贵州高灰熔点煤气化特性研究

第38卷第1期煤炭转化Vol. 38 No. 12015年1月COAL CONVERSIONJan.2015贵州高灰熔点煤气化特性研究娄彤"张忠孝2)周志豪3)摘要选取贵州典型高灰熔点煤种老矿中煤,在柱塞流反应器中进行气化特性研究,在未反应碳缩核模型以及动力-扩散模型两种气化反应动力学模型的基础上，建立了相应的一维柱塞流气化小室模型.结果表明,当反应温度从1 200 C上升至1 500 C时,CO2的体积分数下降约15%，CO的体积分数上升约16%,H2的体积分数上升约2%,碳转化率上升约20%;在相同温度下,水煤浆浓度增加5%,CO的体积分数约增加3%,H2的体积分数约增加0. 5%,碳转化率下降约1.5%,气化模型计算结果与实验结果吻合较好.同时建议在实际气化炉运行过程中，应提高水煤浆浓度,以保证碳转化率同时尽量提高合成气有效成分.关键词高灰熔点煤,气化,动力 学模型,柱塞流中图分类号TQ54, TQ018条件,分别基于两种不同的气化反应动力学模型,建0引言立了一维柱塞流反应的气流床气化炉小室模型,以预测高灰熔点煤的气化过程.煤气化技术作为目前洁净煤技术的重要组成部分,在近年来有着突飞猛进的发展.而气流床气化技1实验部分术以其高效高容量等优势,成为煤气化的主流技术.气流床气化炉内的反应非常复杂,有学者采用实验1.1 装置及实验方法的方法探索气流床气化炉内部反应的规律,实验装置一般采用柱塞流反应器[12]实验台或者热天平实水煤浆常压柱塞流气化实验系统见图1. 该实验台.[34]也有学者采用模拟的方法尝试描述气化行验系统由水煤浆供给系统、--维高温管式电加热炉、为,模型分为平衡模型C57和动力学模型.平衡模型供气系统、锁渣罐、气体净化检测系统以及合成气并不能描述整个气化的过程,只能得出气化过程之燃烧炉等部分组成.其中,一维高温管式沉降炉炉膛后的结果,而动力学模型则可描述每个变量在气化为长2.1m,内径50mm的刚玉管,加热元件为硅过程中的变化.小室模型89]被证明适用于气流床气.钼棒(最高可控温度为1 600 C);水煤浆供给系统化炉的气化过程模拟,其中煤焦异相反应速率一般由煤浆罐、搅拌器、滤网、煤浆泵和雾化喷嘴等组成，/ W ater cooling lube使用未反应碳缩核模型810]和随机孔模型211进行NozzleCooing waer Agilatory计算.传统的气流床气化技术只适用于低灰熔点煤，因此部分文献的研究目标为低灰熔点煤1112],少量PumpTank文献采用实验的方法来研究高灰熔点煤的气化特Heating elementFlowmeter8性[13,而且并无相对应的模拟结果.本实验在水煤Gas combustion furnace浆常压柱塞流气化反应器中,对我国贵州的典型高.Analyzer灰熔点煤种老矿中煤在固、液态排渣气化温度范围白白子jSlag tankSampling pump8一Depuratar内的气化特性进行了实验研究,考察了气化工艺参.数(如气化温度和0与C物质的量比等)对高灰熔图1实验系统流程点煤气化特性的影响，并根据柱塞流实验台的边界Fig. 1 Schematic diagram of experimental system中国煤化工国家高技术研究发展计划(863)项目(2013AA051101).1)博士生;2)博士、教授(通讯作者);3)硕士生，上海理工大学环境与建筑学院2000,MYHCNMH G收稿日期:2014-03-28;修回日期:2014-05-22.2煤炭转化2015年煤浆泵采用JLM系列电磁隔膜式计量泵;气体分析气密性良好的情况下,将管式炉内的温度升高至指装置为武汉四方光电科技有限公司生产的Gas-定温度并保持恒温;将事先筛好的煤倒入煤浆罐中，board-3100型烟气分析仪.加水进行实验室制浆工艺.制浆过程中加入0. 3%实验使用的雾化喷嘴结构见图2.该喷嘴为空的水煤浆添加剂,该添加剂由西北化工研究院提供.气雾化式喷嘴,利用气体与水煤浆的摩擦,产生均匀.用搅拌器将煤粉、水和添加剂充分均匀地搅拌与混而细密的雾化效果.为了达到良好的雾化效果,同时合;打开煤浆泵对制成的水煤浆进行流量标定(流量又能保证喷嘴出口不被煤浆颗粒堵塞,经过多次尝.约为0.9 L/h);前期准备完成后,进入实验阶段.在.试，最终将喷嘴出口直径确定为0.8 mm;另外,喷给浆量一-定的情况下,通过调节O2流量来实现不嘴外部加有水冷套简,使水煤浆在喷嘴内部不因过同n(O) : n(C);高温下,煤浆与氧气在炉内发生气.度受热而导致水分蒸发，影响其流动过程.