噴動(dòng)流化床煤氣化試驗研究

燃燒科學(xué)與技術(shù)第7卷(2001)第3期Vol. 7(2001)No. 3JOURNAL OF COMBUSTION SCIENCE AND TECHNOLOGY噴動(dòng)流化床煤氣化試驗研究段鈺鋒，趙長(cháng)遂，陳曉平，吳新，梅志林(東南大學(xué)熱能工程研究所,潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,南京210096)摘要:以空氣和水蒸汽為氣化劑,在一內徑為600mm的V型布風(fēng)板噴動(dòng)流化床工業(yè)煤氣爐內對動(dòng)力煙煤的氣化進(jìn)行了系統的試驗研究?？疾炝薞型布風(fēng)板床料的流化特性,研究了操作參數對氣化過(guò)程的影響,測量了煤氣成分沿床高和徑向的變化,分析了影響煤氣成分和熱值的有關(guān)因素,提出了合理的運行條件和參數。研究結果對工業(yè)裝置的放大設計、改造現有燃煤設備并降低對環(huán)境的污染具有指導意義。關(guān)鍵詞:V型布風(fēng)板;噴動(dòng)流化床;煤氣化;試驗研究中圖分類(lèi)號:TK229.6+6文獻標識碼:A文章編號:1006- 8740(2001 )03- 0278 04Experimental Study on Coal Gasificationin Jetting Fluidized Bed GasifierDUAN Yu-feng, ZHAO Chang-sui, CHEN Xiao-ping， WU Xin, MEI Zhi-lin(Thermal Energy Engineering Research Institute ,Southeast University ,Nanjing 210096 ,China )Abstract : Experiments were carried out in an industrial fluidized bed gasifier with a V-type distributor and a flu-idization bed with a diameter of 0.6 m. Gas samples were gathered at different heights along the freeboard up to theexit and were analyzed. The gasifier ran at different fluidization airflow rates ,different central airflow rates ,and dif-ferent coal feeding rates. Effects of the above parameters on the gasification of coal ,the components of the gas andthe gas heat value were investigated. F luidization characteristics of the V-type distributor were also obtained. Thoseresults have provided necessary information for the real runs of the gasifier and its enlargement design.Key words:V- type distributor ;etting fluidized bed ;coal gasfication ;experimental study煤在我國的一次能源結構中占70%以上,居主導用空氣和水蒸汽將煤轉變成粗煤氣后再進(jìn)行燃地位。煤的傳統利用方式主要是直接燃燒,這種利用方燒,是對上述燃煤裝置改造的合理途徑,并減少對環(huán)境式的效率較低.導致不易治理的環(huán)境污染。在目前眾多的污染。本文采用V型布風(fēng)板噴動(dòng)流化床技術(shù),在爐的熱處理爐、鍛造爐和工業(yè)窯爐中,鏈條爐排和固定爐膛中心區域依靠射流產(chǎn)生一高氧濃度的氧化區;在周排手燒爐仍然占有相當的比例。