第25卷第22期中國電機工程學報Vol 25 No 22 Nov 20052005年11月Proceedings of the Csee92005 Chin Soc. for Elec Eng文章編號:0258-8013(2005)22010905中圖分類號:TK24文獻標識碼:A學科分類號:47020氣化劑預熱溫度對加壓噴動流化床煤部分氣化的影響肖睿,金保升,周宏倉,黃亞繼,章名耀東南大學潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇省南京市210096)EFFECT OF- GASIFIYING AGENT PREHEATED TEMPERATUREON PARTIALGASIFICATION OF COAL IN A PRESSURIZED SPOUT-FLUID BEDXIAO Rui, JIN Bao-sheng, ZHOU Hong-cang, HUANG Ya-jl, ZHANG Ming-yaoEducation Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and Combustion Technology, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT: High temperature air gasification of coal in a濃度從60.3%和15.3%降低到557%和13.5%,而甲烷含0.1 Mw thermal input pressurized spout-fluid bedwas量基本不變:相應的冷煤氣效率由487%增加到596%。氣successfully realized, and the effect of air/steam preheat化介質(zhì)預熱溫度的變化對碳轉(zhuǎn)化率和干煤氣產(chǎn)率影響不大temperature on coal partial gasification characteristics wasinvestigated in this work. The tests results indicated that the gas關(guān)鍵詞:熱能動力⊥程:尚溫空氣:煤氣化:噴列流化床heating value was incrcascd by 23% when the gasifying agent bfpreheated tempcrature incrcascd from 300C to 700C due tothe decrease of the concentration of nitrogen in the gas. The 7 IHconcentration of hydrogen and carbon monoxide in the gaswere increased from 10.6% and 10.5%o to 15.2%c and 12. 2%0第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(2Grespectively, while the concentration of nitrogen and carbon PFBC)中的前置部分氣化爐采用空氣/蒸汽作為氣dioxide were decreased from 60.3% and 15.3%c to 55.7% and化介質(zhì),產(chǎn)生低熱值煤氣和半焦,提供下游的燃氣135% respectively, and the concentration of methane kept輪機和增壓蘞泡床或循環(huán)流化床燃燒爐系統(tǒng)發(fā)電。constant with an increase of preheated air/stcam tcmperature日前國內(nèi)外正在研發(fā)的2 G PFBC部分氣化爐基本rom300to700℃. Incrcasing the gasifying agent上釆用空氣鼓風流化床氣化方式,并進行了大量的temperature would increase the gasification efficiency from研究。