循环流化床常压煤气化的初步试验研究

第29卷第5期煤炭学报Vol.29 No. 52004年10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct.2004文章编号0253 - 9993( 2004 )05 -0598 -04循环流化床常压煤气化的初步试验研究那永洁,张荣光,吕清刚,王东宇(中国科学院工程热物理研究所,北京100080 )摘要:建立了一套常压热态循环流化床煤气化试验台,采用神华煤进行了初步的试验研究.结果表明,试验台可长时间稳定运行,碳转化率和冷煤气效率分别可达到96. 9%和60.5% , 但存在高温结渣和飞灰碳 损失高等问题.关键词:循环流化床;煤气化;试验中图分类号: TQ541 ; TQ534文献标识码: APrimary experiments on gasification on an atmospheric circulating fluidized bedNA Yong-jie ,ZHANG Rong guang , L0 Qing-gang , W ANG Dong-yu( Institute of Engineering Thermophysics , Chinese Academy of Sciences , Bejing 100080 , China )Abstract : A circulating fluidized bed gasification test rig ( CFBR100 ) was built and some primary experiments onShenhua coal gasification at atmospheric pressure were made. The tests were run stably and carbon conversion andgasification efficiency could be attained 96. 9 % and 60. 5 % , respectively. But there were problems ,e. g. clinkerand the high carbon losses in fly ash. .Key words : circulating fluidized bed ; coal gasification ; experiment我国是以煤炭为主要能源的国家,发展洁净煤技术具有紧迫性和重要性.煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一,是许多能源高新技术的关键技术和重要环节.虽 然煤气化技术的工业化应用已有100多年的历史,但现在仍然有必要开发面向更严格环境保护要求的新的高效煤气化技术1已工业化应用的煤气化技术中既有采用固定床,也有采用流化床或气流床煤气炉[2-4].与鼓泡流化床相比,循环流化床具有单位容积生产能力大、颗粒停留时间长、容易实现大型化等特点,用于燃煤锅炉已进入了大规模商业应用阶段,由此推测,循环流化床可以为煤气化技术的发展提供- -个新的研究方向、中国科学院山西煤炭化学研究所、德国Lurgi公司、瑞典Studsvik能源公司、美国HRI和Foster Wheeler 公司先后进行了循环流化床的煤气化研究5-13].2002 年,中国科学院工程热物理研究所承担了国家高技术研究发展计划( 863计划)"循环流化床加压煤气化” 的课题.按照课题要求 ,在第 1阶段先进行 常压条件下的试验研究. 为此,建成了循环流化床常压煤气化热态试验系统CFBR100,并采用神华煤完成了初步的气化试验研究.1 CFBR100 热态试验台中国煤化工CFBR100热态试验台如图1所示,由循环流化床煤气化:MH.CNMH(二且成.(1)循环流化床煤气化炉由提升管、旋风炉、下降昌怕必十甜于出成I土邵采用高温合金制造,收稿日期: 2003-12-01基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863计划)项目( 2002AA529210 )作者简介:那永洁( 1961- ),男,福建南平人,研究员. Tel : 010 - 82671749 , E - mail : nayongjie@ efb. etp. ac. cn第5期那永洁等:循环流化床常压煤气化的初步试验研究599无内衬,外壁用硅酸铝纤维包裹,没有附设加热装置.提升管内径为100mm,从布风板到提升管顶部的总高度为3000mm.