气化剂预热温度对加压喷动流化床煤部分气化的影响

第25卷第22期中国电机工程学报Vol.25 No.22 Nov, 20052005年11月Proceedings of the CSEE02005 Chin.Soc.for Elec Eng.文章编号: 0258-8013 (2005) 22 0109-05中图分类号: TK224文献标识码: A学科分类号: 470.20气化剂预热温度对加压喷动流化床煤部分气化的影响肖睿，金保升，周宏仓，黄亚继，章名耀(东南大学洁净煤燃烧与发电技术教育部重点实验室，江苏省南京市210096)EFFECT OFGASIFIYING AGENT PREHEATED TEMPERATUREON PA RTLALGASIFICATION OF COAL IN A PRESSURIZED SPOUT-FLUID BEDXIAO Rui, JIN Bao sheng, ZHOU Hong-cang, HUANG Ya-ji, ZHANG Ming-yao(Education Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and Combustion Technology, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: High temperature air gasification of coal iin a浓度从60.3%和15.3%降低到55.7%和13.5%，而甲烷含0.1MW thermal input pressurized spout-fluid bed was量基本不变:相应的冷煤气效率由48.7%增加到59.6%。气successfully realized, and the ffct of air/stearm prehcatcd化介质预热温度的变化对碳转化率和干煤气产率影响不大。temperature on coal partial gasification characterstics wasinvestigated in this work. The lests results indicated that the gas关键词:热能动力工程:高温空气:煤气化;喷动流化床;heating value was increascd by 23% when the gasifying agent压力preheated tempcrature incrcascd from 300"C to 700C due to1引言the decrease of the concentration of nitrogen in the gas. Theconcentration of hydrogen and carbon monoxide in the gas第二代增压流化床联合循环发电系统(2Gwere increased from 10.6% and 10.5% to 15.2% and 12.2%PFBC)中的前置部分气化炉采用空气/蒸汽作为气respectively, while the concentration of nitrogen and carbondioxide were decreased from 60.3% and 15.3% to 55.7% and化介质，产生低热值煤气和半焦，提供下游的燃气13.5% respectively. and the concentralion of methane kep[轮机和增压鼓泡床或循环流化床燃烧炉系统发电。constant with an increase of prcheated air/stcam temperature日前国内外正在研发的2G PFBC部分气化炉基本om 300C to 700C，Increasing the gasifying agent上采用空气鼓风流化床气化方式，并进行了大量的temperature would increase the gasification efciency from研究[1-61。为适应我国储量巨大的高灰、高硫低热值48.7% to 59.6%. The carbon conversion and dry gas yield were的劣质煤，以及生物质和煤的混合燃料，提高应用almost constant rcgardless of the preheated air/steam这些劣质燃料生产的煤气发热量，以满足燃气透平1emperature.对入口煤气热值的要求，近年来许多粉煤流化床气KEY WORDS: Thermal power enginccring; High temperature化技术的开发工作也是针对提高煤气热值进行的，air; Coal gasification: Spout-fluid bed; Pressure如东南大学流化床间接燃烧气化的设想171。