高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究

第25卷第23期中国电机工程学报Vol 25 No 23 Dec. 2005005年12月Proceedings of the CSeeC2005 Chin. Soc. for Elec Eng文章编号:0258-8013(2005)230100-06中图分类号:TK24文献标识码:A学科分类号:47020高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究肖睿,金保升,周宏仓,黄亚继,仲兆平,章名耀东南大学洁净煤燃烧与发电技术教育部重点实验室,江苏省南京市210096COAL GASIFICATION USING HIGH TEMPERATURE PREHEATED GASIFYINGAGENT INA PRESSURIZED SPOUT-FLUID BEDXIAO Rui, JIN Bao-sheng, ZHOU Hong-cang, HUANG Ya-ji, ZHONG Zhao-ping, ZHANG Ming-yaoEducation Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and Combustion Technology, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, JiangsABSTRACT: High temperature gasifying agent gasification of 1 Epal was performed in a 0.IMw thermal input pressurizedout-fluid. Effects of gasificationessure煤气化技术是未来洁净煤发电技术的基础,如uilibrium ratio. and the ratio of steam to coal on coal整体煤气化联合循环第二代增压流化床联合循坏,gasification behaviors were studied. The experimental results整体煤气化—燃料电池和以煤气化为核心的多联indicated that gasification temperature was the most important产系统等等,国内外研究者对此进行大量的研究工factor influenced coal gasification in the spout-fluid bed gasifie作。依据煤的不同组分和不同转化阶段的反应特The gasification performance was improved at elevated性不同的特点,采用温和的部分气化方式将煤中高pressure due to the better fluidization in the reactor. The effects活性的部分转化成煤气,残余的低活性半焦通过燃of equilbrium ratio, and the ratio of steam to coal on coal烧方式加以利用,从而在总体投资和运行成本降低gasification were realized by changing the reaction temperature,的前提下,达到提高系统碳利用率目的,第二代增nd the two parameters had an optimum operating range forcertain coal gasification process压流化床联合循环发电技术正是基于此。提高气化剂预热温度,可大幅度提高煤气热值,提高燃气透EY WORDS: Thermal power engineering; High temperature平入口温度和燃烧稳定性。随着紧凑蜂窝式陶瓷蓄agent; Coal gasification; Spout-fluid bed; Process热体高温空气预热器等新工艺的开发成功,最近出现了应用该加热器产生的高温空气在卵石气流床反摘要:在热输入0MW的小型加压喷动流化床试验装置上应器内对生物质、动物排泄物和煤气化回的研究进行了高温气化剂煤气化特性的试验研究,考察了气化温报导。