★加工轉(zhuǎn)化一中國(guó) 神華煤制油有限公司協(xié)辦★常壓循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)張榮光1，2唐海香'那永 杰2呂清剛2(1. 華北科技學(xué)院資源與環(huán)境工程系，河北省三河市，065201; .2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所，北京市海淀區(qū)，100080)摘要以空氣和水蒸汽為氣化劑，對(duì)神華、龍口和大同煤進(jìn)行了循環(huán)流化床氣化試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:空氣煤比對(duì)操作溫度、煤氣產(chǎn)率、煤氣組成和冷煤氣效率有顯著影響，為獲得較好的氣化效果，應(yīng)選擇合適的空氣煤比;氣化劑蒸汽主要參與變換反應(yīng)，對(duì)提高碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率的作用很小;對(duì)特定反應(yīng)器而言，存在一個(gè)最佳給煤速率使得煤氣化效率最高;煤的活性越高，可以取得的煤氣化效率也越高，煤氣分離器的處理能力也越大。同時(shí)，進(jìn)行了蒸汽返料、返料側(cè)加煤和提升管上部加煤探索的試驗(yàn)，但沒(méi)有取得有富有成效的結(jié)果。關(guān)鍵詞常壓循環(huán)流化床 煤氣化 試驗(yàn)作為一種高效、無(wú)氣泡、高生產(chǎn)能力的反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)決定。當(dāng)采用底部加煤(提升管底部加器，循環(huán)流化床已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但應(yīng)用于煤氣煤，空氣做返料風(fēng))時(shí)，其影響因素可以歸結(jié)為固化的研究和開(kāi)發(fā)工作尚處于起步階段。與鼓泡流化體循環(huán)流率、煤種、加煤速率、空氣煤比和蒸汽煤床相比，循環(huán)流化床具有單位容積生產(chǎn)能力大、顆比。限于試驗(yàn)條件，循環(huán)流率無(wú)法測(cè)量。但對(duì)于特粒停留時(shí)間長(zhǎng)、容易實(shí)現(xiàn)大型化等特點(diǎn)，為此中國(guó)定的循環(huán)流化床煤氣化分離器而言，旋風(fēng)分離器分科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、東南大學(xué)，德國(guó)魯奇離效率是一定的，所以加煤速率和流化風(fēng)速就決定公司和美國(guó)福斯特公司(Foster Wheeler)等先后了循環(huán)流率的大小。因此，煤種、加煤速率、空氣進(jìn)行了循環(huán)流化床的煤氣化研究。煤比和蒸汽煤比作為試驗(yàn)變量。以空氣和水蒸汽為2002-2004年，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究氣化劑采用底部加煤方式在試驗(yàn)臺(tái)上共進(jìn)行了3個(gè)所承擔(dān)了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863) “循環(huán)流煤種的97個(gè)工況的試驗(yàn)。以神華煤為原料，系統(tǒng).化床加壓煤氣化”課題，本文是在常壓條件下的試地研究了加煤速率、空氣煤比、蒸汽煤比對(duì)氣化過(guò)驗(yàn)研究。在循環(huán)流化床常壓煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)程的影響規(guī)律;通過(guò)比較3個(gè)煤種的試驗(yàn)結(jié)果，研CFBR100上采用神華煤以氧氣和水蒸汽為氣化劑究了煤種對(duì)氣化指標(biāo)的影響。