燃煤過(guò)程中,鏈條爐要邊環(huán)形區域采用低流化數的流態(tài)化作為氣化反應的還經(jīng)常翻動(dòng)和疏松煤層,以免發(fā)生結焦;手燒爐要經(jīng)常打原區。兩區之間由于氣流速度差產(chǎn)生-大范圍的顆粒開(kāi)爐門(mén)向爐內加煤。由于爐內的正壓,經(jīng)常出現爐門(mén)冒內循環(huán),強化了氣固兩相間的混合以及熱質(zhì)交換,有利黑煙現象。此外,燃燒不完全造成排渣和~飛灰的碳含量于提高碳的轉化率,并具有較高的氣化強度。在爐膛出很高;火焰溫度不均造成被加熱工件的溫度梯度較大口設中國煤化工\空氣中進(jìn)入爐內,增加或局部過(guò)燒現象。煤氣C N MH恐值。由此可見(jiàn),流化床收稿日期:2000-06 -05;修回日期:2000-11-20?；痦椱霭募倚椟c(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(G199902210532)。作者簡(jiǎn)介:段鈺鋒(1963-),男,博士,教授。2001年8月段鈺鋒等:噴動(dòng)流化床煤氣化試驗研究.●279●氣化爐具有煤種適應性強,爐內氣固返混強烈,氧化和床內物料的返混,延長(cháng)顆粒在床內的停留時(shí)間,提高碳還原過(guò)程并存等特點(diǎn)。它變固體燃燒為氣體燃燒,爐溫的轉化率。均勻,加熱速度快，可徹底消除鏈條爐和手燒爐在燃燒在流化床氣化爐系統中共設有十個(gè)溫度測點(diǎn)T1過(guò)程中和燃燒過(guò)程之后的冒黑煙現象。~T10,及爐膛總壓測點(diǎn)。在懸浮空間不同高度及爐膛本文的研究背景是改造-臺鏈條爐排燃煤熱處理出口設有3個(gè)氣體取樣口。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸加熱爐,即新建一臺流化床煤氣化爐,生產(chǎn)的煤氣供一汽分別進(jìn)入流化風(fēng)管路和中心噴動(dòng)風(fēng)管路。原料煤由臺退火爐使用,并滿(mǎn)足其退火工藝要求。目的是完全氣螺旋給煤機加入,采用床下熱煙氣點(diǎn)火,由啟動(dòng)燃燒室化煤炭并產(chǎn)生中低熱值的煤氣。采用的是V型布風(fēng)完成。另外,在氣化爐底部設一水封,灰渣由刮板式排板、射流流化床和飛灰循環(huán)技術(shù)。結合這一工業(yè)應用實(shí)渣機送走。煤氣成分用氣體全分析儀和氣相色譜儀測踐,對該裝置進(jìn)行了冷、熱態(tài)過(guò)程的試驗研究和理論分量。析。通過(guò)爐氣取樣并測量煤氣產(chǎn)物的中間成分和最終成分,分析煤量、風(fēng)量對氣化過(guò)程的影響,最終確定氣2結果及分析化爐運行的合理操作參數。2.1床 料流化特性試驗中所使用的惰性床料是寬篩分的流化床鍋爐1試驗裝置爐渣,比表面平均粒徑為1.392mm。試驗用煤的工業(yè)試驗在一臺工業(yè)氣化爐裝置上進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。布分析和元素分析見(jiàn)表1,平均粒徑為0.445mm,堆積風(fēng)板呈“V”型,全錐角為900 ;沸騰段內徑0.6 m,懸浮重度為891 kg/m3。段內徑0.8 m,有效高度8.0 m;設計煤處理量為600床層阻力特性如圖2所示,V型布風(fēng)板流化床的kg/h。產(chǎn)生的熱煤氣經(jīng)除塵后進(jìn)入一臺退火爐燃燒。臨界流化特性和水平布風(fēng)板流化床較為相似。當流速-級旋風(fēng)分離器旋下灰通過(guò)一立管進(jìn)入返料裝置,再達到約0.4 m/s時(shí),再繼續增大流速,壓差幾乎保持不進(jìn)入沸騰段下部，形成飛灰再循環(huán)。錐形布風(fēng)板可加強變，此時(shí)即可認為床內物料處于起始流化狀態(tài)。