气流床气化炉内气体浓度的分布规律

第15卷第1期燃烧科学与技术Vol.15 No, 12009年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb.2009气流床气化炉内气体浓度的分布规律牛苗任，王增莹，张志文，梁钦锋，于广锁，王辅臣，于遵宏(华东理I大学洁净煤技术研究所,上海200237)摘要: 常压条件下,在两喷嘴对置热模试验平台上,对含碳化合物(柴油)的气化过程进行了试验研究.在不同的氧油比条件下,用水冷不锈钢取样探头在炉内3个轴向位置和合成气出口位置取样,气体经预处理系统后,用质谱仪分析主要气体(O2、CO2 ,CO、H,和CH,)的体积分数.研究了不同试验条件下的气化炉升温过程,以及稳定工况下气化炉内不同径向位置气体分布规律.结果表明,喷嘴平面附近,升温速率以1000C为界限，明显地分为两个线性区,CH。体积分数可作为指示气化炉温度的指标.最佳氧油比为0. 90- 1. 20 m'/kg左右关键词:气化;气流床气化炉;气体浓度分布中图分类号: TQ546. 2文献标志码: A文章编号: 1006-8740(2009)01 0066080Gas Concentration Distribution in an Entrained-Flow GasifierNIU Miao-ren, WANG Zeng-ying, ZHANG Zhi-wen, LIANG Qin-feng,YU Guang-suo, WANG Fu-chen, YU Zun-hong(Institute of Clean Coal Technology , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract: On a laboratory-scale testig platform of impinging entrained-low gasifier with two opposed bumers, the detailedmeasurements of gas concentration distribution have been performned for carbonaceous compound ( diesel oil) under atmo8-pherie pressure. At diferent O/fuel ratios, gas samples are cllcted at three axial positions and the syngas exit positionwith stainless steel water. cooled probes, and the concentrations of the major gase (O2, CO2, co, H2 and CH4) are analyzed with a mass sectrometry. Both the heating-up process and the distribution law at different radial positions under astable operaing state are studied. The results clearly ilustrate that 1 000 C is the threbhold temperature of heating-upprocess near the bumer plane, and that the methane content in the syngas is the best indicator for monitoring the tempera-ture of a gasifier. The optimal 02/fuel ratio is about 0. 90- -1. 20 m/kg. These data are used to clarify the mixing and reaction characteristics within the reactor, to give an insight into the combustion process and to provide a database for evalua-ting predictive mathematical models.Keywords: gasification; entrained-low gasifier; gas concentration distribution.