多炉芯气化炉轴向温度分布及影响因素

第27卷第2期西安科技大学学报Vol.27 No.22007年6月JOURNAL OF XI' AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOCYJune. 2007文章编号: 1672 -9315(2007)02 -0272 -04多炉芯气化炉轴向温度分布及影响因素田玉仙,王晓刚,田欣伟,强军锋(西安科技大学基础课部,陕西西安710054)摘要:深入探讨了多炉芯气化炉成倍延长气化时间过程中集气空间内轴向温度分布,分析了集气空间轴向温度的主要影响因素;设计了煤气"引射"实验,详细研究了煤气排出速率对集气空间轴向温度分布,特别是集气罩内表面温度的影响,为煤气收集过程中集气罩的经济安装提供了技术基础。，关键词:煤气化技术;多炉芯气化炉;引射中图分类号: TQ 116文献标识码: AAxial temperature distribution and its influencefactors in multi-core gas cookerTIAN Yu-xian, WANG Xiao-gang, TIAN Xin-wei , QIANG Jun-feng(Dept. of Basic Courses, Xi' an University of Science and Technology, Xi' an 710054 ,China)Abstract: The axial temperature distribution of gas collecting space in multi-core gas cooker is dis-cussed during gasification time doubled. And its primary influence factors are analyzed. We design gaseducing experiment, and study the gas educing velocity ' s influence on the axial temperature of gas col-lecting space, especially the temperature of gas ollcting mantle inside. All that we have done provideseconomical fixing of gas collecting mantle with technical base in gas collecting.Key words: coal gasification technology; muli- core gas cooker; educing0引言我国是一个缺油少气富煤的国家,目前探明可供开采煤炭储量约为1100 亿t,占全世界的11%左右"。比起石油、天然气来,煤炭的开采、运输和加工利用等技术难度大,环境污染严重。在煤的转化利用方面,全世界所有国家都不同程度地面临着资源和环境的双重压力2。因此，如何高效洁净利用煤炭资源,不仅是我国科学研究的课题，也是世界煤化工所研究的重要科学领域。煤炭气化是将固体煤转化为可燃气体(煤气)的煤炭热加工过程,其在世界能源消耗中占有重要的位置[3-4]。传统煤气化方法[5-7]有移动床气化法、流化床气化法气流床气化法、熔融床气化法和地下煤气化法等。它们均存在工艺流程复杂投资大、设备运行成本高、煤气有效成分( CO + H2)含量不高以及气化不完全,废渣、废气和废水排放严重污染环境等问题。多炉芯气化炉为本课题组开发的新型煤气化炉。它以中国煤化工，1石英砂为原料,利YHCNMHG收稿日期: 2006 -03 -01基金项目:国家自然科学基金资助项目(50174046);宁夏自治区科技攻关项目作者简介:田玉仙( 1970-),女,重庆人,博士生,讲师,主要从事特种材料制备与煤炭利用研究.第2期田玉仙等:多炉芯气化炉轴向温度分布及影响因素273用电热还原反应SiO2 +3C =SiC +2CO,可获取优质煤气及C,化工原料。课题组曾用此新型煤气化法完成了宁夏无烟煤新型气化,制备出了有效成分(CO + CH. + H)达95%以上的煤气,副产品SiC性能优异，平均每吨售价可达2600元,此额外收入可大大降低气化成本[8]。该气化法煤中碳的转化率可达百分之百,无废水.废渣和废气排放,真正实现了洁净煤高效转化,这是目前的任何煤气化技术都无法达到的,国内外尚无其他学者研究报道过。由于该新型气化炉的炉体大、炉内温度高、合成气具有酸碱腐蚀性,且可燃、可爆等特点,使得该气体收集过程对集气材料的耐高温性、抗腐蚀性和抗透气性等要求很高,集气罩价格比较贵。再加上厂房空间的限制,如何确定集气罩经济安装高度,提高集气装置在特定高度下的使用寿命,降低生产成本就成为气体收集工作的重点之一-。