氣化參數對固定床煤高溫空氣氣化的影響

第30卷第4期東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 30,No.42009年4月.Jourmal of Northeastern University( Natural Science)Apr.2009 .氣化參數對固定床煤高溫空氣氣化的影響王連勇，蔡九菊，李明杰，趙子忠(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)10004)摘要:在內徑為0.2 m的固定床氣化爐試驗裝置上進(jìn)行了煤高溫空氣氣化試驗研究,考察了氣化實(shí)際供給的空氣量與煤完全燃燒理論所需的空氣量之比(a)氣化消耗的蒸汽的物質(zhì)的量與煤中碳的物質(zhì)的量之比(n/n2)空氣預熱溫度等工藝參數對高溫空氣/蒸汽作為氣化劑的煤氣化指標的影響.結果表明,a和n。/n。對氣化指標的影響本質(zhì)上是通過(guò)改變氣化溫度來(lái)實(shí)現的;a和n,/nc的最佳值分別為0.23 -0.25和0.37~0.45;在工藝條件允許的范圍內,空氣預熱溫度越高對氣化過(guò)程越有利。關(guān)鍵詞:高溫空氣氣化;固定床;氣化參數;氣化指標中圖分類(lèi)號: TQ 546.2文獻標識碼: A文章編號: 1005-3026(2009)04-0578-04Impact of Gasification Parameters on Coal Gasification inFixed Bed with High Temperature AirWANG Lian-yong, CAI Jiu-ju, LI Ming-jie , ZHAO Zi zhong(School of Materals & Metallungy, Northeasterm University, Shenyang 1000 China. Crrespondent: WANGLian-yong, E mail: wangly @ smm. neu. edu. cn)Abstract: High- temperature air gasifcation of coal was experimentally investigated in a fixed bedgasifier with ID 0.2 m. The effects of processarameters, such as the ratio of air actuallysupplied to that required thereically for complete combustion in gasification process (a), theratioof steam to carbon in coal (n。/ne) and air pre heating temperature, on gasificationperformance indices to which the high-temperature air/steam is used as gasifying agent werestudied The results showed that the effectsof a and n:/nc on c∞oal gasification perlormanceindices are realized esentially by changing the gasification temperature. The value of a and ng/ncshould be controlled in the optimal range from 0. 23 to 0.25 and from0. 37 to 0.45, respectively.Under the permitted technological conditions, the higher the air pre heating temperature, thebetter the gasification process of coal.Key words: high temperature air gasification; fixed bed; gasification parameter; gasificationperformance高溫空氣氣化技術(shù)(high temperature airIGCC系統[6-7] ,有效地提高了煤氣熱值和系統熱gasification, HTAG)是在結合傳統氣化技術(shù)與高效率,而我國在這方面的研究及應用尚處于起步階溫空氣燃燒技術(shù)的基礎上于20世紀90年代發(fā)展段18-11].