撞击流基本构思是使两股气体.颗粒或滴沥两相研究和应用['4).大型四喷嘴对置冷模装置的测试结流沿同轴相向流动撞击.由于惯性,颗粒穿过撞击面渗果表明,气化炉内流场可划分成射流区、撞击区、撞击人反向流做减幅振荡运动,颗粒经历相间相对速度极流股区、回流区、折返流区和管流区.对于热态试验,炉高的条件,并延长了在气流中的停留时间,这种方法对内温度高,气体含尘量大,要测量合成气浓度相当困强化热质传递过程非常有效,在许多领域已有广泛的难,再加上燃烧规律复杂,因此无论在理论分析、试验收稿日期: 2007- 09- 07.中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(040C2170);教育.MYHC N M H GT050415);上海市曙光计划资助项目(06SG34);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0620).作者简介:牛苗任(1979- ) ,男,博上研究生.通讯作者:牛苗任, niuniaoren@ yaoo. com. cn.2009年2月牛苗任等:气流床气化炉内气体浓度的分布规律.67.研究或是现场实测方面,已做过的研究工作都很少,可NH, 和NO,等体积分数都很少,本文只分析主要气体查到的有关文献资料也甚少.(O2, CO2, CO, H2和CH,)的体积分数.以含碳物质(柴油)为原料,纯氧为气化剂,经过部分氧化生成合成气,是-一个极其复杂的反应过程.就1反应机理化学反应而言,同时存在柴油的高温裂解、燃烧和气化反应，因返混而造成的可燃组分(主要是CO和H2)与柴油气化主要出现两种不同类型的化学反应:放氧的燃烧反应,气体组分同炭黑之间的反应以及变换热的一次反应(燃饶)和吸热的二次反应.气化炉内某和甲烷蒸气转化反应.柴油中含有多种元素,除了主要一区域主要发生哪种反应依赖于此区域的流动性质和元素C、H以外,还含有S、N等其他元素.在高温气化混合过程. 图1给出了煤和生物质气化的反应过程,对过程中,S生成H2S和Cos,别的化合物如so,或CS2于柴油 气化,由于包含的几乎全是高温分解物质,过程基本不存在,合成气中s主要以H2S形式存在稍微有些不同.柴油进入高温气化炉内,受到快速加(93% ~95% ) ,其余为coS,由于COS很难除去，所以热,与氧化剂迅速反应,生成气体.基于反应和流动行用专门的催化剂把CoS转变为H2S再除去. HCN、为, 气化炉内可分成3个区0):一次反应区,二次反应NH,和NO,等主要来自原料中的N,不是来自N,因区,一次反应和二次反应共存区.为N- H,N- C比∞N弱好多[51. H2S、CoS、HCN、高温分解气体(C0. H .CHL. H,O等)\Y(相反宣(裂化.重整，。 CO.H.CH.H2O固体含碳物质__焦油,石脑油等一燃烧, CO变换)和裂化产物(煤、生物质)高湿分解氧化产物苯酚.酸)/与气体反应(个化,燃绕Co变换)_一 c.H.HC.和Ho團1煤和生物质气化的反应过程5)1.1 一次反应区CH. + H20- +CO +3H2(8)撞击流本身和它的扩展区域构成了一次反应区.CH, +CO2-→+2CO +2H2(9)- -次反应区中以挥发分、CO和H2的燃烧反应为主,CO2 +H2-→CO + H20(10)高温分解产物、CO和H2的燃烧速率极快,其时间尺在900~1 500 C范围内,C与H2的反应速率比C度在2~4 ms(7] ,远小于炉内微观混合的时间尺度与CO2或H20的反应速率低了2个数量级.一般来(0.6 s).在混合过程中,燃料将发生高温分解,并形成讲,可用反应速率常数的倒数1/h表征反应时间尺度，游离残碳,残碳的燃烧反应主要出现在一次反应区.反应(6)的时间尺度为10 s左右i9].众所周知,反应Masdin等(8]的研究表明,残碳的燃烧速率较低,因此(7)速度比反应(6)快,反应(8) ~ (10)为均相反应，残碳在一-次反应区中的燃烧与其他高温分解产物的燃在高温下其速率高于反应(6)和(7).碳与H20和CO2烧相比是次要的.概括地讲,一-次反应区中的反应如式反应的时间尺度均大于微观混合的时间尺度,即化学反应是残碳气化反应的控制步骤.(1) ~式(5)所示. .