為適應我國儲量巨大的高灰、高硫低熱值48.7% to 59.6%. The carbon convcrsion and dry gas yield werealmost constant regardless of the preheated air/steam的劣質(zhì)煤,以及生物質(zhì)和煤的混合燃料,提高應用emperature這些劣質(zhì)燃料生產(chǎn)的煤氣發(fā)熱量,以滿足燃氣透平對入口煤氣熱值的要求,近年來許多粉煤流化床氣KEY WORDS: Thermalenginccring: High temperature化技術(shù)的開發(fā)丁作也是針對提高煤氣熱值進行的,air; Coal gasification: Spout-fluid bed; Pressure如東南大學流化床間接燃燒氣化的設(shè)想華中科摘要:在oMw加壓噴動流化床氣化試驗裝置上成功驗證技大學開發(fā)了飛灰循環(huán)流化床水煤氣爐丁。隨了高溫氣化介質(zhì)煤氣化新概念,并對氣化介質(zhì)預熱溫度對煤著蜂窩式陶瓷蓄熱體高溫空氣預熱器等新技術(shù)的開部分氣化特性的影響進行了研究。結(jié)果表明,氣化介質(zhì)溫度發(fā)成功,已廣泛應用高溫空氣燃燒領(lǐng)域,使高從300℃0提高到7℃后,煤氣中N2濃度降低導致煤氣熱值溫空氣氣化設(shè)想成為可能。上世紀未,日本東京工增加輻度達23%,煤氣中可燃組分H2和CO濃度分別從業(yè)大學的 Yoshikawa等人提出了由蜂窩式陶瓷蓄熱106%和105%上升到15.2%和122%,不可燃組分N2和CO2體和中國煤化工為主構(gòu)成的基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項H(2005CB21202)MEET I CN MH Gton Technology)么 ject Subsidized by the Special Funds for Major State Basic r氣化系統(tǒng)of China (20X)5CB221202)顯著提高1。本文提出了高溫氣化介質(zhì)煤氣化以提中因電機工程學報第25卷高煤氣熱值的技術(shù)路線,并采用高溫空氣蒸汽在噴表1試驗用煤的工業(yè)分析和元素分析動流化床內(nèi)進行煤部分氣化研究,驗證其可行性并ab1 Proximate and ultimate analysis of coal考察高溫空氣/蒸汽對煤部分氣化特性的影響元素分析/%工業(yè)分析2試驗21試驗裝置試驗裝置系統(tǒng)流程圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由Q、d(MJkg)以下幾個主要部分組成:高溫空氣蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、23數(shù)據(jù)分析與處理方法加煤和排渣系統(tǒng)、氣化爐本體,尾部煤氣凈化、取煤氣成分測量所用的實驗儀器為上海分析儀器樣和燃燒系統(tǒng)以及溫度、壓力和壓差測量系統(tǒng)。系廠生產(chǎn)的GC-1102型氣相色譜儀和浙江大學信息工統(tǒng)流程如下:壓縮空氣進入低溫空氣加熱器加熱到程研究所開發(fā)研制的N2000色譜工作站。標定用的400℃,小型蒸汽鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽先進入過熱器標準氣體由南京分析儀器廠氣體分廠生產(chǎn)。煤氣的加熱到300℃,然后與空氣混合后進入高溫空氣/蒸扃、低位熱值、于煤氣產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率計算公式為汽加熱器次加熱至700℃,再經(jīng)過節(jié)流孔板流量(1)干煤氣熱值分配器分成噴動風和流化風進入氣化爐本體。