流化床部分煤气化影响因素研究

第36卷第6期锅炉技术Vol. 36, No. 62005年11月BOILER TECHNOL0GYOet. ,2005文章编号: CN31 - 1508(2005)06 - 0008 - 07流化床部分煤气化影响因素研究黄亚继，金保升，仲兆平，肖‘ 睿， 周宏仓(东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点实验室，江苏南京210096)关键词:部分煤气化; 煤气成分:热值;流化床摘要:在流化床部分气化炉上系统研究了流化风量.给煤量、水蒸气量、床层温度、静止床层高度.煤种、催化剂等因索对煤气成分和热值的影响，研究结果表明:流化风量、给煤量、水蒸气量.静止床层高度对煤气成分的影响较为复杂,4者都存在最佳范围;床层温度是影响煤气成分的主要因素,煤气热值与温度成正比;增加床层高度,有利于H2.CO生成和CH,分解;烟煤的煤气中含有的可燃成分(H2、CO、CH4)含量比无烟煤高,优质烟煤比劣质烟煤更适合于气化;Ca.Na.K等碱土金属化合物对煤气化具有催化作用.且Na2CO,和K:CO,的催化能力比Ca()强。中图分类号: TK229.6*6文献标识码: A试验是在一台自制的常压流化床气化炉上1前言进行(见图1)。整个系统由高温烟气保温系统、石油价格上涨,煤炭供需紧张，环境污染严重蒸汽发生系统给料系统、送引风系统、气化炉本已成为制约我国国民经济发展的重大问题。煤的体、测量控制系统和取样分析系统等组成。本试高效、沾净利用是我国乃至全世界研究的重要课验台最大的特点就是采用本体内外简夹套加热题。煤气化技术是煤洁净利用的核心技术。其中，方式，由油燃烧室出来的1100 C的燃油烟气,在部分煤气化技术相对于完全煤气化技术,无需高炉膛本体夹套导流板的作用下加热本体,提供了温、高压等物理条件将固定碳彻底转化为煤气,而床料预热和本体散热所需要的热量。内筒直径是根据煤的不同组分和不同反应阶段特性,对煤炭为100mm,外筒直径为133mm,布风板至炉膛进行分级利用,其气化工艺设备简单,投资较低,产出口有效高度 4.3 m,布风板共有18个风帽,内生的低热值煤气可用做燃料和化工原料,固体焦炭圈6个,外圈12个,每个风帽均匀分布3个1 mm主要用于燃烧产生蒸汽发电供热,从而形成“气热小孔。来自罗茨风机的空气经过油燃烧室内部电多联供”。同时，部分煤气化技术还可对硫、氮.的空气加热器预热到450 C后，与从蒸汽过热器氯,汞等有害成分定向脱除。过来的260C的蒸汽混合,经布风板进人炉膛。流化床煤气化以其处理量大、气化强度大、电热锅炉出来的0.6 MPa饱和水蒸气经减压阀炉内传热传质好、适用煤种广、环境污染小的优降压后,进入蒸汽过热器进一步升温。蒸汽旁路点受到广泛的关注'1,本文在常压流化床气化炉设计以及电热锅炉和蒸汽过热器加热功率可调上系统研究了流化风量、给煤量、蒸汽量、床层温性能够保证所需的水蒸气加入量。煤由螺旋给度、静止床层高度、煤种、催化剂等多种因素对煤料器从布风板_上方送人。携带细微灰焦的煤气气成分和热值的影响，为部分煤气化炉的设计和离开气化炉顶部出口,依次经过一级旋风除尘.运行控制提供指导和参考作用。.器、二级旋风除尘器、除焦装置、布袋除尘器后，最终由引风机通过煤气燃烧装置燃尽后排至室2试验装置和原料外。中国煤化工压力与压差、风2.1试验装置量、MHCN MH G采样口位于布袋收稿日期:2004-10-28;修 回日期:200411 19基金项目:国家重点基础研究发展规划项目子课题(19990221053);东南大学振兴行动计划资助项月650057129);东南大学人才引进科研启动基金(4003001005)作者简介:黄亚继(1975 -),男,江苏如皋人,东南大学讲师。第6期黄亚继,等:流化床部分煤气化影响因素研究除尘器出口。煤气中H2 ,CO.CO2、CH.采用上斯蒙特NGA2000型多功能气体分析仪在线监测海产1102型气相色谱仪测定。