完成了初步的氣化試驗(yàn)研究，針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)為探索提高煤氣熱值、冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率題，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，進(jìn)行了以空氣和水蒸的新途徑，還進(jìn)行了蒸汽返料、返料側(cè)加煤和上部汽為氣化劑的煤氣化試驗(yàn)，共完成117個(gè)試驗(yàn)工加煤等探索性試驗(yàn)。況，進(jìn)行了神華煤、龍口煤和大同煤的氣化試驗(yàn)，蒸汽返料試驗(yàn)有2個(gè)目的:其一，返料器中存研究了煤種、加煤速率、空氣煤比、蒸汽煤比對(duì)氣在大量高溫未反應(yīng)的碳，當(dāng)有水蒸汽通人時(shí)將發(fā)生化過(guò)程的影響，此外還進(jìn)行了蒸汽返料、返料側(cè)加碳與水蒸汽的反應(yīng)，從而強(qiáng)化了氣化反應(yīng)，此外這煤和提升管上部加煤探索的試驗(yàn)。種方式還延長(zhǎng)了水蒸汽在氣化分離器內(nèi)的停留時(shí)間，加強(qiáng)了碳與水蒸汽的反應(yīng)，從而有利于提高煤1試驗(yàn)?zāi)康募捌鋬?nèi)容氣有中國(guó)煤化工則加煤試驗(yàn)提供條循環(huán)流化床煤氣化分離器的性能由氣固流動(dòng)和件。}器中將存在大量的可燃TDYH，CNMHs集,在這種情況下，基金項(xiàng)目:國(guó)家863基金項(xiàng)目(2003AA529220)如果以空氣進(jìn)行返料，極有可能在返料器位置產(chǎn)生49局部高溫而造成結(jié)焦，因此，要采用水蒸汽(或氮近年來(lái)，許多粉煤流化床氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作氣)等惰性介質(zhì)做返料風(fēng)。為便于比較，本階段試是針對(duì)提高產(chǎn)品煤氣熱值進(jìn)行的。清華大學(xué)傅維鑣驗(yàn)采用與底部加煤工況(空氣返料)時(shí)相同的加煤教授等人開(kāi)發(fā)的新型流化床氣化分離器,將加煤位速率、空氣煤比和蒸汽煤比。試驗(yàn)時(shí)，首先以空氣置設(shè)在流化床上部接近煤氣出口處，盡力避免熱值為返料風(fēng)完成試驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)，當(dāng)提升管底部溫度達(dá)到高的煤的揮發(fā)產(chǎn)物進(jìn)一步裂解，以提高煤氣熱值。850'C時(shí)，將返料風(fēng)從空氣切換成水蒸汽，然后進(jìn)基于同樣想法，以神華煤為原料進(jìn)行了上部加煤試行預(yù)定試驗(yàn)。驗(yàn)探索。為便于比較，本階段試驗(yàn)采用與底部加煤另外，設(shè)想在返料側(cè)加煤時(shí)，新加入的煤可以工況時(shí)相同的加煤速率、空氣煤比和蒸汽煤比。首先在立管和返料器中被高溫循環(huán)物料加熱，發(fā)生2熱態(tài)試驗(yàn) 系統(tǒng)及試驗(yàn)原料熱解反應(yīng)，而且熱解煤氣直接從旋風(fēng)分離器排出，不與氣化劑反應(yīng)，因而可以提高煤氣的熱值;同進(jìn)行底部加煤試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)及操作詳見(jiàn)文時(shí)，延長(zhǎng)了煤在煤氣化分離器中的停留時(shí)間，使煤獻(xiàn)，進(jìn)行蒸汽返料試驗(yàn)時(shí)，將水蒸汽直接通人返料氣化反應(yīng)更徹底，從而提高碳轉(zhuǎn)化率?；谏鲜瞿科鳌＿M(jìn)行返料側(cè)加煤試驗(yàn)時(shí)，加料點(diǎn)位于返料側(cè)，的，以神華煤為原料進(jìn)行了返料側(cè)加煤試驗(yàn)探索。高于返料器水平管中心線500mm，進(jìn)行上部加煤為便于比較，本階段試驗(yàn)采用與底部加煤工況時(shí)相試驗(yàn)時(shí)，加煤點(diǎn)設(shè)在提升管上部，距布風(fēng)板高度同的加煤速率、空氣煤比和蒸汽煤比。