煤靠高位熱值QhHv=Xo×3018+X×3052+XcH自重落入氣化爐中,加煤量由星形加料器控制,氣9500)×0.01×4.1868(kJNm)化爐本體為噴動流化床形式,反應器內(nèi)徑80mm低位熱值QL=(Xco×3018+X×2581+X(Hx高4200mm,布風板為“V”形結(jié)構(gòu),錐角60°8558)×0.01×4.1868(kJNm)(2)在錐形布風板上嵌有24個等間距的定向風帽開孔其中,Xo,X,xH分別為干煤氣中可燃氣組份率1.5%,中心噴管內(nèi)徑10mm,下部密相區(qū)和上部CO,H,CH4所占體積百分含量。如不特殊說明,自由空間設(shè)有電加熱系統(tǒng)以補償散熱。氣化爐產(chǎn)生下面所提到的煤氣熱值均為高位熱值。的粗煤氣進入旋風除塵器分離煤氣中的飛灰,然后(2)干煤氣產(chǎn)率經(jīng)煤氣冷卻器冷卻,出口的冷煤氣經(jīng)煤氣取樣裝置實際的干煤氣產(chǎn)率采用氮平衡公式計算取樣后在燃燒器內(nèi)燃燒后排空。y=9×2w X%o式中Q為空氣的體積流量Nm3h:W為給煤量煤氣冷卻器kgh;X2為干煤氣中氮氣體積百分數(shù)。(3)碳轉(zhuǎn)化率在氣化過程中,煤中碳將轉(zhuǎn)變成煤氣中的C電動調(diào)節(jié)閥CO2、CH4和其它碳氫化合物,未轉(zhuǎn)化的碳則殘留星器在飛灰和底渣中從氣化爐排出。因此碳轉(zhuǎn)化率可依下式計算:yX(o+o0+xc:+2cH,+Xc出+c出2)×12:1為電加熱器保溫系,過器圖10.Mw加壓噴動流化床媒氣化試驗系統(tǒng)流程圖式中Y為千煤氣產(chǎn)率,Nm3kg:Cc為煤元素分析Fig. 1 Schematic of 0.1 Mw pressurized spout-fluid gasifier中碳元素的質(zhì)量百分含量:其它為干煤氣中體積22試驗用煤和床料分含量。試驗用煤為徐州煙煤,平均粒徑0.6761nm中國煤化工真實密度為137kg/m3,煤的工業(yè)分析和元素分析CNMHG見表1。啟動時使用的床料為寬篩分的流化床鍋爐底渣,平均粒徑為07509mm式中Q3為冷煤氣熱值UJNm;Q為煤發(fā)熱值,第22期肖謇等:氣化劑預熱溫度對加壓噴動流化床煤部分氣化的影響kJ/kg:Y為干煤氣產(chǎn)率,Nm/g區(qū)以氣化反應占優(yōu)勢。這與流化床密相區(qū)徑向溫度3結(jié)果分析與討論均勻分布有所不同。噴動區(qū)的相對高溫有利于煤中揮發(fā)分的快速釋放,也是國內(nèi)外選擇噴動流化床作31氣化爐內(nèi)溫度分布為2 G PFBC系統(tǒng)部分氣化爐爐型的主要原因之圖2是在氣化爐壓力P為0.3MPa,空氣蒸汽3.2氣化劑不同預熱溫度下煤部分氣化試驗結(jié)果與入爐溫度為700℃,空氣系數(shù)(進入氣化爐的空氣量分析與理論空氣量的比值,簡稱ER,下同)為036,汽采用300℃、500℃和700℃3種不同氣化劑預煤比(蒸汽與煤質(zhì)量比)為0.4以及靜止床高熱溫度,在加壓噴動流化床中進行煤部分氣化試驗H=300mm時氣化爐內(nèi)床溫沿床高的分布。從圖中其結(jié)果與工況參數(shù)示于表2?？梢钥吹?處J床內(nèi)密相區(qū)兩點溫度(分別距噴管表2不同氣化劑預熱溫度下煤部分氣化試驗結(jié)果140mm和290mm為948℃和942℃,僅相差6℃Tab. 2 Coal partial gasification results at variousgasifying agent temperatures氣體在密相Ⅸ上方溫度衰減較快,懸浮區(qū)二點溫度(分別距噴管1500mm和3380mm)與氣化爐出口溫氣化劑預熱溫度/℃C度分別為89℃、743℃和687℃,與爐內(nèi)溫度最高試驗壓力Pa靜止床高/m點相差了57℃、205℃和267℃。在密相區(qū),氣固混氣化溫度/℃0.38合強烈,各點溫度相差不大,并沒有出現(xiàn)因氣化劑空氣系數(shù)預熱溫度高,氣化爐底部區(qū)域出現(xiàn)超溫和結(jié)焦等不工祝參數(shù)煤氣組成CO促良狀況;而稀相區(qū),雖然有內(nèi)置電加熱式予以補償,但散熱損失依然存在,同時由于煤氣量小及氣體熱試煤氣熱值/(JNm)35954容量小導致溫度衰減更快。溫度的衰減使得懸浮空驗煤氣產(chǎn)率Nm3kg2)3.143232結(jié)轉(zhuǎn)化率/%789間氣化反應減弱,進而影響到煤氣的質(zhì)量和碳轉(zhuǎn)化冷煤氣效率%率。