蒸汽5 0004 000世3000熱煤氣長(cháng)20001 000給煤190.20.40.60.81.0 124表觀(guān)速度/(m.s')圖2床料流化特性.表1煤的工業(yè)分析和元素分析空氣+蒸汽FC焦渣特性1工業(yè)分析| M，| MrAad。。 Vsl。1%6.96| 4.32 2.76| 24.72 24.10| 48.42 理10|元素分析Mad AadCad| Had Sr.adNuOad中國煤化工61.35 0.69 7.81熱值/aed 24.043 9| Qnerar 22. 163 41. V形布風(fēng)板 2.螺旋給煤機3.氣化爐本體 4.蒸汽發(fā)生器MYHCNMHG5.氣體取樣孔A 6. -級旋風(fēng)分離器7. 氣體取樣孔B2.2給煤量對床層溫度的影響8. 氣體取樣孔C 9.風(fēng)室10.水封 11.排渣機12.混合風(fēng)入口保持其他參數不變,以給煤速率和總風(fēng)量(流化風(fēng)13.啟燃室14.點(diǎn)火器 15. 燃燒風(fēng)入口16. 霧化風(fēng)入口17.燃油入口 18.灰罐19.二級旋風(fēng)分離器和中心風(fēng)之和)的比值煤風(fēng)比為橫坐標,床層溫度為縱圖1夕形帑粳板流化床氣化爐系統及測點(diǎn)布置圖坐標,得曲線(xiàn)圖3。由圖由見(jiàn)，當煤風(fēng)比由小變大時(shí),床，280.然科學(xué)與技術(shù)第7卷第3期溫-直呈下降趨勢;當煤風(fēng)比較小時(shí),煤風(fēng)比對床溫的下,給煤量大時(shí),煤風(fēng)比增大床層溫度低,這與圖3的影響較為顯著(zhù)?？傮w來(lái)看,煤風(fēng)比的增加會(huì )導致?tīng)t內還結論是-致的。原氣氛加重,因此床溫會(huì )降低。在考慮中心風(fēng)對床溫的影響時(shí)，固定給煤量、流化風(fēng)量和水蒸汽量,可得床溫隨中心風(fēng)量的變化曲線(xiàn)圖1 0005。從曲線(xiàn)變化趨勢可以發(fā)現,中心風(fēng)量對床溫的影響980 '與流化風(fēng)量對床溫的影響相似,即隨著(zhù)風(fēng)量增大,床溫60逐漸升高。樂(lè )國941000 . F:=740 k/h,Q=420 m/h920980900g 960-0.75 0.80 0.85 0.90 0.95940煤風(fēng)比/(kg.m)圖3給煤量對床溫的影響15020025300350中心風(fēng)量/(m’●h')2.3進(jìn)風(fēng)量對床層溫度的影響固定給煤量、中心風(fēng)量和水蒸汽量,僅改變流化風(fēng)圖5中心風(fēng)量對床溫的影響量得曲線(xiàn)圖4。圖中是兩種不同給煤量下流化風(fēng)量對床溫的影響曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，隨著(zhù)流化風(fēng)量的增加,床2.4煤氣成分和煤氣熱值層溫度逐漸升高;在流化風(fēng)量小時(shí),流化風(fēng)量的增加對在懸浮段不同高度和爐膛出口分別抽取煤氣樣并床溫的影響更加明顯。分析其組分。下面討論在距壁面50mm和150mm的位置上測得的煤氣組分和煤氣熱值沿高度的變化。!000，圖6和圖7分別給出了50mm和150mm處煤F-550 kgh,Q=180 m/h氣組分在兩種相近工況下的分布。由圖可見(jiàn),在距壁面.50 mm處,H2的含量在氣化爐內沿高度有上升趨勢,80但在出口處(高度7.0 m處)有所降低;CO的變化與H2類(lèi)似;CO2則沿高度有增加的趨勢,直到出口。O2略有下降，總的含量很低;CH,的含量在爐內下降較快,在懸浮段上部下降趨緩。而在距壁面150 mm處，50H2 ,CO和CH,三種可燃物的含量均持續下降,直到出420 450 480 510 540 570 600流化風(fēng)量/(m . h'口;CO2的含量呈平穩上升的趨勢;O2的含量在出口圖4流化風(fēng)量對床溫的影響處比爐內稍高些。20在射流流化床氣化爐內，中心射流區為氧化區,其19 T.