第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月空氣煤比對(duì)循環(huán)流化床煤氣化過(guò)程的影響張榮光',常萬(wàn)林',那永杰,呂清剛( 1.華北科技學(xué)院,北京101601 ;2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080 )摘要:以空氣和水蒸 氣為氣化劑,在循環(huán)流化床煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了神華煤的氣化試驗(yàn),研究了空氣煤比對(duì)氣化過(guò)程的影響。在試驗(yàn)研究范圍內(nèi),神華煤最高的冷煤=氣效率為45.64%,碳轉(zhuǎn)化率為83.84%。隨著空氣煤比的增加,提升管溫度上升,煤氣產(chǎn)率增加;碳轉(zhuǎn)化率先迅速上升,但繼續(xù)增加空氣煤比則碳轉(zhuǎn)化率變化較小;煤氣中CO濃度先增高而后有所下降,CO2濃度的變化規(guī)律與此剛好相反, CH和H2的濃度呈減少趨勢(shì)。存在最佳的空氣煤比,使得煤氣熱值、冷煤氣效率和煤氣有效成分含量出現(xiàn)最大值。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床;煤氣化;空氣煤比中圖分類號(hào): TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào):0253 - 2336 ( 2006 ) 03 -0046 -03Air and coal ratio effected to circulated fluidized bed coal gasificationZHANG Rong guang' ,CHANG Wan-lin' , NA Yong-jie2 , LU Qing-gang2( 1. North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601 , China ;2. Institue of Engineering Thermophysics , China Acodemy of Sciences , Beijing 100080 , China )作為一種高效、無(wú)氣泡、高生產(chǎn)能力的反應(yīng)器1試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)用煤的性質(zhì)-循環(huán)流化床已應(yīng)用于許多領(lǐng)域,但國(guó)內(nèi)應(yīng)用于煤氣化的研究和開(kāi)發(fā)工作尚處于起步階段。與鼓泡CFBR100熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)、主要裝置尺寸、試流化床相比,循環(huán)流化床具有單位容積生產(chǎn)能力驗(yàn)過(guò)程及神華煤的特性詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。進(jìn)行該階大、顆粒停留時(shí)間長(zhǎng)、容易實(shí)現(xiàn)大型化等特點(diǎn)。為段試驗(yàn)時(shí),在以下方面對(duì)原有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了完此,中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、東南大學(xué),善:①將洗滌箱改造成為袋式除塵器;②將旋風(fēng)德國(guó)Lurgi公司、瑞典Studsvik 能源公司、美國(guó)爐排氣管直徑由58 mm縮小到24 mm,插入深度HRI和Foster Wheeler公司先后進(jìn)行了循環(huán)流化床由200mm縮短到100mm;③設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)的煤氣化研究1-7]。簡(jiǎn)易蒸氣發(fā)生器,供試驗(yàn)用;④加大提升管底部2002~2004年,中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究測(cè)壓管直徑。該階段試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,試驗(yàn)操所承擔(dān)’了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”循環(huán)流化床作詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9 ]。加壓煤氣化”課題,在循環(huán)流化床常壓煤氣化熱2 試驗(yàn)結(jié)果分析.