蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响.pdf

书书书 第 ３ ９卷第 ５期 ２ ０ ０ ９年 ９月 东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＳ Ｏ Ｕ Ｔ Ｈ Ｅ Ａ Ｓ ＴＵ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９ Ｎ ｏ ． ５ Ｓ ｅ ｐ ｔ ． ２ ０ ０ ９ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ ０ ９ ． ０ ５ ． ０ ２ ６ 蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响 李 斌 黄亚继 金保升 仲兆平 段 锋 孙 宇 章名耀 （ 东南大学能源与环境学院，南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要以空气和水蒸气为气化剂， 在压力为 ０  ３ＭＰ ａ 的湍动循环流化床热态实验台上对淮北烟 煤进行了煤气化试验， 研究了蒸汽煤比（ 质量比） 对气化过程的影响． 气化炉提升段具有下宽上 窄的特点， 床料采用宽筛分石英砂． 气化试验过程中， 实现了提升段下部湍动流化、 上部环核流 动． 试验结果表明 随着蒸汽煤比的增加， 煤气中 Ｃ Ｈ ４体积分数基本保持不变， Ｃ Ｏ体积分数从 １ ３  １ ２ ％下降到１ １  ９ ８ ％， Ｈ ２体积分数从初始１ ２  ３ ％增加到１ ４  ６ ３ ％而后下降至１ ４  １ ９ ％， Ｃ Ｏ２体 积分数从 １ ３  ８ ４ ％下降至 １ ２  ９ ４ ％后， 略微上升至 １ ３  ０ ６ ％． 蒸汽煤比的变化对干煤气产率、 冷煤 气效率及碳转化率都有影响， 其最大值分别为 ２  ８ ９ｍ ３／ ｋ ｇ ， ５ ９ ％， ８ １ ％． 关键词湍动； 循环流化床； 煤气化； 蒸汽煤比 中图分类号Ｔ Ｑ ５ ４ ６ 文献标志码Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ９ ） ０ ５  ０ ９ ９ ８  ０ ４ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ａ ｍ／ ｃ ｏ ａ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｏ ｎｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄ Ｌ ｉ Ｂ ｉ ｎ Ｈ 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 ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ；ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄ ；ｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ；ｓ ｔ ｅ ａ ｍ／ ｃ ｏ ａ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ 收稿日期 ２ ０ ０ ９  ０ ６  ０ １ ． 作者简介李斌（ １ ９ ８ ５ ） ， 男， 硕士生；黄亚继（ 联系人） ， 男， 博士， 副教授， ｈ ｅ ｙ ｙ ｊ ＠ｓ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ． 基金项目国家重点基础研究发展计划（ ９ ７ ３计划） 资助项目（ ２ ０ ０ ７ Ｃ Ｂ ２ １ ０ ２ ０ ８ ） 、 教育部博士点基金资助项目（ ２ ０ ０ ７ ０ ２ ８ ６ ０ ３ ４ ） 、 东南大学优秀 青年教师资助项目（ ４ ０ ０ ３ ０ ０ １ ０ １ ２ ） ． 引文格式李斌， 黄亚继， 金保升， 等． 蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响［ Ｊ ］ ． 东南大学学报 自然科学版， ２ ０ ０ ９ ， ３ ９ （ ５ ） ９ ９ ８ １ ０ ０ １ ． ［ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ ０ ９ ． ０ ５ ． ０ ２ ６ ］ 循环流化床煤气化技术由于具有煤种适应性 强、 气化强度高和碳转化率高的优点， 近年来得到 了较快的发展． 