第28卷第12期煤氣與熱力Vol. 28 No. 122008年12月CAS & HEATDec.2008燃氣氣源與加工利用空氣預(yù)熱溫度對固定床煤氣化過程的影響王連勇，蔡九菊，孫廣，劉友，趙子忠(東北大學(xué)國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點試驗室，遼寧沈陽110004)摘要:在內(nèi)徑為200 mm的固定床氣化爐熱態(tài)實驗臺上進行了煤高溫空氣氣化試驗研究, .考察了空氣預(yù)熱溫度對空氣、蒸汽作為氣化劑的煤氣化過程的影響。在試驗研究范圍內(nèi),提高空氣預(yù)熱溫度,氣化溫度隨之上升;空氣預(yù)熱溫度上升,可以提高煤氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率,優(yōu)化煤氣化過程。對于固態(tài)排渣氣化爐,空氣預(yù)熱溫度的提高受煤的灰熔點限制。關(guān)鍵詞:煤氣化;高溫空氣氣化; 空氣預(yù)熱溫度; 固定床 .中圖分類號: TU996;TQ546.2文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 1000 -4416(2008)12 -0B24 -04Effect of Air Preheat Temperature on Fixed-bed Coal GasificationWANG Lian-yong， CAI Jiu-ju，SUN Guang，LIU You，ZHAO Zi-zhongAbstract: The coal gasification test with high temperature air is performed in a fixed-bed gasifierwith 200 mm inner diameter. The effect of air preheat temperature on coal gasification using air andstream as gasifying agent is investigated. In the range of experimental study ，the gasification temperatureis increased with the increasing of air preheat temperature. The rise in air preheat temperature can im-prove gas heating value, carbon conversion rate and gasification efficiency, and optimize the gasificationprocess. The increasing of air preheat temperalure is limited by the ash fusion point of coal in a gasifierwith solid slag removal. .Key words: coal gasification; gasification with high temperature air; air preheat lemperature;fixed bed1概述HTAC)[451 ,為煤的高溫空氣氣化提供了可靠的、經(jīng)高溫空氣氣化技術(shù)( High Temperature Air Gasi-濟的高溫空氣源,使高溫空氣氣化技術(shù)得到了迅速fication, HTAG)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的能源發(fā)展-10。利用領(lǐng)域的高新技術(shù)。它采用高溫空氣對煤進行氣2003年一2005 年,東北大學(xué)國家環(huán)境保護生態(tài)化,具有燃氣熱值高.氣化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈工業(yè)重點試驗室承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項目活經(jīng)濟性好等特點,是- -項值得推廣應(yīng)用的新氣化(90210028)--煤的高 溫高效氣化和高溫貧氧燃技術(shù),具有極大的市場潛力一3。高溫空氣氣化技燒一體化方法及機理研究。針對我國工業(yè)燃燒設(shè)備術(shù)的關(guān)鍵是高溫空氣的廉價生成，而20世紀(jì)90年的實際情況,將煤高溫空氣氣化與高溫貧氧燃燒兩代以來園際燃燒領(lǐng)域開發(fā)并得到大力推廣應(yīng)用的高項技術(shù)有機結(jié)合,開發(fā)研制了-套煤高溫空 氣氣化溫空氣燃燒技術(shù)( High Temperalure Air Combustion,與高中國煤化工當(dāng)中國工業(yè)爐窯的TYHCNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(90210028)●B24.www. watergasheat. com王連勇,等:空氣預(yù)熱溫度對困定床煤氣化過程的影響第28卷第12期燃煤技術(shù)改造、系統(tǒng)節(jié)能和環(huán)境保護開辟了一條新2試驗方法路。在內(nèi)徑為200 mm的固定床氣化爐熱態(tài)實驗臺①試驗裝置與方法上進行了煤高溫空氣氣化試驗研究,研究了氣化工煤高溫空氣氣化試驗系統(tǒng)主要由煤氣化爐、空藝參數(shù)(氣化溫度空氣預(yù)熱溫度、空氣煤比、蒸汽氣加熱系統(tǒng)(鼓風(fēng)機、轉(zhuǎn)子流量計、空氣加熱器)、蒸煤比等)對煤氣化指標(biāo)的影響。