空气煤比对循环流化床煤气化过程的影响

第34卷第3期煤炭科学技术2006年3月空气煤比对循环流化床煤气化过程的影响张荣光',常万林',那永杰,吕清刚( 1.华北科技学院,北京101601 ;2.中国科学院工程热物理研究所,北京100080 )摘要:以空气和水蒸 气为气化剂,在循环流化床煤气化热态试验台上进行了神华煤的气化试验,研究了空气煤比对气化过程的影响。在试验研究范围内,神华煤最高的冷煤=气效率为45.64%,碳转化率为83.84%。随着空气煤比的增加,提升管温度上升,煤气产率增加;碳转化率先迅速上升,但继续增加空气煤比则碳转化率变化较小;煤气中CO浓度先增高而后有所下降,CO2浓度的变化规律与此刚好相反, CH和H2的浓度呈减少趋势。存在最佳的空气煤比,使得煤气热值、冷煤气效率和煤气有效成分含量出现最大值。关键词:循环流化床;煤气化;空气煤比中图分类号: TQ546文献标识码: B文章编号:0253 - 2336 ( 2006 ) 03 -0046 -03Air and coal ratio effected to circulated fluidized bed coal gasificationZHANG Rong guang' ,CHANG Wan-lin' , NA Yong-jie2 , LU Qing-gang2( 1. North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601 , China ;2. Institue of Engineering Thermophysics , China Acodemy of Sciences , Beijing 100080 , China )作为一种高效、无气泡、高生产能力的反应器1试验系统及试验用煤的性质-循环流化床已应用于许多领域,但国内应用于煤气化的研究和开发工作尚处于起步阶段。与鼓泡CFBR100热态试验系统、主要装置尺寸、试流化床相比,循环流化床具有单位容积生产能力验过程及神华煤的特性详见文献[8]。进行该阶大、颗粒停留时间长、容易实现大型化等特点。为段试验时,在以下方面对原有试验设备进行了完此,中国科学院山西煤炭化学研究所、东南大学,善:①将洗涤箱改造成为袋式除尘器;②将旋风德国Lurgi公司、瑞典Studsvik 能源公司、美国炉排气管直径由58 mm缩小到24 mm,插入深度HRI和Foster Wheeler公司先后进行了循环流化床由200mm缩短到100mm;③设计并制造了一台的煤气化研究1-7]。简易蒸气发生器,供试验用;④加大提升管底部2002~2004年,中国科学院工程热物理研究测压管直径。该阶段试验系统如图1所示,试验操所承担’了国家高技术研究发展计划”循环流化床作详见文献[9 ]。加压煤气化”课题,在循环流化床常压煤气化热2 试验结果分析.态试验系统CFBR100上完成了以氧气和水蒸气为气化剂的初步试验研究8] ,而后进行了以空气和当加煤速率和蒸气煤比一定时, 以神华煤为原水蒸气为气化剂的煤气化试验,共完成100多个试料研穷了空气煤比对气化过程的影响。图2 ~6分验工况，研究了煤种、加煤速率、空气煤比、蒸气别显中国煤化工、蒸气煤比为0.21 ,0.30MHCNMH C提升管平均温度(提煤比等对气化过程的影响。本文仅对空气加入量对煤气过程的影响的试验结果进行分析和讨论。升管顶部与底部温度的算术平均值)碳转化率、煤气产率、煤气热值和冷煤气效率的影响情况。基金项目:国家”863” 计划资助项目( 2003AA529220 )随着空气煤比的增加,提升管平均温度上升,46第34卷第3期煤炭科学技术2006年3月成分分析仪4.0 rF一蒸气煤比为0.21。蒸气煤比为0.30|三3.5|0蒸气煤比为0.51]飞灰1 飞灰2感3.02.52.7 2.9 3.3.3 3.5 3.7亡]Q空气、煤质量比亡排渣~1211I098图5煤气热值 与空气煤比的关系1-提升管;2-煤斗;3-螺旋给料机;4-旋风炉;5-管式间璧冷却器;6-袋式除尘 器;7- -煤气流量计;8-电加热炉;9-柱塞式计量泵; 10-液化石油气瓶; 11- -空气压缩机; 12- -电加热炉图1试验台示意-。蒸气煤比为0.30|心l000p 蕉气煤比为0.21-o-蒸气煤比为0.51J蒸气煤比为0.302.900-蒸气煤比为0 51空气、煤质朵比图6冷煤气效率 与空气煤比的关系由700.9逐步下降,存在最大值;随着空气煤比的增加，煤气中-氧化碳浓度先增高而后有所下降,二氧化碳图2提升管平均温度 与空气煤比的关系浓度的变化规律与此相反,甲烷和氢气的浓度逐渐减少,煤气有效成分含量(一氧化碳、氢气、甲80烷之和)先增高而后逐渐下降,存在一个最大值。i 70空气煤比对气化过程存在2个方面的影响:①随着空气煤比的增加,燃烧反应放热量增加,从而60--蒸气煤比为0.30使煤气化炉温度提高,促进了二氧化碳还原、碳与一-蒸气煤比为0.51水反应和焦油的二次裂解反应的进行,增加煤气中2.7 2.9 3. i33 3.5 3.7--氧化碳和氢气的含量,从而提高煤气热值和碳转化率;②由于燃烧反应速率远大于气化反应速率,图3碳转化率与 空气煤比的关系所以空气煤比较大时,参加燃烧反应的份额也越大,使得煤气中无效成分二氧化碳的浓度也越大,而氢气和一氧化碳浓度下降"12。