气化参数对气流床粉煤气化影响实验研究

煤炭燃烧全国中文核心期刊矿业类核心期刊《cAcD规范》执行优秀期刊气化參数对气流盼煤气化影晌实骀硏究陆成,张忠孝,乌晓江,黄凤豹,陈国艳,周国锋(上海理工大学能源与动力工程学院,上海20003)摘要:为评价和优化中国高、低灰熔点煤气化运行参数对气流床气化特性的影响,在1600℃的维常压沉降式气流床气化实验系统上,着重研究了中国典型高、低灰熔点煤在12-0~1600℃温度范围内、O/C摩尔比在0.9~1.2范围内的干煤粉气化特性。结果表明:随着温度的升高,产气中C0、H2含量逐渐增多,CO2、CH4含量逐渐减少,碳转化率有很大提高;随着O/C的增加,C0、H2含量不断减少,CO2逐渐增加;煤的灰熔融性也是影响煤气组分一个重要因素,当气化反应温度接近煤灰熔点温度时煤气组分(C0+H2+CH)达到一个最大值关键词:气流床;沉降炉;气化参数;灰熔融性中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:10066772(2010)02004905在中国,长期以来传统的煤燃烧利用方式带来气化温度、O/C摩尔比、不同煤种以及煤灰熔融温了严重的资源与环境问题口,煤气化技术成为清洁度等对干粉煤气流床气化特性的影响。高效利用煤炭的最有效途径。气流床气化技术与1实验部分其他气化技术相比,具有气化强度高,碳转化率高,生产能力大的优点,近年来得到快速发展,受到中1.1实验煤样与煤质分析国煤化工行业和发电行业的普遍关注23,而气流实验釆用2种高灰熔点煤和1种低灰熔点煤为床粉煤气化技术具有煤种适应性广,原料消耗低,原料煤样粒径为小于75μm,与实际煤粉气流床入碳转化率高等优势,在整体煤气化联合循环(IGCC炉煤粒径相同。实验所用煤样的成分分析见表1。发电技术中得到广泛应用7。影响气流床气化的表1实骑煤的煤质分析参数很多,国内外的研究者做了大量的研究工作。任永强,许世森等人做了干煤粉加压气化技术的金华原煤金华精煤神试验研究,得出了气化温度,氧煤比等参数对煤气A3.999.0910.1组成的影响;吴学成45等人通过建立的气流床煤工业分析/%V22.2228.6223.06气化动力学模型研究了不同的气化剂、气化剂质量428765.07比率气化温度、气化压力停留时间等参数对气化Ca53.5377.6674.84过程和煤气组分的影响; ae Goo Lee等人做了沉H4.76降炉中粉煤气化的实验研究,得到了温度、氧煤比元素分析/%0。6.015.039.660.951.41等参数对煤气组分和碳转化率的影响。笔者在给S0.660.630.51煤量约为1.2~3g/min的一维沉降式气流床气化1220实验系统上,对中国高低灰熔点煤进行了1200-灰熔融温度℃sr>150015001701600℃温度范围内干煤粉常压气流床气化特性实FT>1500>15001350验研究,考察了影响气化特性的主要工艺参数,如Q306127358中国煤化工CNMHG收稿日期:200911-13基金项目:国家自然科学基金项目(50906055)作者简介:陆成(1983-),男,江苏连云港入,硕士研究生,主要从事洁净煤燃烧与气化方面的研究气化参数对气流床粉煤气化影响实验研究1.2实验装置和实验方法炉子的时候温度较低,为预热释放水分和挥发分析干煤粉常压气流床气化实验系统与干煤粉常出的过程。距炉体顶部40cm以后,温度基本恒定,压纯氧气化实验系统如图1所示。整个系统由一维能够满足恒温气化的要求。电加热管式沉降炉、供气系统、煤粉给料装置、合成气净化、分析系统、灰渣收集装置、气体分析装置组成。实验所采用的高温电加热沉降炉主要由刚玉管(内径为50mm,高温恒温区长182m,煤粉在炉内停留时间大于5s)、加热元件、保温材料和温度控制柜4部分组成。温度范围为室温到1600℃,气体分析装置采用武汉四方光电科技有限公司生产的Gasboard-3100红外煤气分析仪,对合成气中的主要气体成分CO、CO2、H2、CH4进行实时监测,以监视整个煤气化过程。