本文僅對空氣預(yù)熱汽發(fā)生系統(tǒng)(儲水箱、蒸汽發(fā)生器、體重秤)、煤氣凈溫度對固定床煤氣化過程的影響的試驗結(jié)果進行分化系統(tǒng)(旋風(fēng)除塵器、冷凝器、過濾器)、檢測及燃燒析。系統(tǒng)(燃氣表、取氣口、燒嘴)5部分組成,見圖1。12133。C口1出)1.戴風(fēng)機2.轉(zhuǎn)子流量計3.儲水箱4.蒸汽發(fā)生器5.體承秤6.空氣加熱器7.煤氣化爐8.旋風(fēng)除塵器9.冷凝器10.過濾器11.燃氣表12.燒嘴13.取氣口圖1煤高溫空氣氣化試驗系統(tǒng)煤氣化爐采用自行設(shè)計的固定床氣化爐,其內(nèi)量能夠滿足一次試驗需要,所以蒸汽的流量可通過徑為200 mm,爐膛凈高為2000 mm,爐體內(nèi)層為高體重秤稱量蒸汽發(fā)生器的失重量獲得。鋁耐火澆注料,中層為輕質(zhì)保溫澆注料,外層為硅鈣煤氣凈化系統(tǒng)主要除去煤氣中的粉塵和焦油。板,爐殼為6 mm厚鋼板。全爐在氣化劑進口、灰渣凈化后的煤氣經(jīng)燃氣表計量后，在取樣口處由集氣區(qū)、氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾區(qū)、干燥區(qū)、空區(qū)及煤氣出袋取樣,最后在系統(tǒng)尾部的燒嘴處燃燒。煤氣成分口設(shè)有8個測溫點,并在距氣化劑進口700~1 300采用氣相色譜儀進行分析。mm處設(shè)3個窺視孔,用于觀察床層高度,并兼作?、谠囼炘蠘涌?。試驗原料為山西大同煤,粒度為13 ~26 mm?？諝饧訜嵯到y(tǒng)中,空氣由鼓風(fēng)機提供,經(jīng)轉(zhuǎn)子流3試驗結(jié)果與分析量計計量后,進人空氣加熱器中進行加熱，加熱后的①對氣化溫度的影響高溫空氣與來自蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的蒸汽作為氣化劑進料層高度為1 850 mm,煤樣粒度為13 ~ 26人氣化爐?？諝饧訜崞鞑捎霉杼堪艏訜?共有3個mm, 給煤量為8 kg/h,空氣煤比為1.65 m'/kg,蒸汽加熱段,其功率在0-36 kW范圍內(nèi)可調(diào)。.煤比為0.3 kg/kg。在此條件下,空氣預(yù)熱溫度對氣蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中,水由儲水箱進入蒸汽發(fā)生器,化溫度的影響見圖2。可見,氣化溫度隨空氣預(yù)熱經(jīng)電加熱后產(chǎn)生飽和蒸汽,蒸汽與高溫空氣混合進溫度的升高而升高。其原因是.空氣預(yù)熱溫度越高,人氣化爐。蒸汽發(fā)生器型號為KQ-C14型，其產(chǎn)生空氣帶中國煤化工溫度就越高,這的蒸汽溫度和流量可調(diào),蒸汽溫度為140 C時,最大就加快HCN M H G比溫度升高,有利質(zhì)量流量為25 kg/h。因為蒸汽發(fā)生器本體的水容于煤的氣化反應(yīng)。但對于固態(tài)排渣氣化爐,氣化溫.B25..第28卷第12期煤氣與熱力www. watergasheat. com度的提高受煤的灰熔點限制，因此,空氣預(yù)熱溫度的化劑帶人的物理熱部分代替了煤的燃燒放熱,減少提高也受煤的灰熔點限制。了發(fā)生燃燒反應(yīng)的煤量，增加了發(fā)生氣化反應(yīng)的煤量,從而減少了煤氣中不可燃組分N2和CO2的含1 120量,增加了可燃組分CO的含量。因為氣化溫度不變,所以煤氣中CH體積分數(shù)基本保持不變。因為1100煤氣中可燃組分含量增加,而不可燃組分含量減少，所以煤氣熱值增加,煤氣質(zhì)量提高?？諝忸A(yù)熱溫度1 060越高越有利于提高煤氣熱值。1 040500空氣預(yù)熱溫度/心6008000「甘CO2 +CO一H2←CHs + N250 t圉2空氣預(yù)熱溫 度對氣化溫度的影響②對空氣煤比的影響校40料層高度為1 850 mm,煤樣粒度為13 ~ 26主30mm,氣化溫度為1100 C ,給煤量為8 kg/h,蒸汽煤比為0.3 kg/kg。在此條件下,空氣預(yù)熱溫度對空氣煤比的影響見圖3?？梢?隨著空氣預(yù)熱溫度的提00700空氣預(yù)熱溫度心高,空氣煤比下降,由500 C時的1.91 m'/kg 下降圖4空氣預(yù)熱溫度對煤氣組成的影響到800 C時的1. 46 m'/kg。其原因是:在保持氣化6.0溫度不變的條件下,隨著空氣預(yù)熱溫度的提高,氣化2劑帶人爐內(nèi)的物理熱增加,從而減少了空氣消耗量,5.6使空氣煤比下降。5.2 t2.0.8 t1.7 t空氣預(yù)熱溫度心C團5空氣預(yù)熱溫 度對煤氣熱值的影響胡1④對氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率的影響1.450空氣預(yù)熱溫度/心Cmm,氣化溫度為1100 C ,給煤量為8 kgh,蒸汽煤圉3空氣預(yù)熱溫 度對空氣煤比的影響比為0.3 kg/kg。在此條件下,空氣預(yù)熱溫度對氣化③對煤氣組成和熱值 的影響效率和碳轉(zhuǎn)化率的影響見圖6。100 [- -氣化效率碳轉(zhuǎn)化率mm,氣化溫度為1 100 C ,給煤量為8 kg/h, 蒸汽煤90比為0.3 kg/kg。在此條件下,空氣預(yù)熱溫度對煤氣術(shù)80組成和熱值的影響分別見圖4、5?？梢?，空氣預(yù)熱70溫度從500C增加到800C時,煤氣中CO和H2體.60積分數(shù)分別從24.52%和7.35%增大到29.18%和12. 