煤气化特性分析

节能科技JIENENGKEJI煤气化特性分析王俊琪,方梦祥2(1.南京工业职业技术学院,南京210023;2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州310027)摘要:煤的分级转化技术不仅可以实现煤炭资源的髙效利用,还可以有效解决煤燃烧过程中的环境污染问题。文中基于煤的分级转化,在小型流化床煤气化试验台上研究了富氧条件下汽煤比、氧煤比对床层温度、煤气成分、煤气热值等参数的影响,并与富氧气化的结果进行对比分析,研究表明随着汽煤比的增加,煤气中CO和H2的含量显著增加;随着氧煤比的增加煤气的热值显著提高;在富氧/水蒸气条件下产生的煤气的热值远高于富氧条件下产生的煤气的热值关键词:煤气热值;部分气化;煤气成分;流化床中图分类号:TK123文献标志码B文章编号:1001-5523(2016)01-0044-03煤是一种含有多种成分组成的有机混合矿物,它的国内对煤部分气化的研究多以热重分析为主,而在中小低活性组分反应特性决定了气化过程必须采用型试验装置上研究的相对较少。本文以空气、氧气、水蒸气的高温、高压和长停留时间,这会造成生产成本上混合物作为气化介质,在小型流化床试验装置中研究了汽煤升。若根据煤的不同组分和不同阶段的反应特性,实施煤热比、氧煤比等因素对流化床气化过程的影响,并与空气气化解、气化和燃烧分级转化,则可使煤气化技术简化和降低成的数据进行对比,得出了在不同空气、氧气、水蒸气条件下的本,并可以用最经济的方法解决煤中污染物的脱出问题。无烟煤的气化特性。国内外很多学者已经对煤部分气化进行了大量的相关研究陈朝芬等采用高温加压热重分析仪分析了不同半焦1实验在不同压力下的CO2气化特性,并计算气化反应动力学参实验在自制的小型循环流化床实验装置上进行,实验系数;蒋海波等叫利用小型电加热鼓泡流化床对四种劣质煤进统图如图1所示。实验装置由气体预热系统流化床反应器行空气气化试验试验表明随着温度的升高,各煤种气化得本体、给料系统、返料系统、气周分离系统、半焦和渣取样系到的冷煤气的热值、产气率冷煤气效率和碳转化率都有一统等部分组成。实验台选用管径为d89×6mm耐1035℃C定程度的增加;苑卫军等“在固定床气化炉上研究了大气压、高温的不锈钢管作为反应器。反应器高度为2.8m,循环物料炉底鼓风压力等对气化剂中水蒸气供给的影响;徐春霞等同入口在布风板上04m处,溢流口在布风板上035m处,上在热天平上研究了三种煤焦与水蒸汽、CO2及二者不同配比给料装置位于布风板上06m处,下给料机位于布风板上混合气体的气化特性结果表明:气化反应温度越高,煤焦的0.6m处主要围干添加石故气化反应性越好,气化剂配比中水蒸气的含量越高煤焦的中国煤化工实验中偶沿流化床反应CNMHG反应性越好。器主体布置在到圆柱型反应器44|础寞到周6年节能科技lENENGKEJI筒体的中央。此外,在返料系统、气固分离系统和气体预热系粒径为09~16mm左右。统也均布置有热电偶。实验采用玻璃转子流量计计量空气和氧气的流量采用测量通过蒸汽发生器的水量来确定进入反2实验结果分析应器的蒸汽量,空气氧气与水蒸气三种不同介质的混合在21汽媒比对气化结果的影响预热器中完成,预热系统中装有螺旋装置,一方面使空气、氧采用太原无烟煤作为试验煤种时,空气量为3Nm/h,氧气和水蒸气混合更加均匀,另一方面可以使空气氧气水蒸气量为15Nm/时,随着汽煤比例的上升,床层运行温度略气的混合气体达到较高的温度从而有利于反应的进行。给微降低,而煤气中H和CO的含量则上升明显,CH的含量煤量是通过对螺旋给料机的标定来确定的;煤气的取样口位有所降低,煤气热值略有降低。原因是随着水蒸气的增加,加于系统的二级分离器后采用气相色谱仪和红外气体分析仪快了水煤气反应的进行速度,造成煤气中CO和H2的含量分析煤气的成分。增加,提高了碳的转化率,但由于水蒸气分解时会吸收热量,造成反应器床层温度有所降低,甲烷的含量略有降低,所以下下,m…,在实际工业生产中汽煤比的选择应根据煤气成分和煤气产率等因素综合考虑。此外研究还发现阿,当水蒸气浓度较小军军时,反应速度与浓度呈线性关系,当浓度增大到一定程度时密相区温度◆出口温度去火妇650图1小型流化床煤气化实验装置.50.60.70.809实验开始时,先在流化床反应器内放入一定量合适粒径汽煤比/kg·kg的石英砂作为床料,然后开启电加热对炉体进行加热,同时图2汽煤比对运行温度的影响开启罗茨风机和空气预热系统,对进入反应器的空气进行预热,当反应器温度上升至600℃以上时,开启给煤机。