小型循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)研究

小型循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)研究

作為新一代的氣候氣器，其加熱和傳質(zhì)效率高，且床層溫度均勻，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。煤粒在短時間內(nèi)完成干燥、加熱和反應(yīng)過程，大量循環(huán)將顆粒積累到床中，這使得該過程在煤炭氣化行業(yè)的應(yīng)用越來越受到重視。段鈺鋒等人在一臺噴動流化床上研究了氣化溫度和煤氣組分隨給煤量、流化風(fēng)量、水蒸氣的變化規(guī)律。胡平放在一臺內(nèi)徑為500mm的中試煤氣化裝置上研究了爐溫、給煤量、空氣預(yù)熱溫度等對煤氣熱值的影響。彭萬旺研究了加壓流化床粉煤氣化工藝特性。但這些研究并沒有嚴(yán)格做到單一因素對煤氣的影響,其結(jié)論往往是溫度與其它因素的綜合作用結(jié)果。本試驗(yàn)在內(nèi)徑為100mm小型循環(huán)流化床氣化裝置上,研究了單一因素對氣化的影響,目的在于得出循環(huán)流化床部分煤氣化規(guī)律,為進(jìn)一步研究類似于IGCC的部分煤氣化提供理論基礎(chǔ)。1煙氣燃燒及燃燒氣化爐本體內(nèi)徑100mm,布風(fēng)板至爐膛出口有效高度4.3m。床料采用粒徑小于0.6mm的石英砂,粒徑小于1mm的煤由螺旋給料器投入爐膛。來自風(fēng)機(jī)的空氣經(jīng)過油燃燒室內(nèi)部的空氣加熱器預(yù)熱到450℃后,與從蒸汽過熱器過來的260℃的蒸汽混合,經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入爐膛。電熱鍋爐出來的0.6MPa飽和水蒸氣經(jīng)減壓閥降壓后,進(jìn)入蒸汽過熱器進(jìn)一步升溫。蒸汽旁路設(shè)計(jì)以及電熱鍋爐和蒸汽過熱器加熱功率的可調(diào)性能保證所需加入的蒸汽量。由油燃燒室出來的1100℃的燃油煙氣,在爐膛本體夾套導(dǎo)流板的作用下加熱本體,通過調(diào)節(jié)燃油風(fēng)量和燃油量改變預(yù)熱空氣溫度、本體夾套煙氣加熱溫度和夾套加熱煙氣量。本體夾套出來的燃油煙氣經(jīng)過旋風(fēng)夾套和回料管夾套后排出室外。攜帶細(xì)粉飛灰的煤氣離開氣化爐頂部出口,進(jìn)入一級、二級旋風(fēng)除塵器,其中一級旋風(fēng)除塵器收集下來的飛灰從回料管經(jīng)L閥回料控制器返回氣化爐進(jìn)一步參加反應(yīng),二級旋風(fēng)除塵器收集下來的飛灰經(jīng)控制閥門直接排出。L閥回料控制器的松動氣流采用浮子流量計(jì),載氣為氮?dú)?。二級旋風(fēng)除塵器出來的煤氣經(jīng)除焦裝置降溫除焦后,進(jìn)入布袋除塵器,最終由引風(fēng)機(jī)通過煤氣燃燒裝置燃燼后排到室外。煤氣取樣口位于布袋除塵器出口。2工業(yè)分析及元素分析選用3種典型的動力用煤:徐州優(yōu)質(zhì)煙煤、徐州劣質(zhì)煙煤和陽泉無煙煤,平均粒徑為0.548mm。工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表1。所使用的惰性床料是寬篩分的石英砂,平均粒徑為0.362mm。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1床內(nèi)物料初始流化床料冷態(tài)流化特性如圖1所示,當(dāng)氣流流速達(dá)到約0.28m/s時,再繼續(xù)增大流速,料層壓差幾乎保持不變,此時即可認(rèn)為床內(nèi)物料處于起始流化狀態(tài),冷態(tài)臨界流化速度約為0.28m/s。3.2空煤比的影響試驗(yàn)時,料層靜止高度400mm,床料溫度940~945℃,蒸汽加入量1.9kg/h。在床料溫度不變的情況下,隨著空煤比的增加,煤參加燃燒的份額增加,如圖2所示。具體表現(xiàn)在氫氣和一氧化碳的含量呈減少的趨勢,甲烷的含量也略微減少。在實(shí)際工業(yè)化運(yùn)行中必須考慮空煤比對氣化溫度的影響,因?yàn)楣I(yè)化運(yùn)行的氣化爐,其氣化溫度實(shí)際上是由空氣和水蒸氣的加入量決定的?？彰罕葘饣^程存在2方面的影響:①隨著空煤比的增加,產(chǎn)氣率和燃燒溫度也隨之增加,二氧化碳還原反應(yīng)、水分解反應(yīng)和焦油的二次裂解得以加強(qiáng),增加了煤氣中一氧化碳和氫的含量,提高了煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率;②空煤比越大,參加燃燒的份額也越大,煤氣中無效成分二氧化碳也越大。氣流速度增加時,氣體、固體在流化床內(nèi)的停留時間減少,氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率會相應(yīng)降低。