高温快速加热条件下压力对煤气化反应特性的影响

第18卷第1期燃烧科学与技术Vol.18 No.12012年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb. 2012高温快速加热条件下压力对煤气化反应特性的影响刘皓'， 黄永俊'，杨落恢'，祝贺',任瑞琪',严丽叶', KOJIMA Toshinori?(1.苏州大学能源学院，苏州215006; 2. 成蹊大学物质与生命科学系，东京180-8633， 日本)摘要: 建立了一套能同时实现高温高压和快速加热的实验设备和研究方法，使煤气化反应动力学基础研究能在与实际气流床煤气化炉相近的条件下进行，研究表明，当CO2体积分数相同时，最大Co生成速度随压力的升高而升高;煤焦的气化反应速度随全压的升高而升高.即使全压和CO2体积分数不同，只要CO2的分压、温度等其他条件相同，煤焦的气化反应速度就基本上-致.说明全压和CO2体积分数对煤焦气化反应速度的影响可以归纳为CO2分压的影响.高温快速加热条件下，除了温度以外，CO2 分压是影响煤气化特性的重要因素.关键词:煤;气化;流化床中图分类号: TK224.1*1文献标志码: A文章编号: 1006-8740(2012)01-0015-05Gasification in a Pressurized Fluidized Bed at High TemperatureLIU Hao'，HUANG Yong-jun'，YANG Luo-huil', ZHU He', REN Rui-qi',YAN Li-ye'，KOJIMA Toshinori?(1. School of Energy, Soochow University, Suzhou 215006, China;2. Department of Materials and Life Science, Seikei University, Tokyo 180-8633, Japan)Abstract: An experimental facility and a method of simultaneously realizing high pressure, temperature and heatingrate are developed, which makes it possible to study coal gasification under the condition close to that in a practicalentrained flow gasifier. It was revealed that when CO2 concentration remained the same both the maximum CO forma-tion rate and the reaction rate of char gasification increased with the total pressure. Moreover, despite different CO2concentration or total pressure, the reaction rate of char gasification was almost the same as long as CO2 partial pres-sure and other conditions remained uncharged. The results suggest that the influence of CO2 concentration and totalpressure can be attributed to the influence of CO2 partial pressure. Under the conditions of high temperature and highheating rate, apart from temperature, CO2 partial pressure is another important factor influencing coal gasificationfeatures.Keywords: coal; gasification; fluidized bed煤气化联合循环(IGCC)是最有前途的发电技术表性的技术如Texaco 单喷嘴水煤浆进料气化炉、之一.近年来,作为其关键技术,气流床煤气化炉Shell多喷嘴干粉进料气化炉等,都已经实现了(entrained flow gasifier) 的研究和开发受到了广泛关2 000 tld工业规模的示范,并达到了商用化水平.到注,变得越来越重要.气流床煤气化炉利用细小煤粉2007年底全世界已投运或计划投运约11台(套)燃颗粒并在高温下运行,因此具有在较短的停留时间内煤IGCC发电机组,其煤气化技术大多采用气流床气获得很高的碳转化率和气化效率、更适合于大规模气化方式.气流床气化方式代表了当今煤气化技术的化的需求等优点,被认为是很有前景的气化方式代发展方向.然而，气流床煤气化炉内的温度和加热速中国煤化工收稿日期: 2010-10-13.基金项目:华中科技大学媒燃烧国家重点实验室开放基金资助项目(FSKLCC0802).YHCNMHG作者简介:刘皓(1964-.男.博士.教授.通讯作者:刘皓， hliuhappycn@yahoo.com.●16.学与枝术第18卷第1期度都很高.目前世界上具有代表性的煤气化方法如封.