同时采用德国罗气化情况,并与色谱仪测定值相比较。13*po H2082“出一169| I/ H,0-H只-23l220包1-给料系统;2-风室;3-气化炉本体;4-木休加热夹套;5 -防爆装置;6 - -级旋风除尘器:7-二级旋风除尘器;8→旋风加热夹套:9-灰斗;10-管道加热夹套:11-布袋除尘器;12-灰斗:13-采样装置;14-引风机;15-煤气燃烧装置;16 - 电热锅炉:17-水泵:18-水箱;19 -燕汽过热器,20-油燃烧室;21 -油箱022-罗茨风机+28 -燕汽旁路:24-金属流量计图1常压流化床煤气化系统流程图2.2试验原料表1试验用煤筛分分布mm选用3种典型的动力用煤:徐州优质烟煤、煤样粒径分布(%,按质量份额计)平均粒径徐州劣质烟煤和阳泉无烟煤,其筛分分布见表1,0.3-0.40.4~0.60.6~0.80.8~10工业分析和元素分析见表2。所使用的惰性床料徐州优质烟煤171910540. 63是宽筛分的石英砂,平均粒径为0. 362 mm.徐州劣质烟煤24290. 54阳泉无烟煤1224表2煤的基本特 性单位徐州优质烟煤徐州劣质烟煤阳泉无烟煤空干基水分Mu%2.724.423. 67业空干基挥发分V。30.5725. 247.97固定碳FCu54. 0917.4467.51灰分As.12. 6222. 9(20. 85碳Ca70. 4050.3668. 22元氢Hsu4.543.722. 64中国煤化工0.93析氮N。0.92氧()sMHCNMHG2.77高位发热量QrMJ/kg28. 9124. 2726. 24低位发热量Qm27. 9123. 4025. 611(锅炉技术第36卷试验选用的催化剂有南京汤山石灰石、南京CO+3H2=CH,+H2(O ( + Q:u)kJ/mol (10)幕府山白云石以及碳酸钠(分析纯)和碳酸钾(分2C0+2H2=CH,+CO2 (+Qn)kJ/mol (11)析纯)。石灰石和白云石主要化学成分见表3。.CO2 +4H:=CH,+2H,O (+Q2) kJ/mol (12)表3石灰石和白云石主要 化学成分%4结果分析与讨论物质CaO Mg() SiO。 AlO, FerO3比表 面积4.1术语定义石灰石51.22 0.31 3.76 1.45 0.45 4.808 1 m2/g冷煤气热值白云石30.08 20.38 1.56 0.48 0.32 3.211 4 m/gQ.Hv=(CH, X2 581 + CooX3018+Ccn,X8 558)X0.01X4.1868 kJ/Nm33煤气化反应原理CH、Co、CoH,分别表示可燃组分H2 .CO、煤进入炉内首先进行热解过程,其中包括裂CH,占分含量(%)。解和缩聚两大类。热解前期主要发生裂解反应。4.2床料冷态流化特性包含煤分子结构中桥键断裂生成自由基、脂肪侧床料冷态流化特性如图2所示,当气流流速链断裂生成气态烃、含氧功能团裂解生成H2O、.达到约0.28 m/s时,再继续增大流速,料层压差co等、低分子化合物裂解生成较多挥发性产物。儿乎保持 不变,此时即可认为床内物料处于起始热解后期以缩聚反应为主，当温度为550 c ~流化状态 .冷态临界流化速度约为0.28 m/s.600C时,胶质体发生固化生成半焦,温度更高时芳香结构脱氢,半焦变成焦炭。4000-叶*煤热解总的反应式为:煤=CH2+气体烃+焦油+CO+CO2+H2 + H2O+焦炭在后续的高温气化反应中，气体烃和焦油还.会发生二次热解反应生成C、CH、H2.CO、H2O2000等简单物质。裂解后的煤气化过程分成2种类型:非均相1 000气固反应和均相气相反应.00.3.1非均相气固反应表观流化数/m.s-1碳不完全燃烧反应图2床料冷态流化特性C+1/2O2=CO (+Q.)kJ/mol (1)4.3流化风量对煤气成分和热值的影响碳完全燃烧反应C+O2=CO2 (+Q2 )kJ/mol(2)维持给煤量4. 52 kg/h.静止床层高度200水蒸气分解反应mm.