高温分解产物+02-→CO2 + H20(1)1.3 - -次与二次反应共存区-次反应与二次反应共存区主要出现在回流区,2C0 + 02→2C02(2)因射流的卷吸作用和湍流扩散,回流区与射流区将进2H2 +O2→2H20(3)行质量交换.尽管共存区中也出现二次反应,但多数反CH, +202- +CO2 +2H2O(4)应可以看作- -次反应.此区域所有反应过程,除了残碳2C +O2-→2CO(5)与H20和CO2反应以外,都由微观扩散步骤控制.1.2 二次反应区中国煤化工二次反应区包括平推流区和折返流区.在此区域2试HCNMHG内,一次反应区的产物将进行二次反应:C+CO2-→2CO(6)撞击式气流床气化炉试验流程如图2所示.试验C+H20-→CO +H2(7)在常压下进行,用氧气作为氧化剂,柴油作为气化介. 68.燃饶科学与技术第15卷第1期质.气化炉内衬为刚玉管,外部为不锈钢外壳,中间隔图2所示的C、D、F和G四个位置,采用氩气定时吹扫有硅酸铝保温棉.炉内径为300 mm,长度为2200以防止取样探头堵塞.同时在A、B和E三个位置安装mm;炉侧面开孔，以便于进行观察和测量.化炉两个热电偶,来观察炉内温度变化情况.双通道喷嘴水平对置,喷嘴结构如图3所示.氧气由氧(2)气体净化装置中气体分析预处理,使其达到气钢瓶提供,并由气体质纸流量计控制计量后经喷嘴质谱仪的进样要求.其流程如图5所示,气体样品由水外通道进入气化炉炉膛内.柴油由齿轮泵计量输送,经冷探头取出后,首先进行过滤,滤去大部分炭黑,接着喷嘴内通道进入炉膛内,氧气与柴油在炉内进行剧烈进行干燥.精密过滤进人取样泵,然后进人压缩机制冷的对掩气化燃烧,生成的合成气经激冷室冷却后放空.器冷凝,冷凝水经三通、针阀,由排水口排出;冷凝后的采用工业电视系统拍摄气化火焰图像,对炉内情况进气体再经干燥器干燥、流量计计量后进人质谱仪.行监控取样及分析系统主要由3个部分构成.(3)采用英国HIDEN公司生产的HPR20QIC型(1)气体采集装置采用水冷不锈钢探头,从高温气体分析质谱仪进行在线、实时、定量分析.分析- -组高粉尘的环境中连续取样,其结构如图4所示.探头可数据的时间为16 ~ 20 s,响应时间快,分析精度高.由从不同轴向位置取样,对同- -轴向位置, 探头可从炉壁于受湍流波动、取样时间等的限制,为了能获得足够的伸到轴线中心,即在不同辐射位置取样.为了比较全面信息，在每- -位置处取样时间至少为10 min.地对炉内气体进行分析,本系统的取样位置安装在如4+向0O-Q1一柴油储槽: 2一氧气瓶; 3一氩气瓶;4一齿轮泵; 5-气体质量流敏计; 6-喷嘴; 7-涡街流量计;8-排渣H;9- 气体预处理系统; 10-质谱仪; 11一计算机; 12-火焰检测器图2试验流程示意( 单位: mm)氧气柴油气冷却水进口320中国煤化工YHCNMHG冷却水出口圈3喷嘴结构示意图4水冷取样探头( 单位: mm)2009年2月牛苗任等:气流床气化炉内气体浓度的分布规律, 69.Y通圈5气体预处理 系统度很快,约9 C/min，而后升温速度逐渐变慢,约3结果与讨论2 C/min.从图6也可以看出,A位置和B位置热电偶的温度在1 000 C左右有一个拐点,升温速率明显地3.1 烘炉过程.分为两个线性区.气化炉内的温度是- -个非常重要的参数,它应低于耐火衬里的使用温度,高于维持快速反应需要的温1400F1 200--度.烘炉过程是指从气化炉点火开始至炉内各位置热1 000电偶温度基本不发生变化为止,是气化炉趋于平稳的00过程.这-过程类似于工业开车过程,故研究烘炉过程口60温度变化情况.以此为基础,烘炉过程条件不变,在C位置取样,取样探头与炉内壁相切.烘炉条件见表1.条件2稳定时炉内升温情况见图6. B位置热电偶约40 o720 160 20090 min升到1000 C,约195 min升到1 300 C.温度图6炉内升温情况随时间基本.上呈线性增加,在刚开始的1 h内,升温速表1烘炉条件1号榮油/2号柴油/1号02/2号02/氧油比/B位置升到I000CB位置升到1 300 C条4(kg.h-1)| (kg.h-')| (m2' h)| (m2' h-I)| (m' ●kg-')时间/ min2. 101.92.562.571.28 .2252.002.732.841.399o0195.002.782.911.42301802. 