本课题就是在这样的前提下,在前期实验的基础上,采取成倍延长气化时间，通过研究极限条件下集气空间轴向温度分布及影响因索,以便通过实验研究,找到有效降低轴向温度的方法,从而为气体收集过程中集气材料的选择和经济安装提供技术基础。1实验表1石英砂及无烟煤的化学组成Tab.1 Ingredient of quartz and anthracite%石英砂无烟煤二氧化碳杂质水￥固定碳挥发分灰分水汽99.00.70.386.57.53.52.5将原材料青海石英砂和宁夏无烟煤(化学组成见表1)按碳硅质量比0.62 ~0. 67配料(使无烟煤过量10%~15%)后,球磨混合30min,装入图1所示自制双炉芯气化炉内,在图示各测温点布置好测温热电偶或热电阻,按设定的密封工艺安装自制高分子复合材料无机纤维纺织物集气罩并密封炉体,气化前集气罩顶部与炉表距离为580 mm。掏空排气孔里的残渣,疏通排气管道后,按如下两种方案气化并将从排气管道排出的煤气点火燃烧:①恒功率(30 ~ 35 kW)、不加引射自然排气下气化30 h;②恒功率(30 ~35kW),自设计引射装置强制排气下气化30 h。每隔30 min记录各测温点温度。集气罩; CO引射tCO47T。ITg 'T。-T。_T, -图1实验装置Fig. 1 Experimental apparatusr,集气罩内表面温度T2,Ts,7, 集气空间轴向温度Ts 炉料表面温度T。,T, 集气空间径向温度2结果分析与讨论2.1集气空间的温度分布中国煤化工从图2可以看出,用自制集气罩收集煤气并将炉内产生出CNM H C气空间内各测温点温度均随供电时间的延长而升高,气化前期因物料蓄热各点温度开向速度牧便,中期(8~15 h)各点均快速升温,后期各点温度升幅极小;同-供电时刻,气体温度值由集气空间径向(T。和T)、集气空间轴向(T2)、集气罩(T,)、集气空间轴向(T)、集气空间轴向(T)到炉料表面( T)依次增大,即总体上是空间位274西安科技大学学报2007年置越高,距物料表面越远,气体温度就越低(集气罩例外);在实验设定的集气罩高度(从炉表到集气罩580 mm)下,集气罩最高温度为440 C ,炉表最高温度为1 000 C。总体而言,径向温度比较恒定且温度值小,对集气翠耐温性影响小，而炉表与集气罩间的轴向温度变化大,是决定集气罩使用寿命和经济安装高度的关键。.功率/kW100[-T/C3501 000ot: 3008-100集气罩疆度利600+T/C别-200卡200→Tr-Ts 展150-300R 100200-400 t功率-500τ-T25°5510120253005σ22530哈51012023时间/h图2无引射时气化炉轴图3相邻两轴向测温 点温差曲线图4 5~9 h出气口减半集气向温度分布Fig.3 Curve of temperature difference單温度随功率变化Fig.2 Axial temperature distribution between two axial temperature testing pointsFig.4 Temperature of gasofgas cooker without gas educingcollcting manthe实验过程中,从炉表到集气罩所设置的5个测温点间距相等,故用相邻点的温差代替其温度梯度绘制集气空间温度梯度曲线(图3)。从图3可以看出,供电前18h内,任意相邻两点的温度差随时间延长逐渐增大,后期变化平缓。沿轴向向上,温度梯度先是逐渐减小,后在集气覃附近稍增加,且集气罩附近温度梯度出现了正值。显然,轴向集气空间内存在明显的温度场,且炉表附近和集气罩附近温区温度场主控因素是不同的。2.2轴向 温度主要影响因素探讨从集气空间传热特点来看,通电后,石墨炉芯发热后所产生的热量,一部分加热炉料,使其干燥、温度升高,煤在高温下热解释放出挥发组分;达到1 500 C以上时,Si02与C发生电热还原反应生成大量CO,由于炉料是散料,透气性较好,炉内所产生的热气体将扩散,经炉表逸出到达集气空间,在炉表与集气罩间形成较强的速度梯度温度梯度和浓度梯度,煤气必然源源不断地自炉表向集气罩流动,形成对流场;另一部分炉芯电热还将 通过炉料的传导作用到达炉表,使其成为强辐射源。因此,在煤气收集过程中,集气空间各点温度同时受炉表辐射场和煤气对流场两种传热方式控制。这与图3所示集气罩附近的温度梯度为正值,不符合单纯的辐射场传热规律相对应。当辐射源的热量-定时,辐射场的大小单- - 地由被测点与辐射源的距离决定,距辐射源越远,温度越低。集气空间对流场大小显然与炉内逸出的煤气自身的温度和集气空间各点煤气的总量有关,而煤气排出速率将直接影响到集气空间各点的煤气总量,因而对集气空间各点温度场将产生重大影响。