蒸汽量1. 8 kg/h,出流化风量引起的床层温C+ H2Q=CO+H2 (- Q,)kJ/mol (3)度变化见图3。C+2H2(=CO2 +2H2 (- Q.)kJ/mol (4)940 ]二氧化碳还原反应930-C+CO2=2C0 (- Q:)kJ/mol (5)920 -加氢反应C+2H:=CH，(+Q。)kJ/mol3.2均相气相反应88气相燃烧反应H2+ l/2O2=H2( ( +Q)kJ/mol (7)中国煤化工CO+1/202=CO2 ( +Q;)kJ/mol (8:THCNMH G.变换反应.9.0.95。 100 105 11.0流化风景Nm3.h-CO+ H2O=H2 +CO2 (+Q,)kJ/mol (9)图3流化风量与术层温度之间的关系甲烷化反应第5期黄亚继,等:流化床部分煤气化影响因素研究1随着流化风量增加,床层温度呈增加的趋效果,必须均衡兼顾煤气热值和产气率,选择合势。流化风量增加,意味着炉内气流速度和氧气适的空煤比。供应量增加，强化气固间传质、传热,从而提高了4.4给煤对煤气成分和热值的影响反应(1)、(2).(7)、(8)的反应速率,这些反应均给煤量对煤气成分的影响较为复杂,随着给是放热反应,从而引起气化炉床层温度升高。当煤量的增加,床层温度逐渐降低(见图5),CO含.流化风量进一步增加时，气化炉本体散热量、流量先增加后降低,H2、CO2含量降低,CH,含量化风升温所需加热量、煤气带出的显热也相应增增加(见图6),冷煤气热值增加。加，导致床层温度增加趋于平缓。从图4可以看出,随着流化风量增加H2和930-CO含量(容积%.下同)先增加后减少,CO2含R 920-量先减少,后增加,CH,含量逐渐减少,冷煤气热值在流化风量为9 Nm2 /h时处于最大值。长910-900-20 ]-C0晚上年层备度200 mm七O气1T.8kgh一3 50018890++冷操气热值+3 4003.84.04.24.44.64.8 5.0 5: 163300给煤盘/kgb-1东123200萧图5给煤量与床层温度之间的关系+3100-3 000F2900143 50062800” H施化外量9Nm2hm- . -02羡丸量L81g/mm52700中机1012- .冷燥气热值3300堂流化风量Nm'hr1图4流化风量 与煤气成分和热值之间的关系+3: 200流化风量增加，气流夹带能力增加,炉页稀3 100相段气化反应增强。同时床层温度升高,炭气化3.840424446485052给煤量/kgh-l反应速率加快,水蒸气分解反应(3)和CO2还原图6给煤量 与煤气成分和热值之间的关系反应(5)平衡点右移。反应式(1).(2)可用总的碳燃烧反应表示为:φC+Oz→(2φ- 2)C0+(2初始增加给煤量，参加气化反应煤的绝对值-0)CO,9是与温度有关的常数,反应得到C0增加,在气化剂(空气和水蒸气)不变的情况下，与CO2摩尔浓度比符合关系式2:单位质量煤的产气量减少,C0含量相应增加,但给煤量带来负面影响是降低了床层温度，由此造Cw-2 40(183/T.成的煤炭气化反应速率下降,气化深度不够,CO其中R为气体常数(8.314 J/mol),T,为碳含量反而减少。虽然给煤量的增加引起更多的粒表面温度。可以看出温度升高有利丁CO生煤裂解产生H2,床层温度下降引起的变换反应成。温度升高还会加剧高热值烃类、焦油的二次(9)平衡点右移,但床层温度下降不利于水蒸气裂解。种种因素引起H2和CO含量增加,CO2分解反应(3).(4)进行,2种因素综合作用,H2绝含量减少。但当流化风量继续增加时,气相燃烧对数量增加,但很有限。由于总煤气量增加,H2反应(7)、(8)份额增加。煤气中的叮燃气体部分含量反而呈略微减少趋势。CH含量随着给煤(CO. H.CH,)更多的参与燃烧，而无效成分量的中国煤化工化床煤气化过CO2增加。同时气体在床内的停留时间减少,颗|YHCNM H G受热裂解[。反粒扬析量过大，在气化炉气化强度一定的情况.