无焰氧化气流床气化实验炉设计与气化特性研究

第9卷第3期长沙理工大学学报(自然科学版VoL 9 No. 32012年9月Journal of Changsha University of Science and Technology( Natural ScienceSep.2012文章编号:1672-9331(2012)03-0070-07无焰氧化气流床气化实验炉设计与气化特性研究陈文卫,陈冬林,文大缀,焦学鹏(长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙410004)摘要:根据煤粉无焰氧化燃烧的条件与技术要求,设计定制了一圆形横截面的煤粉气流床气化实验炉.并在炉膛上对冲布置了三层煤粉喷嘴、切向布置了三层空气喷嘴.在实验炉上分别进行了冷态流场实验与典型工况下的煤粉无焰氧化气化特性实验研究结果表明,在三层煤粉喷嘴投入运行且氧/碳原子比为1.0左右时,气化炉的气化特性最佳,有效气组分(CO十H2)浓度、合成气热值和冷煤气效率均达最大值,分别为30.3%,4477k/Nm3和75.29%.关键词:煤粉;无焰氧化;气流床;气化实验炉中图分类号:TQ546.2文献标识码:ADesign of an erimental entrained flameless combustion flowbed gasification furnace and its gasification researchChen Wen-wei, CHEN Dong-lin, WEN Da-zhui, JIAO Xue-peng(School of Energy and Power Engineering, Changsha University ofScience and Technology, Changsha 410004, China)Abstract: An experimental entrained flow coal gasification furnace with a circular sectionwas customized according to the conditions for flameless combustion of pulverized coal andthree tiers of PC nozzle, and three tiers of air nozzle are arranged in the furnace opposedlyand tangentially respectively. Cold air flow tests in the furnace and PC gasification testsbased on the flameless combustion under different typical conditions were carried out andthe experimental results show that PC gasification is optimum when the three tiers of PCnozzle are simultaneously in operation and the atom ratio of o2/C is about 1.0 and meanwhile, the concentration of Co+H2, the calorific value of the synthesized gas and the efficiency of the cold coal gas are all at their maximum value, i. e 30.3%,4477kJ/Nmand75. 29% respectivelyKey words: pulverized coal; flameless oxidation; entrained flow bed; experimental gasification furnace世界上常用的煤气化技术可分为三类:移动能力强以及大容量运行经验丰富等优点,是发展床气化技术流化床气化技术和气流床气化技术煤气化技术的首选方向[这三种技术相比较,气流床气化技术具有煤种与近年来,无焰燃烧技术37因其反应区域温度粒度适应性广、碳转化率高、单炉容量大变负荷更均匀中国煤化工应强度较大和CNMHG收稿日期:2012-06作者简介;陈文卫(1984-),男,湖北通山人,长沙理工大学硕士研究生,主要从事传热传质技术与工程运用方面的研究第9卷第3期陈文卫,等:无焰氧化气流床气化实验炉设计与气化特性研究71NO,排放浓度及燃烧噪音低等优良特性(810而得旋给粉机送粉管道、点火用气瓶、电子点火器和热到广泛的应用本课题的研究目的是结合无焰氧电偶等组成.输送煤粉的空气及二次风来自于实化的技术优势和实现途径37,设计并开发一套以验室的公用风系统基于无焰氧化的气流床粉煤气化炉[11为主体的实验系统,并在炉内进行冷态流场测试与干煤粉2冷态试验的无焰氧化气化特性实验2.1实试工况及试验气化炉内的气体流动特性对炉内的煤粉浓度1无焰氧化气化试验炉及试验系统分布、氧浓度分布、温度场分布及气化特性具有重要影响,因此需对不同流量工况及喷嘴投运方式气化试验炉的设计应充分考虑无焰氧化的实下的炉内流动特性进行试验测试以便为气化炉现条件7,具体结构如图1所示.