此外，由于空气量的增加,导致气体停留时间减少,对气化反应。蒸气煤比为0.2也将产生不利影响。33.0F影=o蒸气煤比为0.30o-蒸气煤比为0.51当空气煤比较小时,随着空气加入量的增加，2.7 2,9 3.13.3 、3.5 3.7煤气化炉温度.上升,气化反应速率增长迅速。因此,碳转化率增加,煤气中一氧化碳、氢气产率增图4煤气产率与空气煤比的关系加中国煤化工圣。图7和图8分别为加煤CNMH G谋比为0.21时，空气煤气产率增大,碳转化率先迅速上升,而后变化较煤比对煤气组成和煤气组分产率的影响情况。小,这与Shadle 10]的研究结果相同;随着空气煤但当空气煤比较高时,随着空气加入量的增加比的增加,煤气热值和冷煤气效率先逐渐增高而后煤气中一氧化碳和氢气的产率下降,而二氧化碳产47第34卷第3期煤炭科学技术2006年3月风分离器分离效率并非总是随入口气体速度增加而0p增加,若分离器入口气流速度比沉降速度高,颗粒将无法穿过流线到达壁面,在入口速度更高时已被10分离到壁面的颗粒可能被再次夹带,这就限制了分离器效率进一步提高14。通常情况下分离器入口- -H2 -0 CH,气体速度为20~25 m/s515] ,而该试验在空气煤比3.5 3.7空气、煤质量比较低时旋风炉入口速度差不多已达到或接近25m/s。图7煤气组成与空气煤比的关系-般而言,向煤气化炉中通入空气使部分煤发生燃烧反应的目的是为气化反应过程提供所需的热300量。增加空气量将使碳转化率增高,但过多的空气2001加入量也将使煤气气质量变差。因此,为了获得比较好的气化效果,必须选择合适的空气煤比,要均衡- -H2 -o- CH，兼顾煤气产率和热值(或效率)。2.7 2.3.1 .3.3 3.5 3.73结论(1)随着空气煤比的增加,提升管平均温度图8煤气组分产 率与空气煤比的关系上升,煤气产率增加。率增加,说明燃烧反应逐步占据优势。此外,碳转(2)随着空气煤比的增加,碳转化率先迅速化率不再增加或增加幅度较小,这与旋风炉出口的上升,但继续增加空气煤比则碳转化率变化较小。飞灰含碳量增高有关。图9给出了加煤速率为5.4.(3)存在最佳的空气煤比，使得煤气热值和kg/h、蒸气煤比为0.21 , 0.30时,不同空气煤比冷煤气效率出现最大值。工况下取得的冷却器飞灰(即在冷却器取得的飞(4)煤气中一氧化碳浓度先增高而后有所下降,二氧化碳浓度的变化规律与此刚好相反，甲烷灰)的灰分情况。和氢气的浓度呈减少趋势,煤气有效成分含量先增高而后逐渐下降,存在一个最大值。g 80「(5)在试验研究范围内,神华煤取得的最高尔6的冷煤气效率45. 64% ,最高碳转化率为83.84% ,40最高煤气热值为3.84 M.J/m'。心蒸气煤比为0.21甓200蒸气煤比为0.30参考文献:3.23.3.8[ 1 ] Yitian Fang ,Jiejie Huang , Yang Wang ,et al. Experiment andmathematical modeling of a bench - scale eirculating fluidized图9冷却器飞灰的灰分与空气煤比的关系bed gasifer[ J]. Fuel Processing Technology , 2001( 1 ).[2] Hirschfelder H , Verrah H. Electricity and syngas from biomass从图9中可以看到,随着空气煤比的增加,冷and wastes applying CFB gasification[ A ] Circulating Fluidized却器~飞灰的灰分减少,即冷却器飞灰含碳量增高。Bed Technology VI : Proceedings of 6" International Conference这可能有2个方面的原因:①随着空气煤比增加,on Circulating Fluidized Beds[ C ]. W urzburg , Germany , 199.流化风速增高，使粒度较小的碳(由于旋风炉对[3] 武利军,周静,刘璐,等.煤气化技术进展[J]洁净粒径较小颗粒的分离效率较低[13] ,所以通常这部[4]中国煤化工Z ,et al. Partial Gasification分碳无法被分离并参与循环)停留时间减少,从CHC NMH G.', umi A] The 28“Inter. Tech.而使碳转化率下降;②空气煤比的增加使提升管Conf. on Coal Utilization & Fuel Systems[ C] Florida , USA.出口固体带出量增加,但旋风炉的分离效率并没有2003.得到相应提高,从而造成更多的飞灰损失。由于旋.