態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)CFBR100上完成了以氧氣和水蒸氣為氣化劑的初步試驗(yàn)研究8] ,而后進(jìn)行了以空氣和當(dāng)加煤速率和蒸氣煤比一定時(shí), 以神華煤為原水蒸氣為氣化劑的煤氣化試驗(yàn),共完成100多個(gè)試料研窮了空氣煤比對(duì)氣化過(guò)程的影響。圖2 ~6分驗(yàn)工況，研究了煤種、加煤速率、空氣煤比、蒸氣別顯中國(guó)煤化工、蒸氣煤比為0.21 ,0.30MHCNMH C提升管平均溫度(提煤比等對(duì)氣化過(guò)程的影響。本文僅對(duì)空氣加入量對(duì)煤氣過(guò)程的影響的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。升管頂部與底部溫度的算術(shù)平均值)碳轉(zhuǎn)化率、煤氣產(chǎn)率、煤氣熱值和冷煤氣效率的影響情況。基金項(xiàng)目:國(guó)家”863” 計(jì)劃資助項(xiàng)目( 2003AA529220 )隨著空氣煤比的增加,提升管平均溫度上升,46第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月成分分析儀4.0 rF一蒸氣煤比為0.21。蒸氣煤比為0.30|三3.5|0蒸氣煤比為0.51]飛灰1 飛灰2感3.02.52.7 2.9 3.3.3 3.5 3.7亡]Q空氣、煤質(zhì)量比亡排渣~1211I098圖5煤氣熱值 與空氣煤比的關(guān)系1-提升管;2-煤斗;3-螺旋給料機(jī);4-旋風(fēng)爐;5-管式間璧冷卻器;6-袋式除塵 器;7- -煤氣流量計(jì);8-電加熱爐;9-柱塞式計(jì)量泵; 10-液化石油氣瓶; 11- -空氣壓縮機(jī); 12- -電加熱爐圖1試驗(yàn)臺(tái)示意-。蒸氣煤比為0.30|心l000p 蕉氣煤比為0.21-o-蒸氣煤比為0.51J蒸氣煤比為0.302.900-蒸氣煤比為0 51空氣、煤質(zhì)朵比圖6冷煤氣效率 與空氣煤比的關(guān)系由700.9逐步下降,存在最大值;隨著空氣煤比的增加，煤氣中-氧化碳濃度先增高而后有所下降,二氧化碳圖2提升管平均溫度 與空氣煤比的關(guān)系濃度的變化規(guī)律與此相反,甲烷和氫氣的濃度逐漸減少,煤氣有效成分含量(一氧化碳、氫氣、甲80烷之和)先增高而后逐漸下降,存在一個(gè)最大值。i 70空氣煤比對(duì)氣化過(guò)程存在2個(gè)方面的影響:①隨著空氣煤比的增加,燃燒反應(yīng)放熱量增加,從而60--蒸氣煤比為0.30使煤氣化爐溫度提高,促進(jìn)了二氧化碳還原、碳與一-蒸氣煤比為0.51水反應(yīng)和焦油的二次裂解反應(yīng)的進(jìn)行,增加煤氣中2.7 2.9 3. i33 3.5 3.7--氧化碳和氫氣的含量,從而提高煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率;②由于燃燒反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氣化反應(yīng)速率,圖3碳轉(zhuǎn)化率與 空氣煤比的關(guān)系所以空氣煤比較大時(shí),參加燃燒反應(yīng)的份額也越大,使得煤氣中無(wú)效成分二氧化碳的濃度也越大,而氫氣和一氧化碳濃度下降"12。此外，由于空氣量的增加,導(dǎo)致氣體停留時(shí)間減少,對(duì)氣化反應(yīng)。蒸氣煤比為0.2也將產(chǎn)生不利影響。33.0F影=o蒸氣煤比為0.30o-蒸氣煤比為0.51當(dāng)空氣煤比較小時(shí),隨著空氣加入量的增加，2.7 2,9 3.13.3 、3.5 3.7煤氣化爐溫度.上升,氣化反應(yīng)速率增長(zhǎng)迅速。因此,碳轉(zhuǎn)化率增加,煤氣中一氧化碳、氫氣產(chǎn)率增圖4煤氣產(chǎn)率與空氣煤比的關(guān)系加中國(guó)煤化工圣。圖7和圖8分別為加煤CNMH G謀比為0.21時(shí)，空氣煤氣產(chǎn)率增大,碳轉(zhuǎn)化率先迅速上升,而后變化較煤比對(duì)煤氣組成和煤氣組分產(chǎn)率的影響情況。小,這與Shadle 10]的研究結(jié)果相同;隨著空氣煤但當(dāng)空氣煤比較高時(shí),隨著空氣加入量的增加比的增加,煤氣熱值和冷煤氣效率先逐漸增高而后煤氣中一氧化碳和氫氣的產(chǎn)率下降,而二氧化碳產(chǎn)47第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月風(fēng)分離器分離效率并非總是隨入口氣體速度增加而0p增加,若分離器入口氣流速度比沉降速度高,顆粒將無(wú)法穿過(guò)流線到達(dá)壁面,在入口速度更高時(shí)已被10分離到壁面的顆?？赡鼙辉俅螉A帶,這就限制了分離器效率進(jìn)一步提高14。通常情況下分離器入口- -H2 -0 CH,氣體速度為20~25 m/s515] ,而該試驗(yàn)在空氣煤比3.5 3.7空氣、煤質(zhì)量比較低時(shí)旋風(fēng)爐入口速度差不多已達(dá)到或接近25m/s。圖7煤氣組成與空氣煤比的關(guān)系-般而言,向煤氣化爐中通入空氣使部分煤發(fā)生燃燒反應(yīng)的目的是為氣化反應(yīng)過(guò)程提供所需的熱300量。