222.463.511.5475150在气化过程中,气化炉温度主要与氧油比(每小3.2稳定燃烧气化过程时进料氧气体积与柴油质量之比, m'/kg)、柴油进料稳定燃烧气化过程是指试验条件固定,从点火开量、气化反应进行的深度以及热损失有关. O2和水蒸始约4h到炉内各位置热电偶的温度基本保持不变为气是控制气化炉温度的气体,还有-些其他降低炉温止,即认为达到了热平衡.在C、D、F三个轴向位置取的方法,比如:在O2中加入N2或CO2,或者间接把热样,每个轴向位置,以取样探头与炉内壁相切为基准，量移走等.由于停留时间很短,所以控制过程非常复分别测量距离炉内壁0 cm.3 cm、6 cm .9 cm、12 cm、15杂在气化炉运行过程中,如果最重要的调节参数O2cm(炉瞠中心6个辐射位嚳的气体组成,试验条件中国煤化工突然增加，会使气化炉内衬受到严重的损坏,经验表见表2.明,如果02的量超出气化炉正常运行所需02量的3.2.1MHCNMHG体积分数分布50% ,几分钟之内,气化炉温度就会升到1550 C不同氧油比条件下,位置C各物质不同径向位置体积分数分布如图7所示,从图7可以看出:①H2在以上.. 70.燃科学.与技术第15卷第1期接近炉中心处体积分数下降，CO在接近炉中心处体积分数上升;②CO2体积分数先降低后升高,不同径表2实验条件向位置,02体积分数依然很低,没有大的变化,说明在1号柴油/2号柴油1号02/ 2号02/Au氧油比/高温下,炉内反应进行的很快;③越接近炉中心, CH条件(kgh)(kgh1)(m2' 4h-1)(m' h1)(m' h-1 )(m' ig~'体积分数越高,在炉中心位置有一最低值,因为炉中心1.952.04 1.747| 1.814 0.818| 0.893温度最高;理论上越接近于炉中心,离火焰越近,温度2.04 1. 8922. 0380.716 0.985越高;CH。体积分数应该越低,但实际测量值升高,直2.011.98| 2.037| 2. 1880.6731.059 .到炉中心最高温度时,体积分数才最低,说明炉内气体2.082.04| 2.214| 2. 3880.119| 1.117发生了不同程度的混合;④Ar体积分数约在径向位2.001.98 2.323| 2.4961.211置6 cm处有一最高值,然后越接近炉中心,体积分数2.00 2.487| 2. 6200.7161.277越低;这是因为Ar用来保护火焰检测器镜头,从炉顶2.00 2.785| 2. 9110. 809| 1. 424吹人,由于双喷嘴对撞,形成-一个撞击 面,Ar很难进入炉中心。家30.4径向位置/i。”71416t/cm(a)氧油比0. 893 m'/kg. r=1 290C(b)氧油比1.059 m2/kg, T=1 308 Csc主党三氛36士王9妻281O246径向位置/cm径向位t/em(c)氧油比1.211 m/kg, T=1 360C(d)氧油比1.424 m2/kg, T=1 380 C图7位置 C各物质不同径向位置体积分数3.2.2位置 D各物质不同径向位置体积分数分布cm处,合成气已混合比较均匀.表3给出了各物质径不同氧油比条件下，位置D各物质不同径向位置向6个位置的体积分数均值.图9为位置D各物质体体积分数分布如图8所示从图8可以看出,各物质体积分数随氧油比变化图,从图9可以看出,随氧油比增积分数基本上为一条水平直线,在不同径向位置差别大,气化炉温度升高,碳转化率增大,CO2体积分数增不大.说明在D位置处各物质体积分数混合已比较均大,C(中国煤化工,CH,体积分数下匀,在F位置也有类似规律,说明在喷嘴平面下部20降,02YCNMHG2009年2月牛苗任等:气流床气化炉内气体浓度的分布规律●71.505-402.30-1.6球三; 20主瑞三包.8接1052024δ8112460-202468021416径向位置/em(a)氧油比0.893 m'/kg, r=1 282 C(b)氧油比1.059 m/kg, r=1 290 C2.842.44(1200+3; 30f要20.8要号::6古去°(0)氧油比1.211 m/kg, r=1 360 C(d)氧油比1.424m2/kg. τ=1 390 C圈8位置D 各物质不同径向位置体积分数.0o 1主空1.0要os0.90市市33氧油比(m'●kg')氧油比/m’●kg)(a) CO2,CO,H2(b) CH4,O2图9位置D各物质体积分数随氧油比变化表3位置D各物质体积分数径向均值化图.