中科院山西煤炭化学研究所进行了 常压循环流化床煤气化试验研究［ １ ］． 中科院工程 热物理所在 Ｃ Ｆ Ｂ Ｒ １ ０ ０热态试验系统上进行了循环 流化床煤气化概念实证性质试验， 完成了以氧气 水蒸气及空气 水蒸气为气化剂的煤气化试验［ ２ ］． 东南大学在小型气化炉上进行了 ３种不同煤种的 循环流化床部分煤气化试验， 研究了空气、 蒸汽、 煤 种和添加剂对气化过程的影响［ ３ ］． 华中科技大学 在自行设计的 Ｃ Ｆ Ｂ Ｇ  ８ ０ ０ Ｉ 型循环流化床粉煤气 化炉上研究了气化炉运行时各种参数变化对煤气 成分和煤气热值的影响［ ４ ］． Ｌ ｕ ｒ ｇ ｉ 公司在循环流化 床上对煤和其他燃料进行了超过６ ０ ０ ０ｈ 的气化试 验［ ５ ］． Ｋ ｉ ｍ等［ ６ ］在基于床层流体力学、 反应动力学 和高温裂解经验关联式对试验进行模拟的基础上， 在一台内循环流化床实验台上进行了煤气化试验， 分析比较了模拟结果和试验结果． Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ 等［ ７ ］在压 力为 ２  ０ＭＰ ａ 、 温度为 １７ ７ ３Ｋ的气流床试验装置 上， 研究了氧碳比、 颗粒停留时间和煤种对气化反 应的影响． 上述研究得到的煤气热值不高、 飞灰含 碳量较高、 碳转化率较低． 本文在加压湍动循环流 化床煤气化试验装置上研究了蒸汽煤比（ 质量比） 对气化温度、 煤气成分、 干煤气产率、 冷煤气效率和 碳转化率的影响， 试验结果为今后加压湍动循环流 化床煤气化工业化应用提供参考依据． １ 试验系统、 试验用煤及床料 试验系统装置如图 １所示． 整个反应器由多段 莫来石浇注料堆叠而成， 设置在压力壳内， 压力壳 与反应器之间填有保温层． 流化床反应器压力壳为  １ ５ ８ｍ ｍ ４ｍ ｍ的耐热耐压钢管， 布风板至炉膛 出口有效高度为 ６  ６ｍ， 提升管每隔 ０  ３ｍ设有测 压管， 且提升段设计为下部宽、 上部窄． 布风板以上 １  ２ｍ为密相区， 内径为 ７ ０ｍ ｍ， 上部稀相区高 ５  ４ ｍ， 内径为 ６ ０ｍ ｍ． 试验用煤为淮北烟煤， 其元素分析和工业分析 见表 １ ．试验床料为平均粒径 ０  ８ｍ ｍ的粗石英砂 图 １ 循环流化床煤气化试验系统图 和平均粒径 ０  ２ｍ ｍ的细石英砂． 粗石英砂作为密 相区载体， 细石英砂提高了提升段上部颗粒浓度， 并增加了循环通量， 且炉顶采用强约束类的 Ｔ形 出口， 能够在提升段上部形成环核流动． 煤及床料 通过螺旋加料器送入炉膛． 空气压缩机产生的空气 经过空气预热器加热到 ３ ５ ０℃后， 与蒸汽再热器过 来的 ２ ０ ０℃过热蒸汽在混合加热器内混合， 混合气 加热到 ７ ０ ０℃后经风室和布风板进入炉膛． 提升管 和返料管均采用电加热方式， 提供床料预热和维持 燃烧过程中散热所需要的热量． 返料器所需的流化 风和返料风均由氮气瓶提供． 粗床料在提升管内的 静止床层高度为 ５ ０ ０ｍ ｍ， 加料口和返料口均位于 密相湍动流化段内． 表 １ 淮北烟煤煤质分析 工业分析／ ％元素分析／ ％ Ｗａ ｄＡ ａ ｄ Ｖ ａ ｄ ｗ （ Ｆ Ｃａ ｄ）ｗ （ Ｃａ ｄ）ｗ （ Ｈａ ｄ）ｗ （ Ｏａ ｄ）ｗ （ Ｎａ ｄ）ｗ （ Ｓ ａ ｄ） 低位发热量 Ｑ／ （ ｋ Ｊ ｋ ｇ － １） ３  ０ １２ ９  ３ ０２ ７  ５ ３４ ０  １ ６５ ４  ８ ０３  ５ ４７  ４ ７０  ８ ８１  ０ ０２ １４ ５ １  ５ ２ 试验过程与结果分析 ２  １ 试验过程与数据处理 ７ ０ ０℃的混合气经布风板进入炉膛内部后， 煤 颗粒与水蒸气发生反应． 在试验过程中， 通过测量 不同位置测压管的压差来判断炉内燃烧情况． 携带 细粉飞灰的煤气离开气化炉顶部出口， 进入一级、 二级旋风分离器， 其中一级旋风分离器收集下来的 飞灰从回料管经返料器返回气化炉进一步参加反 应， 二级旋风分离器收集下来的飞灰经控制阀门直 接排出， 部分用于测量飞灰含碳量． 二级旋风分离 器后接有烟气采集孔， 进行烟气分析． 本文中煤气的高、 低位发热量、 干煤气产率和 碳转化率的计算可参见文献［ ８ ］ ． ２  ２ 试验结果分析 ２  ２  １ 蒸汽煤比对气化温度的影响 蒸汽煤比对气化温度（ 指密相区平均温度） 的 影响如图 ２所示． 试验过程中， 密相区温度始终维 持在 ８ ９ ０～ ９ ２ ０℃之间． 