as long as CO2 partial pres-sure and other conditions remained uncharged. The results suggest that the influence of CO2 concentration and totalpressure can be attributed to the influence of CO2 partial pressure. Under the conditions of high temperature and highheating rate, apart from temperature, CO2 partial pressure is another important factor influencing coal gasificationfeatures.Keywords: coal; gasification; fluidized bed煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)是最有前途的發(fā)電技術(shù)表性的技術(shù)如Texaco 單噴嘴水煤漿進(jìn)料氣化爐、之一.近年來(lái),作為其關(guān)鍵技術(shù),氣流床煤氣化爐Shell多噴嘴干粉進(jìn)料氣化爐等,都已經(jīng)實(shí)現了(entrained flow gasifier) 的研究和開(kāi)發(fā)受到了廣泛關(guān)2 000 tld工業(yè)規模的示范,并達到了商用化水平.到注,變得越來(lái)越重要.氣流床煤氣化爐利用細小煤粉2007年底全世界已投運或計劃投運約11臺(套)燃顆粒并在高溫下運行,因此具有在較短的停留時(shí)間內煤IGCC發(fā)電機組,其煤氣化技術(shù)大多采用氣流床氣獲得很高的碳轉化率和氣化效率、更適合于大規模氣化方式.氣流床氣化方式代表了當今煤氣化技術(shù)的化的需求等優(yōu)點(diǎn),被認為是很有前景的氣化方式代發(fā)展方向.然而，氣流床煤氣化爐內的溫度和加熱速中國煤化工收稿日期: 2010-10-13.基金項目:華中科技大學(xué)媒燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金資助項目(FSKLCC0802).YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:劉皓(1964-.男.博士.教授.通訊作者:劉皓， hliuhappycn@yahoo.com.●16.學(xué)與枝術(shù)第18卷第1期度都很高.目前世界上具有代表性的煤氣化方法如封.為使壓力容器與高溫流化床之間空腔內的溫度不Texaco氣流床氣化爐的氣化溫度高達1400 ~致太高 ,保證壓力容器的強度,對高溫流化床進(jìn)行了.1500"C.高溫下的氣化反應特性、反應機理有可能良好的保溫,同時(shí)在流化床的保溫層外壁設置了通水與低溫下不同.此外,壓力對煤的氣化反應特性也會(huì )冷卻的細銅管.在壓力容器內設置熱電偶監視容器有影響,有待研究.因此，非常必要在與氣流床煤氣內的溫度,通過(guò)調節水流量來(lái)控制壓力容器內的溫化爐相近的條件下研究其氣化反應的機理.度.將鋼瓶氮氣充人壓力容器內并配合背壓閥調節煤的氣化主要由熱解和煤焦的氣化兩個(gè)階段完和維持其內部的高壓.所有與外部的連接,包括水冷成.因為煤的熱解很快,煤焦的氣化成為制約整個(gè)反管、供氣管、測溫信號線(xiàn)、加熱電源線(xiàn)等都通過(guò)壓力應速度的關(guān)鍵,煤焦的氣化也就成為煤氣化的研究重容器底板上的連接口連接.信號線(xiàn)、加熱電源線(xiàn)等連點(diǎn). Peng等[也采用TGA研究了煤的氣化反應. Ma接口采用大直徑朝內、小直徑朝外的圓錐形內孔,并等[2]在管式反應器內研究了煤的水蒸氣氣化本真反配合黏結劑在壓力的作用下使密封可靠.流化床的應動(dòng)力學(xué).趙長(cháng)遂等)對天然焦的水蒸氣氣化研究發(fā)布風(fēng)板采用8本生產(chǎn)的很細的耐高溫陶瓷管及耐高現,溫度越高,天然焦的孔隙越發(fā)達,碳轉化率也越溫無(wú)機黏結劑黏結后在高溫下燒結制成,因此,能承高Ahn等叫在加壓沉降爐上進(jìn)行的氣化反應研究發(fā)受1500C左右的高溫.流化床的床料使用剛玉?，F,當CO2的分壓和溫度相同時(shí),全壓對氣化反應特子;在實(shí)驗臺的預熱過(guò)程中用壓縮空氣作為流化介性有影響.陳漢平等[5]就典型煤種的加壓熱解與氣化質(zhì),正式實(shí)驗時(shí)切換成二氧化碳與氮氣的混合氣流進(jìn)行了實(shí)驗研究,結果表明高壓不利于煤顆粒的熱化床的主體用管式硅碳電加熱器加熱到預定的高解,高壓下煤焦的產(chǎn)量增加,而煤焦中H元素的含量溫.