粉煤氣化試驗模擬裝置的研究與設計

第28卷第1期煤炭技術(shù)Vol.28,No.012009年1月Coal TechnologyJan,2009粉煤氣化試驗模擬裝置的研究與設計劉慶旺，李寒旭，丁立明(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001)摘要:在參照國內外 幾種現有不同的粉煤氣化實(shí)驗裝置的基礎上,考慮到幾種實(shí)驗裝置的規模、尺寸,并結合本.研兗的具體情況,通過(guò)計算初步確定了粉煤氣化試驗模擬裝置的主要參數與試驗系統,為設計和開(kāi)發(fā)氣流床粉煤氣化試驗裝置提供較全面地基礎數據,對進(jìn)一步研究我國粉煤的氣化特性起到了重要作用。關(guān)鍵詞:粉煤氣化;試驗裝置;設計中圍分類(lèi)號:TK17文獻標識碼:A文章編號: 1008 - 8725(2009)01 - 0159- 04Research and Design of Experimental Device for SimulatingPulverized - Coal GasificationLIU Qing- wang, LI Han- xu, DING Li - ming，(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001 ,China)Abstract: Based on several domestic and foreign dfferent pulverized - coal gaification experimental devices,this paper takes the size of experimental device into account and combines with the specific circumstances ofthe study. An experimental device is created by means of certain calculation , which provided more comprehens-ive data for the deeign of an experimental device of entrained - flow pulverized - coal gasification. It is impor-tant for futher research of the pulverized - coal gasification characteristics.Key words: pulverized - coal gasification; experimental device; design步設計與研制了一套新型的粉煤氣化試驗模擬裝0前言置,為進(jìn)一步研究高灰熔點(diǎn)粉煤的氣化反應活性提煤的氣化是在1 000C以。上的高溫下進(jìn)行的。供了必要的條件。目前世界上有代表性的煤氣化方法如氣流床Texaco1試驗裝置的總體設計思路氣化爐,氣化溫度高達1400~1500C,而Shell煤氣化工藝中氣化爐的中心溫度隨煤種不同介于.在籌建粉煤氣化試驗裝置時(shí),總體設計思路如1 400C~ 1 700C之間,2種氣化爐均為液態(tài)排渣,下:要求氣化操作溫度高于煤灰的流動(dòng)溫度。煤氣化爐(1)模擬煤粉在爐內連續氣化的全過(guò)程,耗煤量中粉煤是在高于灰熔融溫度(1300%~ 1 600C)下最大控制在1 kg/h。進(jìn)行流動(dòng)的,而在如此高的溫度下,煤氣化中可能發(fā)(2)實(shí)驗工況可以調整,滿(mǎn)足變量粉煤氣化的要生了各種不同的反應,因此很難概括出不同特性煤求。的氣化特征,又由于這些氣化爐對煤的灰份、灰的粘(3)實(shí)驗參數如溫度、流量、氣化產(chǎn)物成分等工溫特性及灰熔點(diǎn)有一定要求,因此氣化爐在選擇原藝參數可以實(shí)時(shí)檢測,要有自動(dòng)數據采集記錄系統，料煤時(shí)應作必要的試驗。為了設計和研制氣流床粉便于分析實(shí)驗數據。煤氣化試驗裝置,必須先建立一套氣化試驗模擬裝(4)操作方便,調節靈活,運行穩定。置為其提供實(shí)驗基礎數據。(5)在滿(mǎn)足科研的前提下,結合實(shí)驗室原有的實(shí)因此,筆者在參照國內外幾種現有的粉煤氣化驗設中國煤化工本。