第15卷第1期燃燒科學與技術Vol.15 No, 12009年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb.2009氣流床氣化爐內氣體濃度的分布規(guī)律牛苗任，王增瑩，張志文，梁欽鋒，于廣鎖，王輔臣，于遵宏(華東理I大學潔凈煤技術研究所,上海200237)摘要: 常壓條件下,在兩噴嘴對置熱模試驗平臺上,對含碳化合物(柴油)的氣化過程進行了試驗研究.在不同的氧油比條件下,用水冷不銹鋼取樣探頭在爐內3個軸向位置和合成氣出口位置取樣,氣體經預處理系統(tǒng)后,用質譜儀分析主要氣體(O2、CO2 ,CO、H,和CH,)的體積分數.研究了不同試驗條件下的氣化爐升溫過程,以及穩(wěn)定工況下氣化爐內不同徑向位置氣體分布規(guī)律.結果表明,噴嘴平面附近,升溫速率以1000C為界限，明顯地分為兩個線性區(qū),CH。體積分數可作為指示氣化爐溫度的指標.最佳氧油比為0. 90- 1. 20 m'/kg左右關鍵詞:氣化;氣流床氣化爐;氣體濃度分布中圖分類號: TQ546. 2文獻標志碼: A文章編號: 1006-8740(2009)01 0066080Gas Concentration Distribution in an Entrained-Flow GasifierNIU Miao-ren, WANG Zeng-ying, ZHANG Zhi-wen, LIANG Qin-feng,YU Guang-suo, WANG Fu-chen, YU Zun-hong(Institute of Clean Coal Technology , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract: On a laboratory-scale testig platform of impinging entrained-low gasifier with two opposed bumers, the detailedmeasurements of gas concentration distribution have been performned for carbonaceous compound ( diesel oil) under atmo8-pherie pressure. At diferent O/fuel ratios, gas samples are cllcted at three axial positions and the syngas exit positionwith stainless steel water. cooled probes, and the concentrations of the major gase (O2, CO2, co, H2 and CH4) are analyzed with a mass sectrometry. Both the heating-up process and the distribution law at different radial positions under astable operaing state are studied. The results clearly ilustrate that 1 000 C is the threbhold temperature of heating-upprocess near the bumer plane, and that the methane content in the syngas is the best indicator for monitoring the tempera-ture of a gasifier. The optimal 02/fuel ratio is about 0. 90- -1. 20 m/kg. These data are used to clarify the mixing and reaction characteristics within the reactor, to give an insight into the combustion process and to provide a database for evalua-ting predictive mathematical models.Keywords: gasification; entrained-low gasifier; gas concentration distribution.