常压循环流化床煤气化试验

★加工转化一中国 神华煤制油有限公司协办★常压循环流化床煤气化试验张荣光1，2唐海香'那永 杰2吕清刚2(1. 华北科技学院资源与环境工程系，河北省三河市，065201; .2.中国科学院工程热物理所，北京市海淀区，100080)摘要以空气和水蒸汽为气化剂，对神华、龙口和大同煤进行了循环流化床气化试验。研究结果表明:空气煤比对操作温度、煤气产率、煤气组成和冷煤气效率有显著影响，为获得较好的气化效果，应选择合适的空气煤比;气化剂蒸汽主要参与变换反应，对提高碳转化率和冷煤气效率的作用很小;对特定反应器而言，存在一个最佳给煤速率使得煤气化效率最高;煤的活性越高，可以取得的煤气化效率也越高，煤气分离器的处理能力也越大。同时，进行了蒸汽返料、返料侧加煤和提升管上部加煤探索的试验，但没有取得有富有成效的结果。关键词常压循环流化床 煤气化 试验作为一种高效、无气泡、高生产能力的反应化学反应决定。当采用底部加煤(提升管底部加器，循环流化床已应用于许多领域，但应用于煤气煤，空气做返料风)时，其影响因素可以归结为固化的研究和开发工作尚处于起步阶段。与鼓泡流化体循环流率、煤种、加煤速率、空气煤比和蒸汽煤床相比，循环流化床具有单位容积生产能力大、颗比。限于试验条件，循环流率无法测量。但对于特粒停留时间长、容易实现大型化等特点，为此中国定的循环流化床煤气化分离器而言，旋风分离器分科学院山西煤炭化学研究所、东南大学，德国鲁奇离效率是一定的，所以加煤速率和流化风速就决定公司和美国福斯特公司(Foster Wheeler)等先后了循环流率的大小。因此，煤种、加煤速率、空气进行了循环流化床的煤气化研究。煤比和蒸汽煤比作为试验变量。以空气和水蒸汽为2002-2004年，中国科学院工程热物理研究气化剂采用底部加煤方式在试验台上共进行了3个所承担了国家高技术研究发展计划(863) “循环流煤种的97个工况的试验。以神华煤为原料，系统.化床加压煤气化”课题，本文是在常压条件下的试地研究了加煤速率、空气煤比、蒸汽煤比对气化过验研究。在循环流化床常压煤气化热态试验系统程的影响规律;通过比较3个煤种的试验结果，研CFBR100上采用神华煤以氧气和水蒸汽为气化剂究了煤种对气化指标的影响。完成了初步的气化试验研究，针对试验中出现的问为探索提高煤气热值、冷煤气效率和碳转化率题，对试验系统进行了改造，进行了以空气和水蒸的新途径，还进行了蒸汽返料、返料侧加煤和上部汽为气化剂的煤气化试验，共完成117个试验工加煤等探索性试验。况，进行了神华煤、龙口煤和大同煤的气化试验，蒸汽返料试验有2个目的:其一，返料器中存研究了煤种、加煤速率、空气煤比、蒸汽煤比对气在大量高温未反应的碳，当有水蒸汽通人时将发生化过程的影响，此外还进行了蒸汽返料、返料侧加碳与水蒸汽的反应，从而强化了气化反应，此外这煤和提升管上部加煤探索的试验。种方式还延长了水蒸汽在气化分离器内的停留时间，加强了碳与水蒸汽的反应，从而有利于提高煤1试验目的及其内容气有中国煤化工则加煤试验提供条循环流化床煤气化分离器的性能由气固流动和件。}器中将存在大量的可燃TDYH，CNMHs集,在这种情况下，基金项目:国家863基金项目(2003AA529220)如果以空气进行返料，极有可能在返料器位置产生49局部高温而造成结焦，因此，要采用水蒸汽(或氮近年来，许多粉煤流化床气化技术的开发工作气)等惰性介质做返料风。为便于比较，本阶段试是针对提高产品煤气热值进行的。清华大学傅维镳验采用与底部加煤工况(空气返料)时相同的加煤教授等人开发的新型流化床气化分离器,将加煤位速率、空气煤比和蒸汽煤比。试验时，首先以空气置设在流化床上部接近煤气出口处，尽力避免热值为返料风完成试验台启动，当提升管底部温度达到高的煤的挥发产物进一步裂解，以提高煤气热值。850'C时，将返料风从空气切换成水蒸汽，然后进基于同样想法，以神华煤为原料进行了上部加煤试行预定试验。验探索。为便于比较，本阶段试验采用与底部加煤另外，设想在返料侧加煤时，新加入的煤可以工况时相同的加煤速率、空气煤比和蒸汽煤比。首先在立管和返料器中被高温循环物料加热，发生2热态试验 系统及试验原料热解反应，而且热解煤气直接从旋风分离器排出，不与气化剂反应，因而可以提高煤气的热值;同进行底部加煤试验时，试验系统及操作详见文时，延长了煤在煤气化分离器中的停留时间，使煤献，进行蒸汽返料试验时，将水蒸汽直接通人返料气化反应更彻底，从而提高碳转化率。