粉煤气化试验模拟装置的研究与设计

第28卷第1期煤炭技术Vol.28,No.012009年1月Coal TechnologyJan,2009粉煤气化试验模拟装置的研究与设计刘庆旺，李寒旭，丁立明(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001)摘要:在参照国内外 几种现有不同的粉煤气化实验装置的基础上,考虑到几种实验装置的规模、尺寸,并结合本.研兖的具体情况,通过计算初步确定了粉煤气化试验模拟装置的主要参数与试验系统,为设计和开发气流床粉煤气化试验装置提供较全面地基础数据,对进一步研究我国粉煤的气化特性起到了重要作用。关键词:粉煤气化;试验装置;设计中围分类号:TK17文献标识码:A文章编号: 1008 - 8725(2009)01 - 0159- 04Research and Design of Experimental Device for SimulatingPulverized - Coal GasificationLIU Qing- wang, LI Han- xu, DING Li - ming，(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001 ,China)Abstract: Based on several domestic and foreign dfferent pulverized - coal gaification experimental devices,this paper takes the size of experimental device into account and combines with the specific circumstances ofthe study. An experimental device is created by means of certain calculation , which provided more comprehens-ive data for the deeign of an experimental device of entrained - flow pulverized - coal gasification. It is impor-tant for futher research of the pulverized - coal gasification characteristics.Key words: pulverized - coal gasification; experimental device; design步设计与研制了一套新型的粉煤气化试验模拟装0前言置,为进一步研究高灰熔点粉煤的气化反应活性提煤的气化是在1 000C以。上的高温下进行的。供了必要的条件。目前世界上有代表性的煤气化方法如气流床Texaco1试验装置的总体设计思路气化炉,气化温度高达1400~1500C,而Shell煤气化工艺中气化炉的中心温度随煤种不同介于.在筹建粉煤气化试验装置时,总体设计思路如1 400C~ 1 700C之间,2种气化炉均为液态排渣,下:要求气化操作温度高于煤灰的流动温度。煤气化炉(1)模拟煤粉在炉内连续气化的全过程,耗煤量中粉煤是在高于灰熔融温度(1300%~ 1 600C)下最大控制在1 kg/h。进行流动的,而在如此高的温度下,煤气化中可能发(2)实验工况可以调整,满足变量粉煤气化的要生了各种不同的反应,因此很难概括出不同特性煤求。的气化特征,又由于这些气化炉对煤的灰份、灰的粘(3)实验参数如温度、流量、气化产物成分等工温特性及灰熔点有一定要求,因此气化炉在选择原艺参数可以实时检测,要有自动数据采集记录系统，料煤时应作必要的试验。为了设计和研制气流床粉便于分析实验数据。煤气化试验装置,必须先建立一套气化试验模拟装(4)操作方便,调节灵活,运行稳定。置为其提供实验基础数据。(5)在满足科研的前提下,结合实验室原有的实因此,笔者在参照国内外几种现有的粉煤气化验设中国煤化工本。实验装置^1-4]的基础上,根据该研究的具体内容,初TYHCNMHG收稿日期:2008 - 08 - 03;修订日期:2008-11-03.作者简介:刘庆旺(1972- ),男安徽准南人，在读硕士研究生,主要从事洁净煤技术的研究, Tel:0554 - 668459, - mail; qwliu@ aus. edu.cno.160.煤炭技术第27卷气化试验装置的规模尺寸,将反应器尺寸确定为:内2系统与各部分的确定及计算径5 cm;壁厚5 mn;反应管加热段长度2 m。2.1系统设计计算(2)炉体保温耐火层厚度的计算2.1.1 加热炉体的计算由于试验煤种灰熔融温度高,该电炉经常工作(1)加热炉体高度的计算在1 700 C,因此内炉管选择刚玉管(AI2O2 > 99.加热炉体高度可以根据煤颗粒在反应器中的最9%) ,炉膛内层选择进口氧化铝纤维材料,中层采用短停留时间和煤颗粒的速度求得,煤颗粒的速度等高温棉,外层采用国产氧化铝纤维,两种纤维的混用于煤颗粒在静止流体(25C空气)中的沉降速度加流可以降低成本,即经济又实用。其传热计算53如下:体流速(氧、水蒸气总流速)。