試驗(yàn)操作與2140mm。煤氣化試驗(yàn)采用神華、大同和龍口煤，以蒸汽為返料風(fēng)時(shí)的相同。其煤質(zhì)分析結(jié)果(包括灰成分)見(jiàn)表1。表1煤的煤質(zhì)及灰成分分析元素分析/%工業(yè)分析/%灰熔點(diǎn)/CCosH。OS..N.MuAndVdFCadDTSTFT神華煤68.84 3. 5611.080. 400.71s. 888.5327.6056.9910801190210大同煤67.13 3.67 .7.651.230.684.5415.1024. 6055.76115013001350龍口煤44.733. 1010.200. 510. 9613. 4827. 0228. 0531. 45136014601500效率先逐漸增高而后逐步下降，存在最大值;隨著.3試驗(yàn)結(jié)果分析空氣煤比的增加，煤氣中CO濃度先增高而后有所3.1 溫度及其分布下降，CO2濃度的變化規(guī)律與此相反，甲烷和氫試驗(yàn)結(jié)果顯示:加煤速率-定時(shí)，隨著提升管氣的濃度逐漸減少，煤氣有效成分含量先增高而后底部氣流速度的增加，提升管底、頂部溫度差值變逐漸下降，存在一個(gè)最大值。空氣煤比對(duì)煤氣化過(guò)小，甚至為負(fù)值(頂部溫度高于底部溫度);當(dāng)提程主要存在兩方面影響。升管底部氣流速度相同時(shí)，隨著加煤速率的增加提(1)隨著空氣煤比的增加，燃燒反應(yīng)放熱量增升管底、頂部溫度差值變小。由于氣流速度和加煤加，從而使煤氣化分離器溫度提高，促進(jìn)了CO2速率的增加，都將使氣化分離器內(nèi)物料的循環(huán)流率還原、碳與H2O反應(yīng)和焦油的二次裂解反應(yīng)的進(jìn)增加。因此，物料循環(huán)流率的增加導(dǎo)致了提升管行，增加煤氣中CO和H2的含量，從而提高煤氣底、頂部溫度差值的減小。造成提升管頂部溫度高熱值和碳轉(zhuǎn)化率。于底部溫度的原因是由于氣流速度較高，有部分燃(2)由于燃燒反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氣化反應(yīng)速率，燒反應(yīng)在提升管上部發(fā)生。所以空氣煤比越大，參加燃燒反應(yīng)的份額也越大，3.2空 氣煤比的影響試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著空氣煤比的增加，提升管煤氣中無(wú)效成分CO2的濃度也越大，而Hp和CO平均溫度上升，煤氣產(chǎn)率增大;碳轉(zhuǎn)化率先迅速上濃度下降。當(dāng)空氣煤比較高時(shí)，隨空氣煤比的增加中國(guó)煤化工較小，與旋風(fēng)分離器升，而后變化較小，這與希得(Shadle) 的研究結(jié)果相同;隨著空氣煤比的增加，煤氣熱值和冷煤氣出|:YH因此，為獲得較好的氣化效果，必須選擇合適CNMHG50中國(guó)煤炭第32卷第6期2006年6月的空氣煤比，均衡兼顧煤氣產(chǎn)率和熱值(或效率)。固接觸及反應(yīng)效率最高。3.3蒸汽煤比的影響3.5煤種的 影響研究表明，隨著蒸汽加入量的增加，提升管平在相同的空氣煤比條件下，龍口煤的碳轉(zhuǎn)化率均溫度和煤氣熱值下降;碳轉(zhuǎn)化率基本保持不變;最高，神華煤比大同煤的碳轉(zhuǎn)化率略高;龍口煤的冷煤氣效率基本保持不變或略有下降;煤氣中碳轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到了92. 31%，神華煤的碳轉(zhuǎn)化率CH濃度變化不大，CO濃度下降，而CO2和氫最高達(dá)到了83. 84%，而大同煤的碳轉(zhuǎn)化率最高值氣濃度增加。導(dǎo)致蒸汽加入量對(duì)碳轉(zhuǎn)化率影響不顯只有61. 99%。