由气化炉组成气化实验工况调整提供依据.根据气化炉二次风的煤粉气化试验系统如图2所示切向布置及煤粉喷嘴对冲布置的特点(如图3示),冷态试验设计了如表1所示的3种进气工况A1.Q1,Q2为二次风喷嘴;2.J,卫为煤粉喷嘴3.C1,G3为测温孔;4.1-9为温度测点图3气化炉噴嘴及温度测点布置示意图Fig. 3 Illustration of nozzles and temperatureL气化室;2保温材料;3防火砖;4防火水泥;5激冷室;measuring points for the furnace截面A-A,C-C,E-E为粉煤和气化剂喷嘴布置截面;截面B-B,D-D,F-F,C-G为测温点布置截面表1气化炉冷态试验工况Table I Conditions for cold air flow图1气化炉炉膛结构示意图Fig. 1 Illustration of the gasification furnacemeasurement in the furnace二次风喷嘴总流量/喷嘴出口速度/工况位置6.63L3AT9.9513AQ1, AQ213.26(a)正视图(b)俯视图1主管道;2预留氮气出口;3载气管道;4送粉管道:5千燥箱:6煤气管道;7排空管道;8煤粉仓;9气化剂主管道;10.气化剂AQl, AQ2管道;11电子打火器;12液化气管道;13液化气瓶;14螺旋输粉机;15观察孔;16气化炉本体CQl, CQ2图2气化炉实验系统示意图9.95Ilustration of the gasification furnace based bench2.21中国煤化工332气化炉主要由气化室、耐火砖、隔热保温材oHCNMHG442料、煤粉喷咀、空气喷咀、急冷室及炉膛支撑结构等组成煤粉气化试验系统主要由气化炉、煤粉仓、螺1806.6372长沙理工大学学报(自然科学版)2012年9月每种工况的总空气流量设计了60,90,120,测点切向速度逐渐减小.其原因是,空气自喷嘴沿150,180m3/h5种工况,并分别以F60,F90,切线方向进入炉膛,在近炉膛壁面处切向速度较F120,F150,F180表示试验按表1所示的试验工大,在近炉膛中心区域因大部分空气旋转向下流况组织,各测点的风速采用热线风速仪测量,试验动而使切向速度较小,表明在下排气气化炉内实过程中根据测试结果动态调整阀门开度,使各工现向下旋转气流的可行性况的冷空气流量满足或接近表1所示各工况的2)炉内切向速度随喷嘴级数的增加而逐渐下要求降.图4表明,随着气化炉喷嘴投入级数的增加,22试验结果与分析炉膛横截面上各测点切向速度及切向速度梯度均整理气化炉冷态空气动力场的实验测试结果逐渐减小.其原因是,当气化炉内总空气流量(或发现,气化炉截面A一A,C一C,E一E上的切向速气化炉负荷)相同时,随着投入空气喷嘴级数的增度分布具有相似性,并具有以下特点加,各喷嘴出口空气切向速度逐渐减小,炉膛内部1)下排气气化炉内的气体流动为下旋气流.气流的旋转动量下降,炉内气流速度变化趋缓.这由图4知,从炉膛壁面到炉膛中心,炉膛横截面各对煤粉的气化比较有利20-1100110220(a)E-E截面工况1(b)E-E截面工况2(c)E-E截面工况3目1100-220-1100L/mmL/mm(d)GG截面工况1(e)G-G截面工况2(f)GG截面工况3图4气化炉E-E,G一G裁面各测点的切向速度分布图Fig. 4 The measured tangential velocity at different points on section F-F, G-G of the furnace控制在50kg/h,并通过控制喷入气化室内的空气3煤粉无焰氧化气化试验流量来控制氧碳原子比3.1试验步骤气化炉的煤粉和空气喷嘴布置如图3所示1)开启急冷室冷却水阀门,然后依次启动引试验中的温度测点位置如图5所示气化用煤粉风机送同望它已并点火对炉膛预的燃料特性如表2所示气化试验工况如表3所热预CNMH不超过5℃/min示试验中所用的气化剂为常温空气为了便于比当炉壁处温度达到1W时,预热完成,并准备较不同工况下粉煤的气化特性,试验中将给煤量投入煤粉.第9卷第3期陈文卫,等:无焰氧化气流床气化实验炉设计与气化特性研究73气喷嘴投运方式及各喷嘴中空气的流量,同时观察炉内火焰.当炉内火焰由明显的高亮度火焰变成低亮度暗色火焰时,可认为炉内燃烧已由传统的有焰燃烧方式转变为无焰燃烧方式(如图6所示)(a)B-B,F-F截面b)D-D,GG截面图5气化试验中温度测点位置示意图Fig 5 Temperature measuring points during the test表2气化用煤粉燃料特性(a)有焰氧化气化(b)无焰氧化化化Table 2 Proximate and ultimate analysis of图6不同气化方式下的炉内火焰the pulverized coalFig. 