采用比壓力容器內壓力更高的氣源，用氣力輸送明顯降低,煤焦的氣化活性也有明顯降低.楊海平、批量給樣法將- -定量的煤樣從流化床上部加人反應張世紅等0利用加壓熱天平和常壓熱天平研究了壓器.每次只送人少量的煤樣,以避免傳質(zhì)的影響.從力、溫度、煤種對煤焦氣化特性的影響，發(fā)現壓力、溫流化床排出的尾氣經(jīng)過(guò)冷卻等處理.預先將多個(gè)已度及煤種對煤焦氣化活性的影響有一-定的交叉作編號的注射器插人安裝在尾氣連接管上的軟硅膠塞,用. Harris等[7在加壓氣流床反應器上對15種澳大能在很短的時(shí)間內進(jìn)行多次快速分時(shí)取樣.利用氣利亞煤的氣化進(jìn)行了研究,發(fā)現溫度越高,氣化反應相色譜儀對氣樣成分進(jìn)行分析.并校核確認加人的煤越快,且氧碳比對碳轉化率和氣體產(chǎn)物成分的影響與量與尾部氣體產(chǎn)物的質(zhì)量平衡,以保證數據的正確性常壓下的情況是一致的.和可靠性.由尾部氣體流量和CO的體積分數得到的雖然已有不少關(guān)于煤氣化研究成果的報道,但到氣化反應速度為目前為止,大都在1 000 C左右或更低的溫度下進(jìn)dX/d1= Mfco /(2Wh)(1)行,高溫快速加熱條件下氣化反應的研究還較少.由式中X為碳轉化率,由式(1)積分得到于設備的復雜性和實(shí)驗的難度,高溫高壓快速加熱條X= J[LocoMc (2W,)]d!(2)件下的實(shí)驗數據更加缺乏.作者曾經(jīng)利用特制的高溫流化床,在高溫快速加熱條件下對煤氣化進(jìn)行了研壓力容器熱電偶究[8-10].在此基礎上,又建立了一套能同時(shí)實(shí)現高溫高壓和快速加熱的實(shí)驗裝置.在與實(shí)際氣流床煤氣|流量調節閥c化爐相近的實(shí)驗條件下，作者利用此裝置研究了壓力對煤氣化反應動(dòng)力學(xué)特性的影響.流化床反應器硅破電四熱器1實(shí)驗設備UCO,OL A爾體收樣實(shí)驗設備為圖1所示的一個(gè)特制的高溫加壓流UN,7的的二給媒溫度摔制器一排氣化床.為了能同時(shí)耐高溫高壓,將耐高溫的核心部背壓調節器分一特制的高溫流化床, 置于高1.6m.內徑0.5 m、加壓?；泻髴髻|(zhì)量約300 kg的不銹鋼壓力容器內.壓力容器分為中國煤化工上下兩段,并用大型法蘭配合0型橡膠墊圈連接密w。=.fYHCNMHG(3)2012年2月劉皓等: 高溫快速加熱條件下壓力對煤氣化反應特性的影響●17.式中: Mc為碳的分子量;fco為的CO生成速度;1為實(shí)驗用原煤特性列于表1中.反應時(shí)間; Wo為碳的初始質(zhì)量.表1原煤特性工業(yè)分析(收到基)/%元素分析(干燥無(wú)灰基) 1%水分灰分揮發(fā)分固定碳wovs4.6010.6041.6043.2079.426.091.34 .12.360.80102實(shí)驗結果 與討論1011473K2.1 CO生成速度隨時(shí)間的變化10*相同的CO2體積分數為20%、不同壓力(全壓)、不同溫度下煤焦的氣化反應過(guò)程中CO生成速度隨時(shí)間的變化分別示于圖2.圖3和圖4中.200400 600800 1 000圖2為0.1MPa壓力下,溫度分別為1273K和時(shí)間%1 473K時(shí)的實(shí)驗結果.可以看出,隨時(shí)間的進(jìn)行，圄40.4MPa 壓力下CO生成速度隨時(shí)間的變化(CO2體積co生成速度經(jīng)歷-一個(gè)由小到大快速增加,然后緩慢分數為20%)下降的過(guò)程.在1473 K溫度下能達到的最大CO生圖4為0.4 MPa壓力下,溫度分別為1273K和成速度比1273 K溫度下的高,但達到最大后下降速1473 K時(shí)的實(shí)驗結果. 0.4 MPa壓力下所得到的最度也更快.圖3為0.2MPa壓力下,溫度分別為1273K和大CO生成速度高于0.2MPa壓力下的結果.1473K時(shí)的實(shí)驗結果.最大CO生成速度高于.圖2.圖3.圖4的結果表明,當CO2體積分數相0.1 MPa壓力下的最大co生成速度,但總體趨勢與同時(shí),最大co生成速度隨壓力的升高而升高.2.2不同壓力下氣化反應速 度隨碳轉換率的變化0.1MPa壓力下的結果相類(lèi)似.圖5為1273K.不同壓力下氣化反應速度隨碳轉換率的變化.由于圖5所示的結果均為CO2體積1123分數為20%實(shí)驗條件下得到的數據,圖5實(shí)際上表明1了全壓對煤的氣化反應速度的影響.可以看出,當CO2體積分數相同時(shí),煤焦的氣化反應速度隨全壓的? 10升高而升高.圖6、圖7分別為1473K和1673 K時(shí),不同壓力下氣化反應速度隨碳轉換率的變化.