多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质

第60卷第11期化工学Vol. 60 No. 112009年11月CIESC JournalNovember 2009研究简报 资多喷嘴对置式气化炉中”飞灰性质3”》33I胡，郭庆华，梁钦锋，张健，廖敏，于广锁(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)关键词:多喷嘴对置式气化炉;水煤浆;飞灰中图分类号: TQ 541文献标识码: A文章编号: 0438-1157 (2009) 11-2918-06Properties of fly ash in opposed multi-burner gasifierLIAO Hu, GUO Qinghua, LIANG Qinfeng, ZHANG Jian, LIAO Min, YU Guangsuo(Key Laboratory for Coal Gasification of Ministry of Education, East China Universilyof Science and Technology, Shanghai 200237. China)Abstract: On a laboratory scale opposed multi-burner gasifier (OMBG), the fly ashes at different samplingmouths are collected and analyzed by SEM, EDS, XRF and Malvern mastersizer. Most fly ash particlesproduced in the gasification are irregular, aggregate or spherical. As for the composition of the particles,carbon is the main content, while S, Fe and Na get enriched. At the same time, the concentration of AI andSin the fly ash particles is lower than that in the original slag. From the nozzle plane to the exit ofgasification chamber, the carbon content of particles decreases along the axes of gasifier. The carboncontent of particles decreases rapidly from the nozzle plane to No. 7 sampling mouth and declines slowlyfrom No. 7 sampling mouth to the chamber exit. The size of particles generated in the gasification appears atriple humped-distribution with peaks at 0.1- -0.2 μm, 2 μm and 14 μm. The particle size distribution indifferent sampling places is different. Above the impact plane, more ultra-fine particles are found andcoarse particles are larger in location near the impact plane. In symmetrical up and down locations of theimpact plane, the particle size distributions are similar, but there are more coarse particles below theimpact plane. The coarse particle size decreases and the proportion of fine particles increases below theimpact plane, while the proportion of coarse particles increases at the chamber exit,Key words: opposed multi-burner gasifier; coal-water slurry; fly ash化技术，是沽净煤技术的龙头和关键"。煤在气化引言过程中不但生成日标产品合成气，同时还生成副产煤炭气化技术，尤其是高压、大容量气流床气品 飞灰和熔渣。其中飞灰由于比表面积很大，很容2009- -05- 13收到初稿，2009-07-01收到修改稿。Received date: 2009-05- 13.联系人:于广锁。第一作者:廖胡(1985-)，男，硕上研Guangsuo, gsyu兖生。中国煤化工ecust.