内循环流化床煤气化炉的试验研究和设计 内循环流化床煤气化炉的试验研究和设计

内循环流化床煤气化炉的试验研究和设计

  • 期刊名字:动力工程
  • 文件大小:280kb
  • 论文作者:方梦祥,施正伦,王勤辉,余春江,骆仲泱,岑可法
  • 作者单位:浙江大学,教育部能源洁净利用与环境教育部重点实验室
  • 更新时间:2020-07-12
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论文简介

第23卷第4期动力工程Vol, 23 No. 42003年8月POWER ENGINEERINGAug. 2003文章编号:1000-6761 (2003)04-2524-06内循环流化床煤气化炉的试验研究和设计方梦祥,施正伦,王勤辉,余春江,骆仲泱,岑可法(浙江大学热能工程研究所;教育部能源洁净利用与环境教育部重点实验室,杭州310027)摘要:介绍了一种内循环流化床煤气化炉 ,它由气化室和燃烧室组成,采用蒸汽和空气鼓风,可产生中热值煤气。在小型试验台上对运行参数和结构尺寸对物料循环的影响进行了试验,提出了合理的运行设计参数,并建立了颗粒通过水平孔口物料循环模型。在此基础上,进行100kg/h 小型内循环流化床气化炉设计。围10表4参9关键词;内循环;流化床;煤气化;物料循环中图分类号:TK 229. 8. 文献标识码:A随着我国环保要求的提高,在现有企业厂矿Chang等[则提出了无气体串通的颗粒循环系统运行的近40万台工业锅炉和手烧炉由于效率低、可用于炼焦和煤气化工艺。污染大,急需改造。另- -方面,由于油价上升,使很本文提出的内循环流化床煤气化方案的基本多企业无法承受油炉的运行。煤气化技术由于可设想如图1所示。它是由两个并列的流化床组成,以提供洁净的煤气代替煤和燃油,正受到大家的在两流化床相邻隔墙上沿高度方向开两个一定距重视,但目前工业用的煤气化炉大多采用空气/水离的孔,使两床相互连通。两流化床采用不同风速蒸汽鼓风,产生的煤气热值较低,无法满足许多冶鼓风,形成高速床和低速床。由于两床密相区高度金和化工生产工艺的要求。另-方面,现有产生中和孔隙率不同;形成了如图2所示的压力分布特.热值煤气的煤气化工艺采用纯氧鼓风、高温高压性。运行(如德士古炉,U-GAS炉),使系统投资和运煤气.+行成本很高,无法为广大中小企业所接受。寻求一种工艺简单、投资省的中热值煤气化工艺一直是气化室燃烧室人们追求的目标。(低速床)(高速床)为此,浙江大学热能工程研究所提出了采用SH2,内循环流化床产生中热值煤气的方案。本文介绍蒸汽H该流化床煤气炉设想、冷态试验结果和100kg/h内循环流化床煤气炉设计。↑|↑|*|↑↑↑1内 循环流化床煤气炉方案空气图1内循环 流化床煤气炉方案多流化床物料循环系统广泛用于催化剂再.在下部孔口形成从低速床向高速床的压差,生、热量传递、炼焦和煤气化工艺[1~4。D. M. .使粒子通过孔口从低速床向高速床运动。在上部Meadows等0提出了床中加提升管不均匀布风孔口形成由高速床向低速床的压差,使粒子由高产生中热值煤气的煤气化方案,并进行了冷态试速床向低速床运动。这样,粒子通过下部孔口从低验。F.F.Sindirs5°]则提出了4个流化室连通的物速床中国煤中高速床进入低料循环系统,用于催化剂再生等工艺,Y. O.;环。如果低速床为气fYH、CNMHG度为800c~收稿日期:2002-06-03修订 日期:2002-12-04作耆简介:方梦祥(1965-),男,教授。主要从事煤和生物850 °C;高速床为燃烧室,用空气鼓风,运行温度质气化和燃烧.CO2控制技术等方面的研究。为900 °C~950 °C;煤首先给人气化室,在气化室第4期动力工程●2525●中进行干馏和气化,产生中热值煤气;气化室中半大,颗粒速度可以通过人工慢放录像判读和计算焦经下部孔口进入燃烧室燃烧,产生热量一部分机处理得到。我们发现:颗粒通过下部孔口流动呈加热循环物料以提供气化室气化吸热;另一方面脉动性并沿孔口高度有一定的速度分布。因此,我产生水蒸汽供气化室用汽和外用。因此,本工艺可们将下部孔口沿高度分成几个区域,测量不同区产生中热值煤气。由于本方案不需纯氧鼓风,而且域不同时刻的颗粒速度,求取不同区域颗粒速度结构简单,投资和运行成本较低;此外,本方案还时均值U,,则总物料循环量Gs由下式近似求得:可采用石灰石脱硫,煤气中H2S含量较低。因此,Gs= p,(1-εa)b 2U,Ahj (kg/s) (1) .本方案可满足中小企业产生中热值煤气的需求。显然,在.上述方案中,两床间足够稳定的物料循环式中Pp一- 颗粒密度量以保证有足够连续的热量供气化吸热是本方案m--物料临界孔隙率的关键。