由傅立叶定理有:求解步骤[如下:Q = λdi/dz(1)煤颗粒在静止流体(25C空气)中沉降速度式中λ一-导热系数,w/(mC);的计算沿炉墙法线方向的距离,m;由于颗粒小，加速阶段忽略,近似认为颗粒始终dt-沿炉墙法线方向上的温度变化,C。以Ut 下降。上式设导热系数是常数时积分得:Ur= gd'(p-p)Q=2/L(Tη- Tc)18μL----层炉墙的厚度,m;式中，重力 加速度;冷面的温度,C;d-煤颗粒直径;T,- 高温面的温度, C。煤颗粒密度;空气密度;对于多层耐火材料组成的炉墙和保温层(参照空气粘度。图1)则有:计算煤样选用淮南高灰熔点煤种,以上参数经Q=(Ty- Tc)(L1/21 + L2/22+.... + Ln/An)查阅可得,代人数据,计算得: Ut=0.421 6 m/s .Tm=(Tg+ T1)/2(2)流体流速的计算Tw2=(T; + T2)12参照文献[4]的流速计算假设数据,氧煤比(w/Tns=(72+ Tc)/2 .w)为1.5,水煤比(w/w)为0.6,计算如下:每层的导热系数可以根据每层的平均温度经查①氧气流速阅获得。氧气流量:Wor =22.5 g/min .反应器截面积: A =0.0020 m2t12氧气流速: Ua=(Wa +32) x22.4x 10~*/A代人数据得: Ua=0.151 6 m/sT(②反应器中水蒸气流速水蒸气流量: Wno= 10.2 g/min图1三层炉墙的传 热示意图又由,并令温度为1 750C,压力为1.013x 10因为,热量损失Q=辐射散热+对流散热Pa,可计算得水蒸气的体积流量过程如下:Q=4.56[(T/100)- (T/100)*]+ C,(Tc-摩尔流量:Nno( Wno =0.0094 mol/s由公式:V= nRTIP式中C,-- 自然对流传热系数,热面朝上时Cp=得水蒸气体积流量:Vro=1.3738x10~ m/s3.25,垂直时C,=2.56;水蒸气流速:Uno= Vgo/A环境温度, C;Tc--炉墙或热力管道外壁温度, C。代人数据得: Uno =0.700 0 m/s中国煤化工境散失的热,所以因此: U=(U,+ Uo, + Uno;以上.MHCNMHG得: U=1.273 2 m/so(Ty - Tc)1(LI/λ1 + L2/22 + L0/20) = 4.56由上可知，要保证煤颗粒在反应器中有一定的[( T。/100)* -(TsA/100)*]+ C,(Tc- T).停留时间,又要参照实验室面积规模及现有的粉煤代入数据得:L =0.24 m第1期刘庆旺,等:粉煤气化试验模拟装置的研究与设计●161.同理得热面朝上时,以=0.15 m表1试验装置加热炉体参数汇总(3)加热炉功率的计算序号项目单位备注①加热元件规格的确定刚玉管长度3根据以上的计算及本实验室的具体情况,保温炉体料层厚度4耐火材料的厚度为440 mm;炉膛的高度为2 m,所以气化段的高度本文定制了特殊型号的螺旋形二硅化钼电热元件,炉膛尺寸10r* 200cm# cm加热元件敷规格为9/18 mm 1800 型,冷端650 mm,热端600热电偶的个敷根mm,单只硅钼棒功率为4 kW.设计功率12W电压220 V②炉膛内表面积的确定2.2试验装置 系统流程炉膛内表面积[°)由下面公式确定:该试验装置结合实验室土建条件,采用单层钢M=Qmx Sm/W结构框架布置。粉煤样品通过螺旋给料器与气化剂式中M--碓钥棒支数;-并沿炉膛向下流动。经过高温炉膛进行反应,反Q*--炉膛内表面负荷,W/cm2;应后的灰渣由渣收集器收集作为样品进行分析,生Sg-炉 膛内表面积,cm;成的气体通过气体在线检测仪进行气体组成分析。每支硅钼棒在高温下的功率,w。炉管内径为5 cm,长度3 m,材料为刚玉,采用电加计算得:Q=200mcm2。热作为热量补偿装置,加热元件为二硅化钥,分三段2.1.2试验装置主要部分基本参数加热,独立温度控制。加热段在炉膛中部,加热有效试验装置的加热炉体的主要参数，现汇总如长度为2m。气化产生的气体经冷却、除尘及净化表1。后,排出实验室。具体流程见图2。流量计微型螺毖给料器料4电预热器德奉控制器-_冲却水入_o领冲瓶。热电雾气体在线分析仪温控装发电加热器@质请分析仪炉过滤器厂勺气相色请牙折仪进、出水管-XRD| 灰收集磊-FTIR翟式流量计-xR残德收集器墙收集器日2 粉煤气化试验装置系统流程图2.3各系统的结构及功能 简介度,为气化反应器提供热气体。供气系统中的气体2.3.1电加热及温度测量 、控制系统钢瓶、水蒸气发生器玻璃转子流量计、缓冲器、干燥电加热器是电加热型的下降并流反应器,由刚器及洗气瓶可使气化剂洁净、干燥,并以稳定的进气玉管(内径50 mm,外径55 mm,3.00 m)、加热元件、速率进入试验装置。温控器及保温耐火材料组成。刚玉管的外侧是圆形.2.3.3煤粉进料系统的加热炉膛,在炉膛内分别上下均匀布置了3支螺煤粉进料系统是试验装置的主要附件,其作用旋形二硅化钼加热元件,它可以使反应管内中心的是实现均匀的定量给料。煤粉进料系统包括:粉煤温度最高达1 750C ,在炉膛的不同高度位置上装有进料器型臀,其中煤进料采3根热电偶,用于测定和挖制炉膛的温度。炉体温用微型YH中国煤化工生料煤接口,下方.度分三段独立控制,控温元件选用铂铑30-铂铑6为冷却c N M H G釗器控制,每次实热电偶,根据具体的试验情况采取不同的控温方式。