喷动流化床气化炉由于存在中心高速射流,度、压力、空气系数和汽煤质量比等工艺参数对高温空气特别适合处理强粘结性煤,此外,该反应器对煤中蒸汽作为气化介质的煤气化行为的影响试验结果表明,在灰含量不敏感,炉温又适宜脱硫剂进行炉内脱硫所研究的工艺参数中,气化温度对高温空气媒气化特性影响因此是高灰、高硫的劣质煤气化较理想的反应器,最为显著。压力对气化性能的影响主要体现在改善流化床气而这些煤在我国储量丰富,与其它流化床气化炉类化炉床内流化质量空气系数及汽媒比的影响从本质上看是似,喷动流化气化炉碳转化率较低,而采用部分通过改变气化反应温度来实现的,对于一个特定的流化床气气化-半焦燃烧的方式正好弥补该缺陷。此前我们研化工艺,空气系数及汽煤比均存在一个适宜的操作区域究了气化剂预热温度对煤部分特性的影响,研究结关键词:热能动力工程;高温气化剂;煤气化;喷动流化床果表中国煤化工℃提高到70℃后工艺参数;加压煤 CNMHG于目前对高温气化基金项目:国家重点基础研究发展规划(2005cB21202)剂煤气化研究甚少,在高温气化剂条件下气化工艺Project Subsidized by the Special Funds for Major State Basic ResearchProjects of China (2005CB221202)参数(如气化温度、压力、空气系数及汽煤比等)匹第23期肖睿等:高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究配与优化尚不清楚,基于此,本研究采用700℃的生成,温度较高时甲烷浓度下降主要是由于生成的高温空气蒸汽作为气化剂对煤流化床气化工艺特甲烷在高温下分解所致。气化温度较低时,虽然对性进行研究,旨在通过对高温气化剂下气化工艺参甲烷的生成有利,但焦炭与气化剂的气化反应变慢数与煤气化行为关系的研究,掌握该新工艺优化运尤其是焦炭与CO2发生的非均相反应是强吸热反行区间,为较大规模气化装置的设计与运行提供指应,温度愈高,愈利于反应的进行,此外,高温也利于水煤气反应的进行,因此随着气化温度的升高2试验部分煤气中CO浓度增加。同时,温度上升,蒸汽分解率也随之增加,H2浓度也有所增加。气化温度的增试验在一台内径为80mm,高4200mm的加压加是以增大入炉空气量,增加炉内燃烧反应程度获喷动流化床装置上进行,试验用煤为徐州烟煤,试得的,继续提高床温后H2浓度降低也与燃烧反应程验装置、试验用煤的煤质特性、试验过程和测试方度加大有关,即部分生成的H2与增加的空气中的氧法参见文献[0]。试验主要工况参数运行区间如表1气发生燃烧反应消耗了H2。图中还显示,温度对所示。需要说明的是,在煤部分气化过程中,由于CO2浓度影响不大,按理,空气量增加会导致生成流化床气化产生的焦油量很少,煤中碳将全部转移cO2增加,但高温下焦炭与CO2反应激增,消耗了到煤气和残余半焦中,如CO、CO2、CH4和半焦包部分CO2括底渣和飞灰)中固定碳,如忽略测量误差,在气化图2表示气化温度对煤气热值的影响。很明显,过程中碳始终是平衡的。如不注明,分析基准为干对于煤气热值来说,气化温度有一个最佳区域,气基,煤气热值为高位热值。煤气的髙、低位热值、化温度最高点并不对应煤气热值的最高点,煤气热干煤气产率和碳转化率可由公式计算得到值最高点在940℃附近。此后尽管气化温度增加,表1试验主要工况参数范围煤气中CO浓度继续增加,但对煤气热值影响最大Tab. I Range of main operating parameters in the的甲烷浓度却在下降,加上H2浓度也在下降,造成煤气热值的降低。如果从热量平衡的角度上分析,化温度气化压力加煤量空气量纛量气《化温度增加,煤气带走的显热和炉体散热量也相MPa应增加,因此要适当增加炉内的燃烧程度以维持系统的热量平衡,但增大到一定程度会造成炉内气化3结果分析与讨论程度的下降,煤气热值也降低。31气化温度的影响在流化床气化温度范围内,气化反应属于反应co控制区,房倚天等研究表明,气化层温度提高P=0.3MPa空气系数0340.4220℃~30℃,气化反应速率相应提高1倍左右,因气化剂预热温度700℃汽煤比=42;H=300m此,气化温度对气化过程的热力学和动力学有决定性的影响。1000在保持气化炉压力、给煤量、蒸汽量、空气蒸汽预热温度和静止床层高度基本稳定的条件下,图1气化温度对煤气成分的影响Fig.I Enect of temperature on gas composition仅改变空气量进行试验,试验中空气系数(ER在44000.34042范围内变化,考察气化温度对煤气成分的影响,如图1所示。