撞擊流基本構思是使兩股氣體.顆粒或滴瀝兩相研究和應用['4).大型四噴嘴對置冷模裝置的測試結流沿同軸相向流動撞擊.由于慣性,顆粒穿過撞擊面滲果表明,氣化爐內流場可劃分成射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊人反向流做減幅振蕩運動,顆粒經歷相間相對速度極流股區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū).對于熱態(tài)試驗,爐高的條件,并延長了在氣流中的停留時間,這種方法對內溫度高,氣體含塵量大,要測量合成氣濃度相當困強化熱質傳遞過程非常有效,在許多領域已有廣泛的難,再加上燃燒規(guī)律復雜,因此無論在理論分析、試驗收稿日期: 2007- 09- 07.中國煤化工基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(040C2170);教育.MYHC N M H GT050415);上海市曙光計劃資助項目(06SG34);長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT0620).作者簡介:牛苗任(1979- ) ,男,博上研究生.通訊作者:牛苗任, niuniaoren@ yaoo. com. cn.2009年2月牛苗任等:氣流床氣化爐內氣體濃度的分布規(guī)律.67.研究或是現場實測方面,已做過的研究工作都很少,可NH, 和NO,等體積分數都很少,本文只分析主要氣體查到的有關文獻資料也甚少.(O2, CO2, CO, H2和CH,)的體積分數.以含碳物質(柴油)為原料,純氧為氣化劑,經過部分氧化生成合成氣,是-一個極其復雜的反應過程.就1反應機理化學反應而言,同時存在柴油的高溫裂解、燃燒和氣化反應，因返混而造成的可燃組分(主要是CO和H2)與柴油氣化主要出現兩種不同類型的化學反應:放氧的燃燒反應,氣體組分同炭黑之間的反應以及變換熱的一次反應(燃饒)和吸熱的二次反應.氣化爐內某和甲烷蒸氣轉化反應.柴油中含有多種元素,除了主要一區(qū)域主要發(fā)生哪種反應依賴于此區(qū)域的流動性質和元素C、H以外,還含有S、N等其他元素.在高溫氣化混合過程. 圖1給出了煤和生物質氣化的反應過程,對過程中,S生成H2S和Cos,別的化合物如so,或CS2于柴油 氣化,由于包含的幾乎全是高溫分解物質,過程基本不存在,合成氣中s主要以H2S形式存在稍微有些不同.柴油進入高溫氣化爐內,受到快速加(93% ~95% ) ,其余為coS,由于COS很難除去，所以熱,與氧化劑迅速反應,生成氣體.基于反應和流動行用專門的催化劑把CoS轉變?yōu)镠2S再除去. HCN、為, 氣化爐內可分成3個區(qū)0):一次反應區(qū),二次反應NH,和NO,等主要來自原料中的N,不是來自N,因區(qū),一次反應和二次反應共存區(qū).為N- H,N- C比∞N弱好多[51. H2S、CoS、HCN、高溫分解氣體(C0. H .CHL. H,O等)\Y(相反宣(裂化.重整，。 CO.H.CH.H2O固體含碳物質__焦油,石腦油等一燃燒, CO變換)和裂化產物(煤、生物質)高濕分解氧化產物苯酚.酸)/與氣體反應(個化,燃繞Co變換)_一 c.H.HC.和Ho團1煤和生物質氣化的反應過程5)1.1 一次反應區(qū)CH. + H20- +CO +3H2(8)撞擊流本身和它的擴展區(qū)域構成了一次反應區(qū).CH, +CO2-→+2CO +2H2(9)- -次反應區(qū)中以揮發(fā)分、CO和H2的燃燒反應為主,CO2 +H2-→CO + H20(10)高溫分解產物、CO和H2的燃燒速率極快,其時間尺在900~1 500 C范圍內,C與H2的反應速率比C度在2~4 ms(7] ,遠小于爐內微觀混合的時間尺度與CO2或H20的反應速率低了2個數量級.一般來(0.6 s).在混合過程中,燃料將發(fā)生高溫分解,并形成講,可用反應速率常數的倒數1/h表征反應時間尺度，游離殘?zhí)?殘?zhí)嫉娜紵磻饕霈F在一次反應區(qū).反應(6)的時間尺度為10 s左右i9].眾所周知,反應Masdin等(8]的研究表明,殘?zhí)嫉娜紵俾瘦^低,因此(7)速度比反應(6)快,反應(8) ~ (10)為均相反應，殘?zhí)荚谝?次反應區(qū)中的燃燒與其他高溫分解產物的燃在高溫下其速率高于反應(6)和(7).碳與H20和CO2燒相比是次要的.