沉降炉中粉煤气化的实验研究

转化利用沉降炉中粉煤气化的实验研究黄凤豹,张忠孝,张守玉,陈国艳,陆成(上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093)摘要:以O2为气化剂N2为输送介质,在常压沉降炉装置上进行了几种粉煤的气化试验。试验考察了温度、氧碳比、停留时间对气化产气组成、碳转化率以及冷煤气效率的影响。关键词:沉降炉;粉煤;气化中图分类号:X511文献标识码:A文章编号:10066772(2010)01 0038-05煤气化转化是清洁高效利用煤炭的主要途径了深人地研究,得到了两段式气化炉的工艺参之一,在众多的煤气化工艺中气流床气化技术占据数(°]。代正华等人用Gibbs自由能最小化方法对粉了主导地位。与水煤浆气化技术相比,气流床粉煤煤气化过程进行了热力学平衡分析,发现氧/煤、蒸.气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化气/煤是影响气化炉出口煤气组成的主要因素[]。率高、冷煤气效率高等优势受到了国内外的笔者在实验室的常压高温沉降炉上考察了工艺参重视'-3。数(温度.0/C、煤粉停留时间)对粉煤气化过程的影响气流床气化的参数很多,国内外的研究者影响。做了大量的研究工作。吴学成等人通过建立气流1试俭床煤气化动力学模型研究了不同的气化剂、气化剂质量比率、气化温度气化压力、停留时间等参数对1.1 试样气化过程和煤气组分的影响,发现气化温度是影响试验以龙口褐煤、大同烟煤和侯马烟煤为原气化进程和煤气组分的最关键因素,对给定的气化料,煤样粒径为小于100um,与大规模煤气化的粒反应系统,氧煤质量比为0.87 ~0. 88时气化效率达径相同。煤样的成分分析见表1。到最佳值(*-5]。许世森等人针对两段式气化炉进行表1实验煤种参 数分析工业分析/% I元素分析/% !Qnet.nd实验煤种MAdCaH/(kJ. kg")大同姻煤2.6610.5227.4759. 3575. 484. 347. 351.520.7926831侯马烟煤1. 8723. 8017. 6357. 7873. 623.569.641.960.7524621。龙H褐煤22.139.729.849.93.414. 220.6181881.2试验装 置及操作体中心高度位置上装有1根热电偶,用于测定和控试验采用高温电加热沉降炉,如图1所示。炉.制炉体温度。当反应器内温度达到设定温度时,经子由刚玉管(内径25mm,长1. 5m)、加热元件和耐干燥过的煤粉,由煤粉给料机在氮气的携带下，均火材料组成,其中刚玉管是煤进行气化反应的场匀进人气化炉反应区,与同时进人反应区的气化剂所。刚玉管的外侧是圆柱形的加热炉膛,在炉膛内氧气反应。煤粉与氧气反应后,合成气从下部管道分别均匀布置了4根硅钼棒作为电加热元件。在炉冷却厂中国煤化土开孔,用煤气分析收稿日期:2009 -09 -29*TYHCNMHG作者简介:黄凤豹(1986 -) ,男,山东菏泽,人,硕士研究生,从事煤化及洁净燃烧方面的研究。通讯作者张守玉:zangshoupu197]@ hotmail com。38《沽净煤技术)2010年第16卷第1期.转化利用全国中文核心期刊矿业类核心期刊《CAJ-CD 规范)执行优乔期刊-仪对合成气的成分进行测量,可以测得气化产气中1.4.2 0/C 摩尔比的计算的CO、H2、CH4、CO2.02的含量。灰渣自然沉降到实验运行参数所选用的0/C摩尔比采用公式炉底的不锈钢套管内。(2)进行计算:xorc = -Vo/22.4x2 +M。. Wg/16(2)Mc.W./12式中V一氧气投入量,m'/h;M。Mc--煤中氧和碳的百分含量,%;wc-煤粉投入量 ,kg/h。2实验 数据的处理[4]2.1 合成气流量( Q)计算由于热煤气温度高,直接测量较为困难,合成气流量采用氮平衡公式计算:Q:(3)INJ式中Qm一 所有进人气化炉内的N2流量,m'/h;[N2]一干煤气氮气体积份额,%。圈1气化炉结构示意2.2碳转化率(n。)1.3 气化炉内温度分布碳转化率是衡量煤中碳元素在气化过程中利气化炉内温度分布如图2所示。用程度的指标,在气化过程中，煤中的碳将转变成1400r煤气中的CO、CO2、CH和其它碳氢化合物,未转化1200的碳则残留在飞灰、底渣中从气化炉排出。