气化剂预热温度对加压湍动循环流化床煤气化的影响

书书书　第６０卷　第１２期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６０　Ｎｏ．１２　２００９年１２月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文气化剂预热温度对加压湍动循环流化床煤气化的影响段　锋１，２，金保癉１，黄亚继１，李　斌１，章名耀１（１东南大学热能工程研究所，江苏南京２１００９６；２安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２）摘要：在实验室规模加压湍动循环流化床气化炉上，研究了气化剂预热温度对煤气化特性的影响。结果表明：气化介质温度从４００℃提高到７００℃后，煤气热值增加２１％；煤气中可燃组分Ｈ２和ＣＯ浓度分别从１０．５５％和９．５７％提高到１３．６２％和１３．１２％；不可燃组分Ｎ２和ＣＯ２浓度分别从６１．０３％和１６．１４％降低到５７．０３％和１３．７％；甲烷含量变化较小；冷煤气效率由４９．３％增加到５６％。碳转化率和干煤气产率随气化剂预热温度的不同变化较小。实现了循环流化床提升段下部湍动流化、上部环核流动的特殊流场结构，与已有研究结果相比，煤气热值、煤气产率、冷煤气效率都略有提高，更加适合煤气化。关键词：湍动；循环流化床；预热温度；煤气化；压力中图分类号：ＴＱ５４６　　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）１２－３１１２－０５犈犳犳犲犮狋狅犳犵犪狊犻犳狔犻狀犵犪犵犲狀狋狆狉犲犺犲犪狋犻狀犵狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狅狀狆狉犲狊狊狌狉犻狕犲犱狋狌狉犫狌犾犲狀狋犆犉犅犮狅犪犾犵犪狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀犇犝犃犖犉犲狀犵１，２，犑犐犖犅犪狅狊犺犲狀犵１，犎犝犃犖犌犢犪犼犻１，犔犐犅犻狀１，犣犎犃犖犌犕犻狀犵狔犪狅１（１犜犺犲狉犿狅犲狀犲狉犵狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犛狅狌狋犺犲犪狊狋犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犖犪狀犼犻狀犵２１００９６，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪；２犛犮犺狅狅犾狅犳犕犲狋犪犾犾狌狉犵狔犪狀犱犚犲狊狅狌狉犮犲，犃狀犺狌犻犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犕犪’犪狀狊犺犪狀２４３００２，犃狀犺狌犻，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄ（ＣＦＢ）ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｉｎａｌａｂｓｃａｌｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｇａｓｉｆｉｅｒｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｇａｓｉｆｙｉｎｇａｇｅｎｔｐｒｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｇａｓｔｈｅｒｍａｌｖａｌｕｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ２１％ｗｈｅｎｔｈｅｇａｓｉｆｙｉｎｇａｇｅｎｔｐｒｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ４００℃ｔｏ７００℃．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｈｙｄｒｏｇｅｎａｎｄｃａｒｂｏｎｍｏｎｏｘｉｄｅｉｎｔｈｅｇａｓｗｅｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ１０．５５％ａｎｄ９．５７％ｔｏ１３．６２％ａｎｄ１３．１２％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｉｎｔｈｅｇａｓｗｅｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ６１．０３％ａｎｄ１６．１４％ｔｏ５７．０３％ａｎｄ１３．７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅｃｈａｎｇｅｄｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｇａｓｉｆｙｉｎｇａｇｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｒｏｍ４９．