当床层温度升高至90℃时,打开蒸汽发生器,并通过控制进入蒸汽发生器的水量控制蒸汽量。空气、氧气和水蒸气的混合气体通过气体预热装置使其温度升高至400~500℃,通过控制水量、空气量、给煤量,使系统稳定运行,待系统稳定运行半小时之后开始进行取样测试实验选用太原无烟煤和兖州烟煤,其工业分析和元素分汽煤比/kg:kg析见表1。实验用煤颗粒粒径为0.9~1.6mm。床料石英砂的图3汽煤比对煤气成分的影响表1煤样的工业分析和元素分析工业分析/%发热量元素分析/%样品wkj兖州烟煤1.7625.0928.5844.57中国煤化工6.55CNMHG太原无烟煤4.7220.636.6967.962560606.1期·能ESEARCH节能科技IENENGKEJI反应速度与浓度基本无关。因此适量增加水蒸气的浓度,率增加;另外随着氧/煤比的增加,参与燃烧的份额也有所方面可以提高气化反应速率,加快水煤气反应的进行;另一加大,煤气中CO2的含量会有所增加。由于实验时气化的温方面也可以通过改变床温来改变气化的结果,随着蒸汽量的度较低N2所占的比例比较大,影响了煤气成分,所以CO、提高,CO、H2的含量明显增加。随着汽煤比例的增加,煤气H2呈现下降趋势。空气/氧气/水蒸气气氛氧煤比对煤气成的热值变化不大。但和空气/水蒸气气化相比较而言煤气分的影响见图4,氧煤比对煤气热值的影响见图5的热值则明显提高汽煤比对运行温度的影响见图2,汽煤比23富氧条件下气化结果对煤气成分的影响见图3。在同一试验装置上进行的单纯富氧条件下的气化结果22氧煤比对气化结果的影响显示,单纯富氧条件下产生的煤气的热值在3~5MJ/Nm3之在保持蒸汽量、空气量和床层压降三者不变的情况下,间,而本试验所产生的煤气的热值在10~17M/Nm3之间,适当增加氧煤比,煤参加燃烧的份额增大,炉膛温度明显升由此可见,由于水蒸气的加入,极大的促进了气化反应的进高,在纯氧/水蒸气气氛下的运行温度明显高于空气/氧气行,使煤气的热值远高于无水蒸气条件下富氧气化所产生的水蒸气气氛下的温度,温度升高进一步促进了碳与二氧化煤气的热值。碳的反应和水煤气反应的进行,使得CO和H2含量进一步增加CO2的含量减少。而采用纯氧/水蒸气气化时,由于不3结语存在氮气的影响,造成煤气热值明显的升高,远高于空气/1)随着蒸汽/煤比例的增加,产生的煤气中CO和H2水蒸气气氛下的热值。在实际的工业化运行中应综合考虑氧的含量明显增加CH的含量有所降低,煤气的热值总体变煤比对气化结果的各方面影响。氧/煤比对煤气化过程存在化不大。2)在保持氧气量和床层温度不变的情况下,随着氧/煤比的增加,CO和H2含量增加明显,煤气的热值显著增加。3)与同等条件下的空气/氧气气化相比,由于水蒸气尔的加入,进一步促进了水煤气反应,煤气的热值增加也非常明显4)煤的部分气化与完全气化的温克勒炉相比,温克勒炉的碳转化率为80%。虽然进行小型流化床部分气化实验的420.440.460.480.50.520.540.560.580.6碳转化率只有40%~70%,但可以将其余的碳通过燃烧加以氧煤比/Nm3kg图4空气/氧气/水蒸汽气氛氧煤比对煤气成分的影响利用,而且可以通过改变操作条件获得一定的碳转化率。[1] Octave L Chemical Reaction Engineering [M]. New York: John Wi-ley&Sons, Inc, 1974.凹2]陈朝芬,孙路石,许政,等淮南煤焦在不同压力下co2气化反应性J]煤一纯氧/水蒸汽时煤气热值-富氧/水蒸汽时煤气热值炭学报,201237(12):2097-2101图3]蒋海波,朱治平,王月,等流化床煤气化试验研究化学工程]20144(8):6064.4苑卫军李建胜秦利生等气化剂中水蒸气供给量影响分析[煤化工0450.50.5506氧煤比/Nm3·kg2009,(5):60-62图5氧煤比对煤气热值的影响阿S]徐春霞,徐振刚,步学朋等.煤焦与水蒸气及CO2共气化反应性研究[J煤炭学报,2009,34(7):952-956两个影响因素,一是随着氧/煤比的增加,产气率和燃烧温重庆建筑工程中国煤化工国建筑工业出版社度增加,CO2还原反应和焦油的二次裂解进一步得到加强CNMHG增加了煤气中CO和H2的含量使煤气热值升高碳的转化收稿日期:2015-10-18究与利用2016年第1期