为使压力容器与高温流化床之间空腔内的温度不Texaco气流床气化炉的气化温度高达1400 ~致太高 ,保证压力容器的强度,对高温流化床进行了.1500"C.高温下的气化反应特性、反应机理有可能良好的保温,同时在流化床的保温层外壁设置了通水与低温下不同.此外,压力对煤的气化反应特性也会冷却的细铜管.在压力容器内设置热电偶监视容器有影响,有待研究.因此，非常必要在与气流床煤气内的温度,通过调节水流量来控制压力容器内的温化炉相近的条件下研究其气化反应的机理.度.将钢瓶氮气充人压力容器内并配合背压阀调节煤的气化主要由热解和煤焦的气化两个阶段完和维持其内部的高压.所有与外部的连接,包括水冷成.因为煤的热解很快,煤焦的气化成为制约整个反管、供气管、测温信号线、加热电源线等都通过压力应速度的关键,煤焦的气化也就成为煤气化的研究重容器底板上的连接口连接.信号线、加热电源线等连点. Peng等[也采用TGA研究了煤的气化反应. Ma接口采用大直径朝内、小直径朝外的圆锥形内孔,并等[2]在管式反应器内研究了煤的水蒸气气化本真反配合黏结剂在压力的作用下使密封可靠.流化床的应动力学.赵长遂等)对天然焦的水蒸气气化研究发布风板采用8本生产的很细的耐高温陶瓷管及耐高现,温度越高,天然焦的孔隙越发达,碳转化率也越温无机黏结剂黏结后在高温下烧结制成,因此,能承高Ahn等叫在加压沉降炉上进行的气化反应研究发受1500C左右的高温.流化床的床料使用刚玉粒现,当CO2的分压和温度相同时,全压对气化反应特子;在实验台的预热过程中用压缩空气作为流化介性有影响.陈汉平等[5]就典型煤种的加压热解与气化质,正式实验时切换成二氧化碳与氮气的混合气流进行了实验研究,结果表明高压不利于煤颗粒的热化床的主体用管式硅碳电加热器加热到预定的高解,高压下煤焦的产量增加,而煤焦中H元素的含量温.采用比压力容器内压力更高的气源，用气力输送明显降低,煤焦的气化活性也有明显降低.杨海平、批量给样法将- -定量的煤样从流化床上部加人反应张世红等0利用加压热天平和常压热天平研究了压器.每次只送人少量的煤样,以避免传质的影响.从力、温度、煤种对煤焦气化特性的影响，发现压力、温流化床排出的尾气经过冷却等处理.预先将多个已度及煤种对煤焦气化活性的影响有一-定的交叉作编号的注射器插人安装在尾气连接管上的软硅胶塞,用. Harris等[7在加压气流床反应器上对15种澳大能在很短的时间内进行多次快速分时取样.利用气利亚煤的气化进行了研究,发现温度越高,气化反应相色谱仪对气样成分进行分析.并校核确认加人的煤越快,且氧碳比对碳转化率和气体产物成分的影响与量与尾部气体产物的质量平衡,以保证数据的正确性常压下的情况是一致的.和可靠性.由尾部气体流量和CO的体积分数得到的虽然已有不少关于煤气化研究成果的报道,但到气化反应速度为目前为止,大都在1 000 C左右或更低的温度下进dX/d1= Mfco /(2Wh)(1)行,高温快速加热条件下气化反应的研究还较少.由式中X为碳转化率,由式(1)积分得到于设备的复杂性和实验的难度,高温高压快速加热条X= J[LocoMc (2W,)]d!(2)件下的实验数据更加缺乏.作者曾经利用特制的高温流化床,在高温快速加热条件下对煤气化进行了研压力容器热电偶究[8-10].在此基础上,又建立了一套能同时实现高温高压和快速加热的实验装置.在与实际气流床煤气|流量调节阀c化炉相近的实验条件下，作者利用此装置研究了压力对煤气化反应动力学特性的影响.流化床反应器硅破电四热器1实验设备UCO,OL A尔体收样实验设备为图1所示的一个特制的高温加压流UN,7的的二给媒温度摔制器一排气化床.为了能同时耐高温高压,将耐高温的核心部背压调节器分一特制的高温流化床, 置于高1.6m.内径0.5 m、加压海化中后应器质量约300 kg的不锈钢压力容器内.压力容器分为中国煤化工上下两段,并用大型法兰配合0型橡胶垫圈连接密w。=.fYHCNMHG(3)2012年2月刘皓等: 高温快速加热条件下压力对煤气化反应特性的影响●17.式中: Mc为碳的分子量;fco为的CO生成速度;1为实验用原煤特性列于表1中.反应时间; Wo为碳的初始质量.表1原煤特性工业分析(收到基)/%元素分析(干燥无灰基) 1%水分灰分挥发分固定碳wovs4.6010.6041.6043.2079.426.091.34 .12.360.80102实验结果 与讨论1011473K2.1 CO生成速度随时间的变化10*相同的CO2体积分数为20%、不同压力(全压)、不同温度下煤焦的气化反应过程中CO生成速度随时间的变化分别示于图2.图3和图4中.200400 600800 1 000图2为0.1MPa压力下,温度分别为1273K和时间%1 473K时的实验结果.可以看出,随时间的进行，圄40.4MPa 压力下CO生成速度随时间的变化(CO2体积co生成速度经历-一个由小到大快速增加,然后缓慢分数为20%)下降的过程.在1473 K温度下能达到的最大CO生图4为0.4 MPa压力下,温度分别为1273K和成速度比1273 K温度下的高,但达到最大后下降速1473 K时的实验结果. 0.4 MPa压力下所得到的最度也更快.图3为0.2MPa压力下,温度分别为1273K和大CO生成速度高于0.2MPa压力下的结果.1473K时的实验结果.最大CO生成速度高于.图2.图3.图4的结果表明,当CO2体积分数相0.1 MPa压力下的最大co生成速度,但总体趋势与同时,最大co生成速度随压力的升高而升高.2.2不同压力下气化反应速 度随碳转换率的变化0.1MPa压力下的结果相类似.