在氣化爐氣化強(qiáng)度一定的情況下,氣化煤量的增加會造成氣化深度不夠,從而影響碳轉(zhuǎn)化率。所以,為了獲得有效的氣化效果,必須選擇合適的空煤比,要均衡兼顧煤氣熱值和產(chǎn)氣率。在試驗(yàn)中,煤氣熱值較低是由于采用空氣氣化時大量的氮?dú)庀♂屃丝扇細(xì)怏w和常壓循環(huán)流化床料溫度不夠高的緣故。煤氣熱值和產(chǎn)氣率與先前的研究結(jié)果相近。3.3添加適量培養(yǎng)當(dāng)前氫氣中氧離子含量試驗(yàn)時,料層靜止高度400mm,床料溫度940~945℃,空氣量7.89m3/h。加入適量的水蒸氣能增加煤氣中氫、一氧化碳、甲烷的含量(圖3)。水蒸氣分解時,其中的氧原子與碳反應(yīng)生成一氧化碳,替代了部分氧,從而降低了氧消耗量。但實(shí)際工業(yè)化運(yùn)行中當(dāng)加入水蒸氣過多時,會降低爐溫,從而阻礙二氧化碳還原和水蒸氣分解反應(yīng),影響氣化過程。3.4氣化溫度和爐內(nèi)溫度試驗(yàn)時,料層靜止高度400mm,氣煤比0.51,空煤比2.2。在空煤比和氣煤比不變的情況下,通過改變?nèi)加土亢腿加惋L(fēng)量得出不同床層溫度下的煤氣成分(見圖4)。氣化溫度是影響煤氣成分的主要因素,氣化溫度的提高有利于加快反應(yīng)速度,改善化學(xué)動力學(xué)條件,提高氣化強(qiáng)度和生產(chǎn)能力。同時由于爐內(nèi)溫度和反應(yīng)速度的提高,爐內(nèi)煤粉即使在很短的停留時間內(nèi)也能有相對較高的碳轉(zhuǎn)化率。加上碳與水蒸氣間的反應(yīng)是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng),爐溫上升時,第一個反應(yīng)的平衡常數(shù)要比第二個反應(yīng)的平衡常數(shù)增加得快。在空煤比和氣煤比不變的情況下,隨著床層溫度的升高,煤氣中二氧化碳的含量降低,氫和一氧化碳含量增加。同時高熱值烴類成分的熱裂解和焦油的二次裂解的增加,使得煤氣中甲烷含量下降。3.5床層高度設(shè)定于煤試驗(yàn)時,床料溫度935~945℃,氣煤比0.53,空煤比2.1。由圖5可見,隨著床層高度的增加,揮發(fā)分在熾熱的料層中裂解更徹底,煤氣中氫和一氧化碳含量相應(yīng)增加,甲烷含量減少。當(dāng)床層高度低于加煤口位置(加煤口位于布風(fēng)板上部500mm)時,煤氣中甲烷含量高達(dá)2.5%,原因可解釋為煤在與床料進(jìn)行混合前就有部分揮發(fā)分和細(xì)微煤粒析出,加上懸浮空間的氣化能力比密相區(qū)低得多,造成煤氣中甲烷的含量較高。當(dāng)靜止床層高度增加到600mm時,甲烷含量增加,氫和一氧化碳含量減少,其原因是床料相對氣化爐內(nèi)徑太高,在床層中形成騰涌,從而使得煤未能有效的氣化。3.6水，焦油含量少從除焦裝置收集下來的溶液,大部分是懸浮有飛灰的冷凝水,焦油含量很少。主要原因是進(jìn)入密相區(qū)的燃料迅速分布于熾熱顆粒之間,突然受到均勻加熱,干燥和干餾過程即在瞬間完成,使揮發(fā)分分解完全,從而產(chǎn)生的焦油很少。3.7煤的成分和性質(zhì)試驗(yàn)在靜止床層高度400mm,床料溫度920~935℃時,研究了3種不同煤的氣化特性,在相同的氣化參數(shù)下,煙煤的煤氣成分中含有的可燃成分比無煙煤大,優(yōu)質(zhì)煙煤的煤氣成分中氫和一氧化碳比次煙煤高(圖6)。其原因可以解釋為煤化程度越高,活化能越高,熱分解開始溫度也越高。水分、揮發(fā)分高的煤種,其結(jié)構(gòu)疏松,生成的焦煤反應(yīng)比表面積大,具有豐富的過渡孔和大孔,氣化劑很容易擴(kuò)散到反應(yīng)表面,反應(yīng)活性比無煙煤大得多。這一點(diǎn)與房倚天等人的研究結(jié)果一致。3.8碳酸鈉和碳酸鉀對煤氣中氫、二氧化碳含量的影響試驗(yàn)時,靜止床高400mm,床料溫度935~945℃,氣煤比0.53,空煤比2.1。添加碳酸鈣后,可以明顯增加氣相中氫含量,并且隨著碳酸鈣加入量的增加,煤氣中氫和一氧化碳含量呈上升的趨勢,而二氧化碳含量變化不大。添加碳酸鈉和碳酸鉀更加能增加煤氣中氫和一氧化碳含量,如圖7所示。Akyurtu認(rèn)為鉀、鐵的化合物對煤氣化具有催化作用。呂俊復(fù)等人也得出氧化鈣對煤中苯和甲苯的裂解有催化作用。4空煤比和氣煤比的影響(1)循環(huán)流化床氣化爐具有其他氣化爐無法比擬的優(yōu)點(diǎn),但煤氣熱值較低,煤氣中甲烷的比例還比較大,同時由于必須保持床內(nèi)一定的含碳量,排出物中可燃組分含量比較高。(2)相對于固定床而言,其焦油含量很少。隨著空煤比的增加,氫、一氧化碳和甲烷的含量呈減少的趨勢。氣煤比的增加能加大煤氣中氫、一氧化碳的含量。實(shí)際工業(yè)化運(yùn)行時,需考慮空煤比和氣煤比對爐溫的影響。(3)氣化溫度是影響煤氣成分的主要因素。隨著床層溫度的升高,煤