概括地講,一-次反應區(qū)中的反應如式反應的時間尺度均大于微觀混合的時間尺度,即化學反應是殘?zhí)細饣磻目刂撇襟E.(1) ~式(5)所示. .高溫分解產物+02-→CO2 + H20(1)1.3 - -次與二次反應共存區(qū)-次反應與二次反應共存區(qū)主要出現在回流區(qū),2C0 + 02→2C02(2)因射流的卷吸作用和湍流擴散,回流區(qū)與射流區(qū)將進2H2 +O2→2H20(3)行質量交換.盡管共存區(qū)中也出現二次反應,但多數反CH, +202- +CO2 +2H2O(4)應可以看作- -次反應.此區(qū)域所有反應過程,除了殘?zhí)?C +O2-→2CO(5)與H20和CO2反應以外,都由微觀擴散步驟控制.1.2 二次反應區(qū)中國煤化工二次反應區(qū)包括平推流區(qū)和折返流區(qū).在此區(qū)域2試HCNMHG內,一次反應區(qū)的產物將進行二次反應:C+CO2-→2CO(6)撞擊式氣流床氣化爐試驗流程如圖2所示.試驗C+H20-→CO +H2(7)在常壓下進行,用氧氣作為氧化劑,柴油作為氣化介. 68.燃饒科學與技術第15卷第1期質.氣化爐內襯為剛玉管,外部為不銹鋼外殼,中間隔圖2所示的C、D、F和G四個位置,采用氬氣定時吹掃有硅酸鋁保溫棉.爐內徑為300 mm,長度為2200以防止取樣探頭堵塞.同時在A、B和E三個位置安裝mm;爐側面開孔，以便于進行觀察和測量.化爐兩個熱電偶,來觀察爐內溫度變化情況.雙通道噴嘴水平對置,噴嘴結構如圖3所示.氧氣由氧(2)氣體凈化裝置中氣體分析預處理,使其達到氣鋼瓶提供,并由氣體質紙流量計控制計量后經噴嘴質譜儀的進樣要求.其流程如圖5所示,氣體樣品由水外通道進入氣化爐爐膛內.柴油由齒輪泵計量輸送,經冷探頭取出后,首先進行過濾,濾去大部分炭黑,接著噴嘴內通道進入爐膛內,氧氣與柴油在爐內進行劇烈進行干燥.精密過濾進人取樣泵,然后進人壓縮機制冷的對掩氣化燃燒,生成的合成氣經激冷室冷卻后放空.器冷凝,冷凝水經三通、針閥,由排水口排出;冷凝后的采用工業(yè)電視系統(tǒng)拍攝氣化火焰圖像,對爐內情況進氣體再經干燥器干燥、流量計計量后進人質譜儀.行監(jiān)控取樣及分析系統(tǒng)主要由3個部分構成.(3)采用英國HIDEN公司生產的HPR20QIC型(1)氣體采集裝置采用水冷不銹鋼探頭,從高溫氣體分析質譜儀進行在線、實時、定量分析.分析- -組高粉塵的環(huán)境中連續(xù)取樣,其結構如圖4所示.探頭可數據的時間為16 ~ 20 s,響應時間快,分析精度高.由從不同軸向位置取樣,對同- -軸向位置, 探頭可從爐壁于受湍流波動、取樣時間等的限制,為了能獲得足夠的伸到軸線中心,即在不同輻射位置取樣.為了比較全面信息，在每- -位置處取樣時間至少為10 min.地對爐內氣體進行分析,本系統(tǒng)的取樣位置安裝在如4+向0O-Q1一柴油儲槽: 2一氧氣瓶; 3一氬氣瓶;4一齒輪泵; 5-氣體質量流敏計; 6-噴嘴; 7-渦街流量計;8-排渣H;9- 氣體預處理系統(tǒng); 10-質譜儀; 11一計算機; 12-火焰檢測器圖2試驗流程示意( 單位: mm)氧氣柴油氣冷卻水進口320中國煤化工YHCNMHG冷卻水出口圈3噴嘴結構示意圖4水冷取樣探頭( 單位: mm)2009年2月牛苗任等:氣流床氣化爐內氣體濃度的分布規(guī)律, 69.Y通圈5氣體預處理 系統(tǒng)度很快,約9 C/min，而后升溫速度逐漸變慢,約3結果與討論2 C/min.從圖6也可以看出,A位置和B位置熱電偶的溫度在1 000 C左右有一個拐點,升溫速率明顯地3.1 烘爐過程.分為兩個線性區(qū).氣化爐內的溫度是- -個非常重要的參數,它應低于耐火襯里的使用溫度,高于維持快速反應需要的溫1400F1 200--度.烘爐過程是指從氣化爐點火開始至爐內各位置熱1 000電偶溫度基本不發(fā)生變化為止,是氣化爐趨于平穩(wěn)的00過程.這-過程類似于工業(yè)開車過程,故研究烘爐過程口60溫度變化情況.以此為基礎,烘爐過程條件不變,在C位置取樣,取樣探頭與爐內壁相切.烘爐條件見表1.條件2穩(wěn)定時爐內升溫情況見圖6. B位置熱電偶約40 o720 160 20090 min升到1000 C,約195 min升到1 300 C.溫度圖6爐內升溫情況隨時間基本.上呈線性增加,在剛開始的1 h內,升溫速表1烘爐條件1號榮油/2號柴油/1號02/2號02/氧油比/B位置升到I000CB位置升到1 300 C條4(kg.h-1)| (kg.h-')| (m2' h)| (m2' h-I)| (m' ●kg-')時間/ min2. 