气化参数对固定床煤高温空气气化的影响

第30卷第4期东北大学学报(自然科学版)Vol. 30,No.42009年4月.Jourmal of Northeastern University( Natural Science)Apr.2009 .气化参数对固定床煤高温空气气化的影响王连勇，蔡九菊，李明杰，赵子忠(东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳10004)摘要:在内径为0.2 m的固定床气化炉试验装置上进行了煤高温空气气化试验研究,考察了气化实际供给的空气量与煤完全燃烧理论所需的空气量之比(a)气化消耗的蒸汽的物质的量与煤中碳的物质的量之比(n/n2)空气预热温度等工艺参数对高温空气/蒸汽作为气化剂的煤气化指标的影响.结果表明,a和n。/n。对气化指标的影响本质上是通过改变气化温度来实现的;a和n,/nc的最佳值分别为0.23 -0.25和0.37~0.45;在工艺条件允许的范围内,空气预热温度越高对气化过程越有利。关键词:高温空气气化;固定床;气化参数;气化指标中图分类号: TQ 546.2文献标识码: A文章编号: 1005-3026(2009)04-0578-04Impact of Gasification Parameters on Coal Gasification inFixed Bed with High Temperature AirWANG Lian-yong, CAI Jiu-ju, LI Ming-jie , ZHAO Zi zhong(School of Materals & Metallungy, Northeasterm University, Shenyang 1000 China. Crrespondent: WANGLian-yong, E mail: wangly @ smm. neu. edu. cn)Abstract: High- temperature air gasifcation of coal was experimentally investigated in a fixed bedgasifier with ID 0.2 m. The effects of processarameters, such as the ratio of air actuallysupplied to that required thereically for complete combustion in gasification process (a), theratioof steam to carbon in coal (n。/ne) and air pre heating temperature, on gasificationperformance indices to which the high-temperature air/steam is used as gasifying agent werestudied The results showed that the effectsof a and n:/nc on c∞oal gasification perlormanceindices are realized esentially by changing the gasification temperature. The value of a and ng/ncshould be controlled in the optimal range from 0. 23 to 0.25 and from0. 37 to 0.45, respectively.Under the permitted technological conditions, the higher the air pre heating temperature, thebetter the gasification process of coal.Key words: high temperature air gasification; fixed bed; gasification parameter; gasificationperformance高温空气气化技术(high temperature airIGCC系统[6-7] ,有效地提高了煤气热值和系统热gasification, HTAG)是在结合传统气化技术与高效率,而我国在这方面的研究及应用尚处于起步阶温空气燃烧技术的基础上于20世纪90年代发展段18-11].起来的能源利用领域的新技术[1-5].它采用在实际运行的固定床气化炉中,可控制的参1000C以上的高温预热空气对固体燃料进行气数主要是空气量、空气温度蒸汽量和给煤量,通化,以获得热值较高的燃气.高温空气气化技术具过改变空气、蒸汽和煤之间的比例关系及空气预有设备结构简单紧凑、操作灵活、气化效率及系统热温度,可以调节气化层温度,改变气化反应进热效率高、经济性好等特点,是一项值得推广应用程,进而影响煤气成分、煤气热值、气化效率碳转的新气化技术.目前,日本、德国等国家已经将高化率等气化指标.因此,考察a,ng/nc及空气预温空气气化技术与IGCC相结合形成了MEET-热温度对煤高温空气气化反应的影响,对于优化收稿日期: 2008-05-20基金项目:国家自然科学基金康大研究计划项目(90210028).作者简介:王连勇(1976- ).男,山东德州人,东北大学讲师,博t;蔡九菊(1948 - ),男，辽宁锦州人,东北大学教授,博士生导师.第4期王连勇等:气化参数对固定床煤高温空气气化的影响579固定床气化炉运行工况，以及大规模气化装置的化炉采用自行设计的固定床气化炉，其内径为设计和运行均具指导意义.0.2 m,炉膛净高为2 m.全炉设有气化剂进口、.灰渣区、氧化区、还原区、千馏区、干燥区、空区1试验装置与方法及煤气出口8个测温点，通过热电偶测量各点温煤高温空气气化实验系统如图1所示.煤气度.10 1112 133456罚广2--0[71一()煤高温空气气化实验系统示意图Fig. 1 Schematic of experimental setup of high-temperature air gasification of coal1- 鼓风机;2-转子流量计:3一 储水箱:4-蒸汽发生器:5- -体重称; 6- -空气加热器;7-媒气化炉;8-旋风除尘器;9 -冷凝器; 10- 过滤器; 11-煤气表; 12- -烧嘴; 13-取气口.