基于上述目器。进行返料侧加煤试验时，加料点位于返料侧，的，以神华煤为原料进行了返料侧加煤试验探索。高于返料器水平管中心线500mm，进行上部加煤为便于比较，本阶段试验采用与底部加煤工况时相试验时，加煤点设在提升管上部，距布风板高度同的加煤速率、空气煤比和蒸汽煤比。试验操作与2140mm。煤气化试验采用神华、大同和龙口煤，以蒸汽为返料风时的相同。其煤质分析结果(包括灰成分)见表1。表1煤的煤质及灰成分分析元素分析/%工业分析/%灰熔点/CCosH。OS..N.MuAndVdFCadDTSTFT神华煤68.84 3. 5611.080. 400.71s. 888.5327.6056.9910801190210大同煤67.13 3.67 .7.651.230.684.5415.1024. 6055.76115013001350龙口煤44.733. 1010.200. 510. 9613. 4827. 0228. 0531. 45136014601500效率先逐渐增高而后逐步下降，存在最大值;随着.3试验结果分析空气煤比的增加，煤气中CO浓度先增高而后有所3.1 温度及其分布下降，CO2浓度的变化规律与此相反，甲烷和氢试验结果显示:加煤速率-定时，随着提升管气的浓度逐渐减少，煤气有效成分含量先增高而后底部气流速度的增加，提升管底、顶部温度差值变逐渐下降，存在一个最大值。空气煤比对煤气化过小，甚至为负值(顶部温度高于底部温度);当提程主要存在两方面影响。升管底部气流速度相同时，随着加煤速率的增加提(1)随着空气煤比的增加，燃烧反应放热量增升管底、顶部温度差值变小。由于气流速度和加煤加，从而使煤气化分离器温度提高，促进了CO2速率的增加，都将使气化分离器内物料的循环流率还原、碳与H2O反应和焦油的二次裂解反应的进增加。因此，物料循环流率的增加导致了提升管行，增加煤气中CO和H2的含量，从而提高煤气底、顶部温度差值的减小。造成提升管顶部温度高热值和碳转化率。于底部温度的原因是由于气流速度较高，有部分燃(2)由于燃烧反应速率远大于气化反应速率，烧反应在提升管上部发生。所以空气煤比越大，参加燃烧反应的份额也越大，3.2空 气煤比的影响试验结果表明，随着空气煤比的增加，提升管煤气中无效成分CO2的浓度也越大，而Hp和CO平均温度上升，煤气产率增大;碳转化率先迅速上浓度下降。当空气煤比较高时，随空气煤比的增加中国煤化工较小，与旋风分离器升，而后变化较小，这与希得(Shadle) 的研究结果相同;随着空气煤比的增加，煤气热值和冷煤气出|:YH因此，为获得较好的气化效果，必须选择合适CNMHG50中国煤炭第32卷第6期2006年6月的空气煤比，均衡兼顾煤气产率和热值(或效率)。固接触及反应效率最高。3.3蒸汽煤比的影响3.5煤种的 影响研究表明，随着蒸汽加入量的增加，提升管平在相同的空气煤比条件下，龙口煤的碳转化率均温度和煤气热值下降;碳转化率基本保持不变;最高，神华煤比大同煤的碳转化率略高;龙口煤的冷煤气效率基本保持不变或略有下降;煤气中碳转化率最高达到了92. 31%，神华煤的碳转化率CH浓度变化不大，CO浓度下降，而CO2和氢最高达到了83. 84%，而大同煤的碳转化率最高值气浓度增加。导致蒸汽加入量对碳转化率影响不显只有61. 99%。;刘等(Liu GS, Rezaei HR)指出著有2个原因:碳与水蒸汽的反应在低于930"C时煤的性质对碳转化率影响的原因是高挥发分煤除了反应速率非常慢;根据质量作用定律，水蒸汽加入挥发分产物多外，由于挥发物的释放，表面积增量的增加有利于碳与水蒸汽反应速度的提高，但另加，使焦的活性提高。在本试验研究范围内，龙口- -方面提升管平均温度的下降又降低了该反应速煤在加煤速率为10. 08kg/h时取得了最高的冷煤度，两者综合的结果导致水蒸汽加人量对碳转化率气效率值53. 96%，而神华煤在加煤速率为6. 4kg/影响不显著。上述结论与基米(Kim) 在内循环流h时取得了最高的冷煤气效率值43. 98%。说明煤化床和凯库基(Kikuchi) 在灰熔聚喷射床上的煤的活性越高，可取得的冷煤气效率越高，同时煤气气化试验研究结果一致。