6 Flames in different combustion model项目数据项目数据37%1.69%3)按照表3所列工况调整运行参数,同时利6.37%C53.42%用热电偶采集各测点温度,并用气体采样袋在急2.82%冷室出口采样收集合成气样本0.90%Neur 20 035 kJ/kg4)试验结束,控制炉膛降温速率不超过13.39%5℃/min,待炉膛温度降到200℃以下后,依次停DT止给粉机、鼓风机和引风机,最后关闭急冷室冷却3气化试验工况水阀门Table 3 Conditions for the gasification3.2试验结果及分析进料总空气流量/氧碳粉煤喷嘴气化剂喷嘴1)炉内温度分布工况(L·s-1)原子比①炉膛内氧化区的温度随氧碳原子比的增加56.98而升高试验结果表明,当氧碳原子比从0.8增加64.11到1.2时,炉内氧化区各测点的温度均相应升高.AQ1, AQ271.23其原因是,随着氧碳原子比的增大,煤粉粒子的燃烧反应越来越强烈,燃烧放热量也越来越大,从而l.2使得氧化区的温度整体升高.0.8②不同工况下炉膛各截面的温度分布具有相64.11似性,且炉膛上部(氧化区)的温度自炉壁向炉中AJl, AJ2AQIAQ271.23心逐渐降低,而炉膛下部(还原区)则与此相反(如Cl, CJ2CQ1, CQ278.351.1图7所示).炉内温度呈现出上述分布的原因是,85.48炉膛上部近炉壁区域气体旋流速度较大,较大的离心力作用使煤粉粒子聚集在炉壁附近而使氧化反应强烈,燃烧温度较高,而近炉膛中心区域的流AQIAQAJl, A2, CJI,动情况刚好与此相反,因此参加氧化反应的煤粉CQICQCJ2,EJl, EJ2EQl,EQ2粒子数量较少而使得该区域的燃烧温度较低(如78.351.1图7中的F一F截面);炉膛下部因受渐缩结构出1.2口及旋流速度H中国煤化工謀粉粒子向2)启动螺旋输粉机,调节煤粉和气化剂(空出口中心区域CNMHG而使得中心)流量,使炉膛内的煤粉稳定着火燃烧.当给煤区域的氧化放热反应比近壁区域强烈,因而中心量达到50kg/h时,稳定运行一段时间后,调节空区域温度较高(如图7中的G一G截面)74长沙理工大学学报(自然科学版)2012年9月2601260122012001200l1801220300-200-1000100200300300-200-1000100200300距炉内中心轴线的距离/mm距炉内中心轴线的距离/mm距炉内中心轴线的距离/mm(a)工况1GC截面(b)工况2FF截面(c)工况3F-F截面11701180113011301150I 100109011301080107011001110106010901 100300-200-1000100200300300-200-1000100200300300-200-1000100200300距炉内中心轴线的距离/m距炉内中心轴线的距离/mm距炉内中心轴线的距离/mm(d)工况1GG截面(e)工况2CG截面(f)工况3CG截面图7F一F,G-G截面的温度测量结果Fig. 7 The measured temperatures on section F-F,G-G③炉膛下部温度随喷嘴投运层数的增加而升使得下部区域的氧化反应更加强烈,燃烧放热更高.由图7知,在工况3下,G一G截面的温度均高多,因而温度比中上部区域高于其他2种工况,温度梯度也均小于其他2种工2)合成气组分浓度况.其原因是,上、中层喷嘴送入炉内未完全反应利用1903型奥氏气体分析仪对所收集到的的煤粉粒子和可燃性气体与下层喷嘴出口的煤合成气样本进行分析,得到合成气中CO,H2,CH4粉、空气混合后,在旋转气流的带动下向下移动,和CO2的浓度(如图8所示)20E接0.70.8091.01.10708091.01.11.2氧碳原子比氧碳原子比(a)Co浓度(b)H2浓度工况08言0.50.40.70.809101.I070.8091.01.11.2氧碳原子比中国煤化工(c)CH浓度CNMHG图8各组分气体浓度Fig.8 Concentration of the component gas第9卷第3期陈文卫,等:无焰氧化气流床气化实验炉设计与气化特性研究75图8表明热值、冷煤气效率及煤耗等来表征①随着氧/碳原子比的逐渐增加,合成气中可碳转化率:燃组分的浓度呈现出先上升后下降的趋势,且存导致这一现象的原因是,在入炉煤粉量保持不变V×([CO]+[CO2]+[CH×12在一最高浓度值,而CO2的浓度一直呈上升趋势100%的情况下,氧/碳原子比增加,煤粉粒子的氧化燃烧反应加强,燃烧放热量增加,炉内温度升高,气化反应加强,从而使得合成气中CO,H2和CH4热值的组分浓度快速上升,并达到一个最大值.当氧/4.187碳原子比继续增加时,过多的空气一方面降低了(3020[CO]+3050H2]+950CH4]).(2)炉内温度水平,使得气化反应速度下降;另一方冷煤气效率面,过量的氧气与合成气中的CO,H2和CH4发Hl×vx100%nG×H=(3)生氧化反应,并且过多的空气还进一步稀释了合成气中CO,H2和CH4的浓度,从而使得可燃气煤耗:体成分的浓度进一步下降.煤耗=100%(4)②合成气中可燃组分的浓度随喷嘴级数的增加而逐渐升高.导致这一现象的原因是,随着喷嘴以上各式中:V为合成气流量,Nm/h,由煤气流级数的增加,炉膛内部气体的流场和温度场分布速和煤气管道半径求得;[CO][H2],[CH]为合越来越均匀,整体温度也明显升高,强化了煤粉的成气中的体积百分数,%;G为给煤量,kg/h;无焰氧化和气化反应V有效气为合成气中(CO+H2)的体积Nm3/h3)气化工艺参数.