第29卷第5期煤炭學(xué)報(bào)Vol.29 No. 52004年10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct.2004文章編號(hào)0253 - 9993( 2004 )05 -0598 -04循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗(yàn)研究那永潔,張榮光,呂清剛,王東宇(中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080 )摘要:建立了一套常壓熱態(tài)循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)臺(tái),采用神華煤進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究.結(jié)果表明,試驗(yàn)臺(tái)可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率分別可達(dá)到96. 9%和60.5% , 但存在高溫結(jié)渣和飛灰碳 損失高等問題.關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床;煤氣化;試驗(yàn)中圖分類號(hào): TQ541 ; TQ534文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: APrimary experiments on gasification on an atmospheric circulating fluidized bedNA Yong-jie ,ZHANG Rong guang , L0 Qing-gang , W ANG Dong-yu( Institute of Engineering Thermophysics , Chinese Academy of Sciences , Bejing 100080 , China )Abstract : A circulating fluidized bed gasification test rig ( CFBR100 ) was built and some primary experiments onShenhua coal gasification at atmospheric pressure were made. The tests were run stably and carbon conversion andgasification efficiency could be attained 96. 9 % and 60. 5 % , respectively. But there were problems ,e. g. clinkerand the high carbon losses in fly ash. .Key words : circulating fluidized bed ; coal gasification ; experiment我國是以煤炭為主要能源的國家,發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)具有緊迫性和重要性.煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一,是許多能源高新技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和重要環(huán)節(jié).雖 然煤氣化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用已有100多年的歷史,但現(xiàn)在仍然有必要開發(fā)面向更嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)要求的新的高效煤氣化技術(shù)1已工業(yè)化應(yīng)用的煤氣化技術(shù)中既有采用固定床,也有采用流化床或氣流床煤氣爐[2-4].與鼓泡流化床相比,循環(huán)流化床具有單位容積生產(chǎn)能力大、顆粒停留時(shí)間長、容易實(shí)現(xiàn)大型化等特點(diǎn),用于燃煤鍋爐已進(jìn)入了大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用階段,由此推測,循環(huán)流化床可以為煤氣化技術(shù)的發(fā)展提供- -個(gè)新的研究方向、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、德國Lurgi公司、瑞典Studsvik能源公司、美國HRI和Foster Wheeler 公司先后進(jìn)行了循環(huán)流化床的煤氣化研究5-13].2002 年,中國科學(xué)院工程熱物理研究所承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃( 863計(jì)劃)"循環(huán)流化床加壓煤氣化” 的課題.