喷动流化床煤气化试验研究

燃烧科学与技术第7卷(2001)第3期Vol. 7(2001)No. 3JOURNAL OF COMBUSTION SCIENCE AND TECHNOLOGY喷动流化床煤气化试验研究段钰锋，赵长遂，陈晓平，吴新，梅志林(东南大学热能工程研究所,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,南京210096)摘要:以空气和水蒸汽为气化剂,在一内径为600mm的V型布风板喷动流化床工业煤气炉内对动力烟煤的气化进行了系统的试验研究。考察了V型布风板床料的流化特性,研究了操作参数对气化过程的影响,测量了煤气成分沿床高和径向的变化,分析了影响煤气成分和热值的有关因素,提出了合理的运行条件和参数。研究结果对工业装置的放大设计、改造现有燃煤设备并降低对环境的污染具有指导意义。关键词:V型布风板;喷动流化床;煤气化;试验研究中图分类号:TK229.6+6文献标识码:A文章编号:1006- 8740(2001 )03- 0278 04Experimental Study on Coal Gasificationin Jetting Fluidized Bed GasifierDUAN Yu-feng, ZHAO Chang-sui, CHEN Xiao-ping， WU Xin, MEI Zhi-lin(Thermal Energy Engineering Research Institute ,Southeast University ,Nanjing 210096 ,China )Abstract : Experiments were carried out in an industrial fluidized bed gasifier with a V-type distributor and a flu-idization bed with a diameter of 0.6 m. Gas samples were gathered at different heights along the freeboard up to theexit and were analyzed. The gasifier ran at different fluidization airflow rates ,different central airflow rates ,and dif-ferent coal feeding rates. Effects of the above parameters on the gasification of coal ,the components of the gas andthe gas heat value were investigated. F luidization characteristics of the V-type distributor were also obtained. Thoseresults have provided necessary information for the real runs of the gasifier and its enlargement design.Key words:V- type distributor ;etting fluidized bed ;coal gasfication ;experimental study煤在我国的一次能源结构中占70%以上,居主导用空气和水蒸汽将煤转变成粗煤气后再进行燃地位。煤的传统利用方式主要是直接燃烧,这种利用方烧,是对上述燃煤装置改造的合理途径,并减少对环境式的效率较低.导致不易治理的环境污染。在目前众多的污染。本文采用V型布风板喷动流化床技术,在炉的热处理炉、锻造炉和工业窑炉中,链条炉排和固定炉膛中心区域依靠射流产生一高氧浓度的氧化区;在周排手烧炉仍然占有相当的比例。燃煤过程中,链条炉要边环形区域采用低流化数的流态化作为气化反应的还经常翻动和疏松煤层,以免发生结焦;手烧炉要经常打原区。两区之间由于气流速度差产生-大范围的颗粒开炉门向炉内加煤。由于炉内的正压,经常出现炉门冒内循环,强化了气固两相间的混合以及热质交换,有利黑烟现象。此外,燃烧不完全造成排渣和~飞灰的碳含量于提高碳的转化率,并具有较高的气化强度。在炉膛出很高;火焰温度不均造成被加热工件的温度梯度较大口设中国煤化工\空气中进入炉内,增加或局部过烧现象。