空气预热温度对固定床煤气化过程的影响

第28卷第12期煤气与热力Vol. 28 No. 122008年12月CAS & HEATDec.2008燃气气源与加工利用空气预热温度对固定床煤气化过程的影响王连勇，蔡九菊，孙广，刘友，赵子忠(东北大学国家环境保护生态工业重点试验室，辽宁沈阳110004)摘要:在内径为200 mm的固定床气化炉热态实验台上进行了煤高温空气气化试验研究, .考察了空气预热温度对空气、蒸汽作为气化剂的煤气化过程的影响。在试验研究范围内,提高空气预热温度,气化温度随之上升;空气预热温度上升,可以提高煤气热值、碳转化率和气化效率,优化煤气化过程。对于固态排渣气化炉,空气预热温度的提高受煤的灰熔点限制。关键词:煤气化;高温空气气化; 空气预热温度; 固定床 .中图分类号: TU996;TQ546.2文献标识码: A文章编号: 1000 -4416(2008)12 -0B24 -04Effect of Air Preheat Temperature on Fixed-bed Coal GasificationWANG Lian-yong， CAI Jiu-ju，SUN Guang，LIU You，ZHAO Zi-zhongAbstract: The coal gasification test with high temperature air is performed in a fixed-bed gasifierwith 200 mm inner diameter. The effect of air preheat temperature on coal gasification using air andstream as gasifying agent is investigated. In the range of experimental study ，the gasification temperatureis increased with the increasing of air preheat temperature. The rise in air preheat temperature can im-prove gas heating value, carbon conversion rate and gasification efficiency, and optimize the gasificationprocess. The increasing of air preheat temperalure is limited by the ash fusion point of coal in a gasifierwith solid slag removal. .Key words: coal gasification; gasification with high temperature air; air preheat lemperature;fixed bed1概述HTAC)[451 ,为煤的高温空气气化提供了可靠的、经高温空气气化技术( High Temperature Air Gasi-济的高温空气源,使高温空气气化技术得到了迅速fication, HTAG)是20世纪90年代发展起来的能源发展-10。利用领域的高新技术。它采用高温空气对煤进行气2003年一2005 年,东北大学国家环境保护生态化,具有燃气热值高.气化效率高、结构简单、操作灵工业重点试验室承担了国家自然科学基金项目活经济性好等特点,是- -项值得推广应用的新气化(90210028)--煤的高 温高效气化和高温贫氧燃技术,具有极大的市场潜力一3。高温空气气化技烧一体化方法及机理研究。针对我国工业燃烧设备术的关键是高温空气的廉价生成，而20世纪90年的实际情况,将煤高温空气气化与高温贫氧燃烧两代以来园际燃烧领域开发并得到大力推广应用的高项技术有机结合,开发研制了-套煤高温空 气气化温空气燃烧技术( High Temperalure Air Combustion,与高中国煤化工当中国工业炉窑的TYHCNMHG基金项目:国家自然科学基金资助项目(90210028)●B24.www. watergasheat. com王连勇,等:空气预热温度对困定床煤气化过程的影响第28卷第12期燃煤技术改造、系统节能和环境保护开辟了一条新2试验方法路。在内径为200 mm的固定床气化炉热态实验台①试验装置与方法上进行了煤高温空气气化试验研究,研究了气化工煤高温空气气化试验系统主要由煤气化炉、空艺参数(气化温度空气预热温度、空气煤比、蒸汽气加热系统(鼓风机、转子流量计、空气加热器)、蒸煤比等)对煤气化指标的影响。本文仅对空气预热汽发生系统(储水箱、蒸汽发生器、体重秤)、煤气净温度对固定床煤气化过程的影响的试验结果进行分化系统(旋风除尘器、冷凝器、过滤器)、检测及燃烧析。系统(燃气表、取气口、烧嘴)5部分组成,见图1。12133。C口1出)1.戴风机2.转子流量计3.储水箱4.蒸汽发生器5.体承秤6.空气加热器7.煤气化炉8.旋风除尘器9.冷凝器10.过滤器11.燃气表12.烧嘴13.取气口图1煤高温空气气化试验系统煤气化炉采用自行设计的固定床气化炉,其内量能够满足一次试验需要,所以蒸汽的流量可通过径为200 mm,炉膛净高为2000 mm,炉体内层为高体重秤称量蒸汽发生器的失重量获得。