增加空氣量將使碳轉(zhuǎn)化率增高,但過(guò)多的空氣2001加入量也將使煤氣氣質(zhì)量變差。因此,為了獲得比較好的氣化效果,必須選擇合適的空氣煤比,要均衡- -H2 -o- CH，兼顧煤氣產(chǎn)率和熱值(或效率)。2.7 2.3.1 .3.3 3.5 3.73結(jié)論(1)隨著空氣煤比的增加,提升管平均溫度圖8煤氣組分產(chǎn) 率與空氣煤比的關(guān)系上升,煤氣產(chǎn)率增加。率增加,說(shuō)明燃燒反應(yīng)逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)。此外,碳轉(zhuǎn)(2)隨著空氣煤比的增加,碳轉(zhuǎn)化率先迅速化率不再增加或增加幅度較小,這與旋風(fēng)爐出口的上升,但繼續(xù)增加空氣煤比則碳轉(zhuǎn)化率變化較小。飛灰含碳量增高有關(guān)。圖9給出了加煤速率為5.4.(3)存在最佳的空氣煤比，使得煤氣熱值和kg/h、蒸氣煤比為0.21 , 0.30時(shí),不同空氣煤比冷煤氣效率出現(xiàn)最大值。工況下取得的冷卻器飛灰(即在冷卻器取得的飛(4)煤氣中一氧化碳濃度先增高而后有所下降,二氧化碳濃度的變化規(guī)律與此剛好相反，甲烷灰)的灰分情況。和氫氣的濃度呈減少趨勢(shì),煤氣有效成分含量先增高而后逐漸下降,存在一個(gè)最大值。g 80「(5)在試驗(yàn)研究范圍內(nèi),神華煤取得的最高爾6的冷煤氣效率45. 64% ,最高碳轉(zhuǎn)化率為83.84% ,40最高煤氣熱值為3.84 M.J/m'。心蒸氣煤比為0.21甓200蒸氣煤比為0.30參考文獻(xiàn):3.23.3.8[ 1 ] Yitian Fang ,Jiejie Huang , Yang Wang ,et al. Experiment andmathematical modeling of a bench - scale eirculating fluidized圖9冷卻器飛灰的灰分與空氣煤比的關(guān)系bed gasifer[ J]. Fuel Processing Technology , 2001( 1 ).[2] Hirschfelder H , Verrah H. Electricity and syngas from biomass從圖9中可以看到,隨著空氣煤比的增加,冷and wastes applying CFB gasification[ A ] Circulating Fluidized卻器~飛灰的灰分減少,即冷卻器飛灰含碳量增高。Bed Technology VI : Proceedings of 6" International Conference這可能有2個(gè)方面的原因:①隨著空氣煤比增加,on Circulating Fluidized Beds[ C ]. W urzburg , Germany , 199.流化風(fēng)速增高，使粒度較小的碳(由于旋風(fēng)爐對(duì)[3] 武利軍,周靜,劉璐,等.煤氣化技術(shù)進(jìn)展[J]潔凈粒徑較小顆粒的分離效率較低[13] ,所以通常這部[4]中國(guó)煤化工Z ,et al. Partial Gasification分碳無(wú)法被分離并參與循環(huán))停留時(shí)間減少,從CHC NMH G.', umi A] The 28“Inter. Tech.而使碳轉(zhuǎn)化率下降;②空氣煤比的增加使提升管Conf. on Coal Utilization & Fuel Systems[ C] Florida , USA.出口固體帶出量增加,但旋風(fēng)爐的分離效率并沒(méi)有2003.得到相應(yīng)提高,從而造成更多的飛灰損失。由于旋.(下轉(zhuǎn)第52頁(yè))48第34卷第3期煤炭科學(xué)技術(shù)2006年3月歸系數(shù))分為兩部分。在試驗(yàn)開(kāi)始階段,也就是本試驗(yàn)在軸為了方便比較把表2的不同粒徑的軸力與位移力小于200kN時(shí),粒徑與控制體增量的關(guān)系是粒的回歸曲線繪在圖4中,可見(jiàn)在相同軸力下不同粒徑小的控制體增量大,粒徑大的控制體增量小。而徑浸水飽和砂巖的軸力與位移的關(guān)系因粒徑的不同當(dāng)軸力大于200kN時(shí),粒徑越小控制體增量也越而有所不同,在相同軸力條件下浸水飽和砂巖的粒小,粒徑越大控制體增量也越大。徑越小位移越大。(4)同軸力下不同粒徑浸水飽和砂巖的軸力與位移的關(guān)系遵循對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)都大于50 [0. 99 ,它們的關(guān)系因粒徑的不同而有所不同,在相同軸力的條件下浸水飽和砂巖的粒徑越小位移越30大。a 20廿粒徑為15 ~20 mm?粒徑為10~15 mm參考文獻(xiàn):0會(huì)粒徑為5~10mm[1]繆協(xié)興,茅獻(xiàn)彪,胡光偉，等，巖石(煤)的碎脹與壓實(shí)10300400特性研究[J]實(shí)驗(yàn)力學(xué), 1997 (3).