(下转第52页)48第34卷第3期煤炭科学技术2006年3月归系数)分为两部分。在试验开始阶段,也就是本试验在轴为了方便比较把表2的不同粒径的轴力与位移力小于200kN时,粒径与控制体增量的关系是粒的回归曲线绘在图4中,可见在相同轴力下不同粒径小的控制体增量大,粒径大的控制体增量小。而径浸水饱和砂岩的轴力与位移的关系因粒径的不同当轴力大于200kN时,粒径越小控制体增量也越而有所不同,在相同轴力条件下浸水饱和砂岩的粒小,粒径越大控制体增量也越大。径越小位移越大。(4)同轴力下不同粒径浸水饱和砂岩的轴力与位移的关系遵循对数函数关系,相关系数都大于50 [0. 99 ,它们的关系因粒径的不同而有所不同,在相同轴力的条件下浸水饱和砂岩的粒径越小位移越30大。a 20廿粒径为15 ~20 mm✧粒径为10~15 mm参考文献:0会粒径为5~10mm[1]缪协兴,茅献彪,胡光伟，等，岩石(煤)的碎胀与压实10300400特性研究[J]实验力学, 1997 (3).轴力/kN[2]张振南，茅献彪,郭广礼.松散岩块压实变形模量的试验图4不同粒径的轴力与位移的回归曲线研究[J]岩土力学与工程学报, 2003 (4).[3]张振南,茅献彪，葛修润、松散岩块侧限压缩模量的试验研究[J]岩土力学与工程学报, 2004( 18).4结论[4]缪协兴 ,张振南.松散岩块侧压系数的试验研究[J]徐州建筑职业技术学院学报, 2001 (4).( 1)体积变化量与轴力的关系是一种幂函数[5] 日本土质工学会.粗粒料的压实[ M]郭熙灵,文旦,的关系。对于不同粒径的岩块在轴力施加条件相同译、北京:中国水利水电出版社, 1999.时粒径大的岩块体积变化量大,而粒径小的岩块体积变化量小。作者简介: 张连英(1971- ),女,山东青岛人,讲师,中国(2)控制体增量与应力的关系和体积变化量矿业大学硕士研究生，从事岩石力学特性研究。Tel : 0516 -83884881 , E - mail : zhanglianying@ 126. com与轴力的关系差不多,都遵循幂函数的关系。(3)同一轴压下的控制体增量与粒径的关系收稿日期: 2005-10-01 ;责任编辑:朱栓成(上接第48页)[11 ] Kim Y J, LeeJ M , KimS M. Coal gasification characteristicsin an intemally circulating fluidized bed with draught tube [ J ][5]Robertson A. Development of Foster Wheeler'ssion 21 PartialFuel ,1997( 12 ).Gasifcation Module [ A ] Vision 21 Program Review Meeting[ 12]Kim Y J ,LeeJ M ,KimS M. Coal gasifcation characteristics[ C] Morgantown , West Virinia ,2001.in a downer reactor[J] Fuel ,2001 (13).[6] Robertson A. Vision 21 , Partial Gasification Module Pilot Plant[ 13]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理(第二版) [M]北Testing[ A ] The 27" Inter. Tech. Conf. on Coal Utilization京:化学工业出版社, 1990.& Fuel Systems[ C ]. Florida ,USA.2002[ 14]巴苏P.循环流化床锅炉的设计与运行[ M]北京:科学[7]黄亚继，金保升,仲兆平,等.循环流化床部分煤气化试验出版社, 1994.研究.煤炭科学技术, 2003 (2).[ 15]岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计[8]那永洁,张荣光，吕清刚,等.循环流化床常压煤气化的与运行[ M]北京:中国电力出版社, 1998.初步试验研究[J]煤炭学报, 2004(5).[9]张荣光,那永洁，吕清刚. Experimental study on coal gasifi-中国煤化工，河北邯郸人,博士,副教caion in a eirelating fuidized bed[J]中国电机工程学报,2005 (9).授，:TYHC N M H G化方面的教学与研究。Tel:61591265 ;E - mail :z_ rg@ sohu. com[ 10] Shadle LJ , Monazam E R , Swanson M L. Coal gasification ina transport reactor [ J ] Ind. Eng. Chem. Res. ，2001( 13).收稿日期: 2005-10-21 ;责任编辑:刘军娥52