铝耐火浇注料,中层为轻质保温浇注料,外层为硅钙煤气净化系统主要除去煤气中的粉尘和焦油。板,炉壳为6 mm厚钢板。全炉在气化剂进口、灰渣净化后的煤气经燃气表计量后，在取样口处由集气区、氧化区、还原区、干馏区、干燥区、空区及煤气出袋取样,最后在系统尾部的烧嘴处燃烧。煤气成分口设有8个测温点,并在距气化剂进口700~1 300采用气相色谱仪进行分析。mm处设3个窥视孔,用于观察床层高度,并兼作取②试验原料样孔。试验原料为山西大同煤,粒度为13 ~26 mm。空气加热系统中,空气由鼓风机提供,经转子流3试验结果与分析量计计量后,进人空气加热器中进行加热，加热后的①对气化温度的影响高温空气与来自蒸汽发生系统的蒸汽作为气化剂进料层高度为1 850 mm,煤样粒度为13 ~ 26人气化炉。空气加热器采用硅炭棒加热,共有3个mm, 给煤量为8 kg/h,空气煤比为1.65 m'/kg,蒸汽加热段,其功率在0-36 kW范围内可调。.煤比为0.3 kg/kg。在此条件下,空气预热温度对气蒸汽发生系统中,水由储水箱进入蒸汽发生器,化温度的影响见图2。可见,气化温度随空气预热经电加热后产生饱和蒸汽,蒸汽与高温空气混合进温度的升高而升高。其原因是.空气预热温度越高,人气化炉。蒸汽发生器型号为KQ-C14型，其产生空气带中国煤化工温度就越高,这的蒸汽温度和流量可调,蒸汽温度为140 C时,最大就加快HCN M H G比温度升高,有利质量流量为25 kg/h。因为蒸汽发生器本体的水容于煤的气化反应。但对于固态排渣气化炉,气化温.B25..第28卷第12期煤气与热力www. watergasheat. com度的提高受煤的灰熔点限制，因此,空气预热温度的化剂带人的物理热部分代替了煤的燃烧放热,减少提高也受煤的灰熔点限制。了发生燃烧反应的煤量，增加了发生气化反应的煤量,从而减少了煤气中不可燃组分N2和CO2的含1 120量,增加了可燃组分CO的含量。因为气化温度不变,所以煤气中CH体积分数基本保持不变。因为1100煤气中可燃组分含量增加,而不可燃组分含量减少，所以煤气热值增加,煤气质量提高。空气预热温度1 060越高越有利于提高煤气热值。1 040500空气预热温度/心6008000「甘CO2 +CO一H2←CHs + N250 t圉2空气预热温 度对气化温度的影响②对空气煤比的影响校40料层高度为1 850 mm,煤样粒度为13 ~ 26主30mm,气化温度为1100 C ,给煤量为8 kg/h,蒸汽煤比为0.3 kg/kg。在此条件下,空气预热温度对空气煤比的影响见图3。可见,随着空气预热温度的提00700空气预热温度心高,空气煤比下降,由500 C时的1.91 m'/kg 下降图4空气预热温度对煤气组成的影响到800 C时的1. 46 m'/kg。其原因是:在保持气化6.0温度不变的条件下,随着空气预热温度的提高,气化2剂带人炉内的物理热增加,从而减少了空气消耗量,5.6使空气煤比下降。5.2 t2.0.8 t1.7 t空气预热温度心C團5空气预热温 度对煤气热值的影响胡1④对气化效率和碳转化率的影响1.450空气预热温度/心Cmm,气化温度为1100 C ,给煤量为8 kgh,蒸汽煤圉3空气预热温 度对空气煤比的影响比为0.3 kg/kg。在此条件下,空气预热温度对气化③对煤气组成和热值 的影响效率和碳转化率的影响见图6。100 [- -气化效率碳转化率mm,气化温度为1 100 C ,给煤量为8 kg/h, 蒸汽煤90比为0.3 kg/kg。在此条件下,空气预热温度对煤气术80组成和热值的影响分别见图4、5。可见，空气预热70温度从500C增加到800C时,煤气中CO和H2体.60积分数分别从24.52%和7.35%增大到29.18%和12. 87% ,CH,体积分数基本保持不变,N2和CO2体积分数分别从60. 95%和6.15%减小到53. 42%和3.12%。煤气热值则从4.438 M]/m' 增至5. 882气预执温 摩对气化妫室和碳转化率的影响MJ/m'。其原因是,在保持气化温度不变的条件下，中国煤化工增加到800 C时,随着空气预热温度的提高,空气煤比下降,但蒸汽分气化TYHICNMHG量与气化用煤的解率增加,因而煤气中H2含量增加同时,高温气总热量之比)和碳转化率(煤中的碳转化为煤气中●B 26.www. watergasheat. com王连勇,等:空气预热温度对固定床煤气化过程的影响第28卷第12期的碳的份额)分别从57.24%和86. 2%增至73. 7%solid fuels using high temperature air and steam[ A]. .和91.7%。原因是空气预热温度提高,虽然空气煤Fourth Intemational Symposium: High Temperature Air比下降导致煤气产率略有下降,但煤气热值提高使Combustion and Gasification[ C]. Rome (ltaly): Italian得最终气化效率仍然增加。碳转化率的提高则是因National Agency for New Technology Energy and the En-vironment, 2002. 