供电过程中(5~9h)人为将排气口口径减小--半时发现,集气罩温度上升很快,反应进行10h时已超过340 C,11 ~ 19 h强行降低功率其值也几乎不变,形成-一个长达5 h的温度平台(图4),而集气空间其余各点温度变化不明显,即集气罩温度受气体排出速率的影响较大。为了摸清气体排出速率对轴向各点温度的影响,设计了气体引射实验,强制将集气空间气体快速排出。实验发现,此时,集气空间的温度分布不变,只是相同时刻各点温度值均不同程度地有所降低,集气罩温度下降幅度较大,而其他测温点温度下降幅度很小。从引射煤气与自然排气时集气罩温度变化规律对比研究可知(图5) ,在整个气化过程中,引射气体都能在不同程度上降低集气罩绝对温度,本引射条件下集气罩内表面最高温度下降了10. 2% ;在不同反应阶段中国煤化工程度不同,反应前期和中期影响大,每小时集气罩温度递增速率分别下降了9.YHC NMH G升高了3.3C。极限条件下,反应后期炉料几乎吃空,炉内煤气生成反应几乎停止,炉芯周围炉料全变成了气化反应副产品一-SiC,其导热能力较好,炉芯电热绝大多数传导到炉表,集气空间辐射场有所加强,集气空间各点温度均达到最高值,但与气化反应息息相关的对流场却大大减弱,引射气体对集气罩温度影响减小,此时集.第2期田玉仙等:多炉芯气化炉轴向温度分布及影响因素275气罩绝对温度降低但温度递增速率与前期和中期相比就升高了。辐射场和对流场对集气空间温度场影响可以从停炉后降温曲线(图6)得到进一步 证明,停炉后,辐射场臧弱,炉内温度还处于煤气生成温区,但煤气产量很小,煤气对流作用减弱,炉表与其他测温点温度下降幅度大,而集气罩温度几乎不变，因为对流传热抵消了辐射热的损失。5.5 Ch1400 [450p。引射气体300p400f“自然推cn1200p 350{8.8 C/h200 t士-AP?kW8 300-◆-A7;25011.1 C/h。800t100150-30.8 cng40010021.6C/m200051120230681012141618时间/h停电后时闻/h时间h图5有无引射时集气罩 温度比较图6停炉后集气罩及炉表降温曲线 图7炉表 和集气罩温度随功率波动曲线Fig. 5 Temperature contrast ofFig.6 Temperature flling curve of Fig.7 Curve of T, & T, fluctuant with powergas collecting mantleTs & T, after power cuted鉴于煤新型气化反应是一个强吸热过程,其反应所需热量全部来源于石墨炉芯电热，显然,集气空间各点温度会大幅度随供电功率而波动。从图7可知，炉表和集气罩变化步调一致,但炉表受功率影响要大些。由于离炉表较近区域,轴向温度主要由辐射场控制,而离集气罩较近区域,轴向温度受对流场影响显著,而对流场可借助外力(引射)加以控制,故可通过进一步探索辐射场与对流场的分界面位置确定收集装置的经济安装高度,从而节约成本,或在安装高度确定下，降低气体收集对集气罩材质耐温性要求,提高集气装置高温使用寿命。3结论多炉芯煤气化炉集气空间内轴向各点温度均随供电时间延长而升高,且存在明显的温度场,空间位置越高,气体温度越低(集气罩例外)。本实验条件下,集气罩内表面最高温度为440 C ,炉料表面最高温度为1000C。炉料表面附近区域,轴向温度主要由辐射场控制,而离集气罩较近区域,轴向温度受对流场影响显著,引射气体可大大降低集气罩温度。实验过程中,集气罩的最高温度下降了10. 2% ,但反应各阶段影响不同,反应前、中期集气罩温度递增速率分别下降了9.2和7.8 C/h, 而后期反而升高了3.3 C/h。功率对集气空间内各点温度均有影响,且各点变化步调- -致。参考文献:[1] 汪寿建.洁净煤气化技术浅析[J].化肥设计, 2004 ,42(3):15-17.[2] 张占涛,王 黎,孙雪莲,等.煤的气化与陕北煤炭化工利用关系探讨[C].//陕西省自然科学学会研究会.陕西省煤转化学术研究会论文集.西安:三秦出版社, 2004.[3]黄戒介 ,房倚天,王洋. 现代煤气化技术的开发与进展[J].燃料化学学报,2002 ,30(5) :385 -391.4]李龙清, 秦国玉,田俊峰.煤炭工业可持续发展的系统动力学模型[J].西安科技大学学报,2006 ,26(2):151 -153.[5] 王擎.洁净煤技术前景[J].环境保护科学, 2001 ,27(6):1 -2.[6] 武利军,周 静,刘璐.气化技术进展[J]洁净煤技术，2002,8(1):31 -34. .[7] 郑振安. SCGP特点[J]. 煤化工, 2003,5(2):7-11.[8]田玉仙,王晓刚，田欣伟,等.低变质烟煤新型气化联产高品质中国煤化工。,2006,12(2):48 _53YHCNMHG