高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究

第25卷第23期中国电机工程学报Vol.25 No.23 Dec.20052005年12月Proceedings of the CSEE62005 Chin.Soc.for Ele Eng文章编号: 0258-8013 (2005) 23-0100-06中團分类号: TK224文献标识码: A学科分类号: 470.20高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究肖睿，金保升，周宏仓，黄亚继，仲兆平，章名耀(东南大学洁净煤燃烧与发电技术教育部重点实验室，江苏省南京市210096)COAL GASIFICATION USING HIGH TEMPERATURE PREHEATED GASIFYINGAGENT IN A PRESSURIZED SPOUT-FLUD BEDXIAO Rui, JIN Bao-sheng, ZHOU Hong-cang, HUANG Yaji, ZHONG Zhao-ping, ZHANG Ming-yao(Education Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and Combustion Technology, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: High temperature gasifying agent gasification of1引言coal was performned in a 0.1MW thermal input pressurized煤气化技术是未来洁净煤发电技术的基础，如spout-fluid. Effects of gasification temperature, pressure,equilibrium ratio, and the ratio of steam to coal on coal整体煤气化联合循环，第二代增压流化床联合循环，gasification behaviors were studied. The experimental results整体煤气化一燃料电池和以煤 气化为核心的多联indicated that gasification temperature was the most important产系统等等，国内外研究者对此进行大量的研究工factor influenced coal gasification in the spout-0luid bed gasifier.作"+6。依据煤的不同组分和不同转化阶段的反应特The gasification performance was improved at elevated性不同的特点，采用温和的部分气化方式将煤中高pressure due to the better fluidization in the reactor. The effects活性的部分转化成煤气，残余的低活性半焦通过燃of equilibrium ratio, and the ratio of steam to coal on coal烧方式加以利用，从而在总体投资和运行成本降低gasification were realized by changing the reaction temperalure,and the two parameters had an optimum operating range for a的前提下，达到提高系统碳利用率目的，第二代增压流化床联合循环发电技术正是基于此。提高气化certain coal gasification process.剂预热温度，可大幅度提高煤气热值，提高燃气透KEY WORDS: Thermal power engineering; High temperature平入口温度和燃烧稳定性。随着紧凑蜂窝式陶瓷蓄gasifying agent; Coal gasification; Spout-fluid bed; Process热体高温空气预热器等新工艺的开发成功，最近出parameters; Pressure现了应用该加热器产生的高温空气在卵石气流床反摘要:在热输入0.1MW的小型加压喷动流化床试验装置上应器内对生物质7、动物排泄物8)和煤气化的研究进行了高温气化剂煤气化特性的试验研究，考察了气化温报导。