按照課題要求 ,在第 1階段先進(jìn)行 常壓條件下的試驗(yàn)研究. 為此,建成了循環(huán)流化床常壓煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)CFBR100,并采用神華煤完成了初步的氣化試驗(yàn)研究.1 CFBR100 熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)中國煤化工CFBR100熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示,由循環(huán)流化床煤氣化:MH.CNMH(二且成.(1)循環(huán)流化床煤氣化爐由提升管、旋風(fēng)爐、下降昌怕必十甜于出成I土邵采用高溫合金制造,收稿日期: 2003-12-01基金項(xiàng)目: 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃( 863計(jì)劃)項(xiàng)目( 2002AA529210 )作者簡介:那永潔( 1961- ),男,福建南平人,研究員. Tel : 010 - 82671749 , E - mail : nayongjie@ efb. etp. ac. cn第5期那永潔等:循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗(yàn)研究599無內(nèi)襯,外壁用硅酸鋁纖維包裹,沒有附設(shè)加熱裝置.提升管內(nèi)徑為100mm,從布風(fēng)板到提升管頂部的總高度為3000mm.旋風(fēng)爐的形狀與普通旋風(fēng)除告塵器相似,從旋風(fēng)爐底部排出的循環(huán)物料依次通過管7洗滌水箱垂直下降管和U型返料器,全部返回提升管.為了某斗飛灰防止在返料器中出現(xiàn)高溫而使循環(huán)物料黏結(jié)，采用氮?dú)庾鳛閁型返料器的流化風(fēng)。沿提升管高度(包括風(fēng)室)布置了4個(gè)溫度測點(diǎn)和2組壓力測點(diǎn)，旋風(fēng)爐的入口和出口分別設(shè)有溫度和壓力測點(diǎn)底渣(2)輔助設(shè)備 氣化劑由空氣、氧氣和水蒸氣組成,經(jīng)電爐預(yù)熱到約200C后由提升管底部的風(fēng)圖1 CFBR100熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)室供入、空氣由空氣壓縮機(jī)提供，氧氣和氮?dú)庥蓺釬ig. 1 The CFBR100 experimental apparatus瓶供給,水蒸氣由電爐加熱給水產(chǎn)生;煤由螺旋給1-螺旋給料機(jī) ;2-間接冷卻器 ;3一煤氣成分分析儀 ;4一氮?dú)馄?料機(jī)通過斜管加入提升管,斜管采用水冷套管結(jié)構(gòu),5一氧氣瓶;6一 -液化石油氣瓶 ;向斜管通入少量空氣作為載氣.從旋風(fēng)爐排氣管流7-水瓶;8- 空 氣壓縮機(jī);出的煤氣首先進(jìn)入管式間接水冷卻器冷卻,然后進(jìn)9--加熱電爐入水箱洗滌，飛灰也在水箱中被捕集.水箱出口管段上設(shè)有熱電偶、流量表和煤氣成分取樣頭.煤氣中CO, CO2 , H,和CH4的濃度采用德國Sick-maihak公司生產(chǎn)的分析儀進(jìn)行在線實(shí)時(shí)分析.溫度、壓力、煤的螺旋給料機(jī)的電機(jī)頻率、煤氣成分及流量的測量與分析結(jié)果均由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集、顯示和記錄.2試驗(yàn) 過程和試驗(yàn)結(jié)果及分析( 1 )煤氣化試驗(yàn)所用煤的性質(zhì) 試驗(yàn)采用神華煤,其煤質(zhì)分析和粒度分布結(jié)果見表1和圖2.表1神華煤的煤質(zhì)及灰成分分析Table 1 Proximate , ultimate and ash composition analyses of Shenhua coal元素分析/%工業(yè)分析/%Qmet ar灰的熔融性/CGrL(C.) u(HJ) u(O。) u(S) u( Nu)MadA Vau FC. /MJ. kg-1 DFr68. 83. 56.11. 080.406. 888.53 27. 6056. 99.25. 87.108011901210灰成分分析/%u(SiO2) u( Al203) u( Fe203) u( CaO)u( MgO)u( SO3)u( TO2 )u( K20)u( Na20)u( P203 )25.3210.7722. 