軸力/kN[2]張振南，茅獻(xiàn)彪,郭廣禮.松散巖塊壓實(shí)變形模量的試驗(yàn)圖4不同粒徑的軸力與位移的回歸曲線研究[J]巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003 (4).[3]張振南,茅獻(xiàn)彪，葛修潤(rùn)、松散巖塊側(cè)限壓縮模量的試驗(yàn)研究[J]巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004( 18).4結(jié)論[4]繆協(xié)興 ,張振南.松散巖塊側(cè)壓系數(shù)的試驗(yàn)研究[J]徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001 (4).( 1)體積變化量與軸力的關(guān)系是一種冪函數(shù)[5] 日本土質(zhì)工學(xué)會(huì).粗粒料的壓實(shí)[ M]郭熙靈,文旦,的關(guān)系。對(duì)于不同粒徑的巖塊在軸力施加條件相同譯、北京:中國(guó)水利水電出版社, 1999.時(shí)粒徑大的巖塊體積變化量大,而粒徑小的巖塊體積變化量小。作者簡(jiǎn)介: 張連英(1971- ),女,山東青島人,講師,中國(guó)(2)控制體增量與應(yīng)力的關(guān)系和體積變化量礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事巖石力學(xué)特性研究。Tel : 0516 -83884881 , E - mail : zhanglianying@ 126. com與軸力的關(guān)系差不多,都遵循冪函數(shù)的關(guān)系。(3)同一軸壓下的控制體增量與粒徑的關(guān)系收稿日期: 2005-10-01 ;責(zé)任編輯:朱栓成(上接第48頁(yè))[11 ] Kim Y J, LeeJ M , KimS M. Coal gasification characteristicsin an intemally circulating fluidized bed with draught tube [ J ][5]Robertson A. Development of Foster Wheeler'ssion 21 PartialFuel ,1997( 12 ).Gasifcation Module [ A ] Vision 21 Program Review Meeting[ 12]Kim Y J ,LeeJ M ,KimS M. Coal gasifcation characteristics[ C] Morgantown , West Virinia ,2001.in a downer reactor[J] Fuel ,2001 (13).[6] Robertson A. Vision 21 , Partial Gasification Module Pilot Plant[ 13]譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理(第二版) [M]北Testing[ A ] The 27" Inter. Tech. Conf. on Coal Utilization京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1990.& Fuel Systems[ C ]. Florida ,USA.2002[ 14]巴蘇P.循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行[ M]北京:科學(xué)[7]黃亞繼，金保升,仲兆平,等.循環(huán)流化床部分煤氣化試驗(yàn)出版社, 1994.研究.煤炭科學(xué)技術(shù), 2003 (2).[ 15]岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)[8]那永潔,張榮光，呂清剛,等.循環(huán)流化床常壓煤氣化的與運(yùn)行[ M]北京:中國(guó)電力出版社, 1998.初步試驗(yàn)研究[J]煤炭學(xué)報(bào), 2004(5).[9]張榮光,那永潔，呂清剛. Experimental study on coal gasifi-中國(guó)煤化工，河北邯鄲人,博士,副教caion in a eirelating fuidized bed[J]中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005 (9).授，:TYHC N M H G化方面的教學(xué)與研究。Tel:61591265 ;E - mail :z_ rg@ sohu. com[ 10] Shadle LJ , Monazam E R , Swanson M L. Coal gasification ina transport reactor [ J ] Ind. Eng. Chem. Res. ，2001( 13).收稿日期: 2005-10-21 ;責(zé)任編輯:劉軍娥52