喷动流化床气化炉由于存在中心高速射流,度、压力、空气系数和汽煤质量比等工艺参数对高温空气1特别适合处理强粘结性煤，此外，该反应器对煤中蒸汽作为气化介质的煤气化行为的影响。试验结果表明，在灰含量不敏感，炉温又适宜脱硫剂进行炉内脱硫，所研究的工艺参数中，气化温度对高温空气煤气化特性影响因此是高灰、高硫的劣质煤气化较理想的反应器，最为显著。压力对气化性能的影响主要体现在改善流化床气而这些煤在我国储量丰富，与其它流化床气化炉类化炉床内流化质量。空气系数及汽煤比的影响从本质上看是似，喷动流化床气化炉碳转化率较低，而采用部分通过改变气化反应温度来实现的，对于-一个特定的流化床气气化-半焦燃烧的方式正好弥补该缺陷。此前我们研化工艺，空气系数及汽煤比均存在一个适宜的操作区域。究了气化剂预热温度对煤部分特性的影响，研究结关键词:热能动力工程;高温气化剂;煤气化;喷动流化床;果表明，气化剂预热温度从300"C提高到700C后，工艺参数:加压煤气热值提高幅度达23%10]。由于目前对高温气化基金项目:国家重点基础研究发展规划(2005CB221202)。剂煤气化研究甚少，在高温气化剂条件下气化工艺Project Subsidized by the Special Funds for Major State Basic Research参数(如气化温度、压力、空气系数及汽煤比等)匹Projcts of China (2005CB221202).第23期肖睿等:高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究101配与优化尚不清楚，基于此，本研究采用700°C的生成，温度较高时甲烷浓度下降主要是由于生成的高温空气/蒸汽作为气化剂对煤流化床气化工艺特甲烷在高温下分解所致。气化温度较低时，虽然对性进行研究，旨在通过对高温气化剂下气化工艺参甲烷的生成有利，但焦炭与气化剂的气化反应变慢，数与煤气化行为关系的研究，掌握该新工艺优化运尤其是焦炭与CO2发生的非均相反应是强吸热反行区间，为较大规模气化装置的设计与运行提供指应，温度愈高，愈利于反应的进行，此外，高温也导。利于水煤气反应的进行，因此随着气化温度的升高煤气中CO浓度增加。同时，温度上升，蒸汽分解2试验部分率也随之增加，H2浓度也有所增加。气化温度的增试验在一台内径为80mm,高4200mm的加压加是以增大入炉空气量，增加炉内燃烧反应程度获喷动流化床装置上进行，试验用煤为徐州烟煤，试得的，继续提高床温后H2浓度降低也与燃烧反应程验装置、试验用煤的煤质特性、试验过程和测试方度加大有关，即部分生成的H2与增加的空气中的氧法参见文献[10]。试验主要工况参数运行区间如表1气发生燃烧反应消耗了H2。图中还显示，温度对所示。需要说明的是，在煤部分气化过程中，由于CO2浓度影响不大，按理，空气量增加会导致生成流化床气化产生的焦油量很少，煤中碳将全部转移CO2 增加，但高温下焦炭与CO2反应激增，消耗了到煤气和残余半焦中，如CO、CO2, CH4和半劁(包部分CO2。括底渣和飞灰)中固定碳，如忽略测量误差，在气化图2表示气化温度对煤气热值的影响。很明显，过程中碳始终是平衡的。如不注明，分析基准为干对于煤气热值来说，气化温度有一个最佳区域，气基，煤气热值为高位热值。煤气的高、低位热值、化温度最高点并不对应煤气热值的最高点，煤气热干煤气产率和碳转化率可由公式计算得到"。值最高点在940°C 附近。此后尽管气化温度增加，煤气中CO浓度继续增加，但对煤气热值影响最大表1试验主要工况参数范围Tab.1 Range of main operatiog parameters in the的甲烷浓度却在下降，加上H2浓度也在下降，造成experiments煤气热值的降低。如果从热量平衡的角度上分析，参数气化温度气化压力 加媒量 空气量 蒸汽量气化温度增加，煤气带走的显热和炉体散热量也相CMPa_kgh'mhl kgh'应增加，因此要适当增加炉内的燃烧程度以维持系数值870-1030 0.1-0.5 5~12 8~321~5统的热量平衡，但增大到- -定程度会造成炉内气化3结果分析与讨论程度的下降，煤气热值也降低。