1126. 640.959. 060.690. 491. 750.02(2)試驗(yàn)過程試驗(yàn)前將3.5kg小于1mm的石英100砂作為基本床料加入提升管內(nèi)，然后通入空氣及返料80風(fēng)，打開氣化劑加熱電爐;隨后點(diǎn)燃液化石油氣,加熱煤氣化爐及提升管內(nèi)的物料;當(dāng)提升管底部溫度達(dá)到中國煤化工析400 C時(shí),開始少量、斷續(xù)加煤，當(dāng)煤開始穩(wěn)定燃燒后關(guān)閉液化石油氣;調(diào)整空氣和給煤速率,逐步提高提升MHCNMHG0L上上1業(yè)上⊥山1.0010.00管底部溫度到800C左右;改變氣化劑流量和煤的加入0.010.10粒度/mm速率逐步轉(zhuǎn)換到氣化狀態(tài);當(dāng)提升管溫度、煤氣組成在10 min內(nèi)變化幅度很小時(shí),即認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),作為圖2神華煤粒 度的分布曲線一個(gè)試驗(yàn)工況.試驗(yàn)過程中不排底渣,試驗(yàn)完成后取得Fig. 2 Size distribution of Shenhua coal600煤炭學(xué)報(bào)2004年第29卷底渣、、飛灰和水箱洗滌 水等樣品進(jìn)行分析.(3)試驗(yàn)過程的溫度變化及分布圖3為-次試驗(yàn)過程中記錄的提升管底部、中部、頂部及旋風(fēng)爐出口溫度的變化曲線,圖4為煤氣濃度變化曲線、可以看出,溫度比較平穩(wěn),煤氣組成也比較穩(wěn)定.但提升管上下的溫度分布并不均勻,提升管頂部和旋風(fēng)爐出口的溫度明顯偏低,這顯然不利于提高氣化效率.可能的原因包括散熱量大、流化速度偏低、循環(huán)灰濃度偏低、焦碳的氣化反應(yīng)速率偏低等.1 1002:900只70015笛500- -提升管底部塔1一古一合合一一合一一合一0*提升管中部300+旋風(fēng)爐出口.5-0-CH -口一CO2100時(shí)間圖3溫度記錄 曲線.圖4煤氣組成記錄曲線Fig. 3 Gasifier temperaturesFig. 4 Gas composition(4)初步的試驗(yàn)結(jié)果(表2)試驗(yàn)表2試驗(yàn) 條件和結(jié)果結(jié)果表明,加煤速率、氧煤比和蒸汽煤比Table 2 Experiment conditions and results對(duì)氣化指標(biāo)有顯著影響.神華煤氣化時(shí)的項(xiàng)目工況1工況2 工況3 工況4 工況 5碳轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)96.9%，冷煤氣效率煤加入量/kg: h-'5. 445.77 5. 375. 285.7560.5%.美國Foster Wheeler公司"1用褐氧與煤之比/m3. kg-10.90 1.04 1.12 0. 870.89.煤( Vau=44.5% )氣化時(shí)碳轉(zhuǎn)化率為蒸汽與煤之比kg* kg~0.52 0. 400.330.2195%~98%,而用煙煤(Var=22%~截面氣化強(qiáng)度/kg° ( m2. h)-169367241.8% )時(shí)則為48% ~ 75%.以相同變?nèi)莘e氣化強(qiáng)度/kg: (m3. h)-'231245228224244干煤氣產(chǎn)率/m3. kg-13.193.463.613.223.09質(zhì)程度煤作比較,本試驗(yàn)的碳轉(zhuǎn)化率與德煤氣組成/%國Lurgi公司的試驗(yàn)結(jié)果131相當(dāng),但Lur-4( CO)18.44 18.95 18.88 15.76 20.804( CO2 )9.77 14.50 14.83 12.56 11.23gi公司采用空氣作氣化劑時(shí)的煤氣組成中4(H2)8.82 15.35 13. 98 12.03 12. 16有效成分含量高于表2的結(jié)果.中國科學(xué)4CH4)0.76 0.81 0.810.90 0.71院山西煤炭化學(xué)研究所在直徑57 mmx高4(N2)62.21 50.39 51.50 58.75 55. 823710mm的試驗(yàn)裝置(帶電加熱)上也冷煤氣熱值/kJ m-337564673448938834369用神華煤做了煤氣化試驗(yàn)7](950C，氣冷煤氣氣化效率/%44.860.4 60.5 46. 850.4碳轉(zhuǎn)化率/%72.092.296.973.377.0化劑為CO2 +02,其中(02) =30% ),提升管底部溫度/C86587904892883當(dāng)氣化強(qiáng)度為490 kg/ ( m’，h)時(shí),碳提升管中部溫度/C84856885871878轉(zhuǎn)化率為90% ,冷煤氣效率為63. 