验前均对其进行校准。.2.3.2预热、供气 系统2.3.4取样和分析 系统预热器的作用是加热气化剂,使其达到设定温取样和分析系统包括取样仪器和过滤分离部第28卷第1期煤炭技术Vol.28, No.OL2009年1月Coal Technology .Jan,2009两种煤气化技术反应过程比较和分析董洪峰，师帅(中国矿业大学化工学院，江苏徐州2111)摘要:选取2 种较为典型的煤气化工艺,主要从气化反应的特点人手,对单位有效气体碳耗进行了比较计算,对资源利用的合理性进行了讨论,最后得出了自己对适合我国国情的煤气化技术发展方向的理解，以供煤气化技术研发及使用部门参考。关键词:煤气化;气流床;气化反应中團分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1008 - 8725(2009)01 - 0162 - 03Comparison and Analysis Between Reaction in Two Coal GasificationTechnologyDONG Hong - feng, SHI Shuai(School of Chemical Technology ,China University of Mining and Tehnology, Xuzhou 21116, China)Abstract: This paper has selected two more typical of the process gas, mainly from the gasification reactionstarting with the characteristics of effective units of carbon gas consumption were compared , for the reasonableuse of resources was discussed, the final draw on their own for China Conditions in coal gasification technologydevelopment direction of understanding, for coal gasification technology research and development and use ofreference .Key words:coal gasification; entrained - flow; gasification reaction我国目前的煤气化工艺星现多元化特点,主要.0引言有常压固定床间歇气化工艺,大约占国内甲醇与合煤气化工艺在煤化工中占有很重要的龙头地成氨装置生产能力的70%"] ,然而近年来随着大量位,很多煤化工工艺都是以煤气化技术为先导,在我国外引进的气流床加压气化工艺的登场,中国成了国很多领域有着广泛的应用。因此,研发经济节能某些国外煤气化工艺技术的高价扩放实验场,国内洁净环保的煤气化工艺成为煤化工可持续良性发展大量技术人员在较短的时间就将大量煤气化新工艺的前提。.推向市场,至此我国成了中外煤气化工艺的角斗场。分,还包括气体分析仪及固体样的分析仪器,气体分煤的气化过程,符合设计要求。析仪用来在线分析产气中各组分的体积浓度。此该装置不仅能用来研究高灰熔点粉煤的气化反外,根据实验数据要求,可以增设不同的分析设备,应特性,还能完成其它可燃物的高效、清洁燃烧,污来满足科研要求。染物排放控制的科研工作,适合在实验室内进行操2.3.5尾气排放系统乍。尾气排放系统包括压力控制阀和气体湿式流量参考文献:计。整个系统还包括冷却器、残焦、渣的收集器。如1] 吴勇强,唐黎华,朱学栋,等.超高温气流床煤气化模试装置的研制和应用[].实验技术与管理,2006,23(3) :53.果实验时产生了有害气体,可以根据具体情况用溶[2]王建中 .高温下煤焦气化反应特性的研究[D].上海:华东理工液吸收处理后排放。大学,2001.3] s. Kejitani,S. Hara, H. Matsuda. Gesification rle analyis of coal3结语chars with a presurized dop tube fumace [J]. Fuel,2002.[4]王福明 .气流床高温煤气化的研究[D].上海:华东理工大学,该装置加煤量最高可达1 kg/h, 同时具有升温[S]刘吉堂,张成恩.有限元法在电厂热力设备传热计算中的应用速率快、反应温度最高可达1 750C,炉内反应为连[J].东北电力技术, 199,(12):1-2.续反应等优点,温度、煤进料量和气体流率可以预先[6]贾英全 .硅钼棒电炉的设计与制造[].中国陶瓷200,365)0设定;与其它实验装置相比，该装置具有反应温度中国煤化工(责任编辑昌璃)高、功能多、易操作及造价低等特点,能模拟实际粉fHCNMHG收稿日期:2008 - 08- 15;修订日期:2008-11-04作者简介:董洪峰(1988- ),男,河北唐山人,江苏徐州中国矿业大学化工学院化学工程与工艺专业2005级3班学生, Tel:13585478690, E - mail:hongfeng-007@ 126. com。