3.1气化温度的影响在流化床气化温度范围内，气化反应属于反应CO2to控制区，房倚天等2研究表明，气化层温度提高P=0.3MPa;空气系数=0.34 -0.4220C~30C，气化反应速率相应提高1倍左右，因烧气化剂预热温度700C，汽煤比=0.42; H=300mm;此，气化温度对气化过程的热力学和动力学有决定性的影响。在保持气化炉压力、给煤量、蒸汽量、空气/880r9601000图1 气化温度对蝶气成分的影响蒸汽预热温度和静止床层高度基本稳定的条件下，Fig.1 Effet of temperature on gas composition仅改变空气量进行试验，试验中空气系数(ER)在44000.34-0.42范围内变化，考察气化温度对煤气成分的影响，如图1所示。由于空气系数直接影响炉内燃4200烧程度，进而使气化温度发生改变。从图中可以看oo出，气化温度对煤气成分的影响最主要表明在2个p=0.3MPa;空气系数034-0.424气化剂预热温度700C;方面:煤气中甲烷随温度的增加下降明显，由880C3800汽煤比=0.42: H- 30m时的2.8%下降到991C的1.4%;相反CO浓度由8092060”T/C880'C时的8.3%增加到991C的13.8%。在气化炉压图2气化温度对煤气热值的影响力不高时，流化床煤气化中甲烷主要由煤中挥发分Fig.2 Effect of temperature on gas heating value102中国电机工程学报第25卷图3表示气化温度对碳转化率的影响。图中表内，反应达不到平衡状态，因此反应速率愈快，进明，碳转化率随气化层温度的提高持续增加，由行反应的时间愈长，则愈接近平衡状态。在加压下，880'C的60%增加到991C的85%。提高气化温度不由于气泡变小，气固接触变好，气体在气化区停留仅提高了气化反应速率，加快了碳与气化剂的气化时间增长，这就相应延长了气化反应的时间，有利反应，而且气化温度的增加是依靠气化剂中空气量于气化反应和蒸汽的分解。另-方面，压力增大，增加使炉内燃烧程度增加的，这两者都会使碳转化反应物浓度增大，进而使气化反应速率增加，也有率提高。利于煤气质量的改善。此外，压力对煤气质量的改总体上看，气化温度对流化床煤气化反应十分善主要发生低压区，压力继续增加，则变化趋于平重要，提高气化温度对碳转化率有好处，但对于煤缓，此时压力对煤气化的主要作用表现在提高气化气热值，有一一个最佳的区间。最适宜的气化温度应强度、增加生产能力和使装置紧凑等方面。从甲烷根据煤的性质，如灰熔点和活性来决定，- -般来讲，化反应的角度来看，加压有利于甲烷的生成，但试为确保床内不结焦，气化温度应低于灰熔点一段距验数据:显示煤气中甲烷浓度与压力的关系不大，这离，对于活性好的煤，可适当降低气化温度，尤其是因为在气化炉压力较低时，真正由甲烷化反应生对生产燃料气而言，温度较低，有利于甲烷的生成，成的甲烷极少，绝大多数甲烷来自煤中的挥发分，煤气热值较高。而压力对挥发分的析出是不利的141。图5为压力对煤气热值的影响。由于加压后炉内流动状况改善，气固接触变好，易于气化反应，煤气热值相应提高，在压力从0.1MPa增加到0.3MPa尤为显著，由3743kJ/m3增加到4443kJ/m',增P=0.3MPa;空气系數-0.34-0421加幅度达18.7%。0.3 MPa以上热值变化不大，煤气气化剂预热温度700C160-汽煤比-0).42; H=300mm;热值仅由4443kJ/m'微增至4495kJ/m'。880920r1000图3气化温度对碳转化率的影响7CoFig3 Eftect of temperature on carbon conversion源10]气化温度940C;空气系数=036;气化剂预热温度700T3.2气化炉压力的影响6汽煤比90.42: H=300mm:在进行变压力工况试验时，尽量保持气化剂预CH热温度、气化层温度和静止床高，由于气化层温度基本不变，因此空气系数和汽煤比也在试验过程中压力MPa图4压力对煤气成分的影响尽可能控制在很小的范围内波动(在实际操作中很Fig.4 Erfect of pressure on gas composition难做到绝对不变)。图4是在上述试验条件下，气化4500炉压力从常压到0.5MPa变化时，煤气成分的变化4300-曲线。图中表明，气化炉压力从0.1MPa增加到0.5运4100MPa时，CO浓度增长幅度最大，由9.7%增 加到起4气化温度940C;空气系数<0.36;12.7%; H2浓度在0.3MPa时最大，为15.2%，然后类3900气化剂预热温度700;汽媒比-0.42; H=300mm;下降到0.5 MPa时的14.4%;甲烷浓度基本保持不3700-变，在2.4%~-2.5%范围内波动; CO2浓度略有下降。