（热能工程专业论文）循环流化床粉煤气化技术的实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 基于国内循环流化床气化炉普遍存在严重的问题，即循环流化床气化炉床料的平 均含碳量高达3 0 9 6 ，飞灰含碳量高达5 嘴，提出用外部流化床燃烧气化反应器( 已申 请实用新型专利) 来降低循环流化床粉煤气化炉飞灰含碳量的方法。并自行开发设计 了c f b g 8 0 0 i 型循环流化床粉煤气化炉。本文主要介绍了外部流化床燃烧气化反应 器的试验研究情况和c f b g - 8 0 0 - i 型循环流化床粉煤气化炉的设计和试验研究情况。 本文首先对国内外气化技术现状以及发展趋势进行了综述。介绍了煤气化技术的 发展历程。在此基础上，对煤气化技术在国内外的发展趋势进行了系统的、全面的介 绍，同时指出了流化床气化炉普遍存在的问题。 其次，对飞灰的反应性以及飞灰气化反应动力学进行了研究。反应性的实验是利 田热重分析仪在c 0 2 气氛下进行。实验研究发现：飞灰反应性主要受温度影响，提高 反应温度可以提高飞灰的反应性。在9 5 0 以上时，增加温度，飞灰的碳转化率大大 增加。气化反应性随着碳转化率的增加而降低，两者呈线性关系。当气化温度为 9 0 0 时，要使碳的转化率达到5 0 ，需要2 0 m i n ；要使碳的转化率达到6 0 ，需要 2 6 m i n 。当气化温度为1 0 0 0 时，要使碳的转化率达到5 0 ，需要1 2 r a i n ；要使碳的 转化率达到6 0 ，需要1 5 m i n 。基于反应性实验的数据，得出了飞灰气化反应动力学 参数。对飞灰气化反应动力学参数研究表明：飞灰的气化行为可以用收缩核反应模型 来描述，并求出了飞灰的反应动力学参数。在不同的c q 分压下进行了飞灰的反应性 实验研究，实验表明飞灰的反应性正比于反应气体浓度，反应气体的分压越高，气化 反应速率越高。最后，求出了飞灰的反应动力学方程式。 设计并开发了外部流化床燃烧气化反应器。外部流化床燃烧气化反应器的设计思 想是直接将原返料器改成一个流化床燃烧气化反应器。预热空气和过热蒸汽以一定的 比例连续送入反应器，在反应器中将从旋风分离器分离下来的颗粒进行燃烧、气化反 应。 对外部流化床燃烧气化反应器进行了冷态试验研究。通过冷态试验证明外部流化 床燃烧气化反应器对于降低间歇式流化床水煤气炉的飞灰含碳量是可行的。 为了检验外部流化床燃烧气化反应器的实际运行效果，研究外部流化床燃烧气化 华中科技大学硕士学弦论文 反应器对气化炉的各种气化指标以及对飞获含碳爨的影响，进行了外部流化床燃烧气 证反应器与圭炉联产鲍热态试验。结纂表聪：一般馕凝下，一台1 6 m 淀位康承矮 气炉砸常点火需要消耗4 5 0 k g 的木炭。煤气炉是通过加煤、压火来降低炉濑，而通过 细风来提高煤气轳躬溢璇。瓷静部流纯露燃骁气纯反瘴器风薰夺予3 5 0 m ，井豁 流化床燃烧气化反应器底部温度不能维持在9 0 0 以上，且频搴越低，风爨越小，庭 部温度越低。当外部流化床燃烧气化反应器风量在3 5 0 4 3 5m 3 h 之间，加蒸汽制气， 多 聱流纯床燃烧气像反敷器感藩瀑凄弩苏维持在9 3 0 9 5 0 c 襄右波动。当终郯流纯床 燃烧气化反应器风量在6 1 0m 3 h 左右时，外部流化床燃烧气化反应器内料层不能维 持，但底部温度可以升高到1 0 5 0 c 。应用了外部流化藤燃烧气化反应器厝，水膜除 尘器孛含获曩下黪- j 2 0 ，飞窳黪含碳量考历降低。应耀7 势罄淡铯瘴燃烧气纯反 应器厝，n 2 、0 2 猩煤气成分中所占的比例明显增加，c o 在煤气成分中所占的比例略 徽冶加，丽和c 磁的含蠢郝有一定程庭的下酶，跌稀导致煤气的热值降低。德由 于产气鐾的提毫，使煤气炉的气化效察没有降低，反两略微上拜。 最后，设计了c f b g - 8 0 0 i 型循环流化床粉煤气化炉，c f b g 8 0 0 i 型循环流化 滦粉潆气亿炉是一种连续式豹空气、蒸汽气纯炉，势对薪蓬豹c f b ( 3 - 8 0 0 i 整锤环流 化床逐续式粉煤气化炉进行了试验研究。c f b g 8 0 0 - i 型循环流化床粉煤气化炉的高 度为1 2 m 。气化炉底部内径为8 0 0 m m ，顶部内径为9 0 0 r a m 。c f b ( 3 - 8 0 0 i 型循环流 纯疼豁潆气纯炉豹器辩装譬采题辗繁瓣露疆挝譬黪形式。c 聃g - 8 0 承l 登疆嚣淡诧 床粉煤气化炉初期运行结果表明：气化炉炉膛出口温度为7 7 0 ，出口温度偏低。灰 渣含碳墓取样分析表明飞灰含碳量为3 2 4 飞获含碳惫偏裔。煤气的熟慎为1 2 9 0 k e a l m 3 ，虽然达至? 