旋风炉的形状与普通旋风除告尘器相似,从旋风炉底部排出的循环物料依次通过管7洗涤水箱垂直下降管和U型返料器,全部返回提升管.为了某斗飞灰防止在返料器中出现高温而使循环物料黏结，采用氮气作为U型返料器的流化风。沿提升管高度(包括风室)布置了4个温度测点和2组压力测点，旋风炉的入口和出口分别设有温度和压力测点底渣(2)辅助设备 气化剂由空气、氧气和水蒸气组成,经电炉预热到约200C后由提升管底部的风图1 CFBR100热态试验台系统室供入、空气由空气压缩机提供，氧气和氮气由气Fig. 1 The CFBR100 experimental apparatus瓶供给,水蒸气由电炉加热给水产生;煤由螺旋给1-螺旋给料机 ;2-间接冷却器 ;3一煤气成分分析仪 ;4一氮气瓶;料机通过斜管加入提升管,斜管采用水冷套管结构,5一氧气瓶;6一 -液化石油气瓶 ;向斜管通入少量空气作为载气.从旋风炉排气管流7-水瓶;8- 空 气压缩机;出的煤气首先进入管式间接水冷却器冷却,然后进9--加热电炉入水箱洗涤，飞灰也在水箱中被捕集.水箱出口管段上设有热电偶、流量表和煤气成分取样头.煤气中CO, CO2 , H,和CH4的浓度采用德国Sick-maihak公司生产的分析仪进行在线实时分析.温度、压力、煤的螺旋给料机的电机频率、煤气成分及流量的测量与分析结果均由计算机实时采集、显示和记录.2试验 过程和试验结果及分析( 1 )煤气化试验所用煤的性质 试验采用神华煤,其煤质分析和粒度分布结果见表1和图2.表1神华煤的煤质及灰成分分析Table 1 Proximate , ultimate and ash composition analyses of Shenhua coal元素分析/%工业分析/%Qmet ar灰的熔融性/CGrL(C.) u(HJ) u(O。) u(S) u( Nu)MadA Vau FC. /MJ. kg-1 DFr68. 83. 56.11. 080.406. 888.53 27. 6056. 99.25. 87.108011901210灰成分分析/%u(SiO2) u( Al203) u( Fe203) u( CaO)u( MgO)u( SO3)u( TO2 )u( K20)u( Na20)u( P203 )25.3210.7722. 1126. 640.959. 060.690. 491. 750.02(2)试验过程试验前将3.5kg小于1mm的石英100砂作为基本床料加入提升管内，然后通入空气及返料80风，打开气化剂加热电炉;随后点燃液化石油气,加热煤气化炉及提升管内的物料;当提升管底部温度达到中国煤化工析400 C时,开始少量、断续加煤，当煤开始稳定燃烧后关闭液化石油气;调整空气和给煤速率,逐步提高提升MHCNMHG0L上上1业上⊥山1.0010.00管底部温度到800C左右;改变气化剂流量和煤的加入0.010.10粒度/mm速率逐步转换到气化状态;当提升管温度、煤气组成在10 min内变化幅度很小时,即认为达到稳定状态,作为图2神华煤粒 度的分布曲线一个试验工况.试验过程中不排底渣,试验完成后取得Fig. 2 Size distribution of Shenhua coal600煤炭学报2004年第29卷底渣、、飞灰和水箱洗涤 水等样品进行分析.(3)试验过程的温度变化及分布图3为-次试验过程中记录的提升管底部、中部、顶部及旋风炉出口温度的变化曲线,图4为煤气浓度变化曲线、可以看出,温度比较平稳,煤气组成也比较稳定.但提升管上下的温度分布并不均匀,提升管顶部和旋风炉出口的温度明显偏低,这显然不利于提高气化效率.可能的原因包括散热量大、流化速度偏低、循环灰浓度偏低、焦碳的气化反应速率偏低等.1 1002:900只70015笛500- -提升管底部塔1一古一合合一一合一一合一0*提升管中部300+旋风炉出口.5-0-CH -口一CO2100时间图3温度记录 曲线.图4煤气组成记录曲线Fig. 3 Gasifier temperaturesFig. 4 Gas composition(4)初步的试验结果(表2)试验表2试验 条件和结果结果表明,加煤速率、氧煤比和蒸汽煤比Table 2 Experiment conditions and results对气化指标有显著影响.神华煤气化时的项目工况1工况2 工况3 工况4 工况 5碳转化率最高可达96.9%，冷煤气效率煤加入量/kg: h-'5. 445.77 5. 375. 285.7560.5%.美国Foster Wheeler公司"1用褐氧与煤之比/m3. kg-10.90 1.04 1.12 0. 870.89.