华中科摘要:在0.1MW加压喷动流化床气化试验装置上成功验证技大学开发了飞灰循环流化床水煤气炉工艺8。随了高温气化介质煤气化新概念，并对气化介质预热温度对煤着蜂窝式陶瓷蓄热体高温空气预热器等新技术的开部分气化特性的影响进行了研究。结果表明，气化介质温度发成功，已广泛应用高温空气燃烧领域1-11,使高从300C提高到700C后，煤气中N2浓度降低导致煤气热值温空气气化设想成为可能。上世纪未， 日本东京工增加幅度达23%，煤气中可燃组分H2和CO浓度分别从业大学的Yoshikawa 等人提出了由蜂窝式陶瓷蓄热10.6%和10.5%上升到15.2%和12.2%， 不可燃组分N2和CO2体和卵石气流床反应器为主构成的MEETMultistaged Enthalpy Extraction Technology)基金项目:国家重点基础研究发展规划项H(2005CB221202)eProject Subridized by the Special Funds for Major State Basic Rescarch气化系统"21,并成功进行了生物质气化，燃气热值Projects of China (200)5CB2212021.显著提高131。本文提出了高温气化介质煤气化以提110中国电机工程学报第25卷高煤气热值的技术路线，并采用高温空气/蒸汽在喷表1试验用煤的工业分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal动流化床内进行煤部分气化研究，验证其可行性并元素分析/%工业分析考察高温空气蒸汽对煤部分气化特性的影响。Cu59.75Ms/%2.802试验Hw3.79Va1%28.148.8FCa/%45.82 ;2.1试验装置Na1.14Aas/%23.24Sau0.45Qu sMJ/kg)23.22试验装置系统流程图如图1所示。系统主要由以下几个主要部分组成:高温空气/蒸汽发生系统、2.3数据分析与处理方法加煤和排渣系统、气化炉本体，尾部煤气净化、取煤气成分测量所用的实验仪器为上海分析仪器样和燃烧系统以及温度、压力和压差测量系统。系厂 生产的GC-1102型气相色谱仪和浙江大学信息工统流程如下:“压缩空气进入低温空气加热器加热到程研究所开发研制的N2000色谱工作站。标定用的400C,小型蒸汽锅炉产生的饱和蒸汽先进入过热器标准气体由南京分析仪器厂气体分厂生产。煤气的加热到300C，然后与空气混合后进入高温空气蒸高、低位热值、干煤气产率和碳转化率计算公式为汽加热器: :次加热至700C，再经过节流孔板流量(1)干煤气热值分配器分成喷动风和流化风进入气化炉本体。煤靠高位热值QHv=(Xcox3018+XH2X 3052+XcHx自重落入气化炉中，加煤量由星形加料器控制，气9500) x0.01x4.1868 (kJ/Nm)(1)化炉本体为喷动流化床形式，反应器内径80mm，低位热值Quv=(Xcox3018+XHx2581+Xcux高4200mm，布风板为“V"形结构，锥角60° ,8558) x0.01x4.1868 (kJ/Nm)(2)在锥形布风板上嵌有24个等间距的定向风帽,开孔其中， Xco，Xx，XcH分别为干煤气中可燃气组份率1.5%，中心喷管内径10mm,下部密相区和上部CO, H2， CH4所占体积百分含量。如不特殊说明，自由空间设有电加热系统以补偿散热。气化炉产生下面所提到的煤气热值均为高位热值。的粗煤气进入旋风除尘器分离煤气中的飞灰，然后(2)干煤气产率经煤气冷却器冷却，出口的冷煤气经煤气取样装置实际的干煤气产率采用氮平衡公式计算取样后在燃烧器内燃烧后排空。γ_ 2.x79%(3)W.XN2%式中Qa为空气的体积流量, Nm/h: w为给煤量，煤气冷却器kg/h; XN2 为干煤气中氮气体积百分数。上煤e:3(3)碳转化率取样口一两在气化过程中，煤中碳将转变成煤气中的CO、电动调节的名D下煤化图CO2、CH4和其它碳氢化合物，未转化的碳则残留在飞灰和底渣中从气化炉排出。因此碳转化率可依燃烧器灰罐]下式计算:低温空气咖供器Xc=憋(空气乐编机r[ Xco+Xco, +XcH, +2(XCH +XcH +XqH)]x12.100%J 翘中热基22.4xCc然气过热器(4)妹: 1为电加热器保温系统。图10.1MW 加压喷动流化床煤气化试验系统流程图式中Y为干煤气产率， Nm/kg: Cc 为煤元素分析Fig.1 Schematic of 0.1 MW pressurized spout-fluid gasifer中碳元素的质量百分含量:其它为干煤气中体积百分含量。2.2试验用煤和床料(4)冷煤气效率.试验用煤为徐州烟煤，平均粒径0.6761mm,QgxY真实密度为1375kg/m', 煤的工业分析和元素分析η=22(5)见表1。启动时使用的床料为宽筛分的流化床锅炉式中lq 为冷煤气热值, kJ/Nm'; Q。 为煤发热值，底渣，平均粒径为0.7509mm。第22期肖睿等:气化剂预热温度对加厌喷动流化床煤部分气化的影响111kJ/kg: Y 为干煤气产率，Nm/kg。