煤气C N MH恐值。由此可见,流化床收稿日期:2000-06 -05;修回日期:2000-11-20。基金项邛澳家需点基础研究发展规划项目(G199902210532)。作者简介:段钰锋(1963-),男,博士,教授。2001年8月段钰锋等:喷动流化床煤气化试验研究.●279●气化炉具有煤种适应性强,炉内气固返混强烈,氧化和床内物料的返混,延长颗粒在床内的停留时间,提高碳还原过程并存等特点。它变固体燃烧为气体燃烧,炉温的转化率。均匀,加热速度快，可彻底消除链条炉和手烧炉在燃烧在流化床气化炉系统中共设有十个温度测点T1过程中和燃烧过程之后的冒黑烟现象。~T10,及炉膛总压测点。在悬浮空间不同高度及炉膛本文的研究背景是改造-台链条炉排燃煤热处理出口设有3个气体取样口。蒸汽发生器产生的饱和蒸加热炉,即新建一台流化床煤气化炉,生产的煤气供一汽分别进入流化风管路和中心喷动风管路。原料煤由台退火炉使用,并满足其退火工艺要求。目的是完全气螺旋给煤机加入,采用床下热烟气点火,由启动燃烧室化煤炭并产生中低热值的煤气。采用的是V型布风完成。另外,在气化炉底部设一水封,灰渣由刮板式排板、射流流化床和飞灰循环技术。结合这一工业应用实渣机送走。煤气成分用气体全分析仪和气相色谱仪测践,对该装置进行了冷、热态过程的试验研究和理论分量。析。通过炉气取样并测量煤气产物的中间成分和最终成分,分析煤量、风量对气化过程的影响,最终确定气2结果及分析化炉运行的合理操作参数。2.1床 料流化特性试验中所使用的惰性床料是宽筛分的流化床锅炉1试验装置炉渣,比表面平均粒径为1.392mm。试验用煤的工业试验在一台工业气化炉装置上进行(见图1)。布分析和元素分析见表1,平均粒径为0.445mm,堆积风板呈“V”型,全锥角为900 ;沸腾段内径0.6 m,悬浮重度为891 kg/m3。段内径0.8 m,有效高度8.0 m;设计煤处理量为600床层阻力特性如图2所示,V型布风板流化床的kg/h。产生的热煤气经除尘后进入一台退火炉燃烧。临界流化特性和水平布风板流化床较为相似。当流速-级旋风分离器旋下灰通过一立管进入返料装置,再达到约0.4 m/s时,再继续增大流速,压差几乎保持不进入沸腾段下部，形成飞灰再循环。锥形布风板可加强变，此时即可认为床内物料处于起始流化状态。蒸汽5 0004 000世3000热煤气长20001 000给煤190.20.40.60.81.0 124表观速度/(m.s')图2床料流化特性.表1煤的工业分析和元素分析空气+蒸汽FC焦渣特性1工业分析| M，| MrAad。。 Vsl。1%6.96| 4.32 2.76| 24.72 24.10| 48.42 理10|元素分析Mad AadCad| Had Sr.adNuOad中国煤化工61.35 0.69 7.81热值/aed 24.043 9| Qnerar 22. 163 41. V形布风板 2.螺旋给煤机3.气化炉本体 4.蒸汽发生器MYHCNMHG5.气体取样孔A 6. -级旋风分离器7. 气体取样孔B2.2给煤量对床层温度的影响8. 气体取样孔C 9.风室10.水封 11.排渣机12.混合风入口保持其他参数不变,以给煤速率和总风量(流化风13.启燃室14.点火器 15. 燃烧风入口16. 雾化风入口17.燃油入口 18.灰罐19.二级旋风分离器和中心风之和)的比值煤风比为横坐标,床层温度为纵图1夕形帑粳板流化床气化炉系统及测点布置图坐标,得曲线图3。由图由见，当煤风比由小变大时,床，280.然科学与技术第7卷第3期温-直呈下降趋势;当煤风比较小时,煤风比对床温的下,给煤量大时,煤风比增大床层温度低,这与图3的影响较为显著。总体来看,煤风比的增加会导致炉内还结论是-致的。原气氛加重,因此床温会降低。在考虑中心风对床温的影响时，固定给煤量、流化风量和水蒸汽量,可得床温随中心风量的变化曲线图1 0005。从曲线变化趋势可以发现,中心风量对床温的影响980 '与流化风量对床温的影响相似,即随着风量增大,床温60逐渐升高。乐国941000 . F:=740 k/h,Q=420 m/h920980900g 960-0.75 0.80 0.85 0.90 0.95940煤风比/(kg.m)图3给煤量对床温的影响15020025300350中心风量/(m’●h')2.3进风量对床层温度的影响固定给煤量、中心风量和水蒸汽量,仅改变流化风图5中心风量对床温的影响量得曲线图4。图中是两种不同给煤量下流化风量对床温的影响曲线。