化反应,最终生成的煤气从炉底出口排出,一-小部分煤气经冷却及气体净化后,进人Gasboard-3100 型煤气分析仪对合成气中的主要气体成分(CO,H2，Coal sluryCO2和CH,等)进行在线监测;另一部分气体则在燃烧炉内进行燃烧处理.实验过程中,使用烟气分析仪对合成气进行取样监测,待数据稳定后记录下来，并对每个记录下数据的工况进行灰渣收集,之后将渣样放置在马弗炉内进行燃烧处理,以求得其碳转化率.实验结束后,将沉降炉内温度降至环境温度，0.8 mm关闭煤浆泵以及O2瓶和N2瓶的阀门,同时关闭冷却水系统.应即时对喷嘴、煤浆泵和供气管路进行清图2雾化喷嘴结构理,避免下次实验时出现堵煤现象.Fig. 2 Schematic diagram of atomizing nozzle structure实验时首先检查实验系统各阀门位置、供气系1.2贵州高灰熔点煤特性及实验工况统、排渣系统、冷却水系统和水煤浆供给系统是否均在高灰熔点煤气化特性实验中，选取我国典型处于可用状态,用N2检查各系统的气密性,特别是高灰熔点煤贵州老矿中煤为实验煤种,其煤质分析供气系统中的输气管以及雾化喷嘴与炉膛间的连接和实验室制浆特性见表1. 为使隔膜式计量泵和喷口,确保整个实验系统气密性良好;在确定实验系统嘴出口不被煤浆颗粒堵塞,制浆所用的煤粉平均粒径t1 老矿中煤及水煤浆的特性分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Laokuang middings and coal slurryProximate analysis/ % ,adUltimate analysis/ %,adAsh fusion temperature/C Concentration of Density of coal slurry/MAVFCCH0Ns,DTSTFT coal slurry/%(kg.m-3)_2.7229.1326.5342.7957.363.560.656.210.83 1270 1410 147050950小于75 μm(200目以下).设计给浆量约为0.9 L/h,器的恒温段,进行燃烧和气化反应.其中包括挥发分实验温度范围为1 200 C~1 500 C,n(O) : n(C)(CO,H2和CH,等)与O2的同相燃烧反应、C与的范围为0.8~1.2,煤浆在炉内恒温段的停留时间O2的异相燃烧反应、C与CO2及C与H2O的异相约为2.5 s.气化反应、水煤气变换反应和甲烷化反应.一般情况下,燃烧反应速率要大于气化反应速率,而同相反应2气化模拟速率大于异相反应速率. O2与挥发分之间的燃烧反应速率最快,在炉内率先进行;燃烧反应结束后,C从水煤浆在柱塞流反应器中的气化过程来看:与CO2,及C与H2O发生异相气化反应;水煤气变水煤浆与气化剂(O2)先经雾化喷嘴喷人柱塞流反换反应为可逆反应,并被视为平衡反应,对出口合成应器内的非恒温区,该区域温度为200C~气化炉气成分的组成起关键作用由于实验装置是电加热设定温度(1 200 C~1 500 "C). 在该区域内，认为式沉降炉,'中国煤化工气化反应所需水煤浆中的水分受热蒸发,煤中挥发分析出,生成气热量并不需,为了使炉内0HCNM H G,体产物和半焦,接着半焦、挥发分和气化剂进入反应恒温段尽量保付仕一心血皮，取细水重应尽量小，以第1期娄彤等贵州高灰熔点煤气化特性研究29免破坏炉内恒温段的温度,给计算过程带来困难.虑的反应有:2.1 模型基本假设条件2H2+O2一→2H2O(1)2C0+O2-→2CO2(2)根据实验气化炉的特点作出假设和简化(4:认CH.+2O2一→CO2 + 2H2O(3)为一维管式炉内流动为均匀柱塞流,炉膛内各物质CO+H2O一→CO2 +H;(4)混合均匀,温度均匀,煤颗粒粒度均匀,炉膛内反应CH, + H2O-→CO+3Hz(5)过程处于稳态,模型只考虑CO,CO2,H2和H2O四C+1/pO2-→(2 - 2/p)CO+(2/φ- 1)CO2 (6)种气化产物,气体组分遵循理想气体状态方程.挥发C+ H2O一→H2 +CO(7)分组分按经验模型进行计算,假定水分蒸发,煤浆进C+CO2-→2CO(8)人炉膛后挥发分瞬间析出.只考虑甲烷水蒸气重整.对于气化炉内的均相反应,如可燃气体燃烧反反应与CH4和O2的燃烧反应.应、水煤气变换反应、甲烷化和水蒸气的反应等,这2.2气化化学反应方程及模型些反应速率表达式见表2.