實(shí)驗裝置^1-4]的基礎上,根據該研究的具體內容,初TYHCNMHG收稿日期:2008 - 08 - 03;修訂日期:2008-11-03.作者簡(jiǎn)介:劉慶旺(1972- ),男安徽準南人，在讀碩士研究生,主要從事潔凈煤技術(shù)的研究, Tel:0554 - 668459, - mail; qwliu@ aus. edu.cno.160.煤炭技術(shù)第27卷氣化試驗裝置的規模尺寸,將反應器尺寸確定為:內2系統與各部分的確定及計算徑5 cm;壁厚5 mn;反應管加熱段長(cháng)度2 m。2.1系統設計計算(2)爐體保溫耐火層厚度的計算2.1.1 加熱爐體的計算由于試驗煤種灰熔融溫度高,該電爐經(jīng)常工作(1)加熱爐體高度的計算在1 700 C,因此內爐管選擇剛玉管(AI2O2 > 99.加熱爐體高度可以根據煤顆粒在反應器中的最9%) ,爐膛內層選擇進(jìn)口氧化鋁纖維材料,中層采用短停留時(shí)間和煤顆粒的速度求得,煤顆粒的速度等高溫棉,外層采用國產(chǎn)氧化鋁纖維,兩種纖維的混用于煤顆粒在靜止流體(25C空氣)中的沉降速度加流可以降低成本,即經(jīng)濟又實(shí)用。其傳熱計算53如下:體流速(氧、水蒸氣總流速)。由傅立葉定理有:求解步驟[如下:Q = λdi/dz(1)煤顆粒在靜止流體(25C空氣)中沉降速度式中λ一-導熱系數,w/(mC);的計算沿爐墻法線(xiàn)方向的距離,m;由于顆粒小，加速階段忽略,近似認為顆粒始終dt-沿爐墻法線(xiàn)方向上的溫度變化,C。以Ut 下降。上式設導熱系數是常數時(shí)積分得:Ur= gd'(p-p)Q=2/L(Tη- Tc)18μL----層爐墻的厚度,m;式中，重力 加速度;冷面的溫度,C;d-煤顆粒直徑;T,- 高溫面的溫度, C。煤顆粒密度;空氣密度;對于多層耐火材料組成的爐墻和保溫層(參照空氣粘度。圖1)則有:計算煤樣選用淮南高灰熔點(diǎn)煤種,以上參數經(jīng)Q=(Ty- Tc)(L1/21 + L2/22+.... + Ln/An)查閱可得,代人數據,計算得: Ut=0.421 6 m/s .Tm=(Tg+ T1)/2(2)流體流速的計算Tw2=(T; + T2)12參照文獻[4]的流速計算假設數據,氧煤比(w/Tns=(72+ Tc)/2 .w)為1.5,水煤比(w/w)為0.6,計算如下:每層的導熱系數可以根據每層的平均溫度經(jīng)查①氧氣流速閱獲得。氧氣流量:Wor =22.5 g/min .反應器截面積: A =0.0020 m2t12氧氣流速: Ua=(Wa +32) x22.4x 10~*/A代人數據得: Ua=0.151 6 m/sT(②反應器中水蒸氣流速水蒸氣流量: Wno= 10.2 g/min圖1三層爐墻的傳 熱示意圖又由,并令溫度為1 750C,壓力為1.013x 10因為,熱量損失Q=輻射散熱+對流散熱Pa,可計算得水蒸氣的體積流量過(guò)程如下:Q=4.56[(T/100)- (T/100)*]+ C,(Tc-摩爾流量:Nno( Wno =0.0094 mol/s由公式:V= nRTIP式中C,-- 自然對流傳熱系數,熱面朝上時(shí)Cp=得水蒸氣體積流量:Vro=1.3738x10~ m/s3.25,垂直時(shí)C,=2.56;水蒸氣流速:Uno= Vgo/A環(huán)境溫度, C;Tc--爐墻或熱力管道外壁溫度, C。代人數據得: Uno =0.700 0 m/s中國煤化工境散失的熱,所以因此: U=(U,+ Uo, + Uno;以上.MHCNMHG得: U=1.273 2 m/so(Ty - Tc)1(LI/λ1 + L2/22 + L0/20) = 4.56由上可知，要保證煤顆粒在反應器中有一定的[( T。/100)* -(TsA/100)*]+ C,(Tc- T).停留時(shí)間,又要參照實(shí)驗室面積規模及現有的粉煤代入數據得:L =0.24 m第1期劉慶旺,等:粉煤氣化試驗模擬裝置的研究與設計●161.同理得熱面朝上時(shí),以=0.15 m表1試驗裝置加熱爐體參數匯總(3)加熱爐功率的計算序號項目單位備注①加熱元件規格的確定剛玉管長(cháng)度3根據以上的計算及本實(shí)驗室的具體情況,保溫爐體料層厚度4耐火材料的厚度為440 mm;爐膛的高度為2 m,所以氣化段的高度本文定制了特殊型號的螺旋形二硅化鉬電熱元件,爐膛尺寸10r* 200cm# cm加熱元件敷規格為9/18 mm 1800 型,冷端650 mm,熱端600熱電偶的個(gè)敷根mm,單只硅鉬棒功率為4 kW.