由图可见，随着流化风量的增加,床2.4煤气成分和煤气热值层温度逐渐升高;在流化风量小时,流化风量的增加对在悬浮段不同高度和炉膛出口分别抽取煤气样并床温的影响更加明显。分析其组分。下面讨论在距壁面50mm和150mm的位置上测得的煤气组分和煤气热值沿高度的变化。!000，图6和图7分别给出了50mm和150mm处煤F-550 kgh,Q=180 m/h气组分在两种相近工况下的分布。由图可见,在距壁面.50 mm处,H2的含量在气化炉内沿高度有上升趋势,80但在出口处(高度7.0 m处)有所降低;CO的变化与H2类似;CO2则沿高度有增加的趋势,直到出口。O2略有下降，总的含量很低;CH,的含量在炉内下降较快,在悬浮段上部下降趋缓。而在距壁面150 mm处，50H2 ,CO和CH,三种可燃物的含量均持续下降,直到出420 450 480 510 540 570 600流化风量/(m . h'口;CO2的含量呈平稳上升的趋势;O2的含量在出口图4流化风量对床温的影响处比炉内稍高些。20在射流流化床气化炉内，中心射流区为氧化区,其19 T.-945 CF-=540 kg/h周围区域为还原区。流化风就是供给该环形区的,除了18 Q=450 m/hQ=180 m/h。16H对物料起流化作用外,还为煤的部分燃烧提供氧气。由CO于C和O2的化学当量比远大于完全燃烧时的值，故中国煤化工.cO反应产物中会有大量的CO存在。流化风量越小,煤风比越大,煤的气化程度越高,床温便越低。当流化风量，YHCNMH G增加时,周边环形区的燃烧份额增加,提高了总体的反CH应热,床层温度便会有所升高。当风量增大以后,燃烧4.045505.5606.570份额增大床温升高,同时气化份额也增加，综合表现高度/m为床温升高趋缓。从图4还可以发现,在同一流化风图6距壁面50mm处煤气组分2001年8月段钰锋等:喷动流化床煤气化试验研究.●281●的增加而减小,减幅达30%。这说明，在悬浮段内,气18F =540kg/h Q-420 m/h16一0. =210 m/h相燃烧对煤气热值的损失是相当严重的。尽管在50H214mm处,CO和H2的含量有增加的趋势,但是由于CH,12CO,含量的减少,总的热值仍会降低。10从化学反应的角度看,温度的升高能提高吸热反CO应的速率。因此,当气化炉温提高时,还原反应速率会增大。但在试验中发现，当风量增加较多时,床温的升0CH高将使气化过程偏离气化工况而向燃烧工况过渡,导致煤气热值相应降低。因此,在气化炉内,存在着一个4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0高度/m合适的煤风比。对本文试验煤种,煤风比在0. 7~0.8图7距壁面150mm处煤气组分kg/m3之间较为合适。从以上变化趋势看,在靠近壁面的地方,还原反应3结论仍在不断地进行,导致H2和CO含量不断长高。而CH，可能由于气相燃烧被消耗,导致其含量沿高度不1) V型布风板射流流化床的临界流化特性与普断减少。在远离壁面的地方,也由于气相的燃烧,导致通流化床相似。煤气炉中心区域是颗粒浓度相对较低可燃组分有不同程度的降低,CO2的含量则有所上升。的射流区(氧化区),周边区域是颗粒浓度相对较高的在距壁面50mm处和150mm处的煤气热值沿流化区(还原区)。气化炉运行时射流区内主要进行氧高度变化见图8与图9。可以发现,煤气热值都随高度化反应,流化区内主要进行还原反应。5 0002)床层温度受给煤量、进风量和进气量的综合影响。当煤风比增加时,床温下降;进风量增加时,床温上4500升。在气化炉内,存在着-个合适的煤风比。对本文试2 4000验煤种，煤风比在0. 7~0.8 kg/m3之间为宜。3)在气化炉上部悬浮空间存在着较为严重的气想3500相可燃物燃烧损失，中心区域尤其明显。因此在保证夹3 000带分离高度的前提下，悬浮段高度不宜太高,以减少煤2 500L气中可燃物的再燃烧损失。4.04.55.0 5.5 6.0 6.5 7.0参考文献:图850mm处煤气热值沿高度变化[1]梅志林.V型布风板流化床煤气化试验研究和数学模型[D].东南大学,2000.2]沙兴中.杨南星.煤的气化与应用[M].上海:华东理工大学出版二4500社,1995.目24000王3500类，2 5004.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0中国煤化工MHCNMHG图9150mm处煤气热值沿高度变化