;劉等(Liu GS, Rezaei HR)指出著有2個(gè)原因:碳與水蒸汽的反應(yīng)在低于930"C時(shí)煤的性質(zhì)對(duì)碳轉(zhuǎn)化率影響的原因是高揮發(fā)分煤除了反應(yīng)速率非常慢;根據(jù)質(zhì)量作用定律，水蒸汽加入揮發(fā)分產(chǎn)物多外，由于揮發(fā)物的釋放，表面積增量的增加有利于碳與水蒸汽反應(yīng)速度的提高，但另加，使焦的活性提高。在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，龍口- -方面提升管平均溫度的下降又降低了該反應(yīng)速煤在加煤速率為10. 08kg/h時(shí)取得了最高的冷煤度，兩者綜合的結(jié)果導(dǎo)致水蒸汽加人量對(duì)碳轉(zhuǎn)化率氣效率值53. 96%，而神華煤在加煤速率為6. 4kg/影響不顯著。上述結(jié)論與基米(Kim) 在內(nèi)循環(huán)流h時(shí)取得了最高的冷煤氣效率值43. 98%。說(shuō)明煤化床和凱庫(kù)基(Kikuchi) 在灰熔聚噴射床上的煤的活性越高，可取得的冷煤氣效率越高，同時(shí)煤氣氣化試驗(yàn)研究結(jié)果一致。煤氣組成的變化主要得益分離器的處理能力也越大。于變換反應(yīng)的發(fā)生。3.6返料風(fēng)的 影響3.4 加煤速率的影響通過(guò)比較2種返料條件下的指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，煤氣試驗(yàn)結(jié)果表明，加煤速率對(duì)氣化指標(biāo)影響較化效率、碳轉(zhuǎn)化率和煤氣熱值沒(méi)有顯著差異，但空大。為達(dá)到相同的提升管溫度，加煤速率較高時(shí)需氣返料時(shí)的提升管平均溫度高于蒸汽返料時(shí)的提升要的空氣煤比較小。神華煤在空氣煤比大于2.8和.管平均溫度。小于3.1的范圍內(nèi)，加煤速率為6.4kg/h時(shí)取得的3.7 加料位置的影響碳轉(zhuǎn)化率最高，說(shuō)明在一定的空氣煤比變化范圍3.7.1 返料側(cè)加煤內(nèi)，對(duì)應(yīng)一定的空氣煤比存在1個(gè)取得碳轉(zhuǎn)化率最在返料側(cè)加煤試驗(yàn)過(guò)程中，多次發(fā)生加煤管堵高的加煤速率，如果忽略氣固流動(dòng)狀態(tài)，僅從化學(xué)塞事故。首次試驗(yàn)中，在完成水蒸汽返料風(fēng)切換后反應(yīng)角度考慮，一定的空氣煤比應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)一定的碳不久，加煤管被煤堵塞，經(jīng)過(guò)檢查和分析，認(rèn)為事轉(zhuǎn)化率，因此，導(dǎo)致上述現(xiàn)象發(fā)生的原因與氣固流故的原因是加煤管(水冷套)溫度較低，造成含水動(dòng)(擴(kuò)散)情況有關(guān)。隨著加煤速率的增加，取得氣體在此處冷凝，所以導(dǎo)致堵塞。在隨后的試驗(yàn)最大冷煤氣效率的空氣煤比減小。神華煤在加煤速中，將向加煤管的水冷套中連續(xù)加入循環(huán)冷卻水方率為6.4kg/h時(shí)取得的最大冷煤氣效率高于加煤式改造成點(diǎn)滴加水方式，以適當(dāng)提高加煤管處的溫速率為5. 4kg/h和8. 14kg/h時(shí)取得最大的冷煤氣度，改造取得了一-定效果，但在試驗(yàn)中加煤管仍發(fā)效率，說(shuō)明對(duì)特定的反應(yīng)器而言，存在一個(gè)最佳的生多次堵塞事故，而且還因此導(dǎo)致提升管溫度過(guò)高給煤速率(或氣化強(qiáng)度)使得冷煤氣效率最高。隨而結(jié)焦。在某次試驗(yàn)中，塑料伸縮管破損，出現(xiàn)小著加煤速率的增加，取得最高煤氣熱值時(shí)的空氣煤孔，蒸汽從小孔中溢出。比減小;通過(guò)比較各加煤速率條件下取得的最高煤在空氣煤比和蒸汽煤比相同的條件下，將返料氣熱值，可以發(fā)現(xiàn)，加煤速率越高，其熱值越大。