設計功率12W電壓220 V②爐膛內表面積的確定2.2試驗裝置 系統流程爐膛內表面積[°)由下面公式確定:該試驗裝置結合實(shí)驗室土建條件,采用單層鋼M=Qmx Sm/W結構框架布置。粉煤樣品通過(guò)螺旋給料器與氣化劑式中M--碓鑰棒支數;-并沿爐膛向下流動(dòng)。經(jīng)過(guò)高溫爐膛進(jìn)行反應,反Q*--爐膛內表面負荷,W/cm2;應后的灰渣由渣收集器收集作為樣品進(jìn)行分析,生Sg-爐 膛內表面積,cm;成的氣體通過(guò)氣體在線(xiàn)檢測儀進(jìn)行氣體組成分析。每支硅鉬棒在高溫下的功率,w。爐管內徑為5 cm,長(cháng)度3 m,材料為剛玉,采用電加計算得:Q=200mcm2。熱作為熱量補償裝置,加熱元件為二硅化鑰,分三段2.1.2試驗裝置主要部分基本參數加熱,獨立溫度控制。加熱段在爐膛中部,加熱有效試驗裝置的加熱爐體的主要參數，現匯總如長(cháng)度為2m。氣化產(chǎn)生的氣體經(jīng)冷卻、除塵及凈化表1。后,排出實(shí)驗室。具體流程見(jiàn)圖2。流量計微型螺毖給料器料4電預熱器德奉控制器-_沖卻水入_o領(lǐng)沖瓶。熱電霧氣體在線(xiàn)分析儀溫控裝發(fā)電加熱器@質(zhì)請分析儀爐過(guò)濾器廠(chǎng)勺氣相色請牙折儀進(jìn)、出水管-XRD| 灰收集磊-FTIR翟式流量計-xR殘德收集器墻收集器日2 粉煤氣化試驗裝置系統流程圖2.3各系統的結構及功能 簡(jiǎn)介度,為氣化反應器提供熱氣體。供氣系統中的氣體2.3.1電加熱及溫度測量 、控制系統鋼瓶、水蒸氣發(fā)生器玻璃轉子流量計、緩沖器、干燥電加熱器是電加熱型的下降并流反應器,由剛器及洗氣瓶可使氣化劑潔凈、干燥,并以穩定的進(jìn)氣玉管(內徑50 mm,外徑55 mm,3.00 m)、加熱元件、速率進(jìn)入試驗裝置。溫控器及保溫耐火材料組成。剛玉管的外側是圓形.2.3.3煤粉進(jìn)料系統的加熱爐膛,在爐膛內分別上下均勻布置了3支螺煤粉進(jìn)料系統是試驗裝置的主要附件,其作用旋形二硅化鉬加熱元件,它可以使反應管內中心的是實(shí)現均勻的定量給料。煤粉進(jìn)料系統包括:粉煤溫度最高達1 750C ,在爐膛的不同高度位置上裝有進(jìn)料器型臀,其中煤進(jìn)料采3根熱電偶,用于測定和挖制爐膛的溫度。爐體溫用微型YH中國煤化工生料煤接口,下方.度分三段獨立控制,控溫元件選用鉑銠30-鉑銠6為冷卻c N M H G釗器控制,每次實(shí)熱電偶,根據具體的試驗情況采取不同的控溫方式。驗前均對其進(jìn)行校準。.2.3.2預熱、供氣 系統2.3.4取樣和分析 系統預熱器的作用是加熱氣化劑,使其達到設定溫取樣和分析系統包括取樣儀器和過(guò)濾分離部第28卷第1期煤炭技術(shù)Vol.28, No.OL2009年1月Coal Technology .Jan,2009兩種煤氣化技術(shù)反應過(guò)程比較和分析董洪峰，師帥(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州2111)摘要:選取2 種較為典型的煤氣化工藝,主要從氣化反應的特點(diǎn)人手,對單位有效氣體碳耗進(jìn)行了比較計算,對資源利用的合理性進(jìn)行了討論,最后得出了自己對適合我國國情的煤氣化技術(shù)發(fā)展方向的理解，以供煤氣化技術(shù)研發(fā)及使用部門(mén)參考。關(guān)鍵詞:煤氣化;氣流床;氣化反應中團分類(lèi)號:TQ54文獻標識碼:A文章編號:1008 - 8725(2009)01 - 0162 - 03Comparison and Analysis Between Reaction in Two Coal GasificationTechnologyDONG Hong - feng, SHI Shuai(School of Chemical Technology ,China University of Mining and Tehnology, Xuzhou 21116, China)Abstract: This paper has selected two more typical of the process gas, mainly from