本模型将气化炉内部发生的反应进行简化,考采用经典的未反应碳缩核模型和在随机孔模型表2均相反应速率表达式Table 2Homogeneous reaction rate expressionsReaction numberReaction rate expressions/(mol. m~3●s=1)Kinetic coefficientkn=kz/0. 35Rz=krco●co2kz=2. 4602X 101*exp( - 21137/T+24. 744 14)T3)Rg=kcCH,●co2ks=3. 552X 10"exp( -9.304X 10*/(R. T))kn- 2.987X 10°exp(-3.69X 10*/(R. T))R.=knco●ch,o- keaco2●cn2ksz = ke1/Keuks-312.exp( -2X10*/(R. T)) Porn = KpPco. Pi2/Pn2oRs=ks(PcH,●PEH )Kz=6. 712 5X10- *exp(27 020/T)基础上提出的动力-扩散模型对异相反应(6)~反应Ot与小室的高度Oz的关系见式(14):(8)进行描述并加以对比,以考察哪--种模型更适合Oz=|。v,dt(14)描述高灰熔点煤老矿中煤的气化行为.未反应碳缩核模型[15]的基本表达式为:可求得固体颗粒在小室内的停留时间Ot:Oz=Ot. (..e -bsx+(vg+u)(1-e-0)) (15)Rate=一(9)kedetke(Y)+yk.2.4模型的求解胡世磊等162在随机孔模型的基础上,进行了内、以模型求解过程中第i个小室的求解计算过程外扩散修正后提出动力-扩散模型的基本表达式为:为例,单元体内变量有:固体质量m..,焦炭质量K=-m.i,第j种气体的质量m.1.本文的建模对象为电gooleXkoexp(- E/RT)X(1-x)[1-yAn(1-x)]/2t M.D,加热式沉降炉,炉内温度T为定值,由于给煤量极6aRT小，可忽略掉能量方程,因此求解方程有0:(10)1)固体颗粒质量平衡方程2.3停留时间.m.i-1- m.i : - m.s,s=0(16)小室中总固体质量的停留时间t;可以由动量2)焦炭质量平衡方程定理求得,由于人炉煤的粒径非常小，因此可以采用me,i-1' - me,i 一mr.e=0(17)Stoke's准则数来描述固体的流动，固体的流动速3)气体的质量平衡方程率采用下列公式进行计算[8] :m.-1- m.,,- m.,j=0(18)v.=v,e-0 +(vg+v,)(1-e bx) (11)计算流程为:输人数据-→计算物性-→计算挥发分开始计算中国煤化工小室的停留时(12)ρsd;间→计算第.TYHCNMHGF始计算小室v,=(p.-pz)●g/(b.p.)(13) i计+1- ....计算小室n-→结果.第1期娄彤等贵州高灰熔点煤气化特性研究3水煤浆浓度的增加,合成气中CO和H2的体积分气化原料的气化炉 ,存在一个最佳的水煤浆浓度,在数不断提高. n(O) : n(C)为0. 95时，CO的体积分数保证其顺利供浆和合适的碳转化率条件下,尽量提高出口煤气中的有效气体成分.596一60%675- n(0):m(C)=1.050-2012001250 i 300 1 350 140014501500n(0): n(C )=0.95/--65CGasification temperature/ C451200 12501300135014001450 i 50050Gasifcation temperature/ C65%..图6水煤浆浓度对碳转化率的影响Fig.6 Effect of coal slurry concentrationon carbon conversion20 120012501 3001350 140014501 500Gasifieation termperature/ C4结论图5水煤浆浓度对合成气组分的影响对高灰熔点煤浆在柱塞流反应器中的气化反应Fig. 5 Effect of coal slurry concentration过程进行了实验,在经典的未反应碳缩核模型和动on syngas componentsa-n(O) : m(C)=0.95;b- -n(O) : n(C)=1.05力-扩散模型两种气化反应动力学模型的基础上,建约增加3%,H2的体积分数约增加0.5%. n(O) :立了相应的一维柱塞流气化小室模型,对整个气化n(C)为1.05时,CO的体积分数约增加2. 5%,H2过程进行模拟并加以对比.结果表明，在相同反应温的体积分数约增加0.3%.提高水煤浆浓度可以得度下,随n(O) : n(C)的增加,CO2的体积分数和碳到更高的合成气有效成分,这与刘洋等[6]的结论相转化率增加,CO和H2的体积分数减小;随着水煤似.