起來(lái)的能源利用領(lǐng)域的新技術(shù)[1-5].它采用在實(shí)際運行的固定床氣化爐中,可控制的參1000C以上的高溫預熱空氣對固體燃料進(jìn)行氣數主要是空氣量、空氣溫度蒸汽量和給煤量,通化,以獲得熱值較高的燃氣.高溫空氣氣化技術(shù)具過(guò)改變空氣、蒸汽和煤之間的比例關(guān)系及空氣預有設備結構簡(jiǎn)單緊湊、操作靈活、氣化效率及系統熱溫度,可以調節氣化層溫度,改變氣化反應進(jìn)熱效率高、經(jīng)濟性好等特點(diǎn),是一項值得推廣應用程,進(jìn)而影響煤氣成分、煤氣熱值、氣化效率碳轉的新氣化技術(shù).目前,日本、德國等國家已經(jīng)將高化率等氣化指標.因此,考察a,ng/nc及空氣預溫空氣氣化技術(shù)與IGCC相結合形成了MEET-熱溫度對煤高溫空氣氣化反應的影響,對于優(yōu)化收稿日期: 2008-05-20基金項目:國家自然科學(xué)基金康大研究計劃項目(90210028).作者簡(jiǎn)介:王連勇(1976- ).男,山東德州人,東北大學(xué)講師,博t;蔡九菊(1948 - ),男，遼寧錦州人,東北大學(xué)教授,博士生導師.第4期王連勇等:氣化參數對固定床煤高溫空氣氣化的影響579固定床氣化爐運行工況，以及大規模氣化裝置的化爐采用自行設計的固定床氣化爐，其內徑為設計和運行均具指導意義.0.2 m,爐膛凈高為2 m.全爐設有氣化劑進(jìn)口、.灰渣區、氧化區、還原區、千餾區、干燥區、空區1試驗裝置與方法及煤氣出口8個(gè)測溫點(diǎn)，通過(guò)熱電偶測量各點(diǎn)溫煤高溫空氣氣化實(shí)驗系統如圖1所示.煤氣度.10 1112 133456罰廣2--0[71一()煤高溫空氣氣化實(shí)驗系統示意圖Fig. 1 Schematic of experimental setup of high-temperature air gasification of coal1- 鼓風(fēng)機;2-轉子流量計:3一 儲水箱:4-蒸汽發(fā)生器:5- -體重稱(chēng); 6- -空氣加熱器;7-媒氣化爐;8-旋風(fēng)除塵器;9 -冷凝器; 10- 過(guò)濾器; 11-煤氣表; 12- -燒嘴; 13-取氣口.空氣加熱系統中,空氣由鼓風(fēng)機提供,其流量量可調,蒸汽為140 C時(shí),最大流量為25 kg/h.蒸通過(guò)安裝在風(fēng)機進(jìn)口和出口的調節蝶閥進(jìn)行調節，汽的流量通過(guò)體重稱(chēng)稱(chēng)量蒸汽發(fā)生器的失重獲得。調節范圍為10~ 100 m3.空氣經(jīng)轉子流量計計量燃氣凈化系統主要除去煤氣中的粉塵和焦油.后,進(jìn)入空氣加熱器中進(jìn)行加熱,加熱后的高溫空凈化后的煤氣經(jīng)煤氣表計量后,在取樣口處由集氣與來(lái)自蒸汽發(fā)生系統的蒸汽作為氣化劑進(jìn)入氣氣袋取樣,最后在系統尾部的燒嘴處燃燒.煤氣成化爐.空氣加熱器采用硅炭棒加熱,其功率在0~分采用美國安捷倫公 司生產(chǎn)的Agilent 6890N型36 kW內可調,進(jìn)而實(shí)現對空氣預熱溫度的調節。氣相色譜 儀進(jìn)行分析.蒸汽發(fā)生系統中,水由儲水箱進(jìn)人蒸汽發(fā)生試驗原料為山西大同煤,粒度為13~ 26 mm,器,經(jīng)電加熱后產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽與高溫空氣混低位發(fā)熱量為27.215 MJ/kg,其工業(yè)分析及元素合進(jìn)入氣化爐.蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽溫度和流分析成分見(jiàn)表1.表1大同煤的工業(yè)分析和元素分析(質(zhì)分數)Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal from Datong Mine工業(yè)分析(空氣干燥基)元素分析(空氣干燥基)水分灰分揮發(fā)分固定碳_C_Ns4.4813. 6529.3452.5368.934.187.220.940.6發(fā)分生成的CH的體積分數較大.隨著(zhù)a的增2結果與討論加,爐內燃燒反應程度增加，氣化溫度升高,加快2.1 a 對氣化指標的影響了CO2的還原反應和水蒸氣的分解反應;因此煤試驗時(shí),保持料層高度(1850 mm)、煤樣粒度氣中CO和H2的體積分數增加，分別由19.18%(13~ 26 mm)、空氣預熱溫度(700 C)、n,/ne和10.21%增加到27.31%和13.48%;當a=(0.42)不變,通過(guò)改變空氣量和給煤量,使a在0.28時(shí),過(guò)量的空氣與煤氣中的可燃成分CO,H20.20到0.28范圍內變化,結果如圖2所示.