噴動流化床氣化爐密相區(qū)在溫度分布上:個重(1)氣化劑預熱溫度對煤氣組分和熱值的影響要特點是中心噴動區(qū)和周邊環(huán)形區(qū)存在溫差,噴動將氣化爐溫度和壓力分別維持在940℃和區(qū)溫度一般比環(huán)形區(qū)高20~30℃,如圖3所示。在0.3MPa,此時靜止床高為300m,在不同的氣化劑中心噴動區(qū),高速空氣射流造成中心區(qū)局部氧濃度預熱溫度(300℃、500℃和700℃)下進行煤氣化試高于環(huán)形區(qū),造成噴動區(qū)以燃燒反應為主,而環(huán)形驗,得到的包括氮氣在內(nèi)的煤氣成分如表2所示表中表明,提高空氣蒸汽預熱溫度有利于煤氣質(zhì)量的改善,即煤氣中可燃物組分濃度增加。煤氣中H2濃度增加最為明顯,由300℃的10.6%提高到152%,CO濃度也有一定的提高,由10.5%增加到7501Pa03MPa:汽煤比=042氣化劑入口溫度=700℃122%,而CH4濃度變化不大,300℃、500℃和700℃空氣系數(shù)=.36:H=300mm時分別為23%、24%和24%;與之對應的是N2濃與布風板距離/m度由60.3%下降到557%,CO2濃度由15.3%下降到圖2床溫沿氣化爐高度的變化13.5%。在氣化反應過程中,加入空氣或純氧)等氧Fig 2 Temperature distribution across gasifier化劑的目的是利用它們與煤燃燒米提供氣化反應所需的反應熱,維持氣化爐內(nèi)部熱量平衡來保障氣化氣系數(shù)=0.36;H=300mm爐溫度,隨著氣化劑預熱溫度的增加,隨氣化劑帶入氣化爐的顯熱增加,需要的空氣量將減少,空氣系數(shù)由氣化劑預熱溫度為300℃時的0.42降低到700℃監(jiān)分左講入到煤氣中的N2濃喚動區(qū)度下中國煤化工的CO濃度也將圖3噴動區(qū)與環(huán)形區(qū)溫差降低CNMH(,煤氣中其它成Fig 3 Temperature different of spouting andannulus section分如H2、CO和CH4濃度會上升,但幅度又有所不中國電機⊥程學報第25卷同。由于入口蒸汽溫度的增加,在維持氣化爐溫度反應速率,煤中的碳將較多地轉(zhuǎn)化成CO2,囚此碳的前提下,可以適當提高蒸汽的加入量,這有利于轉(zhuǎn)化率較高;相應地,較高的入口空氣蒸汽溫度會氣化反應中的水煤氣反應和水汽轉(zhuǎn)換反應的進行,顯著提高氣化反應速率,而氣化反應加劇會使煤中這兩個反應均生成H,故煤氣中H2濃度大幅增加。的碳更多地轉(zhuǎn)化成煤氣中的CO和CH4,兩者的平氣化劑入口溫度對于CO的影響則不盡相同,水煤衡使得碳轉(zhuǎn)化率不會因燃燒份額的減少而大幅下氣反應生成CO,而水汽轉(zhuǎn)換反應則消耗CO,表現(xiàn)降。冷煤氣效率隨著氣化劑預熱溫度由300℃增加在CO濃度增加幅度不如H2那么明顯。氣化介質(zhì)入到700℃,也從487%顯著提高到596‰%,表明氣化口溫度的增加所形成的入口處局部高溫將促進由揮劑預熱溫度的提高對冷煤氣效率的提高具有積極作發(fā)分生成的CH4分解,但H2濃度的提高又有利于用甲烷化反應,這兩種因素造成了CH4濃度變化不大。從以上氣化劑預熱溫度對主要氣化指標的影表2還顯示了空氣燕汽預熱溫度對煤氣熱值響上看,提高氣化劑預熱溫度對煤氣化作用是非常的影響。從表中可以看到,提高氣化爐空氣蒸汽入正面的,對氣化劑過熱溫度的選擇,是一個技術(shù)冂溫度,煤氣熱值增加明顯,由300℃時的經(jīng)濟的問題,取決于加熱費用和煤氣熱值提高帶來3595kJNm3增加到700℃時的4438kNm3,增加幅的效益的比較,而對流化床氣化工藝而言,氣化劑度達23%。煤氣熱值的提高主要應歸結(jié)到由于空氣預熱溫度過扃可能會造成床內(nèi)高溫結(jié)焦,建議氣化蒸汽預熱溫度增加,入口空氣量減少,煤氣中不能劑預熱溫度不高于1000℃C燃燒的惰性氣體如N2和CO2濃度降低。值得一提33高溫空氣/蒸汽煤氣化實驗值與理論計算值比的是, Sugiyama等采用高溫空氣蒸汽在卵石氣較流床氣化爐進行了煤氣化試驗,空氣/蒸汽預熱溫度圖4表示不同空氣蒸汽預熱溫度煤氣化中煤達1000℃,所得煤氣最高熱值為5080kJ/Nm3,略氣熱值實驗值與理論值的比較。