b---孔口宽度,mU,-下部孔口j截面的颗粒速度Ohj-- j 截面高度3试验结 果和讨论[低速床 |影响颗粒循环量的主要因素有床料的特性、高速床和低速床风速U%和U;以及隔板的结构高速床|尺寸如上下两孔口的大小0H1和SH2、2孔口的距离H。我们对上述主要因素进行了试验,结下部孔上郁孔h/ mm果如下:3.1颗粒特性的影响图2压力分布特性床料的筛分特性、密度、流化特性都对2床间2试验设备和实验方法循环量有影响,图3为相同结构尺寸和静床高度内循环流化床物料循环试验是在冷态试验台下,用灰渣和塑料珠作床料时,通过孔口的体积流上进行的,低速床截面为280mmX100mm,高速量随风速的变化。从图上可以看出:流化床灰渣的床截面为280mm X 100mm,中间隔板上开两个一循环量要比塑料珠大。这一-方面由于灰渣的密度定距离的方孔,上下两孔的大小和距离通过更换比塑料珠大,在相同床高上,孔口两侧的推动力压中间隔板来变化。试验台前后侧面为透明玻璃便差较大;另一方面,由于灰渣的流动性要比塑料珠于观察和摄像,左右两侧面上开有压力侧孔,可进好。行压力测量。试验所用的床料为塑料球和流化床3.5|+ 流化床灰渣灰渣,其床料特性如表1。目+塑料球表1床料的物理特性特性粒度形状平均粒|粒子比|临界流临界空化速度邮1.5床料范围系数 径d|重P,Ums腺率1(mm) $ (mm) (kg/m2)(m/s)Cmf0.塑料珠3~549971.05| 0.571121.4.,.1.6.80~3| 1| 2.39 10260.56 | 0. 487U,/ui流化床灰流0~8| 0.7 2.26| 2433| 0.71| 0. 45图3床料对循环量的影 响测量颗粒循环量有很多方法,有用应变式探中国煤化工1000M.头测量固体速率[5]、光导纤维测速0、电感式测CCH.CNMHG.速叨、热反应测速[8]、录像测速°等。本文作者曾3.2“网怀风还时联啊试验过热反应测速、光导纤维测速和壁面录像法,两床的风速对两床的流化和循环量的影响较发现壁面录像法测量颗粒速度比较直观,数据量大。试验发现:对塑料球,当运行风速U/Umf>1.动力工程第23卷4时,就能良好流化;而对流化床灰渣,当U/Umf影响示于图6。由图可见;随着两床风速比增大,.>2时,才能正常流化。循环量增加,当风速比增大到某一值时 ,再增大风(1)高速床风速不变时,低速床风速变化对循速比,循环量略有下降,这是因为低速床的床料流环量的影响示于图4。从图上可以看出:高速床风动性变差影响了颗粒循环。因此,存在合理的风速速U%不变时,减小低速床风速U,即U:/U增比范围,此时循环量较大。加,循环速率先迅速增加,而后又逐渐降低,这是12因为低速床风速一方面影响低速床粒子的流动一U/Umr- 1.9+U:/Umr=20性,另一方面影响两床差压。随着U碱少,U,/U,增加,孔口两侧推动力增大但流动性变化不大,故循环量迅速增加。当U减少到某~ -值后,虽然床间的推动力增大,但床料的流动性变差,影响孔口颗粒循环,故循环量要减小。)2 r1.21.4w./u1.6.8- +Un/Umr-2.2→Un/Um●2.3 I图6两床风速比对循环量影响(Hmf= 380mm,H m= 170mm.OH = 50mm.OH2=100mm)3.3孔口布置 的影响。隔板上的上下两孔口的大小及位置对床间的颗粒循环量有较大的影响。1.4U%/U.61.(1)两孔口位置对循环量的影响。当其它参数不变时,下部孔口距床底越近,孔图4低速床风速对循环盘的影响口两侧压差推动力越大,循环量也越大。上部孔口(Hmf= 380mm.H = 170mm,0H1= 50mm,OH2=距低速床床面越近,推动力越大,循环量也越大。(2)低速床风速不变时,高速床风速变化对循但在床面附近,床层较稀,床间气体串通量也较环量的影响示于图5.从图上可以看出:随着高速大,对应用不利。一般,上部孔口开在静止床高附床风速增加,循环量增加,但当Uh达到某一数值近。图7为两孔口间距对循环率的影响。从图上时,Uh再增加,循环量变化不大。这是由于高速可以看出:两孔垂直距离越小,循环量也越小,这床风速增加,孔口两侧的压差增大,循环量增大,是因为两侧推动力减少的缘故。但当高速床达到某-值后,Uh再增大,由于高速床中鼓泡剧烈,高速床的高速气流对孔口流动产(.[+ U、/U、-14◆Ug/U1=1.s |生一定的“堵塞”作用,因而循环量增大缓慢。(3)在总风量一定时,两床风速比对循环量的36+U:/Um-1.4 I+Ug/Umr=1.S0050202503006H/mm图7孔距对循环最的影响(Hmf = 400mm,U/Umf= 1.8, 0H\ = 50mm, OHz.2U,/U2中国煤化工0HCNMHG环颗粒的停留图5高速床风速对循环毋影响时间,对双床煤气化系统,为了便气化室循环过来(Hmf= 380mm,H= 170mm, 0H; = 50mm, 0H2=.