从图10可以看出,随氧油比增大,CO2体积分数增氧油比|p(CO)/% 4(C0)/% q(H)/% |p(CH,)/%| o(02)/%大,CO体积分数基本不变,H2体积分数下降,CH,体积分(m2+g-)数下降,02体积分数基本为零.0.8937.59645.767 44.4232.0570.031表4位置F各物质体积分数径向均值0.98510.37 49.458 38.7511.2291.08410.23849.51838.5721.508中(CO)/% |4(C0)/%中(H2)/% Jp(CH,)/%| p(02)/%(m'kg~)1.11714.146 48. 35336.8410.490.0408.05046.78742.9072.11110.0101.21113.869 51.672| 34. 1480. 1600.04011.64947.795 39. 1201.1880.0521.27715.77751.502 .32.5250.0211.05911.29948.77238.9630.700.0411.42421.762 51.47426.619.中国煤化工| 0.430HCNMHG0.1503.2.3位置F各物质不同径向位置体积分数分布18.40848.916| 32.470 .表4给出了不同氧油比条件下位置F各物质体积分24.34747.055 28.411数径向均值,图10为位置F各物质体积分数随氧油比变燃烧科学与技术第15卷第1期5050f40-- Co;主曾0叶蔡30要202010.0.9 10市立34509动六方亩3氧油比(m' . kg^)氧油比(m'●kg)(a) CO,H,CO22.5p2.5r+2.0f--CH.--0,宝1.00910市12131450910市213143氧油比(m'●kg")氧油比(m2●kg")(b) CH, O2(b) CH, 02图10位置F各物质体积分数随氧油比变化图11位置 G各物质体积分数3.2.4位置 G各物质体积分数表6位置G的一些计算参数表5给出了不同氧油比条件下位置G各物质体积分氧油比有效气户率/冷煤气碳转化率/|合成气量数径向均值.对气化反应来说,氧油比过低,将使气化温(m' *kg-1) (m .kg-")效率/%%(m3 h-I)度降低,碳转化率降低;氧油比过高,将使合成气品质降0.8932.51777. 66393. 13511.333低.从图11可以看出:随氧油比增大,CO2体积分数增大,0.9852.31470. 72195. 823.11. 934CO体积分数基本不变,H2体积分数下降,CH,体积分数1. 0592. 28580.12196. 94212.113下降,02体积分数基本为零.2. 08577. 78497.51312. 315.1.2112.09479. 10298. 17712. 432表5位置G 各物质体积分数1.2771.92876. 95398.50612. 497氧油比/km'胡)/%|o(CO2)/%|4(C0)/% o(H2)/% ρ(CH,)/% | o(02)/%1. 70474. 60499.02412. 5740.899.78943.88843. 88882. 3040.047冷煤气效率为10.73649. 13838. 814.1450.0421.05911.503 48 89038.4140. 90.052mooAHco + ma,AHgp + mcu AHau(11)myAH。1.11716.02147.96435.5470.3140.049每千克柴油有效气产率为15.00649.72134.9150.1500.0581.2719.099 48. 000326240.0210.05022.4x(nco +nm)(12)1 000 xmg1.42424.476 46. 463.28. 832.0.0030.065式中:中国煤化工量，mol;Y为冷气3.3计算结果体效率二质量，kg;ms为柴主要计算参数是每千克柴油冷煤气效率和有效气产油的进:YHCNMHG烧热;Po 为每率，具体计算过程见文献[ I0].试验条件见表3,对位置G千克柴油有效气产率, m'/kg进行计算,计算结果见表6.由表6数据可知,最佳氧油比数值应为0.90 ~2009年2月牛苗任等:气流床气化炉内气体浓度的分布规律●73.1. 