工业赐煤气驰要求，僵妇于煤气中氮气食豢攘衰，导致煤气热篷 烧气化反应嚣、 ) 珏 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a i m i n g a tt h e s ec o n l r f l o np r o b l e m so ff l u i d i z e db e dg a s i f i e rt h a tt h ec a r b o nc o n t e n to f b e da s hi sh i g ht o3 0p e r c e n t , t h ec a r b o nc o n t e n to ff l ya s hi sh i g l lt o5 0p e r c e n t ，w h i c h l e a d st ol o wc o a lu t i l i z a t i o n , am e a s u r eo fd e c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n to ff l ya s hi sp u t f o r w a r d ，t h a ti se x t e r n a lf l u i d i z e db e d r e a c t o rf o rc o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o n ，t h i sr e a c t o r h a sg o t t e nn a t i o n a lp a t e n t , a tt h es a m el i m e ，an e wt y p eo fc i r c u l a t i o n f l u i d i z e db e d p o w d e r - c o a lg a s i f i e r i sd e s i g n e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e se x p e r i m e mr e s e a r c ho fe x t e r n a l f l u i d i z e db e dr e a c t o rf o rc o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o n ，d e s i g na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho f c f b g 8 0 0 it y p eo f c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e dp o w d e r - c o a lg a s i f i e r i nt h i st h e s i s ，a tf i r s t ，s u m m a r i z ea c t u a l i t ya n dw e n do fg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n t r o d u c et h ec o u r s eo f g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dp o i n to u tp r o b l e mo f c o m m o n f l u i d i z e d b e dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t h er e a c t i v i t ya n dg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nk i n e t i c so ff l ya s ha r es t u d i e di nt h i st h e s i s u s i n gt g a ，t h ee x p e r i m e mi s c a r r i e do u ti nc 0 2a t m o s p h e r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e a c t i v i t yo f f l ya s h i si n f l u e n c e db y t e m p e r a t u r e ；t h er e a c t i v i t yo f f l y a s hi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ；t h ec a r b o nc o n v e r s i o ni n c r e a s e ss h a r p l yw i t ht h ei n c r e a s e o fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e w h e nt h e r e a c t i o n t e m p e r a t u r e i s h i g h e r t h a n9 5 0 t h e g a s i f i c a t i o nr e a c t i v i t y d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fc a r b o nc o n v e r s i o n , t h e yp r e s e n t a p p r o x i m a t e l yl i n e a rr e l a t i o n i tt a k e s2 0m i n u t e s t or e a c