振动给煤机图2炉内温度分布2结果与讨论2.1温度对煤粉气化特性的影响气化温度是影响煤焦气化反应活性的重要因素,图3为气化温度对煤粉纯氧气化特性的影响,由阀门图可知,随着反应温度的升高,煤气成分中CO,H2煤气分析仪体积分数逐渐增加;CO2体积分数逐渐减少;H2/CO过滤器比半逐渐减小。主要是因为反应式(1)、(2)为强吸氮气氧气热反应,因此提高炉内温度有利于气化反应向正方向进行,有利于加快反应速度,提高气化强度,最终图1实验装置示意生成吏多的CO、H2,进而消耗更多的CO2;(3)式为先将纯度为999%的N2通入炉膛2-3h,以放热反应提高温度气化反应向逆方向进行,有利排空炉内及管道系统内的空’(保证炉内还原性气于CO的生成,不利于H2的生成,可知低’化反应氛),同时以一定的升温速率将气化炉加热至实验温度们利于生成更多的H所需反应温度并保持温度稳定;当达到反应温度C(s)+Co,(g)-2co(g)后,采用振动式给煤机将平均粒度约为75μm的煤△H=+172.6k/mol粉以L.2~3g/min的给煤量均匀稳定地送入炉膛;C(s)+H,0(g)-C0(g)+h,(g)同时调节N2和O2的流量以达到不同的0/C摩尔△H=+131.4kJ/mol比,高温下,进入气化炉的干煤粉首先迅速升温、干Co(g)+H,0(g)-C0,(g)+H,(g)燥并释放挥发分,由于此时有一定量的氧气存在△H=-290k/mol煤焦与炉内的氧气发生部分燃烧反应生成CO2,当同时气化温度也是影响碳转化率的主要因素,氧气消耗完毕后,剩余煤焦与CO2等气化剂发生气碳转化率随温度的升高逐渐增加,在同一工况下化反应,生成H2、CO,反应结束后,合成气由气化炉反应温度对2种煤的影响基本相同。碳转化率kc底部合成气出口排出,丝冷却、净化后进入煤气分的计算公式:析仪。对煤气的成分进行在线测量,气化产生的灰W∞+Wo,+Wc,)×12/22.4100=渣则落入气化炉底部的灰渣斗中。1.3气化炉内温度分布0.8×WW由于给煤量很小,煤粉气化反应时产生的热量中国煤化工很小,不会改变炉内的温度场,沉降炉内保持恒温CNMH量,%;状态。如图2所示:气化炉的恒温区间在40灰渣中的碳含量220cm之间,这一区域为气化反应区。煤粉刚进入W——灰渣中灰分含量,%;《洁净煤技术》2010年第16卷第2期煤炭燃烧全国中文核心期刊矿业类核心期刊《 CALCD规范》执行优秀期刊We"——煤样中的碳含量,%。很短的时间内也能完全气化,获得很高的碳转化率。这是由于炉内反应速度的提高,炉中的煤粉即使在更如尔一6010101600130014005001600反应温度/℃应温度/℃金华原煤(OC=0.9)金华精煤(OC=1.0)求如09001200150016反应温度/℃反应温度/℃神府混煤(OC=1.1)神府混煤(OC=1.0)图3温度对碳转化率和和合成气成分的影响l—碳转化率;2C0:3-CO02;4H2;5-CH42.2煤灰熔融性对气化反应的影响在煤灰熔点附近,煤的气化反应活性最大,成气组煤灰熔融性是影响煤气化反应活性的一个重分(CO+H2+CH4)达到一个最大值。这与 Koya要因素,当气化反应温度接近煤灰熔点时,煤气组m0和 Jae Goo Lee"的研究结果一致。分(CO+H2+CH)达到一个最大值。由图3可知:2.3不同OC摩尔比对煤粉气化特性的影响神府混煤灰熔点FT为1350℃,当O/C=1.0,气化图4为不同氧碳摩尔比对干煤粉气化合成气组温度1400℃时,神府混煤的煤气组分(CO+H2+成及碳转化率的影响从图中可以看出在同一反CH)达到一个最大值81.89%;当O/C=1.1,气化应温度下煤气中的CO和H2浓度均随氧碳摩尔比温度1400℃时,神府混煤的煤气组分(CO+B+的增大而逐渐减小;而煤气中CO2浓度和碳转化率华精煤的灰熔点FT大于1500℃,随着气化温度的则随着氧碳摩尔比的增大而逐渐增大。