20 m'/kg,此时CO + H2体积分数达到最大值,且冷perimental studies of SO, absorption in coaxial cylinders with煤气效率最高.impinging streams (1) [J]. Chemical Enginering Science,2000, 55(5): 1009-1021.[3] Berman Y, Tanklevsky A, 0ren Y, et al. Modeling and ex-结论perimental studies of SO2 absorption in coaxial cylinders withimpinging streams (II) [J]. Chemical Engineering Science,(1)烘炉过程温度随时间线性增加，接近喷嘴位2000, 55(5): 1023-1028.置的热电偶,从点火开始1 h内,升温速度很快,约[4] Dehkori A M. Aplicaion of a noeloped-jese contac-9 C/min,而后升温速度逐渐变慢,约2 C/min.温度ting device in liquid-liquid extraction [J]. Chemical Engi-在1000 C左右有一个拐点,升温速率分为两个线性neering and Processing, 2002, 41(3): 251-258.区.CH,体积分数可作为指示气化炉温度的指标.[5]Chris Higman, Maten van der Burgt. Gasification [M].(2)喷嘴平面位置的各物质体积分数有不同程度USA: Elsevier Science, 2003.的变化.从炉壁至径向6 cm之间,各物质体积分数变[6]王辅臣. 射流携带床气化过程研究[D].上海:华东理工大学资源与环境工程学院，1995.化很小，,基本为- -水平直线.从径向6 cm至炉中心15Wang Fuchen. The Gasification Process Investigation for Jet-cm处,CO、CO2体积分数基本为上升趋势,在炉中心处Entrained Gasifer [D]. Shanghai: Schol of Resource and达最大值;H2、Ar体积分数基本上为下降趋势,在炉中.Environmental Engineeing, East China University of Science心处达最小值;越接近炉中心,CH。体积分数越高,在and Technology, 1995( in Chinese).炉中心位置有一最低值;不同径向位置,02体积分数[7] Smoot L D, Smith P J. Coal Combustion and Gasification依然很低，没有大的变化,说明在高温下，炉内反应进[M]. New York: Plenum Press, 1985.行得很快.[8] Masdin E G, Thring M W. Combustion of single droplets ofliquid fuel [J] Journal of the Institue of Fuel, 1962, 35(3)氧油比增加,燃烧反应加强,系统温度升高,(257): 251-260.气化进程加快. CO2体积分数增大,CO体积分数基本[9] 孙学信，陈建原煤粉燃烧物理化学基础[M].武汉:不变,H2体积分数下降,CH.体积分数下降,02体积分华中理工大学出版社，1991.数基本为零.最佳氧油比为0.90 ~ 1. 20 m'/kg.Sun Xuexin, Chen Jianyuan. Physical Chemistry Basis ofCoal Fines Combustion [ M]. Wuhan: Huazhong Univernity参考文献:of Science and Technology Press, 1991 (in Chinese).[1] Berman Y, Tamir A. Experimental investigation of phos- [10] 王辅臣,龚欣，吴韬,等.渣油气化炉工艺分析.phate dust collection in impinging streams (IS) [J]. 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