由于空气系数直接影响炉内燃烧程度,进而使气化温度发生改变。从图中可以看出,气化温度对煤气成分的影响最主要表明在2个P=0.3MPa;空气系数034042方面:煤气中甲烷随温度的增加下降明显,由880℃中国煤化工时的28%下降到99℃的1.4%;相反CO浓度由CN MHG6O880℃时的83%增加到991℃的13.8%在气化炉压图2气化温度对煤气热值的影响力不高时,流化床煤气化中甲烷主要由煤中挥发分Fig. 2 Effect of temperature on gas heating value中国电机工程学报第25卷图3表示气化温度对碳转化率的影响。图中表内,反应达不到平衡状态,因此反应速率愈快,进明,碳转化率随气化层温度的提高持续增加,由行反应的时间愈长,则愈接近平衡状态。在加压下,880℃C的60%增加到991℃的85%提高气化温度不由于气泡变小,气固接触变好,气体在气化区停留仅提高了气化反应速率,加快了碳与气化剂的气化时间增长,这就相应延长了气化反应的时间,有利反应,而且气化温度的增加是依靠气化剂中空气量于气化反应和蒸汽的分解。另一方面,压力增大,增加使炉内燃烧程度增加的,这两者都会使碳转化反应物浓度增大,进而使气化反应速率增加,也有率提高。利于煤气质量的改善。此外,压力对煤气质量的改总体上看,气化温度对流化床煤气化反应十分善主要发生低压区,压力继续增加,则变化趋于平重要,提髙气化温度对碳转化率有好处,但对于煤缓,此时压力对煤气化的主要作用表现在提高气化气热值,有一个最佳的区间。最适宜的气化温度应强度、增加生产能力和使装置紧凑等方面。从甲烷根据煤的性质,如灰熔点和活性来决定,一般来讲,化反应的角度来看,加压有利于甲烷的生成,但试为确保床内不结焦,气化温度应低于灰熔点一段距验数据显示煤气中甲烷浓度与压力的关系不大,这离,对于活性好的煤,可适当降低气化温度,尤其是因为在气化炉压力较低时,真正由甲烷化反应生对生产燃料气而言,温度较低,有利于甲烷的生成,成的甲烷极少,绝大多数甲烷来自煤中的挥发分,煤气热值较高而压力对挥发分的析出是不利的4图5为压力对煤气热值的影响。由于加压后炉内流动状况改善,气固接触变好,易于气化反应煤气热值相应提高,在压力从0.IMPa增加到03MPa尤为显著,由3743k/m3增加到443kJ/m3,增=03MPa:空气系数0,34042加幅度达187%。0.3MPa以上热值变化不大,煤气汽煤比=042;H=300mm热值仅由444kJ/m3微增至4495kJ/m31000图3气化温度对礅转化率的影响Fig 3 Effect of temperature on carbon conversion32气化炉压力的影响化剂预热温度700℃汽煤比=0.42:H=300mm在进行变压力工况试验时,尽量保持气化剂预热温度、气化层温度和静止床高,由于气化层温度2基本不变,因此空气系数和汽煤比也在试验过程中尽可能控制在很小的范围内波动(在实际操作中很图4压力对煤气成分的影响难做到绝对不变)。图4是在上述试验条件下,气化炉压力从常压到0MPa变化时,煤气成分的变化曲线。图中表明,气化炉压力从0MPa增加到05MPa时,Co浓度增长幅度最大,由97%增加到127%;H2浓度在03MPa时最大,为152%,然后气化淑度940℃;空气系数036;气化剂预热温度700℃下降到05MPa时的144%;甲烷浓度基本保持不汽煤比=042;H=300mm;变,在24%~25%范围内波动;CO2浓度略有下降0.2压力MPa气化炉加压后煤气质量的提高主要原因应是气化炉图5压力对煤气热值的影响内部压力增加后引起了床内流体动力学工况的重大Fig 5 Effect of pressure on gas heating value变化,加压流化床冷态试验研究结果表明,加压流下娃化家加乐所示。图中显示化床运行平稳,流化较均匀,气泡小、形状扁平且压力中国煤化初期非常明显分布均匀,颗粒往复运动均匀,具有明显的上部界碳转CNMHGMPa时的78%,限。如果仅从化学反应平衡的角度来看,压力对再继续增加压力,碳转化率增加幅度很小,在气化反应是不利的,但在实际运行的流化床气化炉05MPa为80%。系统加压后,床内流化状态得到改第23期肖睿等:高温气化剂加压喷动流化末煤气化试验研究善,一方面气化反应得以更深入地进行,另一方面持续降低另一方面的原因是甲烷自身分解所致颗粒的扬析量也大为减少,以上2种因素造成加压图8给出了汽煤比对煤气成分的影响。