2A10-1 -2A10-13.为提高空气预热温度,加快了燃烧反应速率并促进了碳与气化剂的气化反应。因此,随着空气预热温[4] CUPTA A K, HASECAWA T. High temperaure aircombustion :flame characteristics , challenges and oppor-度的提高,煤气化过程得到改善，气化效率和碳转化tunities [ A]. Proceedings of Beijing Symposium on率均增加。由此可见，高温空气气化是煤气化工艺High Temperature Air Combustion [ C]. Bejig: Engj-的一个新突破。neering Institute of Chinese Science & Technology Asso-4结论ciation, 1999. 10 -28.①在保持料层高度 、煤样粒度给煤量、空气[5] 艾元方,蒋绍坚,周孑民,等.高温空气燃烧特性的研煤比、蒸汽煤比不变的条件下,气化温度随空气预热兖[J].煤气与热力,2001 ,21(3) :208 -210.温度的升高而升高。[6]曹小玲 ,蒋绍坚,翁-武.生物质高温空气气化分析、②在保持气化温度不变的条件下 ,随着空气现状及前景[J].节能技术,2004,22(1):47 -49.气化剂预热温度的提高,气化剂带人炉内的物理热[7] CARLSON C P P, YOSHIKAWA K. Development of a增加,减少了发生燃烧反应的煤量,增加了发生气化high-temperature air-blown gasification system [ J].反应的煤量,降低了空气煤比,从而减少了煤气中不Bioresource Technology ,2001 ,79(3):231 -241.可燃成分N2和CO2的含量,增加了可燃成分CO和[8] YOUNG L, CARLSON C P P. High-temperature, air-H,的含量,使煤气热值.气化效率和碳转化率得以blown gasification of dairy-farm wastes for energy pro-duction[{J]. Enery ,2003 ,28(7) :655 -672.提高。因此,在工艺条件允许的范围内,空气预热温[9] SUGIYAMA s,SUZUKI N,KATO Y ,et al. Gasification.度越高对气化过程越有利。performance of coals using high temperature air[J]. En-③对于固态排渣气化炉,空气预热温度的提ergy ,2005 ,30(2 -4) :399413.高受煤的灰熔点限制。[10] ZUBTSOVA V M,CARISON C P P, YOSHIKAWA K.Potential applications of high-temperature air/steam-参考文献:blowm gasification and pyrolysis systems[J]. Energy,1 ] YOSHIKAWA K. Gasification and power generation from2005 ,30(11 -12) :22 -2242.solid fuels using high temperature air[ A]. Proceeding of[11] 王连勇,蔡九菊,王爱华,等.煤高温空气气化和高温High Temperature Air Combustion Symposium[C]. Bei-贫氧燃烧- -体化系统开发[J].中国冶金,2007,17.jing:The Federaion of Engineering Societies of China AB-(4):51 -54.gociation for Science and Technology,1999. 48 - 68.[2] KOBAYASHI H,KAWAI K, YOSHIKAWA K. Gasifica-作者简介:王连勇(1976- )， 男，山东陵县人,tion power generation system and boiler performance U-博士生，研究方 向为能源的高效转化与清sing high temperature air[ A]. Proeeding of High Tem-洁利用。perature Air Combustion Symposiurm[ C]. Beijing: The电话:(024 )83686994Federation of Engineering Societies of China Associationfor Science and Technology , 199.90 - 100.E - mail:wlyneu@ 126. com[3] YOSHIKAWA K. R & D on small-scale gasification of收稿日期:2008 -01-18;修回日期:2008 -02 -26些静菏特幽产、柏TH中国煤化工护CNMHG●B 27.