101.92.562.571.28 .2252.002.732.841.399o0195.002.782.911.42301802. 222.463.511.5475150在氣化過程中,氣化爐溫度主要與氧油比(每小3.2穩(wěn)定燃燒氣化過程時進料氧氣體積與柴油質量之比, m'/kg)、柴油進料穩(wěn)定燃燒氣化過程是指試驗條件固定,從點火開量、氣化反應進行的深度以及熱損失有關. O2和水蒸始約4h到爐內各位置熱電偶的溫度基本保持不變?yōu)闅馐强刂茪饣癄t溫度的氣體,還有-些其他降低爐溫止,即認為達到了熱平衡.在C、D、F三個軸向位置取的方法,比如:在O2中加入N2或CO2,或者間接把熱樣,每個軸向位置,以取樣探頭與爐內壁相切為基準，量移走等.由于停留時間很短,所以控制過程非常復分別測量距離爐內壁0 cm.3 cm、6 cm .9 cm、12 cm、15雜在氣化爐運行過程中,如果最重要的調節(jié)參數O2cm(爐瞠中心6個輻射位嚳的氣體組成,試驗條件中國煤化工突然增加，會使氣化爐內襯受到嚴重的損壞,經驗表見表2.明,如果02的量超出氣化爐正常運行所需02量的3.2.1MHCNMHG體積分數分布50% ,幾分鐘之內,氣化爐溫度就會升到1550 C不同氧油比條件下,位置C各物質不同徑向位置體積分數分布如圖7所示,從圖7可以看出:①H2在以上.. 70.燃科學.與技術第15卷第1期接近爐中心處體積分數下降，CO在接近爐中心處體積分數上升;②CO2體積分數先降低后升高,不同徑表2實驗條件向位置,02體積分數依然很低,沒有大的變化,說明在1號柴油/2號柴油1號02/ 2號02/Au氧油比/高溫下,爐內反應進行的很快;③越接近爐中心, CH條件(kgh)(kgh1)(m2' 4h-1)(m' h1)(m' h-1 )(m' ig~'體積分數越高,在爐中心位置有一最低值,因為爐中心1.952.04 1.747| 1.814 0.818| 0.893溫度最高;理論上越接近于爐中心,離火焰越近,溫度2.04 1. 8922. 0380.716 0.985越高;CH。體積分數應該越低,但實際測量值升高,直2.011.98| 2.037| 2. 1880.6731.059 .到爐中心最高溫度時,體積分數才最低,說明爐內氣體2.082.04| 2.214| 2. 3880.119| 1.117發(fā)生了不同程度的混合;④Ar體積分數約在徑向位2.001.98 2.323| 2.4961.211置6 cm處有一最高值,然后越接近爐中心,體積分數2.00 2.487| 2. 6200.7161.277越低;這是因為Ar用來保護火焰檢測器鏡頭,從爐頂2.00 2.785| 2. 9110. 809| 1. 424吹人,由于雙噴嘴對撞,形成-一個撞擊 面,Ar很難進入爐中心。家30.4徑向位置/i?！?1416t/cm(a)氧油比0. 893 m'/kg. r=1 290C(b)氧油比1.059 m2/kg, T=1 308 Csc主黨三氛36士王9妻281O246徑向位置/cm徑向位t/em(c)氧油比1.211 m/kg, T=1 360C(d)氧油比1.424 m2/kg, T=1 380 C圖7位置 C各物質不同徑向位置體積分數3.2.2位置 D各物質不同徑向位置體積分數分布cm處,合成氣已混合比較均勻.表3給出了各物質徑不同氧油比條件下，位置D各物質不同徑向位置向6個位置的體積分數均值.圖9為位置D各物質體體積分數分布如圖8所示從圖8可以看出,各物質體積分數隨氧油比變化圖,從圖9可以看出,隨氧油比增積分數基本上為一條水平直線,在不同徑向位置差別大,氣化爐溫度升高,碳轉化率增大,CO2體積分數增不大.說明在D位置處各物質體積分數混合已比較均大,C(中國煤化工,CH,體積分數下勻,在F位置也有類似規(guī)律,說明在噴嘴平面下部20降,02YCNMHG2009年2月牛苗任等:氣流床氣化爐內氣體濃度的分布規(guī)律●71.505-402.30-1.6球三; 20主瑞三包.8接1052024δ8112460-202468021416徑向位置/em(a)氧油比0.893 m'/kg, r=1 282 C(b)氧油比1.059 m/kg, r=1 290 C2.842.44(1200+3; 30f要20.8要號::6古去°(0)氧油比1.211 m/kg, r=1 360 C(d)氧油比1.424m2/kg. τ=1 390 C圈8位置D 各物質不同徑向位置體積分數.0o 1主空1.0要os0.90市市33氧油比(m'●kg')氧油比/m’●kg)(a) CO2,CO,H2(b) CH4,O2圖9位置D各物質體積分數隨氧油比變化表3位置D各物質體積分數徑向均值化圖.