空气加热系统中,空气由鼓风机提供,其流量量可调,蒸汽为140 C时,最大流量为25 kg/h.蒸通过安装在风机进口和出口的调节蝶阀进行调节，汽的流量通过体重称称量蒸汽发生器的失重获得。调节范围为10~ 100 m3.空气经转子流量计计量燃气净化系统主要除去煤气中的粉尘和焦油.后,进入空气加热器中进行加热,加热后的高温空净化后的煤气经煤气表计量后,在取样口处由集气与来自蒸汽发生系统的蒸汽作为气化剂进入气气袋取样,最后在系统尾部的烧嘴处燃烧.煤气成化炉.空气加热器采用硅炭棒加热,其功率在0~分采用美国安捷伦公 司生产的Agilent 6890N型36 kW内可调,进而实现对空气预热温度的调节。气相色谱 仪进行分析.蒸汽发生系统中,水由储水箱进人蒸汽发生试验原料为山西大同煤,粒度为13~ 26 mm,器,经电加热后产生饱和蒸汽，蒸汽与高温空气混低位发热量为27.215 MJ/kg,其工业分析及元素合进入气化炉.蒸汽发生器产生的蒸汽温度和流分析成分见表1.表1大同煤的工业分析和元素分析(质分数)Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal from Datong Mine工业分析(空气干燥基)元素分析(空气干燥基)水分灰分挥发分固定碳_C_Ns4.4813. 6529.3452.5368.934.187.220.940.6发分生成的CH的体积分数较大.随着a的增2结果与讨论加,炉内燃烧反应程度增加，气化温度升高,加快2.1 a 对气化指标的影响了CO2的还原反应和水蒸气的分解反应;因此煤试验时,保持料层高度(1850 mm)、煤样粒度气中CO和H2的体积分数增加，分别由19.18%(13~ 26 mm)、空气预热温度(700 C)、n,/ne和10.21%增加到27.31%和13.48%;当a=(0.42)不变,通过改变空气量和给煤量,使a在0.28时,过量的空气与煤气中的可燃成分CO,H20.20到0.28范围内变化,结果如图2所示.由图及CH4发生燃烧反应,导致C0,H2及CH4的体2a可知,当a较小时,气化反应进行得不彻底,煤积分数减小，而0O2的体积分数增加，由2.73%气中00和H的体积分数较小，而主要由煤中挥增加至4.89%。CH4的体积分数随a的增加持580东北大学学报(自然科学版)第30卷续降低的另一个原因是CH4在高温下自身分解所以，气化时应综合考虑各种因素来确定具体的所致.由图2b和图2c可知,随着a的增加，碳转a值.在本试验工况下,a的最佳值为0.23~化率增加,但煤气热值和气化效率存在最佳区间;0.25.70厂6.0(网10(5.6-官5.2●-碳转化率4.464.0.6L0.20 0.22 0.24 0.26 0.28图2 a对煤气成分、煤气热值及气化效率和碳化转化率的影响Fig.2 Efet of a on gas composition, gas heating value, gasitication fficiency and carbon conversion rate2.2 ns/nc 对气化指标的影响降，因此CO的体积分数降低,由21.25%下降到n,/ne值取决于运行参数.试验时,保持料层17.02%. CH4的体积分数随着n。/ne的增加而高度(1 850 mm)、煤样粒度(13~26 mm)、空气预略有增加则是因为气化温度的下降造成由挥发分热温度(700 C )、a(0.24)不变,通过改变蒸汽量生成的CH4自身分解减少,同时,炉内H2体积分和给煤量,使ng/n.在0.15到0.57范围内变化，数的增加对CH4化反应有利.0O2的体积分数先结果如图3所示，图3a表明,在一定范围内,提降低后升高是由于Co和H2的体积分数变化引高人炉蒸汽量可使煤气中H2的体积分数由起其体积分数的相对变化。 由图3b和图3c 知，7.52%上升至10.97%.因为蒸汽量增加,有利于随着 n。/nc的增加,碳转化率减小,这主要是因为气化反应中生成H2的水煤气反应的进行;但加随着人炉蒸汽量增加,由未分解蒸汽带走的显热人的蒸汽过量,会造成未分解的蒸汽带出气化炉增加，使气化炉温度下降,直接影响到气化反应,的显热增加,造成气化温度下降,水蒸气分解率降使 碳转化率降低.但煤气热值和气化效率存在最低.当气化温度下降到一-定程度后,会影响气化佳区间,在本试验煤种和工况下，n。/n。的最佳值反应，导致煤气中H2的体积分数反而下降;在其为0.37~0.45.他条件不变的情况下,蒸汽量增加后气化温度下7000(0)60.580还40}a 300}●一碳转化率2(1).1 0.2 0.3，0.4 0.5 0.60.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.).1 0.2 03 0.4 0.5 0.6圈3 n,/n。对煤气成分、煤气热值及气化效率和碳转化率的影响Fig.3 Effect of n。/nc on gas composition,gas heating value, gasification eficiency and carbon conversion rate2.3 空气预热温度对气化指标的影响积分数分别从60.95%和6.15%减小到53.42%在保持料层高度(1 850 mm)、煤样粒度(13~和3.12% .空气预热温度提高后a下降及煤气质26 mm)、气化温度(1100 C)、n。/ne(0.42)的条量提高的原因应是，在保持气化温度不变的条件件下,空气预热温度对a和气化指标的影响如图下,随着空气预热温度的提高,气化剂带入炉内的4所示.由图4a可知,随着空气预热温度的提高，物理热增加,从而减少了空气消耗量,使a下降,a下降,由500七时的0.28下降到800 C时的但蒸汽分解率增加，因而煤气中H2的体积分数0.21.由图4b可知，空气预热温度从500 C增加增加;同时,高温气化剂带人的物理热部分代替了到800C时,煤气中C0和H2的体积分数分别从煤的燃烧放热，减少了煤燃烧部分在气化过程中24.52%和7.35%增大到29.18%和12.87%;的份额,从而减少了煤气中不可燃成分N2和COrCH4的体积分数基本保持不变;N2和CO2的体的体积分数,增加了可燃成分00的体积分数.因