这是由于升高煤气组分(CO+H2+CH4)不断增大当气化当O/C摩尔比较低时,炉内的煤粉过量氧气量不温度为1600℃时,达到最大值。这是由于煤灰熔融足,炉内存在大量未反应的煤粉和煤焦使得碳的性影响煤的气化反应活性随气化温度的上升,灰转化率低从而影响气化效率。在高氧碳比的时分熔融变成液相状灰分熔融的液相状灰分很难浸候炉内的氧气过量过量的氧气会与未反应的煤润碳素,而易在其表面收缩成球。气化温度高于灰焦常生万应使得磁的转化率升高;过量的氧熔点温度时,灰分粘附于未反应碳内外表面的空隙气中国煤化工应使得煤气中Co中,熔渣状灰分引起煤焦内部细孔堵塞,使有效内和CNMH GO2浓度逐渐增大表面积减少,以至于未反应碳被熔渣状灰分包裹,实验结果显示:常压气化下,气化温度为1500℃时,造成气化速率降低,煤的气化反应活性降低。所以最佳O/C比为0.9左右,这与 Jae Goo Lee”等的研气化参数对气流床粉煤气化影响实验研究究结果一致。100180o/C(molmol金华原煤(1500℃)华精煤(1500℃)90底如尔哭细尔如品址址60o/C(mol/mol)神府混煤(1500℃)图41500℃和1400℃下氧碳比对碳转化率和合成气成分的影响1-碳转化率;2-C0;3-CO2;4H2;5-CH424煤种对煤粉气化特性的影响在纯氧条件下,温度、O/C摩尔比一定的情况■金华精煤下,采用了2种髙灰熔点煤(金华原煤和金华精煤口神府混煤和一种低灰熔点煤(神府混煤)进行气流床煤气化实验。如图5所示:图中的有效气体指的是COH2、CH4。在反应温度1400℃;氧碳比0.9工况下,金华精煤的CO浓度(61%)比神府混煤的CO浓度58%)高出3%;金华精煤的H2浓度(30%)比神府混煤的H2浓度(27%)高出3%;金华精煤的CO2CoI2CH4有效气体CO2浓度(8%)比神府混煤的CO2浓度(12%)低体种类了4%。由于挥发分高的煤,其结构疏松,生成的煤图5不同煤种对产气组分浓度的影响焦具有丰富的孔隙,反应的比表面积大,气固相反应温度1400℃;氧碳比0.9应的扩散阻力小,气化剂容易扩散到内孔中去,煤焦的反应活性较高气化反应完全,生成的有效媒3结论气浓度变大。金华精煤的挥发分含量(28.62%)比(1)温度是影响干煤粉气化特性的重要因素神府混煤的挥发份含量(23.06%)高出5.56%,所随着温成由右气休成分(CO+H2以在同一工况下,金华精煤的煤气中CO和H2浓度+CH4中国煤化工实验条件下比神府混煤的高。O/C摩CNMHG,碳转化率达到90%。(2)相同温度下随着O/C摩尔比的增加,由于炉《洁净煤技术》2010年第16卷第2期煤炭燃烧全国中文核心期刊矿业类核心期刊《 CAJ-CD规范)执行优秀期刊内煤焦-O2的反应速率远大于煤焦-CO2的反应速[4]吴学成王勤辉骆仲泱,等,气化参数影响气流床煤率,以及炉内氧化性气氛逐渐增强,从而导致合成气中气化的模型研究(I)-模型建立及验证[J].浙江大CO2含量不断增加有效气体成分下降。实验条件下,学学报(工学版),2004,38(10):1361-1365在1200-160℃温度范围内对3种实验煤种来说/[5]吴学成王勤辉骆仲泱等.气化参数影响气流床煤气C摩尔比为09时有效气体浓度达到最大值。化的模型研究(Ⅲ)-模型预测及分析[J].浙江大学学报(工学版),2004,38(1):1483-1489(3)当气化反应温度接近煤灰熔点温度时煤媒[6]乌晓江张忠孝,朴桂林等,高灰熔点媒高温下煤焦气组分(CO+H2+CH4)达到一个最大值随温度的CO2/水蒸气气化反应特性的实验研究[J].中国电机进一步升高,由于此时煤焦表面上的灰开始发生熔工程学报,2007融,阻碍了煤焦与气化剂的有效接触,煤焦-CO2/[7]乌晓江张忠孝朴桂林等煤粉加压气流床气化特H2O气化反应速率下降,合成气中CO和H2的含量性实验研究[].工程热物理学报,2008,29(8):也开始下降,因此温度在煤灰熔融温度附近时,合1431-1434.