因此，，1000碳转化率可依下式计算:11400Cg 800([CO] +[C02] + CH4) x Q/22.421300Cx 100%相600n。 =3 1200CM. x Mc/124004 10051000C(4)200式中[CO]、[CO2]、[CH.]一 合 成气中CO、CO26 20406080100 120和CH的体积百分比浓度,Vg%;离管口距离/cm圈2气化炉内温 度分布Q一合成气体积流量 ,m'/h;Mc--固定碳含量,% ;从图2中可以看出,气化炉的恒温区间在40 ~Wc-给煤量,kg/h。100 cm之间,煤粉刚进人炉子的时候温度较低,为2.3 冷煤气效率(nd)预热释放水分和挥发分析出的过程。距炉体顶部冷煤气效率ηs按冷煤气效率定义进行计算,即40cm以后,温度基本恒定,能够满足恒温气化的煤气化制得煤气热值与燃料的热值之比。计算公要求。式如下所示:1.4试验工况设计1.4.1 停留时间的确定na =hn.0 + hco.o + hcr,o，?x 100% (5)hy.cou在本试验中煤粉在炉内的停留时间由N2的流式中hm,o、hco.o和hcu,.0-- 合 成气中H2、CO、量调节。氮气的流量由下式确定:CH,的热值,kJ/h;V = Idh(273 +4)/4(273 +h)TJ (1)中国煤化工式中d- - 刚玉管内径;h--加热段高度;3FYHCNMHGTg- - 停留时间;3.1温度对气化效果的影响q和12- - -室温和气化炉内温度。温度是影响气化反应的一个重要因素。改变沉降炉中粉煤气化的实验研究39转化利用气化炉的温度有很多方法,如改变氧煤比、气化炉图3、图4是氧碳比为1. 1时的实验结果,从图压力等,但通过这样的方法并不能单独研究温度对中可以看到,随着温度的升高,最终煤气成分中CO、气化过程及煤气组分的影响[4]。试验采用电加热H2体积分数逐渐增加,CO2、CH,体积分数逐渐减沉降炉,通过控制加热功率来改变气化炉温度。少,碳转化率、冷煤气效率逐渐增加。主要是因为7060R 50-*15金10e 20151(0 0.511.522.5300.57.1.522.53停留时间/so-.5-00.511.522.53图3温度对气化过程的影响( 侯马烟煤氧碳比1. 1)3.2 O/C 对气化效果的影响由图5可以得出,随着0/C的增加CO逐渐减少,H2逐渐减少,CO2逐渐增加,碳的转化率逐渐增第50; 熔片撰珍楼气效率加,冷煤气效率先增加后减少。主要是因为,增加至10 31侯马烨碳转化率 6大同煤冷燥心效率氧量,反应式2龙口按转化事量30f4.3人同煤转化率番10L1000110温皮9%13001400龙口煤碳转化率图4温度对碳转化率和冷煤 效率的影响2大同煤碳转化率3侯马煤碳转化率C(s) +CO2(g)-→2CO(g) AH= + 162kJ/mol实5o4龙口煤冷煤气效率5大同煤冷煤气效率(R-1)6侯马煤冷煤气效奉C(s) + H20(1)- +CO(g) +H,(g)AH= + 119kJ/mol(R-2)0.91.0 .1 1.2 1.30/C(mol/mol)R-1、R-2为强吸热反应,提高温度有利于气化反应向正方向进行,有利于CO、H2的生成,CO2正图5氧碳比对碳转化率和冷煤气效率的影响(反应温度1300C;停留时间1.5s)好相反;煤气中的CH,主要由挥发分析出和通过C(s) +2H2(g)- +CH4(g) AH= - 87kJ/molH(g) +号O2(g) = H2O(g)(R-3)CO(g) +3H(g)- +CH,(g) + H20(g)中国煤化工(R-5)AH = -206kJ/ mol(R-4)YHCNMHGR-3、R4反应得到，提高温度不利于R3、R4AH= - 283.2kJ/mol(R-6)向正方向进行,不利于CH的生成。40《洁净煤技术)2010年第16卷第1期转化利用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~CH(g) +202(g) =2H2O(g) +CO2(g)80AH= - 803.2kJ/mol(R-7)R 70就会发生,使得煤气中的无效气体成分CO2增加,而H2、CO含量减少,所以虽然碳的转化率随着大同煤碳转化事3侯马煤碳转化率。0/C的增加而增加,但气化效率是先增加后减少，4大回煤冷煤千效率这与Y J Kim!0-1]等的研究结果- -致。