由图 ２可以看出， 随着蒸汽 量的增加， 气化温度持续下降， 主要原因是蒸汽煤 比越大， 炉内蒸汽与煤发生的气固水煤气反应和水 汽转换反应越快，其反应式为 Ｃ＋ Ｈ ２Ｏ→Ｃ Ｏ＋ Ｈ２ （ １ ） Ｃ Ｏ＋ Ｈ ２Ｏ→Ｃ Ｏ２＋ Ｈ２ （ ２ ） ９９９第 ５期李斌， 等 蒸汽煤比对湍动循环流化床煤气化的影响 式（ １ ） 为强吸热反应， 式（ ２ ） 为放热反应， 总体 上引起气化温度降低． 此外， 蒸汽量增加后， 蒸汽分 解率相应下降， 未分解的蒸汽也会带走一定量的显 热， 同样使得气化炉温度下降． 图 ２ 蒸汽煤比对气化温度的影响 ２  ２ ． ２ 蒸汽煤比对煤气成分的影响 图 ３为蒸汽煤比对煤气成分的影响． 从图 ３可 以看出， 随着蒸汽煤比的加大． 煤气中 Ｃ Ｈ ４体积分 数基本保持不变， 维持在 ２  ２ １ ％ ～ ２  ７ ％之间； Ｈ ２ 体积分数从初始值 １ ２  ３ ％上升到最大值 １ ４  ６ ３ ％， 当蒸汽煤比超 过 ０  ５时 Ｈ ２体 积 分 数 下 降 到 １ ４  １ ９ ％； Ｃ Ｏ ２体积分数初始时缓慢降低， 当蒸汽煤 比超过 ０  ５时略有回升； Ｃ Ｏ的质量分数一直处于 缓慢减少的趋势． 图 ３ 蒸汽煤比对煤气成分的影响 在气化炉压力不高时， Ｃ Ｈ ４主要来自煤中挥发 份生成［ ９ ］． Ｈ ２含量先增加后减少的变化规律可以 解释为 蒸汽量的增加有利于气固水煤气反应（ １ ） 和水汽转换反应（ ２ ） 的进行． 但当加入的蒸汽量过 大时， 未反应的蒸汽量增加， 这一部分蒸汽带走的 显热量增加使得炉内温度降低， 影响到气化反应， 导致 Ｈ ２体积分数有所回落． Ｃ Ｏ变化规律主要由 于蒸汽量的增加降低了气化温度， 使得 Ｃ Ｏ体积分 数从 １ ３  １ ２ ％下降到 １ １  ９ ８ ％． 上述气体成分变化 趋势与文献［ ２ ３ ］ 在常压循环流化床上进行的煤 气化实验研究结果基本一致． ２  ２  ３ 蒸汽煤比对发热量的影响 图 ４为蒸汽煤比对发热量的影响． 从图 ４可以 明显看出， 随着蒸汽量的增加， 高位发热量和低位 发热量都有一个先升后降的过程， 存在着某一蒸汽 煤比对应的最高发热量． 在初始气化阶段， 增加蒸 汽量可以增加煤气中 Ｈ ２的浓度， 提高煤气热值， 但当加入过量蒸汽后， 会造成部分未反应的蒸汽带 走炉内显热， 从而使炉内气化温度降低， 影响炉内 气化反应的进行， 导致发热量减少． 试验中高位发 热量最大值为 ４  ５ １ ５１ ９ＭＪ ／ ｍ ３， 低位发热量最大 值为 ４  １ ３ ５１ ５ＭＪ ／ ｍ ３． 通过与文献［ ２ ］ 的比较还发 现， 文献［ ２ ］ 中随着蒸汽煤比的增加， 煤气热值一 直处于缓慢下降的趋势； 而本文中煤气热值呈先升 后降的趋势． 肖睿等［ ９ ］在加压喷动流化床上进行 了部分煤气化试验， 得到的煤气热值变化规律与本 文相同， 当蒸汽煤比在 ０  ４～ ０  ５时， 煤气高位发热 量达到最大值 ４  ５ＭＪ ／ ｍ ３． 图 ４ 蒸汽煤比对发热量的影响 ２  ２  ４ 蒸汽煤比对干煤气产率及冷煤气效率的影响 图 ５给出了蒸汽煤比对干煤气产率及冷煤气 效率的影响． 从图 ５中可知， 随着蒸汽量的增加， 干 煤气产率及冷煤气效率在初始气化阶段都有略微 上升， 而后则处于下降状态， 且两者各自都存在一 个最佳蒸汽煤比所对应的最大值． 这是由于初期蒸 汽量的少量加入， 炉内可燃成分有所增加， 使得干 煤气产率和冷煤气效率略有增加， 但当蒸汽量超过 某一值后， 可燃成分含量会减少， 从而使得干煤气 产率和冷煤气效率下降． 试验结果变化趋势与文献 ［ ２ ］ 在常压循环流化床上进行的煤气化实验结论 一致， 但冷煤气效率有所提高． 流化床在常压和加 压下的运行状况不同， 在相同的粒径分布和气速 下， 加压流化床运行平稳， 流化较均匀， 气泡小、 形 状扁平且分布均匀， 颗粒往复运动均匀［ １ ０ ］， 所以加 压状态下， 煤气化时冷煤气效率有所提高． ２  ２  ５ 蒸汽煤比对碳转化率的影响 图 ６为蒸汽煤比对碳转化率的影响． 从图 ６可 知， 反应初期加入少量水蒸气时， 碳转化率从 ７ ９ ％ 略微上升至 ８ １ ％， 当进一步加大蒸汽量后， 碳转化 率从 ８ １ ％下降至 ７ ３ ％． 主要原因是由于初期蒸汽 量的增加， 使得气化反应加剧， 所以碳转化率有所 增加， 但由于气化反应是吸热反应， 导致炉内温度 ０００１东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ９卷 图 ５ 蒸汽煤比对干煤气产率、 冷煤气效率的影响 下降， 使得碳转化率降低． 本文与文献［ １ １ ］ 在加压 喷动流化床上研究蒸汽煤比对碳转化率影响的结 论一致， 但与常压循环流化床上研究的结论却有所 差别． 