理論計算應用了反高于本試驗獲得的煤氣熱值,從上升的趨勢來看,應平衡模型,即在絕熱(沒有爐體散熱)的條件下如預熱溫度達1000℃,本實驗的煤氣熱值也可達到氣化反應達到化學平衡時煤氣熱值。圖中顯示,3在卵石氣流床獲得的數(shù)值。個工況下,煤氣熱值理論值大大高于實驗值,比實(2)氣化劑預熱溫度對T煤氣產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率驗值高45%~50%主要是2個因素造成了的,其和冷煤氣效率的影響爐體的散熱是主要原因,爐底部溫度與出凵溫度相表2給出了空氣蒸汽預熱溫度對產(chǎn)氣率、碳轉(zhuǎn)差近300℃,經(jīng)估算爐體散熱損失在10%-11%之間化率和冷煤氣效率的影響。表中顯示,隨著空氣/(以輸入煤的熱量為基數(shù))。 Lawrence等采用數(shù)蒸汽預熱溫度的增加,加入的空氣量減少,煤氣產(chǎn)值模擬的方法分析了散熱對煤氣成分和熱值的影率略有卜降,由300℃時的3.14Nm/kg(煤)降低到響,認為爐體散熱超過10%時,將對煤氣成分、熱700℃時的32Nm/g(煤,低于空氣系數(shù)下降幅度值及碳轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生極不利的影響,當散熱損失為(042到036)。這是囚為入口空氣蒸汽溫度增加20%時,煤氣熱值僅為理論值的一半,因為爐體散后,通入的蒸汽量和蒸汽的分解率增加,由氣化反熱直接導致了爐內(nèi)反應溫度(包括密相區(qū)和懸浮區(qū))應生成的H2和CO量增加,部分抵消了空氣量減少03MPa氣化溫度90℃:H=300的影響。從總體上來看,空氣/蒸汽預熱溫度對產(chǎn)氣6000率影響不大,特別是在空氣蒸汽預熱溫度達到500℃以后,產(chǎn)氣率基本保持不變。表中還表明,對于不24000同的空氣蒸汽預熱溫度,碳轉(zhuǎn)化率變化不大,在78%~80%范圍內(nèi)波動,空氣蒸汽預熱溫度為500℃時,碳轉(zhuǎn)化率達793%,高于空氣/蒸汽預熱溫度為700℃300℃時的789%和700℃的78.3%。究其原因,入實驗值■理論值凵空氣蒸汽溫度較低吋,為維持氣化爐溫度,加入中國煤化工的比較的空氣較多,空氣系數(shù)較高,造成反應中燃燒份額CN Calculated of gas相對較大,眾所周知,燃燒反應速率要遠高于氣化第22期肖睿等:氣化劑預熱溫度對加壓噴動流化床煤部分氣化的影響的下降,而溫度與氣化反應速率直接關(guān)聯(lián),溫度的周宏倉,金保斤,仲兆平,等,三種媒的部分氣化生成多環(huán)方烴的降低不利于氣化反應的進行。其一…,由于反應器限試驗研究.中國電機工程學報,2065,25(2):15660Zhou Hongcang, Jin Baosheng, Zhong Zhaoping et al. Experimental制,氣化反應并沒有達到化學平衡。因此,可以預study on polynuclear aromatic hydrocarbons emission from partial計,在大型的氣化爐中,爐體散熱損失相對減少,gasification of three types of coals[]. Proceedings of the CSEE,煤氣熱值將比相同工況下的小型試驗裝置高。2005,25(2):156-160.7]向文國,狄藤廨,肖軍,等。新型煤氣化間接燃燒聯(lián)合循環(huán)中4結(jié)論國電機工程學報,2004,24(8);17074Xiang Wenguo. Di Tengteng, Xian Jun et al. Investigation of a novel(1)試驗裝置成功地實現(xiàn)了在加壓條件下空氣gasitication chemical looping combustion combined cycle蒸汽等氣化介質(zhì)的高度預熱,入爐氣化劑溫度穩(wěn)定[]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(8): 170-1748]劉武標,劉德昌,米鐵,等.