煤气组成的变化主要得益分离器的处理能力也越大。于变换反应的发生。3.6返料风的 影响3.4 加煤速率的影响通过比较2种返料条件下的指标后发现，煤气试验结果表明，加煤速率对气化指标影响较化效率、碳转化率和煤气热值没有显著差异，但空大。为达到相同的提升管温度，加煤速率较高时需气返料时的提升管平均温度高于蒸汽返料时的提升要的空气煤比较小。神华煤在空气煤比大于2.8和.管平均温度。小于3.1的范围内，加煤速率为6.4kg/h时取得的3.7 加料位置的影响碳转化率最高，说明在一定的空气煤比变化范围3.7.1 返料侧加煤内，对应一定的空气煤比存在1个取得碳转化率最在返料侧加煤试验过程中，多次发生加煤管堵高的加煤速率，如果忽略气固流动状态，仅从化学塞事故。首次试验中，在完成水蒸汽返料风切换后反应角度考虑，一定的空气煤比应当对应一定的碳不久，加煤管被煤堵塞，经过检查和分析，认为事转化率，因此，导致上述现象发生的原因与气固流故的原因是加煤管(水冷套)温度较低，造成含水动(扩散)情况有关。随着加煤速率的增加，取得气体在此处冷凝，所以导致堵塞。在随后的试验最大冷煤气效率的空气煤比减小。神华煤在加煤速中，将向加煤管的水冷套中连续加入循环冷却水方率为6.4kg/h时取得的最大冷煤气效率高于加煤式改造成点滴加水方式，以适当提高加煤管处的温速率为5. 4kg/h和8. 14kg/h时取得最大的冷煤气度，改造取得了一-定效果，但在试验中加煤管仍发效率，说明对特定的反应器而言，存在一个最佳的生多次堵塞事故，而且还因此导致提升管温度过高给煤速率(或气化强度)使得冷煤气效率最高。随而结焦。在某次试验中，塑料伸缩管破损，出现小着加煤速率的增加，取得最高煤气热值时的空气煤孔，蒸汽从小孔中溢出。比减小;通过比较各加煤速率条件下取得的最高煤在空气煤比和蒸汽煤比相同的条件下，将返料气热值，可以发现，加煤速率越高，其热值越大。侧加煤工况的试验数据与底部加煤的试验工况的试总之，加煤速率对气化过程的影响主要体现在验数据进行了比较，发现:在返料侧加煤时的冷煤以下两方面:首先，随着加煤速率的增加，散热损气效率、碳转化率、煤气热值都比较低，煤气中失在能量平衡中的比例有较大幅度的下降，对本试CO、CO2、H2和CH浓度也都比较低，而提升管验台而言，加煤速率为5. 4kg/h时散热损失约为平均温度较高。导致上述情况发生的主要原因是返21%，加煤速率为6. 4kg/h时散热损失约为18%，中国煤化工蚪侧经旋风分离器直而加煤速率为8. 14kg/h时散热损失约为14%;其接H可以从冷却器飞灰的次，对特定反应器而言，能够提供气化反应的空间含C N M H G则加煤并没有达到提是一定的，因此存在1个最佳的加煤速率，使得气高碳转化率及煤气热值的目的，相反，碳转化率、常压循环流化床煤气化试验51煤气热值及冷煤气效率却下降了。损失较高外，还与煤气显热较大有关。3.7.2提升管 上部加煤表2冷却器飞灰成分在加煤速率、空气煤比和蒸汽煤比相同的条件下，将上部加煤试验的温度数据与底部加煤试验的试验序号灰分/%挥发分/%固定碳/%3657.595.8136. 22温度数据进行了对比，与底部加煤相比，加煤口位3750. 735.8243.35于提升管上部时，提升管底部和中部温度较高，而3848. 49.6.4145.11顶部温度较低，提升管上下的温度均匀性变差。3956. 057.3736.574042.266.0451. 56.在加煤速率、空气煤比和蒸汽煤比相同(或相4152. 155.4342. 41近)的条件下，将上部加煤试验的煤气组成、碳转4254. 225. 6140. 02化率等试验数据与底部加煤时的试验数据进行了对_60.61 .5. 3633. 99比:从总的趋势看，当加煤点位置提高后，冷煤气参考文献:效率有所降低;当加煤速率小于6. 4kg/h时碳转化率略有下降，而加煤速率为8. 14kg/h时碳转化1] Foster Wheeler Development Corporation. Development率反而上升;煤气热值变化不大;煤气中甲烷浓度of Foster Wheeler's Vision 21 Partial Gasification Module[A]. DOE Report[C]. March 29, 2002.