基金项目:国家自然科学基金项目(20876048);国家重点蔫础研究发展计划项日(2004CB217703); 教育部新世纪优秀人才支YHC N M H Gitional Natural Science持计划项H (NCET-06-0416); 上海市优秀学科带头人资助计划项Foundation of China (20876048) and the National Basic Research目(08XD1401306).Program of China (2004CB217703).第11期廖胡等:多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质●2919●易富集大量有毒的重金属元素(如铅、 镉等)，严重危害人类健康，同时造成环境污染[2-3];另外，气化炉内飞灰由于运动轨迹的不同，一部分随合成:站「气一起排出气化炉，另一部分进人熔渣中，成为熔渣的一部分司，因此飞灰的组成会对熔渣的性质产生一定的影响。因此，煤燃烧或气化过程中形成的好852飞灰的特性及其形成机理已经成为研究的热点。图1热模实验装 置流程图目前，国内外的学者对流化床、锅炉中煤粉气Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup化燃烧形成的飞灰的特性及形成机理进行了大量的1-CWs pump; 2- -oxygen cylinder; 3- nitrogen cylinder;研究[5+6]。但对水煤浆气化过程中不同阶段的飞灰4-gas mass flowmeter; 5- -burmer; 6- syngas exits:的性质却鲜有报道，特别是对水煤浆在撞击流反应7- waterspout; 8- -slag discharge; 9- water pump:器中气化过程中形成的不同阶段的飞庆的性质的报10- water tank; 11, 13-flame monitoring system;道就更少。多喷嘴对置式水煤浆气化炉是由华东理12-thermocouple or sampling probe;14-mass spectrograph; 15-- computer工大学洁净煤技术研究所自主开发的，多喷嘴对置式气化炉的四个喷嘴安装在气化炉中上.部的某- -平1.2实验原料面，并月互成90°夹角。四喷嘴对置式冷模装置的实验所用水煤浆为自制水煤浆，浓度为62%, .测试结果表明”，气化炉内流场可划分为射流区、煤粉为神府煤和北宿煤的混煤(神府煤/北宿煤=撞击区、撞击流股区、回流区、折返流区和管流.7 : 3),神府煤和北宿煤的工业分析及元素分析如.区。气化反应是串并联反应同时存在的极为复杂的表1所示，混煤的粒径分布如图2所示。反应体系，在气化炉内存在一次反应区、二次反应表1煤的工业分 析和元素分析区及- -次与二次反应共存区(8,气化炉内的气氛为Table 1 Proximate and utimate analysis of coal还原气氛，且多喷嘴对置式气化技术已实现工业Proximate analysisUltimate analysis化。因此，无论是完善气化技术的基础研究还是改Coal/%(mass)/%( mass)进工业技术，研究多喷嘴对置式水煤浆气化炉内飞MAVFCCHNs0灰的特性都是必要的。本文以SEM、EDS、XRFShenfu 3.2 6.32 35.05 55.43 73.5 4.43 0.9 0.26 11.39和Malvern激光粒度仪为测试手段，研究了多喷嘴Beisu 3.05 10.64 36.89 49.42 70.647.14 1.25 2.11 5.17对置式水煤浆气化炉中飞灰的特性。4.01实验部分3.53.01.1实验流程望2.5热模实验流程如图1所示。实验中采用氧气作号20-为氧化剂，水煤浆作为气化介质，喷嘴为双通道。重1.5-水煤浆由带有液晶显示屏的螺杆泵输送，经喷嘴内1.0.5 t通道进入气流床气化炉内，气化妒炉膛高约220010 100 1000 .mm、内径300 mm,气化室出口处内径为100 .particle size/μmmm。氧气由氧气钢瓶提供，由气体质量流量计控图2混煤粒径分布制计量后，经喷嘴外通道进入炉膛内。实验条件设Fig.2 Size distributions of mixed coal particles置氧气总流量16.7 m°●h-',出口气速约为120m.s-',煤浆进料量为41 kg●h"'，O/C约为1.3 取样1.0，吹扫保护气Ar流量约为2.0m3●h-'.氧气中国煤化工过滤装置、流量与水煤浆在炉内剧烈撺击燃烧，进一步气化反应生计和.MYHCNMHG验过程中首先通成合成气，合成气经洗涤冷却室冷却后放空。实验过质量流量计控制氩气的流最及质谱仪测得的氩气结束后采用氩气吹扫炉膛. .含量反算出气化炉内的气速，再通过调节取样系统●2920 ●化工学报第60卷=[O0]=一 -@- Q- exitfiluration flowmeter air pumpsystemgasifier图3取样系统Fig.3 Sample cllctioni system的流量计来保证等速取样。取样位置沿气化炉轴向从上往下分别为1#、3*、7"、11#、 14# 取样口，其中1"和3*取样口位于喷嘴撞击平面上方，距喷嘴平面分别为500 mm和200 mm, 7#、11#* 和14"取样口位于撞击平面下方，距喷嘴平面分别为200 mm、960 mm和1440 mm。