小型循环流化床煤气化试验研究

小型循环流化床煤气化试验研究

作为新一代的气候气器，其加热和传质效率高，且床层温度均匀，具有很强的适应性。煤粒在短时间内完成干燥、加热和反应过程，大量循环将颗粒积累到床中，这使得该过程在煤炭气化行业的应用越来越受到重视。段钰锋等人在一台喷动流化床上研究了气化温度和煤气组分随给煤量、流化风量、水蒸气的变化规律。胡平放在一台内径为500mm的中试煤气化装置上研究了炉温、给煤量、空气预热温度等对煤气热值的影响。彭万旺研究了加压流化床粉煤气化工艺特性。但这些研究并没有严格做到单一因素对煤气的影响,其结论往往是温度与其它因素的综合作用结果。本试验在内径为100mm小型循环流化床气化装置上,研究了单一因素对气化的影响,目的在于得出循环流化床部分煤气化规律,为进一步研究类似于IGCC的部分煤气化提供理论基础。1烟气燃烧及燃烧气化炉本体内径100mm,布风板至炉膛出口有效高度4.3m。床料采用粒径小于0.6mm的石英砂,粒径小于1mm的煤由螺旋给料器投入炉膛。来自风机的空气经过油燃烧室内部的空气加热器预热到450℃后,与从蒸汽过热器过来的260℃的蒸汽混合,经布风板进入炉膛。电热锅炉出来的0.6MPa饱和水蒸气经减压阀降压后,进入蒸汽过热器进一步升温。蒸汽旁路设计以及电热锅炉和蒸汽过热器加热功率的可调性能保证所需加入的蒸汽量。由油燃烧室出来的1100℃的燃油烟气,在炉膛本体夹套导流板的作用下加热本体,通过调节燃油风量和燃油量改变预热空气温度、本体夹套烟气加热温度和夹套加热烟气量。本体夹套出来的燃油烟气经过旋风夹套和回料管夹套后排出室外。携带细粉飞灰的煤气离开气化炉顶部出口,进入一级、二级旋风除尘器,其中一级旋风除尘器收集下来的飞灰从回料管经L阀回料控制器返回气化炉进一步参加反应,二级旋风除尘器收集下来的飞灰经控制阀门直接排出。L阀回料控制器的松动气流采用浮子流量计,载气为氮气。二级旋风除尘器出来的煤气经除焦装置降温除焦后,进入布袋除尘器,最终由引风机通过煤气燃烧装置燃烬后排到室外。煤气取样口位于布袋除尘器出口。2工业分析及元素分析选用3种典型的动力用煤:徐州优质烟煤、徐州劣质烟煤和阳泉无烟煤,平均粒径为0.548mm。工业分析和元素分析数据见表1。所使用的惰性床料是宽筛分的石英砂,平均粒径为0.362mm。3试验结果的分析3.1床内物料初始流化床料冷态流化特性如图1所示,当气流流速达到约0.28m/s时,再继续增大流速,料层压差几乎保持不变,此时即可认为床内物料处于起始流化状态,冷态临界流化速度约为0.28m/s。3.2空煤比的影响试验时,料层静止高度400mm,床料温度940~945℃,蒸汽加入量1.9kg/h。在床料温度不变的情况下,随着空煤比的增加,煤参加燃烧的份额增加,如图2所示。具体表现在氢气和一氧化碳的含量呈减少的趋势,甲烷的含量也略微减少。在实际工业化运行中必须考虑空煤比对气化温度的影响,因为工业化运行的气化炉,其气化温度实际上是由空气和水蒸气的加入量决定的。空煤比对气化过程存在2方面的影响:①随着空煤比的增加,产气率和燃烧温度也随之增加,二氧化碳还原反应、水分解反应和焦油的二次裂解得以加强,增加了煤气中一氧化碳和氢的含量,提高了煤气热值和碳转化率;②空煤比越大,参加燃烧的份额也越大,煤气中无效成分二氧化碳也越大。气流速度增加时,气体、固体在流化床内的停留时间减少,气化效率和碳转化率会相应降低。在气化炉气化强度一定的情况下,气化煤量的增加会造成气化深度不够,从而影响碳转化率。所以,为了获得有效的气化效果,必须选择合适的空煤比,要均衡兼顾煤气热值和产气率。在试验中,煤气热值较低是由于采用空气气化时大量的氮气稀释了可燃气体和常压循环流化床料温度不够高的缘故。