87% ,CH,體積分數(shù)基本保持不變,N2和CO2體積分數(shù)分別從60. 95%和6.15%減小到53. 42%和3.12%。煤氣熱值則從4.438 M]/m' 增至5. 882氣預(yù)執(zhí)溫 摩對氣化媯室和碳轉(zhuǎn)化率的影響MJ/m'。其原因是,在保持氣化溫度不變的條件下，中國煤化工增加到800 C時,隨著空氣預(yù)熱溫度的提高,空氣煤比下降,但蒸汽分氣化TYHICNMHG量與氣化用煤的解率增加,因而煤氣中H2含量增加同時,高溫氣總熱量之比)和碳轉(zhuǎn)化率(煤中的碳轉(zhuǎn)化為煤氣中●B 26.www. watergasheat. com王連勇,等:空氣預(yù)熱溫度對固定床煤氣化過程的影響第28卷第12期的碳的份額)分別從57.24%和86. 2%增至73. 7%solid fuels using high temperature air and steam[ A]. .和91.7%。原因是空氣預(yù)熱溫度提高,雖然空氣煤Fourth Intemational Symposium: High Temperature Air比下降導(dǎo)致煤氣產(chǎn)率略有下降,但煤氣熱值提高使Combustion and Gasification[ C]. Rome (ltaly): Italian得最終氣化效率仍然增加。碳轉(zhuǎn)化率的提高則是因National Agency for New Technology Energy and the En-vironment, 2002. 2A10-1 -2A10-13.為提高空氣預(yù)熱溫度,加快了燃燒反應(yīng)速率并促進了碳與氣化劑的氣化反應(yīng)。因此,隨著空氣預(yù)熱溫[4] CUPTA A K, HASECAWA T. High temperaure aircombustion :flame characteristics , challenges and oppor-度的提高,煤氣化過程得到改善，氣化效率和碳轉(zhuǎn)化tunities [ A]. Proceedings of Beijing Symposium on率均增加。由此可見，高溫空氣氣化是煤氣化工藝High Temperature Air Combustion [ C]. Bejig: Engj-的一個新突破。neering Institute of Chinese Science & Technology Asso-4結(jié)論ciation, 1999. 10 -28.①在保持料層高度 、煤樣粒度給煤量、空氣[5] 艾元方,蔣紹堅,周孑民,等.高溫空氣燃燒特性的研煤比、蒸汽煤比不變的條件下,氣化溫度隨空氣預(yù)熱兗[J].煤氣與熱力,2001 ,21(3) :208 -210.溫度的升高而升高。[6]曹小玲 ,蔣紹堅,翁-武.生物質(zhì)高溫空氣氣化分析、②在保持氣化溫度不變的條件下 ,隨著空氣現(xiàn)狀及前景[J].節(jié)能技術(shù),2004,22(1):47 -49.氣化劑預(yù)熱溫度的提高,氣化劑帶人爐內(nèi)的物理熱[7] CARLSON C P P, YOSHIKAWA K. Development of a增加,減少了發(fā)生燃燒反應(yīng)的煤量,增加了發(fā)生氣化high-temperature air-blown gasification system [ J].反應(yīng)的煤量,降低了空氣煤比,從而減少了煤氣中不Bioresource Technology ,2001 ,79(3):231 -241.可燃成分N2和CO2的含量,增加了可燃成分CO和[8] YOUNG L, CARLSON C P P. High-temperature, air-H,的含量,使煤氣熱值.氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率得以blown gasification of dairy-farm wastes for energy pro-duction[{J]. Enery ,2003 ,28(7) :655 -672.提高。因此,在工藝條件允許的范圍內(nèi),空氣預(yù)熱溫[9] SUGIYAMA s,SUZUKI N,KATO Y ,et al. Gasification.度越高對氣化過程越有利。performance of coals using high temperature air[J]. En-③對于固態(tài)排渣氣化爐,空氣預(yù)熱溫度的提ergy ,2005 ,30(2 -4) :399413.高受煤的灰熔點限制。[10] ZUBTSOVA V M,CARISON C P P, YOSHIKAWA K.Potential applications of high-temperature air/steam-參考文獻:blowm gasification and pyrolysis systems[J]. Energy,1 ] YOSHIKAWA K. Gasification and power generation from2005 ,30(11 -12) :22 -2242.solid fuels using high temperature air[ A]. Proceeding of[11] 王連勇,蔡九菊,王愛華,等.煤高溫空氣氣化和高溫High Temperature Air Combustion Symposium[C]. 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