the gasification reactionstarting with the characteristics of effective units of carbon gas consumption were compared , for the reasonableuse of resources was discussed, the final draw on their own for China Conditions in coal gasification technologydevelopment direction of understanding, for coal gasification technology research and development and use ofreference .Key words:coal gasification; entrained - flow; gasification reaction我國目前的煤氣化工藝星現多元化特點(diǎn),主要.0引言有常壓固定床間歇氣化工藝,大約占國內甲醇與合煤氣化工藝在煤化工中占有很重要的龍頭地成氨裝置生產(chǎn)能力的70%"] ,然而近年來(lái)隨著(zhù)大量位,很多煤化工工藝都是以煤氣化技術(shù)為先導,在我國外引進(jìn)的氣流床加壓氣化工藝的登場(chǎng),中國成了國很多領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。因此,研發(fā)經(jīng)濟節能某些國外煤氣化工藝技術(shù)的高價(jià)擴放實(shí)驗場(chǎng),國內潔凈環(huán)保的煤氣化工藝成為煤化工可持續良性發(fā)展大量技術(shù)人員在較短的時(shí)間就將大量煤氣化新工藝的前提。.推向市場(chǎng),至此我國成了中外煤氣化工藝的角斗場(chǎng)。分,還包括氣體分析儀及固體樣的分析儀器,氣體分煤的氣化過(guò)程,符合設計要求。析儀用來(lái)在線(xiàn)分析產(chǎn)氣中各組分的體積濃度。此該裝置不僅能用來(lái)研究高灰熔點(diǎn)粉煤的氣化反外,根據實(shí)驗數據要求,可以增設不同的分析設備,應特性,還能完成其它可燃物的高效、清潔燃燒,污來(lái)滿(mǎn)足科研要求。染物排放控制的科研工作,適合在實(shí)驗室內進(jìn)行操2.3.5尾氣排放系統乍。尾氣排放系統包括壓力控制閥和氣體濕式流量參考文獻:計。整個(gè)系統還包括冷卻器、殘焦、渣的收集器。如1] 吳勇強,唐黎華,朱學(xué)棟,等.超高溫氣流床煤氣化模試裝置的研制和應用[].實(shí)驗技術(shù)與管理,2006,23(3) :53.果實(shí)驗時(shí)產(chǎn)生了有害氣體,可以根據具體情況用溶[2]王建中 .高溫下煤焦氣化反應特性的研究[D].上海:華東理工液吸收處理后排放。大學(xué),2001.3] s. Kejitani,S. Hara, H. Matsuda. Gesification rle analyis of coal3結語(yǔ)chars with a presurized dop tube fumace [J]. Fuel,2002.[4]王福明 .氣流床高溫煤氣化的研究[D].上海:華東理工大學(xué),該裝置加煤量最高可達1 kg/h, 同時(shí)具有升溫[S]劉吉堂,張成恩.有限元法在電廠(chǎng)熱力設備傳熱計算中的應用速率快、反應溫度最高可達1 750C,爐內反應為連[J].東北電力技術(shù), 199,(12):1-2.續反應等優(yōu)點(diǎn),溫度、煤進(jìn)料量和氣體流率可以預先[6]賈英全 .硅鉬棒電爐的設計與制造[].中國陶瓷200,365)0設定;與其它實(shí)驗裝置相比，該裝置具有反應溫度中國煤化工(責任編輯昌璃)高、功能多、易操作及造價(jià)低等特點(diǎn),能模擬實(shí)際粉fHCNMHG收稿日期:2008 - 08- 15;修訂日期:2008-11-04作者簡(jiǎn)介:董洪峰(1988- ),男,河北唐山人,江蘇徐州中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)2005級3班學(xué)生, Tel:13585478690, E - mail:hongfeng-007@ 126. com。