图中表后飞灰含碳量大大降低,由常压的73%减少到03明,在其它条件不变时,蒸汽量的变化将大大改变MPa时的41%,同时飞灰量也降低。陈寒石等S煤气中各组分的含量。首先是对H2浓度的影响,在报导了将灰熔聚流化床压力从0.8MPa增加到定的范围内,提高入炉蒸汽量可使煤气中H2浓度15MPa时,碳转化率大幅由60%提高到90%,文由11.8%上升至15.8%。因为蒸汽量增加,有利于章中没有给出在压力增加时,其它参数如温度等是气化反应中生成H2的气固水煤气反应和水汽转换否发生了改变,尽管如此,这也说明加压对碳转化反应的进行。但加入的蒸汽过量,会造成未分解的率提高是有效的。彭万旺等对蔚县煤进行了不同蒸汽带出气化炉的显热增加,造成气化温度下降压力下的空气蒸汽流化床气化,结果表明压力从当气化温度下降到一定程度后,会影响到气化反应0.5MPa增加到20MPa,碳转化率从76%小幅增加导致煤气中H2浓度反而下降。对于CO,因为CO到81%对气化温度非常敏感,气化温度越高,CO浓度越高,在其它条件不变情况下,蒸汽量增加后气化温度是下降的,因此CO浓度由13%下降到78%。甲烷浓度随汽煤比的增加而增加可能由以下2方面的因素造成,一方面是气化温度的下降,造成由挥发气化都度940℃:空气系数一036分生成的甲烷热分解减少,另一方面,气化炉内H气化剂预热温度700℃汽煤比=42:H=300mm浓度的增加对甲烷化反应有利,尽管上述反应在没有催化剂的情况下反应较慢。干煤气中CO2浓度增压力MPa图6压力对碳转化率的影响加是由于CO和H2浓度的下降引起其浓度的相对上on conversion升33空气系数和汽煤比的影响在考察空气系数对煤气化反应特性影响时,维持气化炉压力、蒸汽量、给煤量和静止床高不变仅改变入炉空气量,这样气化时汽煤比、压力和静气化剂预热温度700℃H=3oOmr止床高是不变的;相应地,研究汽煤比影响,则只改变入炉蒸汽量,气化炉压力、空气量、给煤量和静止床高不变0.250.300.350450.5空气系数对煤气成分的影响如图7所示。改变图7空气系数对煤气成分的影响空气系数会影响到气化温度,空气系数增加将导致Fig7 Effect of ER on gas composition气化温度的上升。空气系数较低时,虽然炉内还原气氛浓,即炉内碳含量高,此时气化温度较低,气化反应进行得不彻底,煤气中CO和H2浓度较低,P=03MPa;空气系数=36而主要由煤中挥发分生成的甲烷浓度较高。随着空气化剂预热温度700℃H=300mm:气系数增加,炉内燃烧反应程度增加,气化温度显著提高。气化温度提高有利于CO2还原反应和水蒸汽分解反应的进行,因此煤气成分中CO和H2浓度图8汽煤比对煤气成分的影响增加,分别由94%和12.2%增大到125%和152%Fig8 Effect of steam/coal on gas composition继续增加空气系数至0.48,燃烧区会向上延伸,则图10表示了空气系数与汽煤比对煤气过量的空气与煤气中的可燃成分CO、H2及甲烷发热值中国煤化工,空气系数和汽生燃烧反应,导致CO、H2及甲烷浓度都降低,分煤比均CNMHG域内运行,煤气别下降至112%、13.4%和16%,而CO2浓度增加,热值较高。空气系数过低,则气化温度低,过高则由131%升至14.3%。甲烷浓度随空气系数增加而会引起过量的空气与煤气中可燃成分再次燃烧,都中国电机工程学报第25卷对提高煤气的热值不利;蒸汽加入量也一样,在保证一定的气化温度前提下,适量增加蒸汽量可增加产物中H和甲烷的浓度,改善煤气质量,提高煤气热值,但过量的蒸汽加入后,不仅造成蒸汽分解率降低,而且会造成气化温度下降,影响到气化反应气化剂预热温度700℃;的进行。在本试验煤种和工况下,优化的空气系数为035~04,汽煤比为040.5。0.250300.350400450.50空气系数和汽煤比对碳转化率的影响示于图11空气系数对碳转化率的影响l1和图12。两图显示,空气系数和汽煤比对碳转化Fig. 11 Effect of ER on carbon conversion率影响完全不同,空气系数增加,碳转化率从50%左右迅速增加到接近90%,在空气系数达到04后增长幅度减缓;相反,蒸汽量增加后,碳转化率除初始段略有上升外,其余均直线下降,由78%降低卷68Px03MP空气系数056到65%。