h5 0p e r c e n tc a r b o nc o n v e r s i o n ， a n d2 6m i n u t e st or e a c h6 0p e r c e n tc a r b o nc o n v e r s i o nw h e n t h et e m p e r a t u r eo f g a s i f i c a t i o n i s9 0 0 i tt a k e s1 2m i n u t e st or e a c h5 0p e r c e n tc a r b o nc o n v e r s i o n , a n d1 5m i n u t e st o r e a c h 6 0 p e r c e n t c a r b o n c o n v e r s i o n w h e n t h e t e m p e r a t u r e o f g a s i f i c a t i o n i s1 0 0 0 c o nb a s i so fr e a c t i v i t ye x p e r i m e n td a t a , w ec a l lg e tg a s i f i c a t i o n r e a c t i o nk i n e t i c s p a r a m e t e r o f f l ya s h t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es h r i n k i n gc o r em o d e lc a l lb eu s e dt od e s c r i b e i t sg a s i f i c a t i o nb e h a v i o r b e s i d e s ，r e a c t i v i t yo ff l ya s hi nd i f f e r e n tc 0 2p a r t i a lp r e s s u r ew a s a l s o p e r f o r m e d b y t h ea b o v e r e s u l t ，g a s i f i c a t i o nk i n e t i c sm o d e l f o rf l ya s hw a se v a l u a t e d t h ee x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o rf o rc o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o nw a sd e s i g n e d t h e d e s i g ni d e a i st o c h a n g et h ef l u o s e a ll i n k i n g w i t ht h e c y c l o n ei n t o af l u i d i z e db e d i 华中科技大学硕士学位论文 c o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o nr e a c t o r 1 1 1 ef u n c t i o no f t h ee x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o ri st o m a k et h ef l ya s hf r o mt h ec y c l o n ec o m b u s t a n d g a s i f y c o l de x p e r i m e n tr e s e a r c hw e r ec a r r i e do u li ti sp r o v e db yt h e s ec o l de x p e r i m e n t s t h a t i ti sf e a s i b l et od e c r e a s ec a r b o nc o n t e n to f n y a s hb yt h ee x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o r , i no r d e rt op r o v ea c t u a lp e r f o r m a n c ee f f e c to fe x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o r , s t u d yt h e i n f l u e n c eo ng a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dc a r b o nc o n t e n to ff l ya s h ，h o te x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e dt h r o u g h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei g n i t i o no fac o m