的冷渣有足够的时间在燃烧室内加热,要求两孔口有一定的水平距离。此值可由渣升温所需的时第4期动力工看●2527●口顶部的颗粒速度越大,流动截面高度也越大。图9为上部孔口保持不变,下部孔口大小变化对循L」环量的影响。由图可见:随着孔口增大,循环量增大,但当孔口高度0H1增大到某一值后,再增大,循环量反而减少,即此时颗粒流动截面高度减少,因此,存在合理的孔口高度。.3.4床间气体串通量↑u,↑u。在本方案中我们希望两床间没有气体串通。圈8颗粒通过孔口时瞬时速度分布但实际上,有孔口相通。有浓度差必有气体串通,间与两孔口扩散速度来求得。但太大的气体串通量会严重影响反应产物。为此,12我们用氢气作示踪气体对床间的气体申通量进行. | 。U/U1=141测量。-+ u,/U1=1.5图10为一定结构尺寸下,上部孔口气体串通量和通过下部孔口气体串通量随风速度变化。从图上可以看出:下部孔口气体量较大,而上部孔口活气体串通量仅占不大的比例。这是因为下部孔口颗粒循环主要靠两侧压差推动气体横向流动将颗208100 120粒从一床带向另一床,而上部间隙气体仅靠两侧下部孔口高度/ mm浓度差引起分子扩散,因此量很小。图9下部孔口尺寸及 循环量的影响试验结果还表明:在合理的运行范围内,上部(Hmf = 400mm,U/Umf = 1.8, 0H:- 150mm,H=.孔口气体串通量小于3%,通过下部孔口气体串170mm)通量小于5%,也即从燃烧室到气化室气体申通量不大,对煤气热值影响较小。+上部孔口3.5合 理结构尺寸及运行工况+下部孔口总结.上面的试验结果,我们可以看出:两床的风速差是物料循环的关键.合理的风速比下,合理的结构尺寸是保证循环稳定和循环量较大的要.素。从大量的试验结果中,我们得到内循环床气化炉合理的结构尺寸及运行风速。1.21.4.. 1 1.6.8(1)下部孔口下沿距布风板的距离A视其工Ug1Ui业应用而定,越小越好。气化时,A可取100~图10风速比对气体串通盘的影响150mm。(Hmf = 400mm,U/Umf= 1. 8, OH = 95mm,(2).上部孔口下沿在静床高附近。0H2=150mm)(3)下部孔口高度OH可取0. 15~0.2Hmf,(2)孔口大小对循环量的影响上部孔口高度OH2可取1~1.50H1。我们研究了方形孔大小对颗粒循环量的影.(4)两孔的宽度由物料循环量确定,水平距离响。对方形孔,孔的宽度越大即颗粒流动截面宽度视隔板尺寸而定,但应留-定的距离。越大,循环量也越大。对孔的高度,这要涉及到孔(5)对煤气化炉两床运行风速:U1/Umf>2.口流动截面问题。图8为颗粒通过孔口时瞬时速2,Uh/U1=1.3~1. 7,视实际运行需要调节。度分布。试验发现:颗粒通过孔口的速度分布呈抛中国煤化工有一定量的概物线形,上面速度大,下面小。颗粒通过孔口的流念,我HCN M H G引人入循环倍率动截面高度和孔口高度是不同的,孔口较小时,沿R。整个孔口高度都有颗粒在流动;孔口较大时,颗粒R = Gs/B(2)流动高度仅占孔口高度一.部分;两侧压差越大,孔式中B为给料量,我们按给料在床中平均停●2528●动力工程第23卷留时间1h估算,根据试验结果我们得到循环流化表3主要设计参数床最高物料循环倍率可达到30~40倍,一般气化名称单位结果吸热需要物料循环量为20~30倍。因此,内循环给料量.kg/h10气化室炉址C85流化床物料循环量满足气化吸热的要求。气化室下部截面mm270X270气化室流化风速m/s2.54颗粒循环量计算气化室净煤气盘Nm2/h3对双流化床颗粒循环量模型目前主要针对物煤气热值MJ/Nm315. 02燃烧室温度920料通过垂直提升管或下降管流落的研究[0,对颗燃烧室下部风速mn/s粒通过水平孔口流动研究甚少。本文在试验基础燃烧室布风板尺寸上,提出了颗粒通过水平孔口物料循环计算公式。燃烧室产生蒸汽量330试验结果表明:颗粒通过孔口速度分布呈抛气化室自用蒸汽量kg/h_150循环物料量2200隔墙上孔口尺寸100X 130物线形,而且在不同运行条件下具有相似性,我们用下式对试验数据进行了关联:表4干煤气成分u/uo = (y/OH,)"(3)cOCH, I CqH4T CO2式中u--孔口高度y处颗粒流动速度%%T%%%工%二MJ/Nm29.1 0.8 5143 | 18.6 2.82 17. 25uo--孔口顶部颗粒流动速度m一-速度指数,对本试验条件m=0.55设计给煤量为100kg/h,气化室运行温度为试验发现:两侧压差越大,孔口顶部的颗粒速800 °C,采用蒸汽鼓风,流化风速为2. 