在给煤量不变时,空气系数增加意味着进气化剂预热度700℃入气化炉空气量的增加,增加的空气将与煤发生燃烧反应,提高炉内燃烧反应速率和气化反应速率而且燃烧反应速率提高得非常快,高出气化反应速图12汽煤比对碳转化率的影响Fig 12 Effect of steam/coal on carbon conversion率几个数量级,气化炉燃烧反应使煤中碳迅速转化成CO2,同时,燃烧反应的加速提升了气化炉的温4结论度,对碳与气化剂的气化反应也是有利的,这2方(1)气化温度对气化主要指标影响明显,在其面的因素造成了碳转化率的迅速增加。蒸汽的作用它条件基本不变时,通过改变空气系数提高气化温则相反,蒸汽量增加后,气化反应增加,而气化反度,煤气成分中H2和CO浓度增加,其中CO浓度应是吸热的,造成了气化炉温度下降,如果蒸汽过增长较快,甲烷含量由于受热分解而降低;碳转化量后,蒸汽带走大量的显热,使气化炉温度继续下率由880℃时的60%增加到991的85%;煤气热降,将直接影响到气化反应,使碳转化率降低。值在940℃左右达到最大;以上变化的主要原因是气化温度提高后,气化反应速率加快,因此气化反应中,在低于灰熔点的前提下,尽可能提高气化温度(2)加压效果的主要体现在改善反应器内气固P=03MPa;汽煤比=042流化的质量和反应物浓度增加二方面,从而影响煤气化剂预热温度700℃H=300mm;气化反应,尤其在03MPa前,效果尤为明显,加0250.300.350400450.50压后,床内气泡变小,分布均匀化,气化剂在床内空气系数图9空气系数对煤气热值的影响停留时间加长,并且反应物浓度增加后反应速率加Fig 9 Effect of ER on gas heating value快,这些均造成煤气品质的改善。但在试验压力范围内(低压),甲烷浓度变化并不明显(3)对于高温空气蒸汽流化床气化反应体系,空气系数和汽煤比对气化指标的影响本质上是通过了拦一改变气化层温度来实现。在较高的空气系数下,气化炉反应温度明显提高,有利于气化反应的进行曾P=03MPat空气系数0.36气化剂预热温度700℃;但如中国煤化工分额增加,煤气可H=nmr燃组CNMH<汽煤比,对煤气汽煤比图10汽煤比对煤气热值的影响中H2和甲烷的含量提高有利,但进一步增加汽煤Fig. 10 Effect of steam/coal on gas heating value比,会造成床温下降,CO浓度和碳转化率急剧下第23期睿等:高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究105降,煤气热值反而大幅度降低。因此空气系数和汽mperature air[J]. Energy, 2005, 30(2-4): 399-413煤比均存在一个适宜的区间,优化空气系数和汽煤0前,金保升,周仓气化剂预热翻度对加压喷动流化床比对煤气化炉的操作意义重大。Xiao Rui, Jin Baosheng, Zhou Hongcang et al. Effect of gasifying ager参考文献heated temperature on partial gasification of coal in a pressurizedspout-fluid bed [J]. Processings of the CSEE, 2005, 25(22): 109-113刘武标,刘德昌,米铁,等.流化床水煤气炉飞灰反应性的实验研l肖睿,金保升,熊源泉,等,第二代增压流化床煤部分气化炉单元究,中国电机工程学报,2003,23(9):180-192.中间试验研究.东南大学学报,2005,35(1):2428Liu Wubiao, Liu Dechang, Mi Tie et al. Experimental research orXiao Rui, Jin Baosheng, Xiong Yuanquum et al. Experimental studyreactivity of fly ash from a fludized bed water gasifier). Processingson a pilot-scale second generation pressurized fluidized bed coalof the CSeE,2003,23(9):189192gasifier[J]. 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