３％ｔｏ５６％．Ｔｈｅｃａｒｂｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｄｒｙｇａｓｙｉｅｌｄｃｈａｎｇｅｄｌｉｔｔｌｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｇａｓｉｆｙｉｎｇａｇｅｎｔｐｒｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＡｓｐｅｃｉａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｒｉｓｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆＣＦＢｈａｓｂｅｅｎｒｅａｌｉｚｅｄｗｉｔｈｔｕｒｂｕｌｅｎｔｉｎｔｈｅｌｏｗｅｒｐａｒｔａｎｄｃｏｒｅａｎｎｕｌｕｓｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｐａｒｔ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｓｔａｔｅ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｇａｓｔｈｅｒｍａｌｖａｌｕｅ，ｇａｓｙｉｅｌｄａｎｄｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｗａｙｆｏｒｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒＣＦＢｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ；ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄ；ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　２００９－０４－２１收到初稿，２００９－０８－２４收到修改稿。联系人：金保升。第一作者：段锋（１９７７—），男，博士研究生，讲师。基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２００７ＣＢ２１０２０８）；江苏省“青蓝工程”基金项目（ＪＳ０８０１）；东南大学优秀青年教师资助项目（４００３００１０１２）；高等学校优秀青年人才基金项目（２００９ＳＱＲＺ０７３）。　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００９－０４－２１．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＪＩＮＢａｏｓｈｅｎｇ，[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（２００７ＣＢ２１０２０８）．　引　言循环流化床煤气化技术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，近年来许多学者进行了循环流化床煤气化技术的开发工作，如中国科学院山西煤炭化学所、工程热物理所等单位先后进行了循环流化床常压煤气化的试验［１３］，华中科技大学开发了飞灰循环流化床水煤气炉工艺［４］。Ｌｕｒｇｉ公司曾在循环流化床上对煤和其他燃料进行了超过６０００ｈ的气化试验［５］。Ｋｉｍ等［６］在基于床层流体力学、反应动力学和高温裂解的经验关联式对试验进行模拟的基础上，在一台内循环流化床试验台上进行了煤气化试验，分析比较了模拟结果和试验结果。这些试验台设计加煤量较小，炉体上部散热较大，炉体高度较小，因此煤粉在炉体内的停留时间过短，煤气热值不高以及飞灰含碳量高是普遍存在的问题。目前国内外正在研究的循环流化床气化试验基本上都在常压条件下进行［１６］，而在加压条件下的循环流化床气化研究甚少。气化剂预热温度对气化的影响的研究也多集中在喷动床［７１３］、鼓泡床［１４］、固定床［１５］等床型中，而循环流化床煤高温气化剂气化的研究鲜有报道。本文提出了加压湍动循环流化床气化方式，反应器的提升管为下部宽、上部窄。下部的密相区采用湍动流化运行方式，实现煤和石灰石、气化剂和返料的良好混合和热质传递。通过添加宽筛分的床料，实现反应器上部快速环核流动。本文在验证加压湍动循环流化床气化可行性基础上，详细研究了气化剂预热温度对煤气化特性的影响。１　试验装置和数据处理方法１１　试验装置试验装置系统流程图如图１所示。系统主要由以下几个主要部分组成：高温气化剂发生系统、加煤和排渣系统、气化炉本体、尾部煤气取样系统以及温度、压力和压差测量系统。