m o n1 6 mf l u i d i z e db e d w a t e r - g a sg a s i f i e rm u s tc o l l s r i t i e4 5 0 k g w o o dc o a l t h et e m p e r a t u r eo f g a s i f i e rd e c r e a s e s b ys t o k i n g i n c r e a s e sb y b l a s ta i r , w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mf l u i d i z e db e db o i l e r 1 1 1 e t e m p e r a t u r eo fe x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o ri s l o w e rt h a n9 0 0 1 2 ，w h e nt h ea i r f l o wo f r e a c t o ri sl o w e rt h a n3 5 0 m 3 h ，t h et e m p e r a t u r eo f r e a c t o rc a nk e e pb e t w e e n9 3 0 ca n d9 5 0 w h e nt h ea i 棚o wi sb e t w e e n3 5 0m 3 ha n d4 3 5m ，t h et e m p e r a t u r eo f r e a c t o ri sl l i g h u p t o1 0 4 0 1 2 ，w h e nt h ea i r f l o wi sh i g l lu pt o6 1 0m h ，b u tt h eb e dm a t e r i a lc a nn o tk e e p a f t e ru s i n gt h ee x t e r n a lf l u i d i z e db e dr e a c t o r , t h eo u t p u to fg a si n c r e a s e s ，b e c a u s et h e c o n t e n to fn 2 ，0 2 ，c oi n c r e a s e s ，a n dt h ec o n t e n t so fh 2 ，c - hd e c r e a s e ，t h eh e a tv a l u e d e c r e a s e sa sar e s u l lb u td u et ot h ei n c r e a s eo fo u t p u to fg a s , t h eg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y d o e sn o td e c r e a s e ，a p p r e c i a b l yi n c r e a s ei n s t e a d f i n a l l y , t h ec i r c u l a t i o n f l u i d i z e db e dp o w d e r - c o a lg a s i f i e rw a sd e s i g n e d ；i t sf i r s t o p e r a t i o nw a sa n a l y s e d n 嵋h e i g h to fg a s i f i e ri s 1 2 m ；t h eb o t t o md i a m e t e ro fg a s i f i e ri s 8 0 0 m m ，t h et o pd i a m e t e ro fg a s i f i e r i s9 0 0 r a m , ap a r t i c u l a rr e t u r np i p ew i t hv a l v ei s a d o p t e d 笛r e t u r ne q u i p m e n to fg a s i f i e r n 蝣r e s u l t s o ff i r s t o p e r a t i o n s h o wt h mt h e t e m p e r a t u r eo f c o m b u s t o re x i ti s7 7 0 c ，i ti sv e r yl o w , a n dc a r b o nc o n t e n to ff l ya s hi s 3 2 4 ，i ti sa p p r e c i a b l yh i 出h e a t v a l u e o f g a s i s1 2 9 0k c a v m k e yw o r d ：f l ya s h , f l u i d i z e db e d ，g a s i f i c a t i o n , r e a c t i v i t y , c a r b o nc o n t e n t ，e x t e r n a l f l u i d i z e db e dr e a c t i o nf o rc o m b u s t i o na n dg a s i f i c a t i o n i v 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 1绪论 煤炭是世界一次能源的重要组成部分。