35%，提升管頂部溫度/C128436176旋風(fēng)爐出口溫度/C688728731 696737與此相比,表2所示的氣化強(qiáng)度和碳轉(zhuǎn)化提升管底部氣化劑表觀速度/m" s-1.852.42 2.32 2. 082.00率較高,而冷煤氣效率稍低.與煤炭科學(xué)提升管頂部煤氣表觀速度/m;2.56.3.323.162.752.63研究總院北京煤化工分院采用灰熔聚排渣中國煤化工的加壓流化床試驗(yàn)結(jié)果4]相比,表2所示的煤氣中有效成分MH. CNMHG高(5)煤氣中焦油及酚的含量 從旋風(fēng)爐出來的粗煤氣先經(jīng)過一個(gè)間接水冷卻器冷卻,然后進(jìn)入水箱洗滌,煤氣中的焦油可能存在于間接冷卻器壁面及水箱的洗滌水中.根據(jù)觀察,間接冷卻器壁面上沒有焦油等附著物.對(duì)水箱中的洗滌水樣品進(jìn)行了焦油和酚含量的分析.送往國家環(huán)境分析測試中心分析的2個(gè)樣品分別采自水箱的上表面及中部,其礦物油分析結(jié)果分別為1. 33和0.99 mg/L,以此推算,煤氣中的第5期那永潔等:循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗(yàn)研究601礦物油含量約為0.3mg/m3;同樣的樣品還送到煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院,分析結(jié)果沒有檢出焦油,說明煤氣中焦油含量極低.因?yàn)樵谡麄€(gè)循環(huán)流化床煤氣化爐中沒有低溫區(qū),即使產(chǎn)生一些焦油也能夠被比較徹底地裂解.(6)結(jié)渣問題 采用神華煤試驗(yàn)時(shí),當(dāng)提升管底部溫度高于930 C時(shí)(比變形溫度低150 C ),極易發(fā)生結(jié)渣.采用大同煤試驗(yàn)時(shí), 提升管底部溫度高于950 C時(shí)(比變形溫度低200 C )也容易發(fā)生結(jié)渣.同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變?cè)囼?yàn)工況時(shí),如果操作條件在短時(shí)間內(nèi)變化較大,也容易在提升管底部產(chǎn)生局部高溫而結(jié)渣.結(jié)渣限制了進(jìn)一步提高煤氣化的試驗(yàn)溫度.目 前尚無法肯定,是否可以通過改變?cè)囼?yàn)條件(比如氣化劑成分、表觀速度等)提高發(fā)生結(jié)渣的溫度,這是今后的試驗(yàn)內(nèi)容之一.(7)存在的其它問題在CFBR100熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)中，飛灰碳損失比較高.對(duì)工況5時(shí)在間接冷卻器底部和洗滌水箱中取得的飛灰進(jìn)行粒度分析,其篩上質(zhì)量累計(jì)50%對(duì)應(yīng)的切割粒度分別為50和7μm,說明旋風(fēng)爐的氣固分離效率不高.對(duì)洗滌水箱中取得的飛灰進(jìn)行分析，結(jié)果表明其含碳量較高(53. 54% ),甚至還含有揮發(fā)分( Vu=11.73% ),說明氣化反應(yīng)速率不高或者煤在爐內(nèi)停留時(shí)間不足,這也是今后試驗(yàn)的重點(diǎn)之- -.3結(jié)語建立了常壓循環(huán)流化床煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)CFBR100 ,完成了初步的煤氣化試驗(yàn),取得了許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),為下-步常壓和加壓循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)提供了依據(jù);實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床煤氣化系.統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行;在900 C的煤氣化溫度條件下,實(shí)現(xiàn)的碳轉(zhuǎn)化率為88%、冷煤氣效率為55% ;在試驗(yàn)中遇到了結(jié)渣和飛灰碳損失高等問題,將在今后的試驗(yàn)中尋求原因及解決方法.參考文獻(xiàn):[1 ] Gary J Stiegel , Rusell C Maxwell. 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