-945 CF-=540 kg/h周?chē)鷧^域為還原區。流化風(fēng)就是供給該環(huán)形區的,除了18 Q=450 m/hQ=180 m/h。16H對物料起流化作用外,還為煤的部分燃燒提供氧氣。由CO于C和O2的化學(xué)當量比遠大于完全燃燒時(shí)的值，故中國煤化工.cO反應產(chǎn)物中會(huì )有大量的CO存在。流化風(fēng)量越小,煤風(fēng)比越大,煤的氣化程度越高,床溫便越低。當流化風(fēng)量，YHCNMH G增加時(shí),周邊環(huán)形區的燃燒份額增加,提高了總體的反CH應熱,床層溫度便會(huì )有所升高。當風(fēng)量增大以后,燃燒4.045505.5606.570份額增大床溫升高,同時(shí)氣化份額也增加，綜合表現高度/m為床溫升高趨緩。從圖4還可以發(fā)現,在同一流化風(fēng)圖6距壁面50mm處煤氣組分2001年8月段鈺鋒等:噴動(dòng)流化床煤氣化試驗研究.●281●的增加而減小,減幅達30%。這說(shuō)明，在懸浮段內,氣18F =540kg/h Q-420 m/h16一0. =210 m/h相燃燒對煤氣熱值的損失是相當嚴重的。盡管在50H214mm處,CO和H2的含量有增加的趨勢,但是由于CH,12CO,含量的減少,總的熱值仍會(huì )降低。10從化學(xué)反應的角度看,溫度的升高能提高吸熱反CO應的速率。因此,當氣化爐溫提高時(shí),還原反應速率會(huì )增大。但在試驗中發(fā)現，當風(fēng)量增加較多時(shí),床溫的升0CH高將使氣化過(guò)程偏離氣化工況而向燃燒工況過(guò)渡,導致煤氣熱值相應降低。因此,在氣化爐內,存在著(zhù)一個(gè)4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0高度/m合適的煤風(fēng)比。對本文試驗煤種,煤風(fēng)比在0. 7~0.8圖7距壁面150mm處煤氣組分kg/m3之間較為合適。從以上變化趨勢看,在靠近壁面的地方,還原反應3結論仍在不斷地進(jìn)行,導致H2和CO含量不斷長(cháng)高。而CH，可能由于氣相燃燒被消耗,導致其含量沿高度不1) V型布風(fēng)板射流流化床的臨界流化特性與普斷減少。在遠離壁面的地方,也由于氣相的燃燒,導致通流化床相似。煤氣爐中心區域是顆粒濃度相對較低可燃組分有不同程度的降低,CO2的含量則有所上升。的射流區(氧化區),周邊區域是顆粒濃度相對較高的在距壁面50mm處和150mm處的煤氣熱值沿流化區(還原區)。氣化爐運行時(shí)射流區內主要進(jìn)行氧高度變化見(jiàn)圖8與圖9?？梢园l(fā)現,煤氣熱值都隨高度化反應,流化區內主要進(jìn)行還原反應。5 0002)床層溫度受給煤量、進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)氣量的綜合影響。當煤風(fēng)比增加時(shí),床溫下降;進(jìn)風(fēng)量增加時(shí),床溫上4500升。在氣化爐內,存在著(zhù)-個(gè)合適的煤風(fēng)比。對本文試2 4000驗煤種，煤風(fēng)比在0. 7~0.8 kg/m3之間為宜。3)在氣化爐上部懸浮空間存在著(zhù)較為嚴重的氣想3500相可燃物燃燒損失，中心區域尤其明顯。因此在保證夾3 000帶分離高度的前提下，懸浮段高度不宜太高,以減少煤2 500L氣中可燃物的再燃燒損失。4.04.55.0 5.5 6.0 6.5 7.0參考文獻:圖850mm處煤氣熱值沿高度變化[1]梅志林.V型布風(fēng)板流化床煤氣化試驗研究和數學(xué)模型[D].東南大學(xué),2000.2]沙興中.楊南星.煤的氣化與應用[M].上海:華東理工大學(xué)出版二4500社,1995.目24000王3500類(lèi)，2 5004.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0中國煤化工MHCNMHG圖9150mm處煤氣熱值沿高度變化