煤( Vau=44.5% )气化时碳转化率为蒸汽与煤之比kg* kg~0.52 0. 400.330.2195%~98%,而用烟煤(Var=22%~截面气化强度/kg° ( m2. h)-169367241.8% )时则为48% ~ 75%.以相同变容积气化强度/kg: (m3. h)-'231245228224244干煤气产率/m3. kg-13.193.463.613.223.09质程度煤作比较,本试验的碳转化率与德煤气组成/%国Lurgi公司的试验结果131相当,但Lur-4( CO)18.44 18.95 18.88 15.76 20.804( CO2 )9.77 14.50 14.83 12.56 11.23gi公司采用空气作气化剂时的煤气组成中4(H2)8.82 15.35 13. 98 12.03 12. 16有效成分含量高于表2的结果.中国科学4CH4)0.76 0.81 0.810.90 0.71院山西煤炭化学研究所在直径57 mmx高4(N2)62.21 50.39 51.50 58.75 55. 823710mm的试验装置(带电加热)上也冷煤气热值/kJ m-337564673448938834369用神华煤做了煤气化试验7](950C，气冷煤气气化效率/%44.860.4 60.5 46. 850.4碳转化率/%72.092.296.973.377.0化剂为CO2 +02,其中(02) =30% ),提升管底部温度/C86587904892883当气化强度为490 kg/ ( m’，h)时,碳提升管中部温度/C84856885871878转化率为90% ,冷煤气效率为63. 35%，提升管顶部温度/C128436176旋风炉出口温度/C688728731 696737与此相比,表2所示的气化强度和碳转化提升管底部气化剂表观速度/m" s-1.852.42 2.32 2. 082.00率较高,而冷煤气效率稍低.与煤炭科学提升管顶部煤气表观速度/m;2.56.3.323.162.752.63研究总院北京煤化工分院采用灰熔聚排渣中国煤化工的加压流化床试验结果4]相比,表2所示的煤气中有效成分MH. CNMHG高(5)煤气中焦油及酚的含量 从旋风炉出来的粗煤气先经过一个间接水冷却器冷却,然后进入水箱洗涤,煤气中的焦油可能存在于间接冷却器壁面及水箱的洗涤水中.根据观察,间接冷却器壁面上没有焦油等附着物.对水箱中的洗涤水样品进行了焦油和酚含量的分析.送往国家环境分析测试中心分析的2个样品分别采自水箱的上表面及中部,其矿物油分析结果分别为1. 33和0.99 mg/L,以此推算,煤气中的第5期那永洁等:循环流化床常压煤气化的初步试验研究601矿物油含量约为0.3mg/m3;同样的样品还送到煤炭科学研究总院北京煤化工分院,分析结果没有检出焦油,说明煤气中焦油含量极低.因为在整个循环流化床煤气化炉中没有低温区,即使产生一些焦油也能够被比较彻底地裂解.(6)结渣问题 采用神华煤试验时,当提升管底部温度高于930 C时(比变形温度低150 C ),极易发生结渣.采用大同煤试验时, 提升管底部温度高于950 C时(比变形温度低200 C )也容易发生结渣.同时发现当改变试验工况时,如果操作条件在短时间内变化较大,也容易在提升管底部产生局部高温而结渣.结渣限制了进一步提高煤气化的试验温度.目 前尚无法肯定,是否可以通过改变试验条件(比如气化剂成分、表观速度等)提高发生结渣的温度,这是今后的试验内容之一.(7)存在的其它问题在CFBR100热态试验台的试验中，飞灰碳损失比较高.对工况5时在间接冷却器底部和洗涤水箱中取得的飞灰进行粒度分析,其筛上质量累计50%对应的切割粒度分别为50和7μm,说明旋风炉的气固分离效率不高.对洗涤水箱中取得的飞灰进行分析，结果表明其含碳量较高(53. 54% ),甚至还含有挥发分( Vu=11.73% ),说明气化反应速率不高或者煤在炉内停留时间不足,这也是今后试验的重点之- -.3结语建立了常压循环流化床煤气化热态试验台CFBR100 ,完成了初步的煤气化试验,取得了许多试验数据和操作运行经验,为下-步常压和加压循环流化床煤气化试验提供了依据;实现了循环流化床煤气化系.统长时间稳定运行;在900 C的煤气化温度条件下,实现的碳转化率为88%、冷煤气效率为55% ;在试验中遇到了结渣和飞灰碳损失高等问题,将在今后的试验中寻求原因及解决方法.参考文献:[1 ] Gary J Stiegel , Rusell C Maxwell. 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