流化床水煤氣爐飛灰反應性的實驗研運行在700℃,并驗證高溫空氣蒸汽流化床煤氣化究U,中國電機工程學報,2003,239:189192設(shè)想的可行性,爐內(nèi)流化狀態(tài)良好,氣固間以及噴 Liu Wubiao, Liu Dechang, Mi tie et ai, Experimental research on動區(qū)和環(huán)形區(qū)傳熱迅速,沒有出現(xiàn)由于氣化劑的高reactivity of fly ash from a fluidized bed water gasifier[]. Proceedingsof the CSEE,2003,23(9):l89-19度預熱帶來床內(nèi)密相區(qū)高溫結(jié)焦的現(xiàn)象[9] Michael F. Low NO combustion technologies for high temperat(2)氣化劑預熱溫度由300℃提高到700℃applications []. Energy Conversion Management, 2001時,煤氣中可燃組分H2、CO濃度分別從10.6%和42(15/17)1919-1935105%升到152%和122%,不可燃組分N2和CO,10曹小玲,蔣紹堅吳創(chuàng)之,等高溫空氣發(fā)生器熱態(tài)實驗研究U中電機工程學報,205,25(2):1091濃度分別從60.3%和15.3%降低到557%和13.5%,而甲烷含量基本不變。experimental research of high temperature air generator(3)煤氣熱值明顯提髙,提高幅度達23%U]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(2): 109-113l!蔣紹堅,艾元方,彭好義,等,高溫低氧燃燒技術(shù)及其高效低污染冷煤氣效率由48.7%增加到59.6%,同時氣化劑預特性分析門.中南T業(yè)大學學報,200,31(4):311314熱溫度對氣化的其它主要指標,如產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化Jiang Shaojian, Ai Yuanfang, Peng Haoyi et aL. High temperature air率影響不大。combustion and its pertormance analysis[]. Journal of Central SouthUniversily of Technology, 2000, 31(4):311-314.參考文獻combustion utilizing multi-staged enthalpy extraction technology[U Wheeldon JM, Bonsu A K, Foote J Pet al. Commissioning of the[C]. 1997 Intemational Joint Power Generation Conference. 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Study on the肖睿(1971-,男,博⊥,副教授,主要從事潔凈煤發(fā)電與燃燒distribution of trace elements in gasification products[p]. Procccdin和可冉生能源利用的研究of the CSEE,2004,24(11):208-212.金保升(1961-),男,教授,鳩士生導師,主要從事潔凈煤燃燒和5]肖睿,金保升,熊源泉,等,2Mw加壓噴動流化床部分氣化特性體廢棄物能源化研究研究山.動力工,2005,25(2):211216Xiao Rui, Jin Baosheng, Xiong Yuanquan et al. Study on partialgasification characteristics of coal in u 2MW pressurized spout-fluidbed[]. Power Engineering, 2005, 25(2): 211-216中國煤化工CNMHG