自1 9 世纪中叶产业革命到现在，煤炭一 直占世界能源的首位。在未来的5 0 年内，世界能源的发展趋势是以化石燃料为主导， 煤炭能源将成为世界主要能源。在我国能源资源中，煤炭是水力的3 3 倍，是石油和 天然气的1 7 倍，占到7 5 i l “。在化石燃料中，煤炭占9 4 3 ，煤炭在我国国民经济 发展中的地位是举足轻重的。目前，世界能源的总储量，按标准燃料计算，煤占8 0 ，石油和天然气约占1 2 。但从能源消耗的构成来看，能源需求量的2 3 是石油和 天然气供应的。目前的能源消耗如果按3 的年平均增长率增长估计，全球的石油和 天然气仅够几十年，而煤则可供开采几百年之久。所以，谈到能源危机，更为迫切的 目前还是石油和天然气的危机。尽管人类对新能源如原予能、太阳能、水能和风能等 的利用将会显著增加，但煤炭仍不失为一种重要的矿物能源。 但是煤炭又是不洁净的能源，它在为社会做出巨大贡献的同时，在其开采、加工 和使用过程中，也产生一系列环境污染问题，危害生态平衡和人类生存。全球性的四 大公害：大气烟尘，酸雨，温室效应，臭氧层破坏都与煤燃烧有关。随着经济的快速 发展。这已经严重影响人类的生存环境。大气污染与能源生产和利用有着直接的关系， 尤其是煤炭的开发利用是烟尘、酸雨和温室效应的主要根源。据初步统计，2 0 0 0 年世 界燃烧煤炭产生的c 0 2 约为9 0 亿吨，产生的s 0 2 约为1 亿吨h 1 。为了保证国民经济 的可持续发展，必须提高煤炭的利用率，减少燃煤对大气的污染，发展洁挣煤技术i 蜘。 而提高我国煤炭利用效率、减少煤炭燃烧带来的环境污染的根本途径是研制和推广应 用煤炭优化利用技术。根据国际能源工业发展趋势分析，煤的优化利用技术包括煤的 燃烧和转化利用技术，其实质是洁净煤技术( c l e a nc o a lt e c h n o l o g y ) 。它是二十世纪 八十年代才进入能源词汇的一项高新煤炭技术。洁净煤技术( c c t ) 旨在最大限度地 发挥煤作为能源的潜能利用，同时又实现最少的污染物排放，达到煤的高效、清洁利 用的目的。根据我国煤炭开采利用的特点及其对环境的影响，洁净煤技术应包括下列 四个领域f 7 ，研，( 1 ) 煤炭加工技术，包括选煤、型煤、配煤和水煤浆技术，( 2 ) 煤炭转 华中科技大学硕士学位论文 纯技术，毽括煤炭气纯、液纯、煤豹于键技术及燃瓣亳洼，( 3 ) 煤炭燃烧及后懿瑾技 术，包括煤气化联合循环发电、加压流化床燃烧联合循环发彀、循环流化床锅炉、燃 烧中圈硫及烟道气脱硫等技术，( 4 ) 煤炭开发利用中的污染控制，包括煤层气资源开 发零l 懋、废奔凌黪处理骞裂建、炼焦厂、承泥厂、缘瑟厂等浮染控麓技术等等。 煤炭气化【9 1o 】是指用煤炭俸原料来生产工业燃料气、民用煤气糊化工原料气，它 是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一，是许多熊源，如燃料电池、煤气联合循环发 毫等蹇凝技本豹关键技拳。煤炭气化是煤缘工戆蔓要蠹容之一。运期戆媒纯工主要毽 括煤炭的焦化、气化、液化i l l “6 】。煤的气化，就感在参与反应的气体气氛中将煤转化 成烃穗可燃气体、焦油和固体黧成物。因此，气化不同予煤韵其他转化方式，例如在 傍性气体中遴牙的媒热瓣或碳饯，以及在波态奔震中进撂熬煤液化。煤鲍气化是一转 升级过程，它将难处理和难脱除无用组分的固体煤粒，转化为易于净化的气体、直接 耀作燃料，或者通过迸一步期誓，成为可供作为合成其他气俸燃料、液体燃辩或化学 制品黝原料。从二十世纪六十年代开始，煤割气的技术蛭发王律进麓缀快。 煤炭气化是中国煤炭洁净利用的煎要途径。我国是寓煤贫油的国家，煤炭是主要 麓源，使用予国民经济静各个领域。黼诧，研究并发适褥子我阑媒炭资源粕国情的煤 炭气化技术，具有特别重要的现实意义。 但传统的固定床煤气化方法需要采用优质块煤。而天然煤矿开采出来的煤不仅有 块煤，粉煤的产量穗占育缀大静范重。特剐是在我嚣南方，主簧产媒力劣臻煤，流纯 床的一个优点就是能够很好的利用劣质煤，鞭恧，发展劣质煤和粉煤的气豫和波纯具 有很好的经济效益。 1 ，2 圈内外气化技术的发展 煤气纯工艺静发展迄今已有酉多年静历史，它的发展经掰了魏折的过程，并和 擞爨上能源构成有繁密切关系。在十九世纪三十年代以兹，世赛上使耀的能源以煤为 主，煤气化的发展速度较快。到十九世纪四十年代以后，随着蘅油和天然气的大摄开 发，石潴在意彳场土舂垄断逾位，天然气、滚纯石滴气和酒希气，成为正韭爝燃料气及 民用煤气的主耍来源。因此，在这段时间内煤气化技术的发展搬就变得缓慢了。 2 华中科技大学硕士学位论文 由于1 9 7 3 1 9 7 4 年的石油禁运和一些产油国家的新立场，发生了石油危机，原 油及天然气的价格迅速上涨，这些事件广泛地激起了人们对煤利用( 主要是气化和液 化领域) 的兴趣。能源紧缺迫使世界各国寻找新的能源，除煤、石油和天然气外，兴 起了太阳能、核能和生物能等新能源的利用研究。因此，八十年代以后，世界能源开 始向“多级”化方向发展。但是，由于这些新能源的利用尚处于研究开发阶段，短期 内其使用量还不可能与矿物质能源相比。