b)2实验结果与讨论2.1飞灰形态 .水煤浆气化炉中飞灰的形态如图4所示，从图中可以看出，飞灰形状以不规则形状飞灰、飞灰团聚体和球形飞灰为主。其中20 μm以上飞灰基本上都是不规则形状的飞灰，1~20 pm之间飞灰包c)含球形飞灰和不规则形状飞灰，球形飞灰粒径基本在10 μm以下，而1 pum以下飞灰形状都为球彤，它们以飞灰团聚体的形式存在。不规则形状的飞灰是由气化过程中煤焦飞灰破碎形成的，其中含有部分残炭;实验测得在喷嘴平面上，距炉膛中心60mm处温度为1450C， 高于混煤灰熔点1250C,因此球形飞灰大部分是在煤燃烧中经过熔融过程形成的;灰分中的半挥发性金属元素在1300C高温燃烧过程下还会发生蒸发一成核- 凝结/凝聚过程，图4气化炉 飞灰的SEM即通过蒸发、成核、凝聚克接形成亚微米飞灰，或Fig.4 SEM of paricles in gasifier者经过异相凝结、表面反应被较大颗粒的飞灰吸下，S、Fe和Na蒸发、冷凝或同其他矿物反应，附，形成超微米飞灰(PM-1o)，这一过程形成的飞灰一般也为球形[明，但容易形成团聚体。在飞灰中出现了富集，而AI和Si等元素不易挥发，因此在飞灰中含量低于平均含量。2.2飞灰质量浓度分 布及元素分布图5为气化炉轴向不同取样口的温度(距壁面2.3 轴向不同取样位置飞灰的含碳量60mm处)及飞灰的质量浓度(0mm处为喷嘴平飞灰含碳量沿轴向不同取样位置的变化如图7面)分布。图6为14*取样口处飞灰的能谱图，由所示。 由图7可知，从喷嘴平面至14"取样口，飞图6可以看出，水煤浆气化产生的飞灰中碳元素含灰含中国煤化工面处飞灰同除去挥量最高，对比图6和表2,可以看出飞灰中S、Fe发分YHCN M H G降约9%，这表明和Na元素出现了富集，Al和Si元素含量低于各煤飞灰在喷嘴平面处所进行的反应主要为脱挥发自在原煤渣中的平均含量。这是因为在还原性气氛分 和结合水，同时煤中的固定碳发生了部分燃烧。第11期廖胡等:多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质●2921.表2煤的XRF荧光分析Table 2 XRF fluorescence analysis of coal/ % (mass)SiOzCa(Al2O% Fe2O3iO3Mg()K;ONa2OTiO2SrOMnOBaOP2(0335. 719. 9918.85 15.71 3. 491.511. 481.120.86 0.53 0. 260.160.101 mass concentration| 1400。temperature1350二751300! 70214|| 1250专6556(12006 ss10-115050500 1000 1500! 11000 200 400 600 800001200 1400 1600distance from nozzle plane/mm图5不同取样位置温度及飞灰的质量浓度图7飞灰含碳量沿轴向不同位置的变化Fig. 5 Temperature and mass concentrationFig. 7 Percentage of carbon in particlesof fly ash at dfferent locationsat different locations30006g25001500100010.4 2.8 4.2 5.6 7.0.01 0.1 110100 1000energy/keVparticle size/um图6灰的能谱图图8不同取样位 置飞灰的粒径分布Fig.6 Elemental spectrum of ashFig. 8 Size distributions of particles at而到7#取样口处，飞灰含碳量迅速降至51%，这different sampling locations是因为这段正处于撞击流股区，主要反应为碳的燃矿物质蒸发一凝结一长大形成，第二个峰值对应的烧，因此飞灰含碳量迅速下降。由7#取样口至飞灰是由外在矿物破碎或内在矿物聚并形成，因此14#取样口，飞灰含碳量逐渐下降，但幅度不大，粒径变化不大。而第三峰值对应飞灰主要是含碳量这是因为这一-阶段主要反应为气化反应，而气化反较大的飞灰，这些大飞灰随着在气化炉内停留时间应为慢反应，因此飞灰含碳量下降较慢。的不同，粒径变化会很大。2.4轴向不同位置 飞灰的体积粒径分布由于喷嘴位于气化炉中间段，气化炉流场在撞由图8可以看出，水煤浆气化过程中生成的飞击平面上下存在差异，因此，飞灰在不同取样位置灰的粒径分布呈现三峰分布的特点，这与Neville的粒径分布也存在差异。从图8中可以看出，3#等l0J、Taylor 等11]的结论相同，峰值出现在0.1取样口处0.1 μm和2 μm的飞灰含量要高于1#取~0.2 pm、2 μm和14 pm。在气化炉轴向，飞灰样口，这是因为3#取样口离火焰撞击平面较近，粒径分布的第一个和第二个峰值都分别出现在0.1根据中国煤化工高度和气化炉内~0.2μm和2μm左右，而第三个峰值分布范围较径比YHCNM H G流股区内，此处的寬(15~50 μm)，这是因为3个峰值对应的飞灰温度要高于 1"取样口，反应更激烈，煤飞灰破碎形成机理有所不同，第一个峰值对应的飞灰是通过程度更大，产生的细小焦炭还未反应，同时，矿物●2922 ●化工学指第60卷蒸发-冷凝产生的飞灰还未长大，因此产生的0.1平面至7"取样口处飞灰含碳量下降很快，7"取样μm和2μm的飞灰的比重高于1"取样口。