由圖及CH4發(fā)生燃燒反應,導致C0,H2及CH4的體2a可知,當a較小時(shí),氣化反應進(jìn)行得不徹底,煤積分數減小，而0O2的體積分數增加，由2.73%氣中00和H的體積分數較小，而主要由煤中揮增加至4.89%。CH4的體積分數隨a的增加持580東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第30卷續降低的另一個(gè)原因是CH4在高溫下自身分解所以，氣化時(shí)應綜合考慮各種因素來(lái)確定具體的所致.由圖2b和圖2c可知,隨著(zhù)a的增加，碳轉a值.在本試驗工況下,a的最佳值為0.23~化率增加,但煤氣熱值和氣化效率存在最佳區間;0.25.70廠(chǎng)6.0(網(wǎng)10(5.6-官5.2●-碳轉化率4.464.0.6L0.20 0.22 0.24 0.26 0.28圖2 a對煤氣成分、煤氣熱值及氣化效率和碳化轉化率的影響Fig.2 Efet of a on gas composition, gas heating value, gasitication fficiency and carbon conversion rate2.2 ns/nc 對氣化指標的影響降，因此CO的體積分數降低,由21.25%下降到n,/ne值取決于運行參數.試驗時(shí),保持料層17.02%. CH4的體積分數隨著(zhù)n。/ne的增加而高度(1 850 mm)、煤樣粒度(13~26 mm)、空氣預略有增加則是因為氣化溫度的下降造成由揮發(fā)分熱溫度(700 C )、a(0.24)不變,通過(guò)改變蒸汽量生成的CH4自身分解減少,同時(shí),爐內H2體積分和給煤量,使ng/n.在0.15到0.57范圍內變化，數的增加對CH4化反應有利.0O2的體積分數先結果如圖3所示，圖3a表明,在一定范圍內,提降低后升高是由于Co和H2的體積分數變化引高人爐蒸汽量可使煤氣中H2的體積分數由起其體積分數的相對變化。 由圖3b和圖3c 知，7.52%上升至10.97%.因為蒸汽量增加,有利于隨著(zhù) n。/nc的增加,碳轉化率減小,這主要是因為氣化反應中生成H2的水煤氣反應的進(jìn)行;但加隨著(zhù)人爐蒸汽量增加,由未分解蒸汽帶走的顯熱人的蒸汽過(guò)量,會(huì )造成未分解的蒸汽帶出氣化爐增加，使氣化爐溫度下降,直接影響到氣化反應,的顯熱增加,造成氣化溫度下降,水蒸氣分解率降使 碳轉化率降低.但煤氣熱值和氣化效率存在最低.當氣化溫度下降到一-定程度后,會(huì )影響氣化佳區間,在本試驗煤種和工況下，n。/n。的最佳值反應，導致煤氣中H2的體積分數反而下降;在其為0.37~0.45.他條件不變的情況下,蒸汽量增加后氣化溫度下7000(0)60.580還40}a 300}●一碳轉化率2(1).1 0.2 0.3，0.4 0.5 0.60.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.).1 0.2 03 0.4 0.5 0.6圈3 n,/n。對煤氣成分、煤氣熱值及氣化效率和碳轉化率的影響Fig.3 Effect of n。/nc on gas composition,gas heating value, gasification eficiency and carbon conversion rate2.3 空氣預熱溫度對氣化指標的影響積分數分別從60.95%和6.15%減小到53.42%在保持料層高度(1 850 mm)、煤樣粒度(13~和3.12% .空氣預熱溫度提高后a下降及煤氣質(zhì)26 mm)、氣化溫度(1100 C)、n。/ne(0.42)的條量提高的原因應是，在保持氣化溫度不變的條件件下,空氣預熱溫度對a和氣化指標的影響如圖下,隨著(zhù)空氣預熱溫度的提高,氣化劑帶入爐內的4所示.由圖4a可知,隨著(zhù)空氣預熱溫度的提高，物理熱增加,從而減少了空氣消耗量,使a下降,a下降,由500七時(shí)的0.28下降到800 C時(shí)的但蒸汽分解率增加，因而煤氣中H2的體積分數0.21.由圖4b可知，空氣預熱溫度從500 C增加增加;同時(shí),高溫氣化劑帶人的物理熱部分代替了到800C時(shí),煤氣中C0和H2的體積分數分別從煤的燃燒放熱，減少了煤燃燒部分在氣化過(guò)程中24.52%和7.35%增大到29.18%和12.87%;的份額,從而減少了煤氣中不可燃成分N2和COrCH4的體積分數基本保持不變;N2和CO2的體的體積分數,增加了可燃成分00的體積分數.因