側(cè)加煤工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與底部加煤的試驗(yàn)工況的試總之，加煤速率對(duì)氣化過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn):在返料側(cè)加煤時(shí)的冷煤以下兩方面:首先，隨著加煤速率的增加，散熱損氣效率、碳轉(zhuǎn)化率、煤氣熱值都比較低，煤氣中失在能量平衡中的比例有較大幅度的下降，對(duì)本試CO、CO2、H2和CH濃度也都比較低，而提升管驗(yàn)臺(tái)而言，加煤速率為5. 4kg/h時(shí)散熱損失約為平均溫度較高。導(dǎo)致上述情況發(fā)生的主要原因是返21%，加煤速率為6. 4kg/h時(shí)散熱損失約為18%，中國(guó)煤化工蚪側(cè)經(jīng)旋風(fēng)分離器直而加煤速率為8. 14kg/h時(shí)散熱損失約為14%;其接H可以從冷卻器飛灰的次，對(duì)特定反應(yīng)器而言，能夠提供氣化反應(yīng)的空間含C N M H G則加煤并沒(méi)有達(dá)到提是一定的，因此存在1個(gè)最佳的加煤速率，使得氣高碳轉(zhuǎn)化率及煤氣熱值的目的，相反，碳轉(zhuǎn)化率、常壓循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)51煤氣熱值及冷煤氣效率卻下降了。損失較高外，還與煤氣顯熱較大有關(guān)。3.7.2提升管 上部加煤表2冷卻器飛灰成分在加煤速率、空氣煤比和蒸汽煤比相同的條件下，將上部加煤試驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù)與底部加煤試驗(yàn)的試驗(yàn)序號(hào)灰分/%揮發(fā)分/%固定碳/%3657.595.8136. 22溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，與底部加煤相比，加煤口位3750. 735.8243.35于提升管上部時(shí)，提升管底部和中部溫度較高，而3848. 49.6.4145.11頂部溫度較低，提升管上下的溫度均勻性變差。3956. 057.3736.574042.266.0451. 56.在加煤速率、空氣煤比和蒸汽煤比相同(或相4152. 155.4342. 41近)的條件下，將上部加煤試驗(yàn)的煤氣組成、碳轉(zhuǎn)4254. 225. 6140. 02化率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)與底部加煤時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)_60.61 .5. 3633. 99比:從總的趨勢(shì)看，當(dāng)加煤點(diǎn)位置提高后，冷煤氣參考文獻(xiàn):效率有所降低;當(dāng)加煤速率小于6. 4kg/h時(shí)碳轉(zhuǎn)化率略有下降，而加煤速率為8. 14kg/h時(shí)碳轉(zhuǎn)化1] Foster Wheeler Development Corporation. Development率反而上升;煤氣熱值變化不大;煤氣中甲烷濃度of Foster Wheeler's Vision 21 Partial Gasification Module[A]. DOE Report[C]. March 29, 2002.略有上升(升高幅度大約為0.1%)，H2濃度呈明[2] A. Robrtson. Vision 21, Partial Gasification Module顯下降趨勢(shì)，CO、CO2 濃度呈上升趨勢(shì)。Pilot Plant Testing[A]. The 27th Inter. Tech. Conf. on Coal因此可以得出如下結(jié)論:提升管側(cè)加煤位置的Utilization & Fuel Systems[C]. Florida, USA. 31 - 40.提高并沒(méi)有達(dá)到顯著提高煤氣熱值的目的，而冷煤[3] 那永潔，張榮光，呂清剛，王東宇.循環(huán)流化床常壓氣效率卻有所降低。煤氣化的初步試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004(2)3.8存在的 問(wèn)題[4]張榮光。