应(10),(11)、(12)需要在催化剂存在的条件下下,产气量增加的同时必然会造成气化深度不才可以进行。够,影响煤气品质。所以,为了获得合理的气化4.5水蒸气量对煤气成分和热值的影响.2锅炉技术第36卷随着水蒸气量增加,更多的水蒸气参与反应化风初始温度,得出不同床层温度。图9给出了(3)、(4).由于该反应是吸热反应.加上水蕪气升煤气成分和冷煤气热值随床层温度的变化。温时吸热量相应增加,使得床层温度呈逐渐减少的趋势(见图7)。16940143400930长10920 -mo:i 910-9002800气890-850860870880890900910920930940880床层温度心870.图9床层温度 与煤气成分和热值之间的关系141516717181902021222324水蒸气量Agh-I床层温度是影响煤气成分的主要因素,床层图7水蒸气与床层 温度之间的关系温度越高,越有利于在煤表面产生更多的能量大图8给出了水蒸气量对煤气成分和热值的于气化反应所需活化能的碳原子,越多的碳分子影响。当水蒸气量较小时,水燕气分解反应主要与蒸气分子及其氧原子之间发生有效碰撞,从而以反应(3)为主,这时增加水蒸气量有利于H2.加快气化反应速率,提高气化强度。房倚天得到CO生成。CO含量随蒸气量的增加速度没有H2流化床气化温度提高20 C~30 C,气化反应速明显,原因是水蒸气量增加时,床层温度降低有率相应提高1倍左右”。同时床层温度的提高利于Co和H2O之间的变换反应(9)平衡点右也加快了挥发分的气相二次反应,其中H2来自移。当水蒸气量较多时，更多的水蒸气参与了化烃类成分的裂解反应及芳环的缩合反应,CO由学反应(4).从而导致H,含量继续增加,而Co焦油分子中的羰 基官能团、含氧杂环裂解产生。含最减少,CO2含量增加。但当水蒸气量过多.种种因素引起煤气中H2和CO含量增加。时,床层温度下降很多，气体和颗粒在床内停留虽然床层温度升高有利于反应(4)进行,但.时间更短,这时水蒸气对气化反应和平衡常数产反应(3)的平衡常数随床层温度的增长連度比反生消极影响,不利于气化反应的进行，表现在应(4)快[气。所以,在其它输入参数不变的情况H2 ,CO含量减少,冷煤气热值下降。下,床层温度升高时,煤气中CO2绝对量增加速度不及CO快。而CO增加、CO2减少恰恰是在-340温度升高时变换反应(9)平衡点左移和二氧化碳141还原反应(5)平衡点右移的表现。煤气中CH4含量下降是床层温度的上升促进CH,二次分解的3000结果。总之,煤气的热值与床层温度成正比。-2 8004.7静止床层高度对煤气成分的影响化风电Nm/h规42g7h由图10可见，初始增加静止床层高度,挥发分在炽热的料层中裂解更彻底,煤气中H2和cO含量相应增加.CH,含量减少。由于床层高度低图8水蒸气量与煤 气成分和热值之同的关系于加煤口位置,煤在与床料进行混合前就有部分挥中国煤化工浮空间的气化能4.6床层温度对煤气成分的影响力比M.HCNMH GCH的含量都>为了单独研究床层温度对气化过程的影响，2 %。当那止床层局度增加到400 mm时,H2和试验过程中维持气化炉其它输入参数不变,仅仅CO含量反而减少,其原因是床料高度相对气化通过改变本体夹套燃油烟气温度和流量以及流炉内径太大，物料在床层中形成剧烈的腾涌,从第6期黄亚继,等:流化床部分煤气化影响因素研究13而使得煤未能有效气化。原煤中添加CaCO,后.煤气中H2和CO含量相应增加,并且CaCO3加人量越多,H2和CO300含量越大(见图12)。由于煤气中一部分CO2来自石灰石的分解反应,使得煤气中CO2含量变化-3250常不大。同样由于Na.K的化合物对煤气化也具3200华有催化作用”,向煤中添加碳酸钠和碳酸钾后能明显提高煤气品质,且Na2CO3和K2CO3的催化十o实写五/h一Co床层温度904 C-917印能力比CaCO3强。令媒气热值31001050200250.30035040床层高度/mm14图10静止.