据能源专家估计，二十世纪末至二十一世纪， 煤在所有能源中的比例仍占第一位，这是由煤的丰富蕴藏量所决定的。 鉴于煤在能源中的重要地位，七十年代末以来，各国对煤的气化工艺又进行了大 量的研究工作，产生了第一代至第三代的煤气化工艺，从而使煤气化技术上升到了相 当重要的地位。 第一代煤气化技术 第一代煤气化工艺技术是在上世纪3 0 年代至5 0 年代实现工业化的，典型的有鲁 奇炉( 固定床) 、常压温克勒炉( 流化床) 和k t 炉( 气流床) 等 1 7 j 8 。 鲁奇炉为固定床气化，干式排渣，气化压力为1 8 3 m p a ，用氧气一蒸汽作为气 化剂。其最早大规模应用始于1 9 5 6 1 9 6 2 年，到目前为止，鲁奇炉在全球的总数已 经超过百台，单台最大煤处理能力已达1 9 2 0 “d ，鲁奇炉在我国已有很长的历史。 鲁奇炉要求原料煤有很高的活性，较高的灰软化点，较弱的粘结性和一定的粒 度，。其缺点是煤气中甲烷含量高，可达l l ，用于化工合成时需专门加以处理。煤 气中夹带的焦油和酚类等杂质，为煤气的净化和污水处理带来复杂性。虽有以上缺点， 仍被认为是目前工业化经验最丰富的加压气化工艺，尤其是适应于褐煤和次烟煤的气 化。 常压温克勒炉在上世纪3 0 年代开始工业化，至今已有7 0 多年的历史，全球共建 有6 0 余台温克勒炉，单台最大能力达 6 5 0 0 0 n m 3 h 。温克勒属于流化床气化工艺， 所用的原料最好为褐煤，也有用次烟煤、烟煤 和低温焦的。原料粒度为2 8 m m ，含水量小 于1 0 。其特点为：能处理高灰的原料煤， 生成煤气中基本不含焦油和酚等，甲烷含量约 为1 5 2 ，炉内结构简单，故障少，运转率 图1 1 温克勒气化工艺流程图 可达9 5 。但碳利用率低，飞灰含碳量高， 华中科技大学硕士学位论文 原料单耗大。 k - - t 炉属于气流床气化工艺，西德k o p p e r s 公司的k t 炉1 9 5 0 年在芬兰实现 了工业化，迄今为止，已有2 0 余个国家建立了s 0 余台k t 炉。单台最大能力已达 9 0 x1 0 4 n m 3 d ，以干粉煤加料，氧气一蒸汽作为气化剂。炉内村有耐火材料，炉外设 有夹套锅炉。k t 炉产物几乎不含酚和焦油等杂质，甲烷含量小于o 1 ，= 氧化碳 含量为1 0 2 0 。这种气化炉可以使用任何煤种，但对灰比较敏感。 图】一2k t 气化法工艺流程图 i 、粉煤仓，2 、辅助煤斗，3 、气动泵，4 、旋转阀，5 、煤仓，6 、螺旋加料器，7 、k t 气化炉， 8 、熔渣淬冷槽，9 、废热锅炉。、1 0 洗涤冷却塔，1 1 、洗涤塔，1 2 、分离器，1 3 、鼓风机 上述三种第一代煤气化工艺方法是成熟、可靠、行之有效的，有明显的优越性， 在煤气化发展过程中，起到了很重要的作用。但从经济观点来分析，这种煤气化工艺 有不足之处，因为它对煤种及煤粒度有较严格的要求，所以限制了它的适用范围，从 而不能广泛采用。 第二代煤气化技术 第二代煤气化技术从上世纪6 0 年代初开始，尤其在7 0 年代二次能源危机之后， 促进煤制气的技术开发工作。世界各国，尤其是工业发达的国家，因为预计到用作能 源的、经济上与煤竞争的其它燃料将要短缺，所以大量的开发工作集中于第二代煤气 化工艺技术上。第二代煤气化工艺技术，是在8 0 年代初期和中期完成示范工厂或实 现工业化的，具有代表性的有固定床型的液态排渣鲁奇炉，流化床型的u g a s 炉，西 屋( i ( i 州) ，j s w 炉、以及采用气流床型的t e x a c o 炉等。与第一代煤气化技术相比， 第二代煤气化技术主要是提高了气化炉压力和气化强度，从而改善了技术经济指标， 或扩大了煤种的适应范围。 4 华中科技大学硕士学位论文 液态排渣鲁奇炉于1 9 6 2 年开始半商业化，直径1 8 m 、处理量4 0 0 t d 的炉子已普 遍使用，直径2 4 m ，处理量7 5 0 f f d 的气化炉正在建设。这种炉子采用中压( 2 4 3 l a t i n ) 及1 0 9 3 1 5 3 8 c 的参数运行，灰分以熔渣形式排出，经急冷后呈玻璃状。此炉可用于 生产中、高热值煤气。 u - g 炉【l9 】的研究工作开始于1 9 7 4 年。它是对温克勒炉进行改进的基础上发展起 来的，由于传统的流化床气化炉床层中 物料分布均匀，造成排渣含碳量过高， 这是严重不足之处。灰团聚技术的研究 成功，是流化床气化技术开发史上所取 得的一项重大突破、它借鉴熔渣排灰的 情况，采用灰团聚技术将流化床中的灰 分富集起来而排除，达到选择性排灰的 目的。在结构上炉体下部改为角锥形的 图l 一3u - - g a s 气化工艺流程图 布风板，角锥口处设有一喷射喉管，其中心高温火焰能使灰分熔化团聚。灰结块后由 于重量增大而从流化床中沿喷管下落排出。u - g a s 的碳转化率可达9 5 以上，气化效 率为7 9 。在结焦问题上也有所改善，是一种比较先迸的炉型。缺点是运行参数难掌 握，灰团聚技术在国内一对还难以推广应用：此外，它属于低热值煤气生产方法，煤 气热值为1 4 5 0 k c a n m 3 。 k r w 法是由美国凯洛格腊斯特合成燃料公司( k o l l e g gr u s ts y n f u e l si n c ) 和西 屋公司( w e s t i n gh o u s ec o ) 合资开发的，目前仍处于试验阶段。