0.102 030.4 0.5压力/MPa气化炉加压后煤气质量的提高主要原因应是气化炉圈5压力对煤气热值的影响内部压力增加后引起了床内流体动力学工况的重大Fig.5 Efeet of pressure on gas heating value变化，加压流化床冷态试验研究结果表明，加压流不同压力下碳转化率如图6所示。图中显示，化床运行平稳，流化较均匀，气泡小、形状扁平且压力对碳转化率的提高幅度在升压初期非常明显，分布均匀，颗粒往复运动均匀，具有明显的上部界碳转化率由常压的64%增加到0.3MPa时的78%，限3)。如果仅从化学反应平衡的角度来看，压力对再继续增加压力，碳转化率增加幅度很小，在气化反应是不利的，但在实际运行的流化床气化炉0.5MPa为80%。系统加压后,床内流化状态得到改第23期肖睿等:高温气化剂加压 喷动流化床煤气化试验研究103善，一方面气化反应得以更深入地进行，另一方面持续降低另一方面的原因是甲烷自身分解所致。颗粒的扬析量也大为减少，以上2种因素造成加压图8给出了汽煤比对煤气成分的影响。图中表后飞灰含碳量大大降低，由常压的73%减少到0.3明，在其它条件不变时，蒸汽量的变化将大大改变MPa时的41%， 同时飞灰量也降低。陈寒石等I'S1煤气中各组分的含量。首先是对H2浓度的影响，在报导了将灰熔聚流化床压力从0.8MPa 增加到一定的范围内,提高入炉蒸汽量可使煤气中H2浓度1.5MPa时，碳转化率大幅由60%提高到90%，文由11.8%上升至15.8%。 因为蒸汽量增加，有利于章中没有给出在压力增加时，其它参数如温度等是气化反应中生成 H2的气固水煤气反应和水汽转换否发生了改变，尽管如此，这也说明加压对碳转化反应的进行。但加入的蒸汽过量，会造成未分解的率提高是有效的。彭万旺等"]对蔚县煤进行了不同蒸汽带出气化炉的显热增加，造成气化温度下降，压力下的空气/蒸汽流化床气化，结果表明压力从当气化温度下降到一定程度后,会影响到气化反应，0.5MPa增加到2.0MPa,碳转化率从76%小幅增加导致煤气中H2浓度反而下降。对于CO,因为CO到81%。对气化温度非常敏感，气化温度越高，Co浓度越82高，在其它条件不变情况下，蒸汽量增加后气化温度是下降的，因此CO浓度由13%下降到7.8%。甲烷浓度随汽煤比的增加而增加可能由以下2方面的嘉70因素造成，- 方面是气化温度的下降，造成由挥发气化福度940C;空气系数=036;分生成的甲烷热分解减少，另一方面，气化炉内H266气化剂顶热温度700C1汽煤比二1.42: H=300mm;浓度的增加对甲烷化反应有利，尽管上述反应在没620.T0.2.03040.5有催化剂的情况下反应较慢。干煤气中CO2浓度增压力MPa加是由于CO和H2浓度的下降引起其浓度的相对上图6压力对碳转化率的影响升。Fig 6 Effect of pressure on carbon conversion3.3空气系数和汽煤比的影响在考察空气系数对煤气化反应特性影响时，维持气化炉压力、蒸汽量、给煤量和静止床高不变，r cop=0.3MPa;汽爆比∞0.42;仅改变入炉空气量，这样气化时汽煤比、压力和静气化剂預热温度700C;H=300mm;止床高是不变的;相应地，研究汽煤比影响，则只CHL改变入炉蒸汽量，气化炉压力、空气量、给煤量和0.25 0.30 035 0.40 0.45 0.50静止床高不变。空气系数空气系数对煤气成分的影响如图7所示。改变圉7空气系数对煤气成分的影响空气系数会影响到气化温度，空气系数增加将导致Fig.7 Effect of ER on gas compositionH2气化温度的上升。空气系数较低时，虽然炉内还原4K:Co2气氛浓，即炉内碳含量高，此时气化温度较低，气化反应进行得不彻底，煤气中CO和H2浓度较低，P=0.3MPa; 空气系数=036;而主要由煤中挥发分生成的甲烷浓度较高。随着空气化剂预热溢度700C:6 H=300mm;气系数增加，炉内燃烧反应程度增加，气化温度显著提高。气化温度提高有利于CO2还原反应和水蒸0.20.40.0.8汽煤比汽分解反应的进行，因此煤气成分中CO和H2浓度图8汽煤比对煤气成分的影响增加，分别由9.4%和12.2%增大到12.5%和15.2%。