從圖10可以看出,隨氧油比增大,CO2體積分數增氧油比|p(CO)/% 4(C0)/% q(H)/% |p(CH,)/%| o(02)/%大,CO體積分數基本不變,H2體積分數下降,CH,體積分(m2+g-)數下降,02體積分數基本為零.0.8937.59645.767 44.4232.0570.031表4位置F各物質體積分數徑向均值0.98510.37 49.458 38.7511.2291.08410.23849.51838.5721.508中(CO)/% |4(C0)/%中(H2)/% Jp(CH,)/%| p(02)/%(m'kg~)1.11714.146 48. 35336.8410.490.0408.05046.78742.9072.11110.0101.21113.869 51.672| 34. 1480. 1600.04011.64947.795 39. 1201.1880.0521.27715.77751.502 .32.5250.0211.05911.29948.77238.9630.700.0411.42421.762 51.47426.619.中國煤化工| 0.430HCNMHG0.1503.2.3位置F各物質不同徑向位置體積分數分布18.40848.916| 32.470 .表4給出了不同氧油比條件下位置F各物質體積分24.34747.055 28.411數徑向均值,圖10為位置F各物質體積分數隨氧油比變燃燒科學與技術第15卷第1期5050f40-- Co;主曾0葉蔡30要202010.0.9 10市立34509動六方畝3氧油比(m' . kg^)氧油比(m'●kg)(a) CO,H,CO22.5p2.5r+2.0f--CH.--0,寶1.00910市12131450910市213143氧油比(m'●kg")氧油比(m2●kg")(b) CH, O2(b) CH, 02圖10位置F各物質體積分數隨氧油比變化圖11位置 G各物質體積分數3.2.4位置 G各物質體積分數表6位置G的一些計算參數表5給出了不同氧油比條件下位置G各物質體積分氧油比有效氣戶率/冷煤氣碳轉化率/|合成氣量數徑向均值.對氣化反應來說,氧油比過低,將使氣化溫(m' *kg-1) (m .kg-")效率/%%(m3 h-I)度降低,碳轉化率降低;氧油比過高,將使合成氣品質降0.8932.51777. 66393. 13511.333低.從圖11可以看出:隨氧油比增大,CO2體積分數增大,0.9852.31470. 72195. 823.11. 934CO體積分數基本不變,H2體積分數下降,CH,體積分數1. 0592. 28580.12196. 94212.113下降,02體積分數基本為零.2. 08577. 78497.51312. 315.1.2112.09479. 10298. 17712. 432表5位置G 各物質體積分數1.2771.92876. 95398.50612. 497氧油比/km'胡)/%|o(CO2)/%|4(C0)/% o(H2)/% ρ(CH,)/% | o(02)/%1. 70474. 60499.02412. 5740.899.78943.88843. 88882. 3040.047冷煤氣效率為10.73649. 13838. 814.1450.0421.05911.503 48 89038.4140. 90.052mooAHco + ma,AHgp + mcu AHau(11)myAH。1.11716.02147.96435.5470.3140.049每千克柴油有效氣產率為15.00649.72134.9150.1500.0581.2719.099 48. 000326240.0210.05022.4x(nco +nm)(12)1 000 xmg1.42424.476 46. 463.28. 832.0.0030.065式中:中國煤化工量，mol;Y為冷氣3.3計算結果體效率二質量，kg;ms為柴主要計算參數是每千克柴油冷煤氣效率和有效氣產油的進:YHCNMHG燒熱;Po 為每率，具體計算過程見文獻[ I0].試驗條件見表3,對位置G千克柴油有效氣產率, m'/kg進行計算,計算結果見表6.由表6數據可知,最佳氧油比數值應為0.90 ~2009年2月牛苗任等:氣流床氣化爐內氣體濃度的分布規(guī)律●73.1. 