由于3#口以下飞灰含碳最下降较慢。取样口离煤浆入口更近，粒径较大的飞灰未反应完(4)水煤浆气化过程中生成的飞灰的粒径分布全。随着停留时间的增加，飞灰的粒径逐渐减小，呈现三峰分布的特点，峰值出现在0.1~0.2 μm、反映在图上:就是图8中3"取样口粗飞灰的粒径要2pm和14μm。大于1"取样口的。(5)气化炉流场在撞击平面上下存在差异，因3"和7*取样口的飞灰粒径分布很相似，但7#此，飞灰在不同取样位置的粒径分布也存在差异。取样口处的飞灰体积平均粒径为27 μm, 3"取样在撞击平面以上，靠近撞击平面位置的超细飞灰含口处为23 pm，7" 取样口处的飞灰更大。根据水量高，粗飞灰的粒径大。在撞击平面上下对称位平同轴撞击流中飞灰的受力和运动特点分析可置，飞灰粒径分布相似，但撞击平面以下粗飞灰更知"，重力对于粗飞灰的影响要大于细飞灰，而多，体积平均粒径更大。在撞击平面以下，随着气浮力和阻力对细飞厌的影响要大于粗飞灰，粗飞灰化反应的进行，粗飞灰的粒径减小，细飞灰含敏增向下运动的概率要高于细飞灰，那么撞击平面以下加。但由于气化室下渣口处内径缩小，飞灰数量浓位置的飞厌粒径应稍大于撞击平面以上的飞灰。实度上升，造成细飞灰聚并概率增大，粗飞灰含量验结果与理论分析一致。上升。与7"取样口相比，11# 取样口的细飞灰含量更高，粗飞灰含量下降且粒径减小，这是因为随着References反应时间的增加，粗飞灰粒径减小，而细飞灰是由[] Yu Ciuangsuo (于广锁)，Niu Miaoren (牛苗任)，Wang外在矿物质破碎、内在矿物质直接形成或内在矿物Yifei (王亦飞)。L.iang Qinfeng (梁钦峰)，Yu Zunbong(于遵宏)，Application status and development tendency of质聚并形成，因此粒径变化不大，但含量会有所增coal entrained bed gsification. Journal of Modern加。比较14"和11#取样口可以看出，0.1 μm附Chemistry (现代化T), 2004. 24 (5): 23-26近的飞灰增多，造成这种现象的原因可能是温度降2] ChowJ C. Watson J G. Review of PMz.s and PMyo低，矿物蒸气进一步冷凝形成更多的超细飞灰。但apportionment for fossil fuel combustion and other sourcesby the chemnical mass balance receptor model. Journal of细飞灰含量下降而粗飞灰含量上升的原因不明确，Energy and Fuels. 2002, 16; 22-260推断可能的原因是气化室下渣口半径减小使得下渣3] Flemming. Trace elements-from combustion [ D ].口处飞灰浓度增大，细飞灰聚并成粗飞灰的概率增Lyngby; Technical University of Denmark, 1995大，造成粗飞灰的含量增加。4] Lawrence J Shadle, Peter L Roele, Victor K Der. Theparitioning of particles between slag and fly ash during coal3结论gasification//GasificationTechnologies Conference.uS, 2007通过在水煤浆气化炉小型实验装置上进行实5] YanL, Gupta R. Wall T F. Fragmentation behavior of验，研究气化炉中飞灰的性质，得出了以下结论。pyrite and calcite during high temperature processing and(1)水煤浆气化过程中生成的飞灰形状以不规mathematcal simulation. Journal of Energy and Fuels, .2001，15; 389-394则形状飞灰、飞灰团聚体和球形飞灰为主。其中6] Quann RJ, Neville M，Sarofim A F. A laboratory study of20 μm以上飞灰基本上.都是不规则形状的飞灰，the efeee of coal slection on the amount and composition of1~20 μm之间飞灰包含球形飞灰和不规则形状飞combustion generated submicron paricles. Jounal of灰，球形飞灰粒径基本在10 um以下，而1 pum以Combustion Science and Technology, 1990 (74); 245-2657] Gong Xin (龚欣)， Liu Haifeng (刘海峰)，Wang Fuchen下飞灰形状都为球形，它们以飞灰团聚体的形式(王辅臣)，Yu Guangsuo (于广锁)，Yu Zunhong (于遵存在。