床层高 度对煤气成分的影响无添加剂i GaC03 30g/kg煤4.8不同煤种气化特性i CGaCO3 70g/kg煤只8I 碳酸钠70g/kg煤煤作为一种含有多种杂质的有机混合矿物，联6i碳酸钾70g/kg煤其成分、灰熔点、活性度、粘结性和白由膨胀指数等变化都能极大影响气化工况和气化效率,为此本文研究了3种典型煤种的气化特性。总的来H:说，在相同的气化参数下,烟煤的煤气中可燃成煤气成分分(H2.CO.CH.)比无烟煤高,优质烟煤的可燃图12添加剂 与煤气成分之间的关系成分比劣质烟煤高(见图11)。其原因可以解释为:煤化程度越高,活化能越高,热分解开始温度当原煤中添加3 %石灰石时,H2和CO含量也越高,加上水分、挥发分高的煤种,其结构疏增加了0.5 %和0.3 %。继续增加石灰石量至松,生成的焦煤反应比表面积大,具有丰富的过7 %,H2和CO含量只增加了0.1 %和0.2 %，渡孔和大孔,气化剂很容易扩散到反应表面。CaO催化作用减弱,说明催化剂含量的增加一方面提高了反应速度,改善了气化条件,另一方面催化剂在焦炭表面附着程度增加,当催化剂在煤焦表面达到单层分散最大量之后,过剩的催化剂徐州优质烟煤缺乏较好的分散，影响了气化剂向焦炭内部扩散徐州劣质烟煤10 t阳泉无烟煤和气化产物逸出,在一定程度上限制了反应速度床层高度200mm的进一步提高,所以存在一个适宜的催化剂添篓6-加量。5结论2(1)随着流化风量增加,床层温度逐渐增H2CO煤气成分CO2CH4加,H2和CO含最先增加后减少,CO2含量先减图11 煤种与煤气成分之间的关系少后增加,CH,含量逐渐减少,冷煤气热值在流4.9催化剂对煤气成分的影响化风量为9 Nm?/h时处于最大值。流化风量进石灰石分解的CaO对煤气化具有催化作用一步增加时,床层温度增加趋于平缓。为了获得(X为CaO)[6]:合理的气化为思|以循的衡并晒世午热值和产气中国煤化工Tar +X=C-X+气体(如CH,)+Light Tar (13)率,选择HH20+ X=0-X+ H2(g)(14)CN M H G温度逕渐降CX+(-X=C0-X+X(15)低。给煤量对煤气成分的影响较为复杂,给煤量CO-X=CO(g)+ X .(16)过多,煤炭气化深度不够,煤气品质下降;给煤量CO-X +O=CO2(g)+2X(17)过少会造成气化能力过剩,又会影响煤气品质。14锅炉技术第36卷(3)随着水蒸气量增加,床层温度逐渐下比CaCO3强。原煤中CaCO3加入量越多,煤气降。当水蒸气量较小时,增加水蒸气有利于H2、中 H2和CO含量越高。当催化剂加入量达到一CO生成;当水蒸气量较多时,更多的水蒸气与炭定程度后,催化剂的催化能力趋于饱和。反应生成CO2和H2,H:含量继续增加,而CO含量减少,CO2含量增加;但当水蒸气量增加到参考文献:- -定值之后,气化程度下降,煤气品质变差。[1]黄玻介。房倚天,土弹,等.现代煤气化技术的开发与进展(4)床层温度是影响煤气成分的主要因素。[J].燃料化学学报,002,30(5);385 - 391.床层温度越高,煤气中H2和CO含量也越高，[2]鄔紉云.煤炭气化[M]J徐州.中国矿业大学出版社,1985.[3]彭万旺,陈家仁.加压流化床粉煤气化工艺特性研究[J].煤CO2含量越低。煤气中CH,含量下降是床层温炭学报,1994,19(3);315- 323.度的上升促进CH,二次分解的结果。在其它输[4]房倚天,陈富艳,王鸿瑜,等.循环流化床(CFB)煤/焦气化反入参数不变的情况下,煤气的热值与床层温度成应的研究II温度、氧含量及煤种对CFR气化反应的影响正比。[J]. 燃料化学学撒199.27(1):23-28.(5)随着静止床层高度的增加，挥发分在炽[5]寇公.煤炭气化工程[M].北京:机械工业出版补1992.[6] Ximen A. Garcyn, Nelson A. Alarcon. Alredo 1. et al.