Fig.8 Effect of stean/coal on gas composition继续增加空气系数至0.48，燃烧区会向上延伸，则图9和图10表示了空气系数与汽煤比对煤气过量的空气与煤气中的可燃成分CO、H2及甲烷发热值的影响。从两图很明显地看到，空气系数和汽生燃烧反应，导致CO、H2 及甲烷浓度都降低，分煤比均存在着适宜的区域，在此区域内运行，煤气别下降至11.2%、13.4%和1.6%，而CO2浓度增加，热值较高。空气系数过低，则气化温度低，过高则由13.1%升至 14.3%。甲烷浓度随空气系数增加而会引起过量的空气与煤气中可燃成分再次燃烧，都中国电机工程学报第25卷对提高煤气的热值不利:蒸汽加入量也一样，在保90证一定的气化温度前提下，适量增加蒸汽量可增加80产物中H2和甲烷的浓度,改善煤气质量,提高煤气热值，但过量的蒸汽加入后，不仅造成蒸汽分解率降低，而且会造成气化温度下降，影响到气化反应P=0.3MPu;汽煤比-0.42:气化剂预热温度700C:的进行。在本试验煤种和工况下，优化的空气系数H=300mum;).25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50为0.35~0.4，汽煤比为0.4~0.5。空气系数空气系数和汽煤比对碳转化率的影响示于图图11空气系数对碳转化率的影响11和图12。两图显示，空气系数和汽煤比对碳转化Fig. 11 Eftect of ER on carbon conversion率影响完全不同，空气系数增加，碳转化率从50%左右迅速增加到接近90%,在空气系数达到0.4后，增长幅度减缓;相反，蒸汽量增加后，碳转化率除初始段略有上升外，其余均直线下降，由78%降低。Prz0.3MPa; 空气系數=0.36;到65%。在给煤量不变时，空气系数增加意味着进气化剂预热温度700C，入气化炉空气量的增加，增加的空气将与煤发生燃641 H-00mm0.40.60.8烧反应，提高炉内燃烧反应速率和气化反应速率，汽煤比图12汽煤比对碳转化率的影响而且燃烧反应速率提高得非常快，高出气化反应速Fig. 12 Efect of steam/coal on carbon conversion率几个数量级，气化炉燃烧反应使煤中碳迅速转化4结论成CO2,同时，燃烧反应的加速提升了气化炉的温度，对碳与气化剂的气化反应也是有利的，这2方(1)气化温度对气化主要指标影响明显，在其面的因素造成了碳转化率的迅速增加。蒸汽的作用它条件基本不变时，通过改变空气系数提高气化温则相反，蒸汽量增加后，气化反应增加，而气化反度，煤气成分中H2和Co浓度增加，其中CO浓度应是吸热的，造成了气化炉温度下降，如果蒸汽过增长较快，甲烷含量由于受热分解而降低;碳转化量后，蒸汽带走大量的显热，使气化炉温度继续下率由880"C时的60%增加到991C的85%;煤气热降，将直接影响到气化反应，使碳转化率降低。值在940C左右达到最大:以上变化的主要原因是气化温度提高后，气化反应速率加快，因此气化反应中，在低于灰熔点的前提下，尽可能提高气化温4300度。@ 4100-(2)加压效果的主要体现在改善反应器内气固类3900-/ P=0.3MPa; 汽煤比-0.42;流化的质量和反应物浓度增加二方面，从而影响煤H= 30m;气化反应，尤其在0.3MPa前，效果尤为明显，加370.25.30 0.35 0.40 0.45 0.50压后，床内气泡变小，分布均匀化，气化剂在床内图9空气系数对煤气热值的影响停留时间加长，并且反应物浓度增加后反应速率加Fig.9 Effect of ER on gas heating value快，这些均造成煤气品质的改善。但在试验压力范围内(低压)，甲烷浓度变化并不明显。(3)对于高温空气蒸汽流化床气化反应体系，空气系数和汽煤比对气化指标的影响本质上是通过改变气化层温度来实现。在较高的空气系数下，气4100化炉反应温度明显提高，有利于气化反应的进行，P=0.3MPa; 空气系数-0.36;气化制预酒度700-050但如果空气系数过高，炉内燃烧份额增加，煤气可3900|0.2.4汽煤比0.6燃组分减少，热值下降;适当增大汽煤比，对煤气图10汽煤比对煤气热值的影响中H2和甲烷的含量提高有利，但进一-步增 加汽煤Fig 10 Effet of steam /coal on gas heating value比，会造成床温下降，CO浓度和碳转化率急剧下