宏). New coalwater slurry gsifier. Journal of Energy(2)水煤浆气化产生的飞灰中碳元素含量最Saving and Environmental Protection (节能与环保)，2001高，S、Fe和Na元素出现了富集，Al和Si元素中国煤化工8]Jined bed gasification含量低于各自在原煤渣中的平均含量。YHCNMHGChinUnveaiof(3)沿气化炉轴向，从喷嘴平面至14#取样口Science and Technology, 1995处，飞灰含碳量沿气化炉轴向逐渐降低，其中喷嘴9] Linak W P，Wendt J 0 L Toxic metal emissions from第11期廖胡等:多喷嘴对置式气化炉中飞灰性质●2923 ●incineration;concentration and impinging flame height in the entrained-Energy Combustion Sci., 1993, 19 (2): 145-185flow gsifier. Journal of Coal Comversion (煤炭转化)，[10] Neville M，Quann R J，Haynes B s. Sarofirm A F.2008. 31 (1); 26-29, 74Vaporization and condensation of mineral matter during[13] Wang Zengying (王增莹)，Liang Qinfeng (梁钦蜂)，pulverized cocombustion/ / EighteenSymposiumZhang Zhiwen (张志文)，Yu Guangsuo (于广锁)，Yu(International) on Combustion. US, 1981Zunhong (于遵宏)，Numerical simulation of concentration[11] Taylor Dean D. Flagan Richard C. The influence 。and temperature in impinging entrained flow gasifier.combustor operation on fine particles from coal combustion.Journal of Computers and Applied Chemistry (计算机与Journal of Aerosol Science and Technology. 1981, 1 (1):应用化学)，2007. 24 (10); 1319-1323103-117[14]Tamir A. Impinging Stream Reactor (撞击流反麾器). Wu[12] Zhang Zhiwen (张志文)，Guo Qinghua (郭庆华)。YuYuan (伍沅)， trans Bejig Chemical Industry Press,Guangsuo (广锁)，Yu Zunhong (于遵宏)，Dai Songtao1994; 39.40(代松涛)，Li Xinglong (李兴龙)。Analysis of gas(上接2917页)二、开放课题申请须知和基金管理办法1.申请课题应为煤洁净转化提供新思路、新方法，或为实验室新生长点课题。2.开放基金主要支持实验室及依托单位以外的研究人员( 即客座研究人员)与实验室固定人员合作进行的研究课题，由客座研究人员和固定人员共同申请，客座人员相任课题负责人。3.凡具有讲师和助理研究员以上职称、博七后经历或相应水平的国内外学者可与实验室固定人员合作提出申请，填写并提交纸质的实验室开放课题申请书-一式三份，所在单位的学术管理部门签署意见并加盖单位公章，同时提交电子版申请书。本次开放基金申请时间: 09年9~11月。基金执行年度为2010年1月1日~2011年12月31日。4.由实验室学委会或专家组审定开放课题申请，建议拟资助课题和资助金额，实验室主任会议根据审定结果统一调整并报学委会会议通过后公布执行。5.开放课题资助强度: -般课题平均10万，重点课题平均20万。6.实验室开放基金由国家科技部下拨的专项经费-开放运行费支出。课题资助金额专款专用。课题经费仅限于中科院山西煤化所内进行财务结算。经费的使用需符合国家专项经费管理制度和煤化所财务制度。主要支付与课题直接相关的材料费、分析测试、加工费、不形成固定资产的小型仪器设备购置费、客座人员差旅费、会议费、发表文章版面费等与课题直接有关的费用。三、课题结题和研究成果的归属1.开放基金课题负责人应在第- -年年底提交阶段总结，对于无阶段总结、未按计划进行课题者，实验室主任有权调整课题资助额度或中止课题资助。2.第二年年终提交结题总结和研究成果(论文、专著、专利、奖项等)的复印件和电子版文件。3.开放基金课题相关的论文和研究成果应署课题负责人所在单位名称和本实验室名称，并注明实验室开放基金资助(标注课题编号)。四、联系方式联系人:高航通讯地址:山西省太原市桃园南路27号，030001电话: 0351 -4155552传真: 0351- 4050320电子信箱: gaohang@ sxic. ac. cn中国煤化工k重点实验室.MHCNMHG年九月二十日