该炉由直径不同的 三段壳体所组成，也是一种采用灰团聚排灰技术的加压流化床气化工艺。原料煤、输 送气、气化剂及流化剂均从下部进入旋风除尘器，回收的焦粉也由下部加入：灰团也 从下部排出：故该炉的下面两段是完成气化工艺中最为关键、最复杂的部位。煤料由 高压输送气( 循环煤气) 通过炉子中心的输送管连续不断地输入炉内，输送气通过管 口的喷嘴形成一股射流，向上运动。这个区域即为射流高温燃烧区，煤和高温半焦在 该区域燃烧。由于射流动能的消失，颗粒不再上升，而转向四周，沿容器内壁下降。 这种环流颗粒的高速循环，把热量输送到整个床层。流化床的操作温度依据不同的煤 种，控制在7 6 0 1 0 4 0 c ，操作压力为0 8 8 1 5 7 m p a 。在射流高温燃烧区内，含碳量 降低了的颗粒变得越来越软，碰撞后，相互粘结增大而成团粒。当团粒不断长大，大 到不再被流化时，落入炉底的倾斜段中，并为送入的循环煤气所冷却，然后由灰斗排 s 华中科技大学硕士学位论文 出。k r w 法具有气化压力高，煤种适应性广，工业化放大条件好，热效率高，建设 投资低以及煤气成本低等优点，不失为一种很有前途的、技术先进的气化方法。 j s w 法与u g a s 法相比，主要不同之处在于完全取消了布风板。它利用炉内沿床 高方向各断面积的不同，改变气流在炉内各部位的速度。当空气和水蒸汽从炉底送入 时产生旋转运动，流体的运动从炉底向上传递，从而使煤粉被均匀地喷上来。其优点 在于完全排除了因结焦而导致布风板被阻塞的难题。缺点是运行参数特别是水蒸汽与 空气的比值难以掌握。j s w 干馏床和j s w 气化炉的联合装置所产煤气的热值可达 3 5 0 0 k c a l n m 3 ，但单独的j s w 气化炉的热值仅达1 2 0 0 k c a l n m 3 。我国长春从日本引 进j s w 气化炉，但因无法放大而告失败。 美国t e x a c od e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n 开发的t e x a c o 煤气化法是于五十年代初根 据已经过工业验证的t e x a c o 的油部分氧化气化工艺发展而成的。部分燃烧是在物料 与氧气并流下行的反应器中进行的，操作温度在灰熔点以上，煤灰以液态排出。t e x a c o 还对一个高热值气化方法取得专利。 第三代煤气化技术 第三代煤气化技术是在8 0 年代后期出现的新工艺。具有代表性的有d o w 炉、 p r e n f l o 炉、s c g p 炉和g s p 炉等。第三代煤气化技术比第二代煤气化技术更先进，气 化炉的生产强度更高，单台炉处理量更大，能接受多种煤和尽量多的细粉煤，更能满 足环境要求的炉种，且气化的氧耗、煤耗下降，煤气成分明显改变，提高了煤气化的 经济性和综合效率。 d o w 炉是美国陶氏化学公司于7 0 年代研究开发的新型两段式煤气化工艺，通过 小试、中试与原型气化炉试验，8 0 年代第一套工 业煤气化装置在美国路易斯安娜州建成投产。 d o w 炉是两段式气化装置，一段气化炉以水煤 浆为原料，纯氧( 或空气) 为气化剂在灰渣熔点 以上高温气化，二段气化炉在一段炉上方。其工 艺流程如图1 4 所示。原料煤与来自煤气净化系 统的废水在棒磨中一起研磨混合制成水煤浆送入 贮槽备用。入炉水煤浆用泵加压，经精确计量后 加入到一段炉的两个混合喷嘴，来自制氧站的高 图1 4d o w 气化工艺流程图 压氧气也加入到喷嘴中与水煤浆混合喷出，一段炉燃烧温度控制在灰份熔融点以上， 6 华中科技大学硕士学位论文 温度调节由氧气加入量控制，一般次烟煤燃烧温度约为1 3 5 0 1 4 0 0 c 范围。一段炉的 燃烧气直接进入二段炉。并喷入少量水煤浆利用高温煤气的显热使水煤浆中水分蒸 发，部分原煤分解，二段炉出口煤气温度降低至约1 0 3 8 c 使灰渣凝固，然后经高温旋 风除尘器分离大部分灰渣与碳粒回一段炉再次气化，高温煤气进入余热锅炉。 1 , 2 2 田内煤气化现状 在我国，曾经对使用煤球和煤气作民用燃料时大气污染程度的实测数据进行了对 比和分析，结果发现使用煤作民用燃料时，大气中的二氧化硫含量超标一倍，一氧化 碳超标五倍多，飘尘超标两倍；而使用煤气作燃料时，大气中二氧化硫低于排放标准， 其它污染物含量也均比煤球作燃料时降低一倍左右。 随着城市改造、工业发展和人民生活水平的逐步提高，国内对城市煤气化的呼声 越来越高。目前全国大中小城市已普遍兴起了发展城市煤气的热潮。 我国在煤气化技术方面起步较晚。解放前只有少数玻璃厂、钢铁厂和人造石油厂 用发生炉煤气作工业窑炉的燃气。我国最早使用民用煤气的城市是上海，1 8 6 4 年英国 人在上海开办了第一家煤气公司。以后，日本人在大连和上海也建立了煤气厂。解放 后，发生炉煤气发展较快。一些大城市发展的气源大部分是以大型炼焦炉生产的焦炉 煤气为主，很少进行煤的气化技术的研究。在化肥工业中，普遍采用u g i 水煤气发 生炉生产合成气。目前，我国的煤气化技术只相当于国外三、四十年代的水平，连国 外旱已普及的第一代气化炉也不多。 八十年代以来，一些高等学校相继开展了煤气化研究工作，已建立的流化床气化 炉有多家，其中江苏理工大学的问歇式流化床水煤气炉所达到的指标1 2 0 删为：煤气热 值2 1 0 0 k c a l n m 3 ，气化效率为6 l 。