蒸汽锅炉产生的饱和蒸汽先进入过热器加热到２００℃，然后与经过低温空气加热器预热到３５０℃的压缩空气混合后进入高温混合加热器二次加热至７００℃，加热后的混合气体由风室进入气化炉本体，密封返料器所需要的两路返料风由氮气瓶提供。煤经两级料仓由螺旋加料器加入气化炉中。反应器密相区内径７０ｍｍ，高１．２ｍ，加料口与返料口均在此区域，上部反应器内径６０ｍｍ，高５．４ｍ，布风板为平板结构，在布风板上嵌有８个等间距的定向风帽，开孔率１．４％，提升管和返料管外均设有电加热系统以补偿散热。气化炉产生的粗煤气经过两级旋风分离器后，由燃烧器燃尽后排空。一级旋风分离器产生的细煤粉、细床料和飞灰由返料管和密封返料器返回至提升管。图１　试验系统流程图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ１—ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；２—ｇａｓｈｏｌｄｅｒ；３—ｄｒｙｅｒａｎｄｏｉｌｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｏｒ；４—ａｉｒｐｒｅｈｅａｔｅｒ；５—ａｉｒ／ｓｔｅａｍｍｉｘｉｎｇｈｅａｔｅｒ；６—ｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ；７—ｓｔｅａｍｒｅｈｅａｔｅｒ；８—ｍｏｔｏｒ；９—ｒｅｄｕｃｅｒ；１０—ｓｃｒｅｗ；１１，１５—ｌｏｃｋｈｏｐｐｅｒ；１２—ｒｉｓｅｒ；１３—ｃｙｃｌｏｎｅ；１４—ｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｖｅ；１６—ｄｏｗｎｃｏｍｅｒ；１７—ｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ；１８—ｓｏｌｉｄｆｅｅｄｅｒ　１２　试验用煤和床料试验用煤为淮北烟煤，平均粒径０．５ｍｍ，真实密度为１３７５ｋｇ·ｍ－３，煤的工业分析和元素分析见表１。床料由平均粒径分别为０．８ｍｍ的粗河砂和０．２７ｍｍ的细河砂组成。表１　试验用煤的工业分析和元素分析犜犪犫犾犲１　犘狉狅狓犻犿犪狋犲犪狀犱狌犾狋犻犿犪狋犲犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犮狅犪犾Ｕｌｔｉｍａｔｅａｎａｌｙｓｉｓ／％ＣａｄＨａｄＯａｄＮａｄＳａｄＰｒｏｘｉｍａｔｅａｎａｌｙｓｉｓ／％ＭａｄＶａｄＦＣａｄＡａｄ５４．８３．５４７．４７０．８８１．００３．０１２７．５３４０．１６２９．３·３１１３·　第１２期　　段锋等：气化剂预热温度对加压湍动循环流化床煤气化的影响１３　试验参数煤气成分测量所用的实验仪器为爱默生煤气成分分析仪，主要测量ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＨ４。干煤气产率和碳转化率、煤气的高位热值的计算公式见文献［１３］，分析基准为干基。试验工况为：气化炉出口绝对压力为０．３ＭＰａ，静止料层高度５００ｍｍ，给煤量７．４ｋｇ·ｈ－１，气化剂预热温度４００～７００℃，气化温度９００～９２０℃，蒸汽煤比０．４ｋｇ·ｋｇ－１。２　试验结果及讨论２１　流型特征在密相区采用湍动床结构，湍动区的形成由此区域的气体的表观风速所决定，根据文献［１６］所给出的流型转变计算公式分析，本试验炉试验时表观气速为２．２ｍ·ｓ－１，大于鼓泡流化向湍动流化转变的临界速度２ｍ·ｓ－１；在提升管上部采用比密相区直径小的结构，使得床层上部的表观气速进一步提高，接近于快速流态化的气速要求。通过计算颗粒的终端速度以及炉体上部的快速流化床最小转变速度犝ｔｆ可知，炉内操作气速大于出口颗粒的终端速度，在出口弯头附近，气体由垂直运动急转成水平运动，颗粒在巨大惯性作用下冲向弯头顶部，运动受阻后，颗粒折流向下，一部分颗粒被气流带出，另一部分颗粒则沿床壁向下流动，与向上运动的颗粒发生强烈的动量交换。因此，本试验基本实现了提升段下部为密相湍动流化段，上部为环核流动段。２２　气化剂预热温度对空气煤比及过量空气系数的影响　　图２为气化剂预热温度与空气煤比以及过量空气系数的关系。从图中可见，提高气化剂入口温度，空气煤比由２．４１ｍ３·ｋｇ－１降低到２．１６ｍ３·ｋｇ－１，过量空气系数由０．３９降低到０．３５。气化剂预热温度对各因素（煤气组分、煤气热值等）的影响主要是因为加入的空气量的减少导致的结果。气化反应中的水蒸气气化反应是吸热反应，在试验中，为了提供气化反应所需要的反应热，除了在反应器外部装有电加热、包裹保温层以减少散热外，在气化时还要利用气化剂中的空气与煤燃烧放出的热量，因此试验中燃烧与气化是以不同份额并存的，随着气化剂预热温度的增加，随气化剂带入气化炉的显热增加，需要的空气量将减图２　气化剂预热温度与空气煤比及过量空气系数的关系Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