煤气热值和产气率与先前的研究结果相近。3.3添加适量培养当前氢气中氧离子含量试验时,料层静止高度400mm,床料温度940~945℃,空气量7.89m3/h。加入适量的水蒸气能增加煤气中氢、一氧化碳、甲烷的含量(图3)。水蒸气分解时,其中的氧原子与碳反应生成一氧化碳,替代了部分氧,从而降低了氧消耗量。但实际工业化运行中当加入水蒸气过多时,会降低炉温,从而阻碍二氧化碳还原和水蒸气分解反应,影响气化过程。3.4气化温度和炉内温度试验时,料层静止高度400mm,气煤比0.51,空煤比2.2。在空煤比和气煤比不变的情况下,通过改变燃油量和燃油风量得出不同床层温度下的煤气成分(见图4)。气化温度是影响煤气成分的主要因素,气化温度的提高有利于加快反应速度,改善化学动力学条件,提高气化强度和生产能力。同时由于炉内温度和反应速度的提高,炉内煤粉即使在很短的停留时间内也能有相对较高的碳转化率。加上碳与水蒸气间的反应是强烈的吸热反应,炉温上升时,第一个反应的平衡常数要比第二个反应的平衡常数增加得快。在空煤比和气煤比不变的情况下,随着床层温度的升高,煤气中二氧化碳的含量降低,氢和一氧化碳含量增加。同时高热值烃类成分的热裂解和焦油的二次裂解的增加,使得煤气中甲烷含量下降。3.5床层高度设定于煤试验时,床料温度935~945℃,气煤比0.53,空煤比2.1。由图5可见,随着床层高度的增加,挥发分在炽热的料层中裂解更彻底,煤气中氢和一氧化碳含量相应增加,甲烷含量减少。当床层高度低于加煤口位置(加煤口位于布风板上部500mm)时,煤气中甲烷含量高达2.5%,原因可解释为煤在与床料进行混合前就有部分挥发分和细微煤粒析出,加上悬浮空间的气化能力比密相区低得多,造成煤气中甲烷的含量较高。当静止床层高度增加到600mm时,甲烷含量增加,氢和一氧化碳含量减少,其原因是床料相对气化炉内径太高,在床层中形成腾涌,从而使得煤未能有效的气化。3.6水，焦油含量少从除焦装置收集下来的溶液,大部分是悬浮有飞灰的冷凝水,焦油含量很少。主要原因是进入密相区的燃料迅速分布于炽热颗粒之间,突然受到均匀加热,干燥和干馏过程即在瞬间完成,使挥发分分解完全,从而产生的焦油很少。3.7煤的成分和性质试验在静止床层高度400mm,床料温度920~935℃时,研究了3种不同煤的气化特性,在相同的气化参数下,烟煤的煤气成分中含有的可燃成分比无烟煤大,优质烟煤的煤气成分中氢和一氧化碳比次烟煤高(图6)。其原因可以解释为煤化程度越高,活化能越高,热分解开始温度也越高。水分、挥发分高的煤种,其结构疏松,生成的焦煤反应比表面积大,具有丰富的过渡孔和大孔,气化剂很容易扩散到反应表面,反应活性比无烟煤大得多。这一点与房倚天等人的研究结果一致。3.8碳酸钠和碳酸钾对煤气中氢、二氧化碳含量的影响试验时,静止床高400mm,床料温度935~945℃,气煤比0.53,空煤比2.1。添加碳酸钙后,可以明显增加气相中氢含量,并且随着碳酸钙加入量的增加,煤气中氢和一氧化碳含量呈上升的趋势,而二氧化碳含量变化不大。添加碳酸钠和碳酸钾更加能增加煤气中氢和一氧化碳含量,如图7所示。Akyurtu认为钾、铁的化合物对煤气化具有催化作用。吕俊复等人也得出氧化钙对煤中苯和甲苯的裂解有催化作用。4空煤比和气煤比的影响(1)循环流化床气化炉具有其他气化炉无法比拟的优点,但煤气热值较低,煤气中甲烷的比例还比较大,同时由于必须保持床内一定的含碳量,排出物中可燃组分含量比较高。(2)相对于固定床而言,其焦油含量很少。随着空煤比的增加,氢、一氧化碳和甲烷的含量呈减少的趋势。气煤比的增加能加大煤气中氢、一氧化碳的含量。实际工业化运行时,需考虑空煤比和气煤比对炉温的影响。(3)气化温度是影响煤气成分的主要因素。随着床层温度的升高,煤