5m/s,气化度越大,因此我们将下部孔口顶部颗粒速度uo和室下部截面为270mmX270mm,密相区床高为0.6m,上部截面为540mmX540mm,气化室总高孔口顶部两侧压差Op1用下式进行关联:为5m。0~10mm煤和0~2mm石灰石分别由螺uo=cC。("-c|" Opy(4)旋绞笼给人气化室,在气化室内发生热解和气化反应,产生的高温煤气经气化炉出口高效分离器对燃煤流化床渣,可得到1.256分离后,送人煤气冷却器冷却和两级洗涤塔洗涤uo= 3.312X 10-6(“-2 Opl:?8 (5)后再经一千式过滤器过滤,由煤气泵送入储气罐则颗粒通过孔口截面的流量:供生产使用,千馏半焦随同循环物料经下部孔口G,= (1-Em)P,b. uo( dy (6)进人燃烧室,产生热量用于加热循环物料、烟气。燃烧室设计床温为920°C,下部风速为4m/s,布=(1-Emj)Ppb●uo●AH1(7)风板尺寸为270mm X 270mm,密相区床高为0.. m+i我们利用上述公式进行计算,计算结果与试6m,炉膛上部截面为540mmX540mm。从燃烧室验值误差小于5%,可见本模型可很好预测颗粒出来高温烟气经高效分离器分离后,固体物料经返料器送入燃烧室循环燃烧。高温烟气从分离器通过孔口的流动。出来后,经过热器和蒸汽发生器冷却,变成150 °C5小型内循环流化床煤气化炉设计左右烟气经布袋除尘器除尘后由烟囱排出,产生在上述试验基础上,根据杭州某厂要求,我们.的水蒸汽一部分供气化室使用,其余外供。进行了小型内循环流化床气化炉设计,设计煤种5结论为平顶山烟煤,其成分分析示于表2,设计的内循内循环流化床气化炉可产生中热值煤气,而环流化床气化炉主要参数如表3.表4。表2设计煤种:平顶山烟煤(0~8mm)且结构简单.投资和运行成本低.可广泛用于中小企业中国煤化工冷态试验结果表Ca|Hr|O,|NeS.AMtV.FC|Qneer明,HCNMHGR寸是保证两床%| %| %|%|%%|%|%| % kJ/kg间物料循环稳定和循环量较大的要素,是本方案60.2|3.7| 4.90.90.723.4 7 22.2|47.4 23539的关键。本文所提出的合理运行设计参数可用于指导工业设计。在此基础上,本文介绍了100kg/h第4期动力工程●2529●小型内循环流化床气化炉设计,本气化炉可产生idized beds without gas mixing [J]. Circulating FluidizedBed Technology, 1985: 397.36Nm'/h的中热值煤气。[5]吉冈.0.96m直径流化床中颗粒的循环巍动[C].化学工学论参考文献:文集,1980.53(10);454.[6] Ishida M,et al. Measurement of the velocity and drection of[1] Yong J, et al. A study on particle flow between fluidizedflow of solid particles in a fluidized bed UJ]. Powder Tech-beds J]. Fluidization'85 Science and Technology, 1985,nology. 1985(44): 77~84.172~183. .[7] Abellon R D. A single radio trace particle method for the de-[2] Meadows D M. SA 改进的煤炭气化新技术[J].煤炭加工与termination of solids circulation rate in interconnected flu-利用,1989,(5):42.idized beds [J]. Power Technology, 1997<92); 52~60.[3] Snieders F F, et al. The dynamics of large particles in a four-[8] Yamazaki M. Kogaku Kogku Ronbunshu []. 1979(5):compartment interconnected fluidized bed []. Power Tech-nology, 199101):229~-239.[9]方梦祥.循环流化床燃气蒸汽联产机理研究[D].