成气的有效成分达到最大值。[8]任永强许世森张东亮,等.干煤粉加压气化技术的试验研究[].煤化工,2004,112:10-13.参考文献[9] Jae Goo Lee, Jae Ho Kim, Hyo Jin Lee. Characteristics of[1]于广锁.气流床气化技术的现状和发展趋势[门].世entrained flow coal gasification in a drop tube reactor[J界科学,2005,1:33-34.Fuel,1996,75(9):1035-1042[2]任水强许世森,部时旺。干法进料煤气化技术在中的[10] Koyama,s, Matuo,M. and Miyadera,H. J. Fuel Soc.Ja进展与发展趋势[J].中國电力,2004,37(6):49-52an1986.65:660.[3]魏亮,张忠孝,乌晓江煤焦气化反应过程中灰的熔融特性变化[J].洁净煤技术,207,13(6):66-69Experimental study on effects of operation parameterson entrained flow pulverized coal gasificationLU Cheng, ZHANG Zhong-xiao, WU Xiao-jiang, HUANG Feng-bao, CHEN Guo-yan, ZHOU Guo-fengSchool of Energy and Pouer Engineering, Shanghai University of science and Engineering, Shanghai 200093, China)Abstract: Experimental studies on gasification characteristics of both high and low fusing temperature coal were car-ried out by using experimental equipment for atmospheric pressure entrained-flow gasification in a 1600C droptube furnace. Investigate the characteristics of dry coal gasification in the temperature of 1200C to 1600C andO/C molar ratio.9 to 1. 2. The concentration of CO and H2, the carbon conversion all increase with increasing re-action temperature whereas the concentration of Co2 and CH4 decrease with increasing reaction temperature; Withincreasing O/C ratio, the concentration of CO and H, decrease and the concentration of CO2 increase; Ashcharacteristic of coal is a key factor on the syngas composition, The CO+ H2+Ch, content of the producthibit a maximum around the ash fusion temperature.Key words: entrained-flow: drop-tube furnace gasification; ash slag fusibility欢迎订阅续净媒芭蠢纛化工全年定价120CNMHGthne691 wl气化参数对气流床粉煤气化影响实验研究