略有上升(升高幅度大约为0.1%)，H2浓度呈明[2] A. Robrtson. Vision 21, Partial Gasification Module显下降趋势，CO、CO2 浓度呈上升趋势。Pilot Plant Testing[A]. The 27th Inter. Tech. Conf. on Coal因此可以得出如下结论:提升管侧加煤位置的Utilization & Fuel Systems[C]. Florida, USA. 31 - 40.提高并没有达到显著提高煤气热值的目的，而冷煤[3] 那永洁，张荣光，吕清刚，王东宇.循环流化床常压气效率却有所降低。煤气化的初步试验研究[J].煤炭学报，2004(2)3.8存在的 问题[4]张荣光。循环流化床煤炭气化试验及模型研究[D]..从试验结果看，以空气和水蒸汽为气化剂的循中国科学院工程热物理研究所博士学位论文,2005环流化床煤气化所产生的煤气的热值较低。造成煤[5] 陈家仁。流化床气化的过去现在与将来[J].洁净煤气热值较低的原因有:所用的气化剂为空气，空气技术,1998(4)中的氮气稀释了煤气中可燃成分的浓度;由于试验[6] 张荣光，那永洁,吕清刚，循环流化床煤气化试验研台规模小，热功率低，导致散热损失占的比例较大究[J].中国电机工程学报.2005(9)[7] Shadle LJ, Monazam ER, Swanson ML. Coal gasifica-(约20%)，为了维持分离器膛温度，燃烧份额所tionin a transport reactor. Ind. Eng. Chem. Res. ，2001占的比例高，而气化份额低，还有，煤气的显热不(40. 13)含在热值中。气化分离器放大至商业规模后，散热[8] Kim YJ， Lee JM，Kim SM. Coal gasification charac-损失将会大大降低，从而有利于煤气热值的提高，teristics in an internally circulating fluidized bed with draught而显热，若利用之，则可提高效率。tube. Fuel, 1997(76): 1067 - 1073尽管对旋风分离器做了改造，但飞灰损失高的[9] Kim YJ, Lee JM, Kim SM. Coal gasification charac-问题仍然没有解决，表2给出了一些试验工况时获teristics in a downer reactor. Fuel, 2001(80): 1951- 1922得的冷却器飞灰的成分指标。可以看出，飞灰的碳[10] Kikuchi K, Suzuki A, Mochizuki T, Endo s, Imai含量较高，还含有一-定量的挥发分，说明化学损失E, Tanji Y. Ash - agglomerating gasification of coal in a相当大(约>25%)。造成这一结果的原因是:旋spouted bed reactor. Fuel, 1985(64): 368 - 372[11] Alice K. Understanding coal gasification. London:风分离器对细颗粒捕集效率低;反应温度低，气化IEACR/86, IEA Coal Research, 1996; 39反应速度不高;提升管高度低，不能被旋风分离器[12] 王同章.煤炭气化原理与设备。北京:机械工业出分离的细颗粒在床内停留时间短。飞灰含碳量高是版社,2001: 104导致碳转化率较低的主要原因之一。[13] Liu GS, Rezaei HR, Lucas JA, Harris DJ, Wall TE.本阶段的煤气化试验所取得的冷煤气效率较Mor中国煤化工flow col gsifir. the低。根据能量平衡分析，化学损失约为26%，散structure. Fuel， 1985热损失约为20%，煤气显热损失约为16%。因此，79]YHCNMHG造成冷煤气效率不高的原因除了飞灰损失大、散热(责任编辑康淑云)52中国煤炭第32卷第6期2006年6月