但是随着水煤浆浓度的增加,碳转化率却呈现出浆浓度的上升,CO和H2的体积分数上升,CO2的不断降低的趋势,且降低幅度较为明显.当n(O) :体积分数下降,碳转化率也有所下降;增加水煤浆浓n(C)为0.95和1.05,气化温度相同时,碳转化率约度会提高出口合成气中的有效气体成分,但会降低降低1.5%.因此,水煤浆浓度不能无限制增加，否.碳转化率;动力-扩散模型比未反应碳缩核模型更适则虽然提高了合成气中的有效气体成分,但是造成合描述高灰熔点煤的气固反应行为.实际的气流床了煤炭利用率的降低,影响经济效益,而且增加水煤气化炉是在极高压力下进行工作的,在高温与高压浆浓度会同时增加其黏度,可能会降低其雾化效果，的工况下进行实验十分困难,本研究并未考虑压力影响气化炉的运行.综上所述,对于采用水煤浆作为因素对煤气化反应过程的影响,有待进一步的研究.符号说明co一 CO气体浓度,mol/Lp一反应气体有效分压,MPaCH,-CH,气体浓度,mol/L-内控扩散效率因子-CO2气体浓度,mol/L-颗粒半径,mH2气体浓度,mol/L-颗粒密度,kg/m-H2O气体浓度,mol/L- 指前因子,s 'Kequ-- 水煤气反应的平衡常数-活化能,kJ/mol.甲烷蒸汽重整反应的气体常数R一 理想气体常数,J/(K●mol)Y一未反应核半径与煤焦半径之比- 环境温度,Kx-热解后任意时 刻的碳转化率.%ψ---颗粒结构尺寸kan-气膜扩 散系数,kg/(m2●MPa.s)M.一 反应气中国煤化工k,一煤焦表面反应速度常 数,kg/(m2●MPa. s)w.一初始焦:MYHCNMHGkah-灰层阻力系数,kg/(m2 ●MPa.s)D.-气体扩散系数,m' /s.32煤炭转化2015年g-重力加速度 ,m/3-固体颗粒密度,kg/m2v%一气体 平均速度,m/s气体密度,kg/m2v.--固体颗粒初始速度,m/s气体动力黏度,Pa/s固体颗粒平均速度,m/sme..--第i小室内气体;的质量,kg固体颗粒终端速度,m/s第i小室内C的质量,kg-停留时间,snR.co,- - i小室内C反应掉的质量,kgQz--小室高度,m参考文献[1] Kejiani s,Suzuki N,Ashizawa M,et al. 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A corresponding gasification modelwhich is based on the shrinking core model and the dynamic diffusion model has been built in ac-cordange with the boundary conditions of the experimental gasifier. The result shows that whenthe temiperature increased form 1 200 C to 1 500 C, the volume fraction of CO2 decreases by15 % , the volume fraction of CO increases by 16%, the volume fraction of H2 increases by 2%，the carbon conversion increases by 20%; at the same temperature, when the concentration of coalslurry increases by 5%，the volume fraction of CO increases by 3%，the concentration of H2 in-creases by 0. 5%，the carbon conversion decreases by 1. 5%. The calculated result is correspond-ing to the experiment result well. It is suggested that the concentration of coal slurry should beimproved as high as possible, so that there will be more effec中国煤化工S. .KEYWORDS coal with high ash fusion temperature,fYHCNMHGdel, plugflow