与常压下进行的循环流化床煤气化试验结果 相比， 流化床在加压后， 床内流化状态得到改善， 一 方面气化反应得以更深入地进行， 另一方面颗粒的 扬析量也大为减少， 以上 ２种因素造成加压状态下 飞灰含碳量大大降低， 碳转化率得以提升． 图 ６ 蒸汽煤比对碳转化率的影响 ３ 结论 １ ） 随着蒸汽量的增加， 煤气中 Ｃ Ｈ ４含量基本 保持不变， Ｃ Ｏ含量下降， Ｃ Ｏ ２含量先降后升， Ｈ２含 量先升后降， 煤气热值先升后降． 本试验中可燃气 Ｃ Ｏ和 Ｈ ２最大含量分别为 １ ３  １ ２ ％和 １ ４  ６ ３ ％， 煤 气高位发热量最大值为４  ５ １ ５１ ９ＭＪ ／ ｍ ３， 低位发热 量最大值为 ４  １ ３ ５１ ５ＭＪ ／ ｍ ３． ２ ） 干煤气产率、 冷煤气效率随着蒸汽量的增 加都有先上升后下降的趋势． 当蒸汽煤比为 ０  ３ ８ 时， 干煤气产率达到最大值 ２  ８ ９ｍ ３／ ｋ ｇ ， 冷煤气效 率达到最大值 ５ ９ ％． ３ ）随着蒸汽量的提高， 碳转化率先增加后减 少， 当蒸汽煤比为 ０  ３ ８时， 碳转化率达到最大值 ８ １ ％． ４ ） 本试验实现了循环流化床提升段下部湍动 流化、 上部环核流动的特殊流场结构， 与已有研究 结果相比， 煤气热值、 煤气产率、 冷煤气效率都略有 提高， 更加适合煤气化． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］Ｆ ａ ｎ ｇＹ ｉ ｔ ｉ ａ ｎ ， Ｈ ｕ ａ ｎ ｇＪ ｉ ｅ ｊ ｉ ｅ ， Ｗａ ｎ ｇＹ ａ ｎ ｇ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｍ ａ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇｏ ｆ ａｂ ｅ ｎ ｃ ｈ  ｓ ｃ ａ ｌ ｅｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｆ ｕ ｅ ｌ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ ０ １ ， ６ ９ （ １ ） ２ ９ ４ ４ ． ［ ２ ］ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＲ ｏ ｎ ｇ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ， Ｎ ａＹ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ｅ ， Ｌ Ｑ ｉ ｎ ｇ ｇ ａ ｎ ｇ ． Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ  ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｎｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎａｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｆ ｌ ｕ ｉ ｄ  ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｅ ｄ［ Ｊ ］ ． Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅＣ Ｓ Ｅ Ｅ ， ２ ０ ０ ５ ， ２ ５ （ ９ ） １ ０ ３ １ ０ ７ ． ［ ３ ］黄亚继， 金保升， 仲兆平， 等． 循环流化床部分煤气化 试验研究［ Ｊ ］ ． 煤炭科学与技术， ２ ０ ０ ３ ， ３ １（ ２ ） ２ ０ ２ ２ ． Ｈ ｕ ａ ｎ ｇＹ ａ ｊ ｉ ， Ｊ ｉ ｎＢ ａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇＺ ｈ ａ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ， ｅ ｔ ａ ｌ ．Ｅ ｘ  ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｎｐ ａ ｒ ｔ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ 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