区以气化反应占优势。这与流化床密相区径向温度均匀分布有所不同。喷动区的相对高温有利于煤中3结果 分析与讨论挥发分的快速释放，也是国内外选择喷动流化床作3.1气化炉内温度分布为2G PFBC系统部分气化炉炉型的主要原因之-。图2是在气化炉压力P为0.3MPa,空气/蒸汽3.2气化剂不同预热温度下煤部分气化试验结果与入炉温度为700'C,空气系数(进入气化炉的空气量分析与理论空气量的比值，简称ER，下同)为 0.36，汽采用300'C、500"C和 700'C3种不同气化剂预煤比(蒸汽与煤质量比)为0.4 以及静止床高热温度,在加压喷动流化床中进行煤部分气化试验，H=300mm时气化炉内床温沿床高的分布。从图中其结果与工况参数示于表2。可以看到，处于床内密相区两点温度(分别距喷管表2不同气化剂预热温度下煤部分气化试验结果Tab.2 Coal partial gasification results at various140mm和290mm)为948"C和942"C，仅相差6"C.gasifying agent temperatures气体在密相区上方温度衰减较快，悬浮区二点温度数值(分别距喷管1500mm 和3380mm)与气化炉出口温工气化剂预热温度心C00500700试验压力MPa).30.303度分别为891C、743"C和687"C，与炉内温度最高.静止床高/mm300点相差了57"C、205"C和267C。在密相区，气固混数气化温度/C40940空气系数0.420.380.36合强烈，各点温度相差不大，并没有出现因气化剂煤0.6123CO/%0.511.812.2预热温度高，气化炉底部区域出现超温和结焦等不CO2/914.3CH4/% .良状况;而稀相区，虽然有内置电加热式予以补偿，N2/%0.3_58.255.7但散热损失依然存在，同时由于煤气量小及气体热.试煤气热值(kJ.Nm^)3S9540174438煤气产(产率(Nm2.kg )3.12容量小导致温度衰减更快。温度的衰减使得悬浮空碳转化率/%79.378.3间气化反应减弱，进而影响到煤气的质量和碳转化果冷煤气效率1%54.059.6率。喷动流化床气化炉密相区在温度分布上个重(1)气化剂预热温度对煤气组分和热值的影响要特点是中心喷动区和周边环形区存在温差，喷动将气化炉温度和压力分别维持在940C 和区温度一般比环形区高20~30'C，如图3所示。在0.3MPa,此时静止床高为300mm,在不同的气化剂中心喷动区，高速空气射流造成中心区局部氧浓度预热温度(300"C、500"C和 700"C)下进行煤气化试高于环形区，造成喷动区以燃烧反应为主，而环形验，得到的包括氮气在内的煤气成分如表2所示。950表中表明，提高空气/蒸汽预热温度有利于煤气质量的改善，即煤气中可燃物组分浓度增加。煤气中H2, 850浓度增加最为明显，由300'C的 10.6% 提高到15.2%，CO浓度也有一定的提高，由10.5%增加到750Pa0.3MPa;大煤比=0.42气化剂入口温度-700C12.2%，而CH4浓度变化不大，300'C、 500"C和700C1空气系数=0.36; H= 300mm时分别为2.3%、2.4%和 2.4%;与之对应的是N2浓6500与布风板距离/m度由60.3%下降到55.7%，CO2浓度由15.3%下降到图2床温沿气化炉高度的变化13.5%。在气化反应过程中，加入空气(或纯氧)等氧Fig. 2 Temperature distribution across gaifier化剂的目的是利用它们与煤燃烧米提供气化反应所970 PaO.3MPa:充T042需的反应热，维持气化炉内部热量平衡来保障气化” 空气系数-0.36; H=300mm960炉温度，随着气化剂预热温度的增加，随气化剂带9s0入气化炉的显热增加，需要的空气量将减少，空气系数由气化剂预热温度为300C时的0.42 降低到940-700C时的0.36。因此随空气进入到煤气中的N2浓930环形区喷动区度下降，相应地空气与煤燃烧生成的CO2浓度也将图3喷动区与环形区温差降低。由于N2和CO2浓度的下降，煤气中其它成Fig. 3 Temperature difterent of spouting and分如H、CO和CH4浓度会上升，但幅度又有所不annulus section112中国电机工程学报第25卷同。由于入口蒸汽温度的增加，在维持气化炉温度反应速率，煤中的碳将较多地转化成CO2,因此碳的前提下，可以适当提高蒸汽的加入量，这有利于转化率较高;相应地，较高的入口空气/蒸汽温度会气化反应中的水煤气反应和水汽转换反应的进行，显著提高气化反应速率，而气化反应加剧会使煤中这两个反应均生成H2，故煤气中H2浓度大幅增加。的碳更多地转化成煤气中的CO和CH4，两者的平气化剂入口温度对于CO的影响则不尽相同，水煤衡使得碳转化率不会因燃烧份额的减少而大幅下气反应生成co,而水汽转换反应则消耗CO,表现降。 