图5为1273K.不同压力下气化反应速度随碳转换率的变化.由于图5所示的结果均为CO2体积1123分数为20%实验条件下得到的数据,图5实际上表明1了全压对煤的气化反应速度的影响.可以看出,当CO2体积分数相同时,煤焦的气化反应速度随全压的? 10升高而升高.图6、图7分别为1473K和1673 K时,不同压力下气化反应速度随碳转换率的变化.显100 500 1000 1500 2000 2500 3000然,1473K和1673K温度下与1 273 K温度下的结时间s果相似, CO2体积分数相同时煤焦的气化反应速度随图2 0.1 MPa压力下Co生成速度随时间的变化(CO2体积全压的升高而升高.0.003 00.002王影影十1473K0.0010.000 s10~500 1000 1500 2000 25002 0.4 0.60.8 1.0碳转化率时间/s图30.2MPa 压力下co生成速度随时间的变化(CO2体积图5 1273K中国煤化工碳转化率的变化(CO2体:MYHCNMHG.●18.燃烧科学与技术第18卷第1期0.025- + 0.1 MPa. a(CO) =80%0.030- 0.2 MPa. q(CO) =40%- +0.4 MPa, qCO) -20%， 0.025r 0.020话0.0150.0100.005002-0.4 0.6 0.8 T.005 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0碳转化率图6 1473 K时不同压力下气化反应速度随碳转化率的变化图91 473 K.全压及CO2体积分数不同，但CO2分压(CO2体积分数为20%)相同条件下的气化反应速度0.05+ -0.1 MPa,q(C0)-80%+ 0.2 MPa, q(C0) =40%0.04主龄影:).04 t- 0.4 MPa. q(CO) =20%画0.030.02 |0.0.01.2 0.4 0.6 0.8 1.0图7 1 673 K时不同压力下气化反应速度随碳转化率的变化图10 1673 K、全压及CO2体积分数不同,但CO2分压2.3煤焦的气化反应速度 与CO:分压的关系图8为1273K温度下，全压及CO2体积分数不3结论同但CO2分压相同条件下煤焦的气化反应速度随碳(1)当CO2体积分数相同时,最大CO生成速度转换率的变化.可以看出,3种不同条件下得到的煤随压力的升高而升高;煤焦的气化反应速度随全压焦的气化反应速度几乎是一致的，即全压和CO2体的升高而升高.积分数的影响可以归纳为CO2分压的影响.(2)即使全压和CO2体积分数不同,只要CO2.003的分压、温度等其他条件相同,煤焦的气化反应速度0.0030 t基本上一致.全压和CO2体积分数对煤焦气化反应0.0025 I速度的影响可以归纳为CO2分压的影响.0.002 00.001 5(3)高温快速加热条件下,除了温度以外, CO20.001 0-◆-0.1 MPa. p(CO,) = 80%分压是影响煤气化反应特性的重要因素..0005十0.2 MPa, q(CO) =40%- 0.4 MPa,q(C0)=20%参考文献:0 0.2 0.4 0.6”0.81.0[1] PengFF, LeeIC, Yang R Y K. Reactivities of in siu图81273 K.全压及CO2体积分数不同，但CO2分压and ex situ coal chars during gasification in steam at1 000- 1 400C []. Fuel Processing Technology ,1995, 41: 233-251.图9和图10分别为1473K和1673K温度下，全压及CO2体积分数不同但CO2分压相同条件下煤Ma z, Zhang C, ZuZ, et al. A study on the intrinsickinetics of steam gasification of Jincheng coal char[J].焦的气化反应速度随碳转换率的变化.图9和图10Fuel Processing Techmology, 1992, 31(1): 69-76.也表现出了与图8类似的规律性.图8~图10 的结[3] 林良生,赵长遂，庞克亮,等.天然焦-H2O气化反应果说明，即使全压和CO2体积分数不同,只要CO2的特性[中国煤化工29(2): 351-353.分压、温度等其他条件相同,煤焦的气化反应速度就基本上一致.LinLi:1YHCNMH Gang Keliang, ctal.Propernies or rarural CoK-H2U gasufication reaction[J].2012 年2月刘皓等: 高温快速加热条件下压力对煤气化反应特性的影响Journal of Engineering Thermophysici, 2008, 29(2):reactivity of charcoal[J]. Proceedings ofCSEE, 2009,351-353 (in Chinese) .29(2): 30-34 (in Chinese).[4] Ahn D H, Gibbs B M, Ko K H, et al. Gasification[7] Harris D J, Roberts D G, Henderson D G . 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