20 m'/kg,此時CO + H2體積分數達到最大值,且冷perimental studies of SO, absorption in coaxial cylinders with煤氣效率最高.impinging streams (1) [J]. Chemical Enginering Science,2000, 55(5): 1009-1021.[3] Berman Y, Tanklevsky A, 0ren Y, et al. Modeling and ex-結論perimental studies of SO2 absorption in coaxial cylinders withimpinging streams (II) [J]. Chemical Engineering Science,(1)烘爐過程溫度隨時間線性增加，接近噴嘴位2000, 55(5): 1023-1028.置的熱電偶,從點火開始1 h內,升溫速度很快,約[4] Dehkori A M. Aplicaion of a noeloped-jese contac-9 C/min,而后升溫速度逐漸變慢,約2 C/min.溫度ting device in liquid-liquid extraction [J]. Chemical Engi-在1000 C左右有一個拐點,升溫速率分為兩個線性neering and Processing, 2002, 41(3): 251-258.區(qū).CH,體積分數可作為指示氣化爐溫度的指標.[5]Chris Higman, Maten van der Burgt. Gasification [M].(2)噴嘴平面位置的各物質體積分數有不同程度USA: Elsevier Science, 2003.的變化.從爐壁至徑向6 cm之間,各物質體積分數變[6]王輔臣. 射流攜帶床氣化過程研究[D].上海:華東理工大學資源與環(huán)境工程學院，1995.化很小，,基本為- -水平直線.從徑向6 cm至爐中心15Wang Fuchen. The Gasification Process Investigation for Jet-cm處,CO、CO2體積分數基本為上升趨勢,在爐中心處Entrained Gasifer [D]. Shanghai: Schol of Resource and達最大值;H2、Ar體積分數基本上為下降趨勢,在爐中.Environmental Engineeing, East China University of Science心處達最小值;越接近爐中心,CH。體積分數越高,在and Technology, 1995( in Chinese).爐中心位置有一最低值;不同徑向位置,02體積分數[7] Smoot L D, Smith P J. Coal Combustion and Gasification依然很低，沒有大的變化,說明在高溫下，爐內反應進[M]. New York: Plenum Press, 1985.行得很快.[8] Masdin E G, Thring M W. Combustion of single droplets ofliquid fuel [J] Journal of the Institue of Fuel, 1962, 35(3)氧油比增加,燃燒反應加強,系統(tǒng)溫度升高,(257): 251-260.氣化進程加快. CO2體積分數增大,CO體積分數基本[9] 孫學信，陳建原煤粉燃燒物理化學基礎[M].武漢:不變,H2體積分數下降,CH.體積分數下降,02體積分華中理工大學出版社，1991.數基本為零.最佳氧油比為0.90 ~ 1. 20 m'/kg.Sun Xuexin, Chen Jianyuan. Physical Chemistry Basis ofCoal Fines Combustion [ M]. Wuhan: Huazhong Univernity參考文獻:of Science and Technology Press, 1991 (in Chinese).[1] Berman Y, Tamir A. Experimental investigation of phos- [10] 王輔臣,龔欣，吳韜,等.渣油氣化爐工藝分析.phate dust collection in impinging streams (IS) [J]. 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