冷煤气效率随着气化剂预热温度由300C增加在CO浓度增加幅度不如H2那么明显。气化介质入到 700C,也从48.7%显著提高到59.6%，表明气化口温度的增加所形成的入口处局部高温将促进由挥剂预热温度的提高对冷煤气效率的提高具有积极作发分生成的CH4分解，但H2浓度的提高又有利于用。甲烷化反应，这两种因素造成了CH4浓度变化不大。从以上:气化剂预热温度对主要气化指标的影表2还显示了空气/蒸汽预热温度对煤气热值响上看，提高气化剂预热温度对煤气化作用是非常的影响。从表中可以看到，提高气化炉空气蒸汽入正面的， 对气化剂过热温度的选择，是一一个技术、口温度，煤气热值增加明显，由300'C时的经济的问题，取决于加热费用和煤气热值提高带来3595kJ/Nm'增加到700C时的4438 kJNm' ,增加幅的效益的比较，而对流化床气化工艺而言，气化剂度达23%。煤气热值的提高主要应归结到由于空气预热温度过高可能会造成床内高温结焦，建议气化蒸汽预热温度增加，入口空气量减少，煤气中不能剂预热温度不高于1000"C.燃烧的惰性气体如N2和CO2浓度降低。值得一-提3.3 高温空气/蒸汽煤气化实验值与理论计算值比的是，Sugiyama等叫采用高温空气蒸汽在卵石气较流床气化炉进行了煤气化试验，空气/蒸汽预热温度图4表示不同空气/燕汽预热温度煤气化中煤达1000C,所得煤气最高热值为5080 kJ/Nm', 略气热值实验值 与理论值的比较。理论计算应用了反高于本试验获得的煤气热值，从上升的趋势来看，应平衡模型，即在绝热(没有炉体散热)的条件下，如预热温度达1000C,本实验的煤气热值也可达到气化反应达到化学平衡时煤气热值。图中显示，3在卵石气流床获得的数值。个工况下，煤气热值理论值大大高于实验值，比实(2)气化剂预热温度对T煤气产率、碳转化率验值高45%- 50%。主要是2个因素造成了的,其一，和冷煤气效率的影响炉体的散热是主要原因，炉底部温度与出口温度相表2给出了空气/蒸汽预热温度对产气率、碳转差近300C,经估算炉体散热损失在10%~11%之间化率和冷煤气效率的影响。表中显示，随着空气/(以输入煤的热量为基数)。Lawrence等["|采用数蒸汽预热温度的增加，加入的空气量减少，煤气产值 模拟的方法分析了散热对煤气成分和热值的影率略有下降，由300C时的3.14Nm/kg(煤)降低到响，认为炉体散热超过10%时，将对煤气成分、热700C时的3.12Nm/kg(煤),低于空气系数下降幅度值及碳转化率产生极不利的影响，当散热损失为(0.42到0.36)。这是因为入口空气/蒸汽温度增加20%时，煤气热值仅为理论值的一半，因为炉体散后，通入的蒸汽量和蒸汽的分解率增加，由气化反热直接导致了炉内反应温度(包括密相区和悬浮区)应生成的H2和CO量增加，部分抵消了空气量减少P-03MPaT气化温度940C: 1-300mm的影响。从总体上来看，空气/蒸汽预热温度对产气率影响不大，特别是在空气蒸汽预热温度达到500C以后，产气率基本保持不变。表中还表明，对于不40000同的空气/蒸汽预热温度，碳转化率变化不大，在200078%- -80%范围内波动，空气/蒸汽预热温度为500"Cdd时，碳转化率达79.3%，高于空气/蒸汽预热温度为300C500C700C300'C时的78.9%和700°C的78.3%。究其原因，入口实验值■理论值口空气/蒸汽温度较低时，为维持气化炉温度，加入图4煤气热值实验值与理论值的比较的空气较多，空气系数较高，造成反应中燃烧份额Fig. 4 Comparison of experimental and calculated of gas相对较大，众所周知，燃烧反应速率要远高于气化heating value第22期肖睿等:气化剂预热温度对 加压喷动流化床煤部分气化的影响113的下降，而温度与气化反应速率直接关联，温度的[6] 周宏仓，金保开，仲兆平,等.三种煤的部分气化生成多环芳烃的试验研究小中国电机工程学报，2005， 25(2): 156-160.降低不利于气化反应的进行。其二，由于反应器限Zhou Hongcang, Jin Baosheng, Zhong Zhaoping et al. Experimental制，气化反应并没有达到化学平衡。因此，可以预study on polymuclear aromatic hydrocarbons emission from parial计，在大型的气化炉中，炉体散热损失相对减少，gasication of three vypes of coals[J]. Proceedings of the CSEE,2005，25(2): 156 160.煤气热值将比相同工况下的小型试验装置高。[7]向文国， 狄藤廉，军。等，新型煤气化间接燃烧联合循环[)]. 