另外吴学6侯马煤冷煤气效率成15-6)等人对气流床气化做了模拟研究,得出的氧煤比为0.87 ~0.88，笔者得到的0/C比为1.1,换20算成氧煤比为0.88 ,结果吻合的较好。100.51.02.0 2.5停留时间/s50t图7停留时间与碳转化率、冷煤气效率的关系11.3(反应温度1300C ;氧碳比1. 1g/g)i0r50-40-COO:H.您30气体种类“20-圈6不同氧碳比 下产气组分浓度变化(侯马烟煤反应温度 1300C ;停留时间1.5s)L■4.3炉内停 留时间对气化效果的影响”气体种炎CH气化过程是一系列反应通过竞争反应馒慢使图8不同停留时间下产气组分浓度变化系统趋于平衡的过程,理论上来讲要达到完全平衡(侯马烟煤反应温度 1300C,氧碳比1. 1g/g)需要较长时间;从阶段.上看,某个时间点之前是激烈的竞争反应过程,过了这个时间点后系统进入了发份含量较高而总的碳含量较低,所以在最初较短缓馒反应并无限接近平衡[01。实际气化炉中的煤的反应时间内褐煤的碳转化率和冷煤气效率较高,气组分都是在--定的停留时间下得到的,停留时间随着反应时间的延长，气化反应进人缓慢反应阶在实际气化炉的设计和运行中是很重要的。停留段,碳转化率和冷煤气效率增长缓慢。而烟煤由于时间太长,或者设备投资增加,或者煤气产率降低;碳含量较高,在同样的反应时间内仍处于较激烈的停留时间太短,煤炭转化率低,煤气组分品质反应过程中,碳转化率增长较快。差'2-1]。吴学成等人对停留时间与煤气组分做了5结语模拟研究,认为高温高压下设计停留时间在0.9~1.2s是比较合理的。(1)温度是影响气化反应进程的关键因素,温试验是高温常压下的气化试验,从图7、图8停度升高气化过程得到强化。CO、H2 含量增加,碳转留时间和产气组分,碳转化率以及冷煤气效率的关化率和冷煤气效率都有很大提高。系上综合分析。停留时间为1. 5s之前煤气组分的(2)通过改变氧碳比分析,认为对于给定的气变化比较激烈，而1. 5s之后就开始趋于平缓了。停化炉,存在最佳0/C。对本试验中用到的气化炉最留时间到2s后,基本上已经达到了平衡。对于该工佳0/C为11钉惯质县比为0 9况,设计停留时间在2s是比较合理的。随着停留时中国煤化工中碳转化率有较大间的增加,大同烟煤和侯马烟煤的碳转化率和冷煤影响,TYHCNMHG时间点之前是激气效率由开始的低于龙口褐煤变为高于龙口褐煤的碳转换效率和冷:煤气效率,主要是因为褐煤的挥缓馒反应并无限接近平衡。沉降炉中粉煤气化的实验研究4转化利用[9]彭万旺.步学朋.加压粉煤流化床气化技术试验研究参考文献:[J].煤炭转化,1998 ,21(4):67 -74.[1]扩锁.气流床气化技术的现状和发展趋势[J].世界[10] Y J Kim, S H Lee. 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Study the influence of temperature, oxygen-carbon ratio, residence time toComposition of gasification gas, carbon fractional conversion and gas eficiency.Keywords: drop-tube furmace; powdered coal; gasif.cation信息检素。超化矿:深度净化矿井水不需要添加化学制剂,每小时产水160吨近日,经过两个多月的紧张施工，--套无机陶瓷膜矿井水处理系统在河南郑州煤炭工业集团超化矿投入使用,使井下煤水排污问题得以解决。据了解,超化矿矿井水处理系统先把从煤矿井下排出的黑煤水汇集到平地的沉淀池,再将污水进行膜渗透净化和消毒,使之达到国家生活饮用水标准。超化矿矿井水处理系统产水量每小时可达160吨,不仅缓解了居民用水紧张局面,还减少了污染物排放,并可收集到更多的水煤灰。据悉,超化矿矿井水处理系统采用先进的膜渗透技术,具中国煤化工手动控制两套操作程序,在各出水管路都安装有浊度监测报警仪,在水池上安有CN M H G无人值守运行。同时,超化矿矿井水处理系统净化成本低廉,不添加化学IRUL。口u,超化矿在河南省煤矿中尚属首家使用该系统。此后,郑煤集团将在各生产矿井陆续推广该系统。42《洁净煤技术)2010年第16卷第1期