断江大学博[4] Chong Y O, et al. Solids circulation between adjacent flu-士学位论文,1991.Experimental Research and Design of Coal GasifierBased on Inter-Circulating Fluidized BedFANG Meng-xiang,SHI Zheng-lun,YU Chun- jiangLUO Zhong-yang,CEN Ke- fa(Clean Energy and Environment Engrg. Key Lab of MOE, Institute forThermal Power Engrg.,Zhejiang Univ.,Hangzhou 310027, China)Schoof of Engergy and Power Engry. , Xi'an Jjiaotong Univ.,Xi'an 710047)Abstract: This paper introduced a coal gasifier based on inter -circulating fluidized bed , which consisitsof two beds, a gasifier chamber and a combustor chamber and can produce middle heating value gaswith air and steam blown. The effect of bed material, operation velocities, and bed structure on solidcirculating rate between two beds has been tested at a small scale test facility and reasonable operationand design parameters have been put forward. a mathematical model has been established to calculatesolid circulating rate. On bases of this, a 100kg/h coal based on inter-circulating fluidized bed gasiferhas been designed. Figs 10, tables 4 and refs 9.Key words: inter-circulating fluidized bed ; coal gasification; solid circulation(上接第2581页)Experimental Study of Single Phase Local Convective HeatTransfer Impinged by Circular Liquid JetsZHOU Ding-wei',MA Chong -fang',LIU Deng -ying2(1. School of Environment and Energy Engrg, Beiing Polytechnic Univ.,Beijing 100020, China;2. Institute of Engrg. Thermophysics , Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)Abstract : Experimental study was carried out to determine the local heat transfer coefficients of r/d=0,2,3,5 and 5 and radial distribution systematically, and中国煤化工vere correlated.The effects of jet exit Reynolds number and fluid temperaYHC N M H Gefficients were .discussed in detail. At last, the exponent meanings of Reynolds number ot Nuo~ Re correlation wasexplained. Figs 4, tables 3 and refs 14.Key words :jet impingement ; convective heat transfer ; highly-wetting-liquid

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