式(1)~(4)计算所得结果如图(9)所示煤粉气化炉的技术性能还可通过碳转化率10048004600出4000烂38000708091.01.11.20708091.01.11.2氧碳原子比氧碳原子比(a)碳转化率b)合成气热值74700g0708091.01.11.20708091.01.11.2氧碳原子比氧碳原子比(c)冷煤气效率d)煤耗图9气化炉的气化工艺参数Fig. 9 Gasification parameters for the gasil图9表明:原子比增加,煤YH中国煤化工CNMHG转化率也①随着氧/碳原子比的增加,碳转化率逐渐升随之增大;当氧碳原子比增加到一定值时,煤粉的高最后趋向平缓导致这一现象的原因是,氧/碳主要反应由气化反应变成了氧化反应,此时氧碳76长沙理工大学学报(自然科学版)2012年9月原子比的增加对碳的转化率影响也相应变缓tion[J]. Progress in Energy and Combustion Sci②氧/碳原子比变化时,合成气热值的变化趋ence,2004,(30):329-366势和(CO+H2+CH4)的组分浓度变化趋势一致[5] Ambrogio Milani, Alessandro Saponaro Diluted com冷煤气效率的变化趋势和合成气热值的变化趋势bustion technologies [J]. IFRF Combustion Journal一致,而煤耗的变化趋势和有效气体的变化趋势2001(1):1-32.[6]F J Weinberg. Combustion temperatures[J]. The fu-相反ture, Nature,1971,233(24):239241③当氧/碳原子比为1.0左右时,气化炉处于[7唐超君,方明,唐志国,等煤粉无焰氧燃的试验研究最佳工况,此时的n为92.86%,Hs为[J].电站系统工程,2010,26(1):8-104477kJ/Nm3,n为75.29%,煤耗为482g/Nm3TANG Chaojun, FANG Ming, TANG Zhi-guo, etal. The experimental research of coal flameless oxidation4结论[J]. Power System Engineering, 2010, 26(1): 8-10.[8]唐志国,程建萍,马培勇,等新型常温空气无焰燃烧实现技术及特性分析[].工业加热,2007,36(1):1)气化试验炉在三层六喷嘴进料无焰氧化气48-51化工况下,氧/碳原子比为1.0左右时,气化试验TANG Zhi-guo, ChENG Jian-ping, MA Pe- yong, et炉的工作状况最佳.此时的碳转化率为92.86%al. The technology of realizing flameless combustion冷煤气效率为75.29%,有效气体(CO+H2)组分in normal temperature and its characteristics analy浓度为30.3%煤耗为482g/Nm3zing]. Industrial Heating, 2007,36(1):48-512)本试验炉的无焰氧化气化特性指标均低于[9]刑献军,林其钊常温空气燃烧中CO生成的研究其他常规气流床的技术指标.其主要原因是,试验[J].热能动力工程,2006,21(6):612-617XING Xian-jun, lin Qi-zhao. The research of CO炉在常压环境下运行,且气化剂为常温空气generation in normal temperature air combustion[J]3)虽然这些气化特性指标无先进性,但是可Journal of Engineering for Thermal Energy and Pow-以证明在本试验系统平台上进行煤粉的无焰氧化er,2006,21(6):612-617气化特性研究的可行性,并为今后更加深入、细致[10]刑献军,林其钊常温空气无焰燃烧中NO,生成的的研究奠定了理论与试验基础研究[门].环境科学学报,2006,26(10):1671-1676在下一阶段的试验中,可以考虑采用以下方XING Xian-jun, lin Qi-zhao. The research of NO,式加以改进:①采用加压气流床[1n;②对气化剂generation in normal temperature air flameless进行预热等combustion[J] Journal of Environmental Sciences2006,26(10):1671-1676[1]杨泱,钱芬芬,潘多伟.煤的气化及其影响因素综述〔参考文献〕[].煤炭加工与综合利用,2005(5):41-42.[1]黄戒介,房倚天,王洋.现代煤气化技术的开发与进YANG Yang, Qian Fen-fen, PAN Duo-wei. The re-展[门].燃料化学学报,2002,30(5):385-390view of coal gasification and its influencing factorHUANG Jie-jie, FANG Yi-tian, WANG Yang. The[J]. 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