循環(huán)流化床煤炭氣化試驗(yàn)及模型研究[D]..從試驗(yàn)結(jié)果看，以空氣和水蒸汽為氣化劑的循中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所博士學(xué)位論文,2005環(huán)流化床煤氣化所產(chǎn)生的煤氣的熱值較低。造成煤[5] 陳家仁。流化床氣化的過(guò)去現(xiàn)在與將來(lái)[J].潔凈煤氣熱值較低的原因有:所用的氣化劑為空氣，空氣技術(shù),1998(4)中的氮?dú)庀♂屃嗣簹庵锌扇汲煞值臐舛?由于試驗(yàn)[6] 張榮光，那永潔,呂清剛，循環(huán)流化床煤氣化試驗(yàn)研臺(tái)規(guī)模小，熱功率低，導(dǎo)致散熱損失占的比例較大究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005(9)[7] Shadle LJ, Monazam ER, Swanson ML. Coal gasifica-(約20%)，為了維持分離器膛溫度，燃燒份額所tionin a transport reactor. Ind. Eng. Chem. Res. ，2001占的比例高，而氣化份額低，還有，煤氣的顯熱不(40. 13)含在熱值中。氣化分離器放大至商業(yè)規(guī)模后，散熱[8] Kim YJ， Lee JM，Kim SM. Coal gasification charac-損失將會(huì)大大降低，從而有利于煤氣熱值的提高，teristics in an internally circulating fluidized bed with draught而顯熱，若利用之，則可提高效率。tube. Fuel, 1997(76): 1067 - 1073盡管對(duì)旋風(fēng)分離器做了改造，但飛灰損失高的[9] Kim YJ, Lee JM, Kim SM. Coal gasification charac-問(wèn)題仍然沒(méi)有解決，表2給出了一些試驗(yàn)工況時(shí)獲teristics in a downer reactor. Fuel, 2001(80): 1951- 1922得的冷卻器飛灰的成分指標(biāo)?？梢钥闯?，飛灰的碳[10] Kikuchi K, Suzuki A, Mochizuki T, Endo s, Imai含量較高，還含有一-定量的揮發(fā)分，說(shuō)明化學(xué)損失E, Tanji Y. Ash - agglomerating gasification of coal in a相當(dāng)大(約>25%)。造成這一結(jié)果的原因是:旋spouted bed reactor. Fuel, 1985(64): 368 - 372[11] Alice K. Understanding coal gasification. London:風(fēng)分離器對(duì)細(xì)顆粒捕集效率低;反應(yīng)溫度低，氣化IEACR/86, IEA Coal Research, 1996; 39反應(yīng)速度不高;提升管高度低，不能被旋風(fēng)分離器[12] 王同章.煤炭氣化原理與設(shè)備。北京:機(jī)械工業(yè)出分離的細(xì)顆粒在床內(nèi)停留時(shí)間短。飛灰含碳量高是版社,2001: 104導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率較低的主要原因之一。[13] Liu GS, Rezaei HR, Lucas JA, Harris DJ, Wall TE.本階段的煤氣化試驗(yàn)所取得的冷煤氣效率較Mor中國(guó)煤化工flow col gsifir. the低。根據(jù)能量平衡分析，化學(xué)損失約為26%，散structure. Fuel， 1985熱損失約為20%，煤氣顯熱損失約為16%。因此，79]YHCNMHG造成冷煤氣效率不高的原因除了飛灰損失大、散熱(責(zé)任編輯康淑云)52中國(guó)煤炭第32卷第6期2006年6月