热的料层中裂解更彻底,煤气中H2和CO含量Steam gasification of tars using a CaO calalys [J]. Fuel Pro-相应增加,CH。含量减少。烟煤的煤气中含有的cessing Technology, 1999 ,58.83- 102.可燃成分(H2.CO.CH,)含量比无烟煤高,优质[7] Ralf Kopsel, Henryk Zabawski. Catalytic ee of ash com-烟煤比劣质烟煤更适合于气化。ponents in low rank coal gasification [J] . Fuel, 1990，69(5):275-281.(6) Ca、Na,K 等碱土金属化合物对煤气化具有催化作用,且NaCO,和K2CO3的催化能力Factors Affecting Fluidized Bed Partial-gasificationHUANG Ya-ji. JIN Bao-sheng，ZHONG Zhao ping，XIAO Rui，ZHOU Hong-cang( Education Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and CombustionTechnology. Southcnst University. Nanjing 210096, China)Key words: partial-gasification; gas compositions; heating value; Fluidized BedAbstract: Factors afecting gas composition and beating value are investigated, includingfluidized air flow, coal feed rate, strcam feed rate, gasification temperature, bed layeraltitude, coal type and catalyst. in a fluidized bed partial-gasifier. The results arc asfollows: there exists日suitable range of fluidized air flow, coal feed rate, stream feed rateand bed layer altitude, which show more complex effect on gas compositions. T cmperatureis the key factor that affects gas compositions, and heating value of gas is in directproportion to temperature. The contents of H2 and CO are increased with an increasc of bedlayer altitude, which is favor of pyrolyzing CH. The contents of flammable compositions(H2，CO, CH,) of bitumite are larger than those of anthracite. High- grade bitumite ismuch more suitable for gasification than low grade bitumite. Compounds of alkali metals.such as Ca, Na, K etc. , can catalyze coal gasification. The catalysis ability of Na:CO2 andK:CO2 is stronger than that of CaCO3.中国煤化工MHCNMHG