中4结论国电机工程学报，2004, 24<8); 170-174.Xiang Wenguo. Di Tengteng，Xian Jun e1 al, Investigation of a novel(1)试验装置成功地实现了在加压条件下空气gasificatio chemical looping combustion combined cycle(]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(8); 170-174.蒸汽等气化介质的高度预热，入炉气化剂温度稳定81 刘武标，刘德昌，米铁，等流化床水煤气炉飞灰反应性的实验研运行在700°C,并验证高温空气蒸汽流化床煤气化究UJ.中国电机工程学报，2003，, 239);: 189-192.设想的可行性，炉内流化状态良好，气固间以及喷Liu Wubiao, Liu Dechang, Mi Tie er al. Experimenal rescarch onreactivily of fly ash from a fudized bed water gaiftrfJ]. Proceedings动区和环形区传热迅速，没有出现由于气化剂的高of the CSEE, 2003, 23(9); 189-192.度预热带来床内密相区高温结焦的现象。9] Michael F. Low NO, combustion technologies for high temperature(2)气化剂预热温度由300 C提高到700 CapliationosJ]，, Energy Conversion & Management. 2001 ，时，煤气中可燃组分H2、CO浓度分别从10.6%和42(15/17): 1919-1935.10.5%上升到15.2%和12.2%，不可燃组分N2和CO2101曹小玲,蒋绍坚,吴创之，等.高温空气发生器热态实验研究[J].中国电机工程学报，2005, 25(2): 109-113.浓度分别从60.3%和15.3%降低到55.7%和Cao Xiaoling, Jiang Shaojian， Wu Chuangzhi e1 al. Hot-state13.5%，而甲烷含量基本不变。experimental research of high temperature air generator(0 Prcedings of the CSEE.200505 25<2): 109-113.(3)煤气热值明显提高，提高幅度达23%，[1]蒋绍坚，艾元方，彭好义，等，高溢低氧燃烧技术及其高效低污染冷煤气效率由48.7%增加到59.6%，同时气化剂预特性分析[I].南T业大学学报，200 31(4); 311-314.热温度对气化的其它主要指标，如产气率和碳转化Jiang Shaojian, Ai Yuanfang, Peng Haoyi et al. High temperalure aircombustion and its performance analyis[J]. Journal of Central South率影响不大。Universily of Technology, 200, 31(4); 311-314.[12] Yoshikawa K, Ootsuka T, Katushima H et al. High temperature air coal参考文献combustion uiling mulisaged enthalpy extrction technology[C].1997 Intemational Joint Power Generation Conference. 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Kitakyusyu: SCEI. 2002.[4黄亚继， 金保升，仲兆平，等，痕景元素在气化产物中分配规律的收稿日期: 2005-05-13.作者简介:研究[JI中国电机工程学报，2004, 24011): 208-212.肖容(1971-), 男，博上，副教授，主要从事洁净煤发电与燃烧Huang Yaji, Jin Baosheng. Zhong Zbauping etal. Sudy on the和可再生能源利用的研究:distribution of trace elements in gasifcation products[D]. Procccdings金保升(196-)男，教授，博士生导师，主要从事洁净煤燃烧和oftheCSEE, 2004, 24<11): 208-212.s] 肖春，金保升，熊源泉，等. 2MW加压喷动流化床部分气化特性固体废弃物能源化研究:研究U]动力工程，2005, 25(2): 211-216.Xiao Rui, in Baosheng, Xiong Yuanquan et al. Study 0n partialgasifiation characeristics of coal in a 2MW pressunized spou-fuidbed[]. Power Engineering, 2005, 25(2); 211-216.