顯100 500 1000 1500 2000 2500 3000然,1473K和1673K溫度下與1 273 K溫度下的結時(shí)間s果相似, CO2體積分數相同時(shí)煤焦的氣化反應速度隨圖2 0.1 MPa壓力下Co生成速度隨時(shí)間的變化(CO2體積全壓的升高而升高.0.003 00.002王影影十1473K0.0010.000 s10~500 1000 1500 2000 25002 0.4 0.60.8 1.0碳轉化率時(shí)間/s圖30.2MPa 壓力下co生成速度隨時(shí)間的變化(CO2體積圖5 1273K中國煤化工碳轉化率的變化(CO2體:MYHCNMHG.●18.燃燒科學(xué)與技術(shù)第18卷第1期0.025- + 0.1 MPa. a(CO) =80%0.030- 0.2 MPa. q(CO) =40%- +0.4 MPa, qCO) -20%， 0.025r 0.020話(huà)0.0150.0100.005002-0.4 0.6 0.8 T.005 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0碳轉化率圖6 1473 K時(shí)不同壓力下氣化反應速度隨碳轉化率的變化圖91 473 K.全壓及CO2體積分數不同，但CO2分壓(CO2體積分數為20%)相同條件下的氣化反應速度0.05+ -0.1 MPa,q(C0)-80%+ 0.2 MPa, q(C0) =40%0.04主齡影:).04 t- 0.4 MPa. q(CO) =20%畫(huà)0.030.02 |0.0.01.2 0.4 0.6 0.8 1.0圖7 1 673 K時(shí)不同壓力下氣化反應速度隨碳轉化率的變化圖10 1673 K、全壓及CO2體積分數不同,但CO2分壓2.3煤焦的氣化反應速度 與CO:分壓的關(guān)系圖8為1273K溫度下，全壓及CO2體積分數不3結論同但CO2分壓相同條件下煤焦的氣化反應速度隨碳(1)當CO2體積分數相同時(shí),最大CO生成速度轉換率的變化.可以看出,3種不同條件下得到的煤隨壓力的升高而升高;煤焦的氣化反應速度隨全壓焦的氣化反應速度幾乎是一致的，即全壓和CO2體的升高而升高.積分數的影響可以歸納為CO2分壓的影響.(2)即使全壓和CO2體積分數不同,只要CO2.003的分壓、溫度等其他條件相同,煤焦的氣化反應速度0.0030 t基本上一致.全壓和CO2體積分數對煤焦氣化反應0.0025 I速度的影響可以歸納為CO2分壓的影響.0.002 00.001 5(3)高溫快速加熱條件下,除了溫度以外, CO20.001 0-◆-0.1 MPa. p(CO,) = 80%分壓是影響煤氣化反應特性的重要因素..0005十0.2 MPa, q(CO) =40%- 0.4 MPa,q(C0)=20%參考文獻:0 0.2 0.4 0.6”0.81.0[1] PengFF, LeeIC, Yang R Y K. Reactivities of in siu圖81273 K.全壓及CO2體積分數不同，但CO2分壓and ex situ coal chars during gasification in steam at1 000- 1 400C []. Fuel Processing Technology ,1995, 41: 233-251.圖9和圖10分別為1473K和1673K溫度下，全壓及CO2體積分數不同但CO2分壓相同條件下煤Ma z, Zhang C, ZuZ, et al. A study on the intrinsickinetics of steam gasification of Jincheng coal char[J].焦的氣化反應速度隨碳轉換率的變化.圖9和圖10Fuel Processing Techmology, 1992, 31(1): 69-76.也表現出了與圖8類(lèi)似的規律性.圖8~圖10 的結[3] 林良生,趙長(cháng)遂，龐克亮,等.天然焦-H2O氣化反應果說(shuō)明，即使全壓和CO2體積分數不同,只要CO2的特性[中國煤化工29(2): 351-353.分壓、溫度等其他條件相同,煤焦的氣化反應速度就基本上一致.LinLi:1YHCNMH Gang Keliang, ctal.Propernies or rarural CoK-H2U gasufication reaction[J].2012 年2月劉皓等: 高溫快速加熱條件下壓力對煤氣化反應特性的影響Journal of Engineering Thermophysici, 2008, 29(2):reactivity of charcoal[J]. Proceedings ofCSEE, 2009,351-353 (in Chinese) .29(2): 30-34 (in Chinese).[4] Ahn D H, Gibbs B M, Ko K H, et al. Gasification[7] Harris D J, Roberts D G, Henderson D G . 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