由华中科技大学、清华大学、中国科技大学等 单位联合开发的并列双床煤气化气化炉脚也珂( 如图l 一5 所示) ，煤气热值为 1 2 0 0 k c a l n m 3 ，气化效率为6 4 6 8 。辽宁抚顺的恩德炉c 2 6 刀l ，它是在温克勒炉的基 础上，经过几次革新改造发展起来的，恩德炉与通常的温克勒炉相比做了三项重大改 革：( 1 ) 炉底部改成锥体，以布风喷嘴代替了原来的炉篦，( 2 ) 在发生炉出口增加了 旋风除尘返料装置，( 3 ) 改交废热锅炉位置，减轻磨损。 7 华中科技大学硕士学位论文 图l 一5 并列双床煤气化技术流程图 1 、鼓风机，2 、风箱，3 、油箱，4 、蒸汽发生器，5 、绝热燃烧室，6 、蒸汽过热器，7 、气化床风室 8 、燃烧床风室，9 、检修段，1 0 、反应段，1 1 、扩大段，1 2 、捧气与防爆装置段，1 3 除尘器 1 2 3 煤气化技术的发晨趋势 气化方法虽然很多，但迄今已工业化的方法并不多，大多尚处于研究开发阶段， 从各国开发的煤制气新方法中，可以归纳出如下的发展趋势： 不断改进和完善现已工业化的气化装置，向大型化方向发展 增加气化炉的直径和容积，提高单炉的生产能力。如固态排渣鲁奇炉，床层直径 已由2 7 6 m 增加到了5 m ，产气量也由每台8 0 0 0 n m 3 h 提高到l o 淑矗f h 。k t 炉由 原来的两个炉头发展到四个炉头，产气量由4 5 0 0 n m 3 h 发展到3 5 0 0 0 n m 3 i t 。 进一步提高气化炉的温度和压力 提高床层温度可以加快反应速度，提高气化效率，如温克勒将炉温由$ 0 0 9 0 0 c 提 高到1 1 0 0 ( 2 以后，碳转化率由9 0 提高到9 5 左右。液态排渣炉炉温提高到1 4 0 0 c 时， 热效率达8 4 5 ，碳利用率达1 0 0 0 ，单台产气量比固态排渣时大四倍。 提高炉内压力可以强化操作，增加单位炉体体积产量，降低煤耗和氧耗，增加产 品气中的甲烷含量，从而提高了煤气热值和碳的利用率。同时，操作压力的提高还可减 少带出煤粉，减少产物中的酚等有害物质的含量。因此，大多数正在开发的新气化方法 都是在一定压力下操作的，即便是一些比较成熟的气化方法，也正在试图将其操作压力 提高。 扩大煤种适用范围，发展粉煤气化和劣质煤气化 传统的固定床气化炉，对煤种和块度都有较严格的要求，因而一些新的气化方法 大都采取了一系列措施以便气化弱粘性煤。现代加压鲁奇气化炉都装设有搅拌器，在转 华中科技大学硕士学位论文 动时具有解粘作用，能使料层透气均匀，从而可以气化粘结性煤和粉煤量多的煤。 对粉煤的气化具有特别重要的意义，正在开发研究中的气化方法，大多利用粉煤 或小颗粒煤为原料。今后除研究粉煤的直接气化外，还将加强粉煤成型气化的基础研究 工作。 1 3 课题的提出及本文的主要工作 1 3 1 循环流化床气化妒的特点 循环流化床气化技术的特点 2 8 捌：( 1 ) 直接利用碎粉煤，不用加工成型块，也不 用加工成细粉，备煤加工费用低，正适合煤炭机械化开采水平提高后粉煤率增加的特 点。( 2 ) 床内物料均匀，温度均匀，便于操作控制，炉内存在的大量可燃物可保证生 产的安全性。( 3 ) 气化强度大。便于大规模设备的建设。( 4 ) 可在炉料中添加固硫剂， 床内脱硫效果佳。( 5 ) 炉内温度足以裂解煤热解中产生的高烃类物质，简化了煤气净 化及污水处理。( 6 ) 炉内很少有机械运动金属部件，维修工作量小。( 7 ) 炉内反应温 度一般不大于1 1 0 0 ，只需般耐火材料就可以长期运行。( 8 ) 对煤的灰含量的敏感 性不大，在几种气化方法中，最适合予高灰劣质煤的利用。( 9 ) 气化时氧耗量比气流 床低，蒸汽消耗量比干式排灰的移动床低。 1 3 2 嗣内循环流化床气化炉存在的闻曩 虽然循环流化床煤气化技术具有诸多优点，但同时它也存在严重的问题。”，即气 化炉床料的平均含碳量比流化床锅炉高许多倍。一般流化床锅炉的床料平均含碳量为 5 左右。而间歇式流化床水煤气炉床料的平均含碳量高达3 0 9 6 。另外，飞灰含碳量高 达5 0 。这些是导致气化炉煤的利用率低的主要原因。这是因为，由于炉内物料混合 均匀，温度均匀，而气化炉要保持产生煤气，必须要求炉内的还原性气氛，即要求炉 内物料应有相当高的含碳量啪川。这样，对常规的流化床气化炉来说，就带来了随煤 气带出的飞灰含碳量高i 损失大的问题。要使流化床煤气化技术更具生命力，必须降 低气化炉炉底渣和飞灰含碳量，提高煤的利用率。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 3 本文主要内容 本文在飞灰的反应性的实验研究的基础上，进行了外部流化床燃烧气化反应器的 设计及其冷热态试验研究。同时，设计开发了c f b g 8 0 0 - i 型循环流化床粉煤气化炉， 并对其初期运行情况进行了分析。全文共七章，第二章对飞灰的c 0 2 气化反应性进行 了实验研究。在此基础上进行了飞灰c 0 2 气化反应动力学研究。第三章外部流化床燃 烧气化反应器的开发与设计。第四章外部流化床燃烧气化反应器的冷态试验研究。第 五章外部流化床燃烧气化反应器的热态试验研究。第六章c f b g 8 0 0 i 型循环