第29卷第5期煤炭學報Vol.29 No. 52004年10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct.2004文章編號0253 - 9993( 2004 )05 -0598 -04循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗研究那永潔,張榮光,呂清剛,王東宇(中國科學院工程熱物理研究所,北京100080 )摘要:建立了一套常壓熱態(tài)循環(huán)流化床煤氣化試驗臺,采用神華煤進行了初步的試驗研究.結果表明,試驗臺可長時間穩(wěn)定運行,碳轉化率和冷煤氣效率分別可達到96. 9%和60.5% , 但存在高溫結渣和飛灰碳 損失高等問題.關鍵詞:循環(huán)流化床;煤氣化;試驗中圖分類號: TQ541 ; TQ534文獻標識碼: APrimary experiments on gasification on an atmospheric circulating fluidized bedNA Yong-jie ,ZHANG Rong guang , L0 Qing-gang , W ANG Dong-yu( Institute of Engineering Thermophysics , Chinese Academy of Sciences , Bejing 100080 , China )Abstract : A circulating fluidized bed gasification test rig ( CFBR100 ) was built and some primary experiments onShenhua coal gasification at atmospheric pressure were made. The tests were run stably and carbon conversion andgasification efficiency could be attained 96. 9 % and 60. 5 % , respectively. But there were problems ,e. g. clinkerand the high carbon losses in fly ash. .Key words : circulating fluidized bed ; coal gasification ; experiment我國是以煤炭為主要能源的國家,發(fā)展?jié)崈裘杭夹g具有緊迫性和重要性.煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一,是許多能源高新技術的關鍵技術和重要環(huán)節(jié).雖 然煤氣化技術的工業(yè)化應用已有100多年的歷史,但現(xiàn)在仍然有必要開發(fā)面向更嚴格環(huán)境保護要求的新的高效煤氣化技術1已工業(yè)化應用的煤氣化技術中既有采用固定床,也有采用流化床或氣流床煤氣爐[2-4].與鼓泡流化床相比,循環(huán)流化床具有單位容積生產(chǎn)能力大、顆粒停留時間長、容易實現(xiàn)大型化等特點,用于燃煤鍋爐已進入了大規(guī)模商業(yè)應用階段,由此推測,循環(huán)流化床可以為煤氣化技術的發(fā)展提供- -個新的研究方向、中國科學院山西煤炭化學研究所、德國Lurgi公司、瑞典Studsvik能源公司、美國HRI和Foster Wheeler 公司先后進行了循環(huán)流化床的煤氣化研究5-13].2002 年,中國科學院工程熱物理研究所承擔了國家高技術研究發(fā)展計劃( 863計劃)"循環(huán)流化床加壓煤氣化” 的課題.按照課題要求 ,在第 1階段先進行 常壓條件下的試驗研究. 為此,建成了循環(huán)流化床常壓煤氣化熱態(tài)試驗系統(tǒng)CFBR100,并采用神華煤完成了初步的氣化試驗研究.1 CFBR100 熱態(tài)試驗臺中國煤化工CFBR100熱態(tài)試驗臺如圖1所示,由循環(huán)流化床煤氣化:MH.CNMH(二且成.(1)循環(huán)流化床煤氣化爐由提升管、旋風爐、下降昌怕必十甜于出成I土邵采用高溫合金制造,收稿日期: 2003-12-01基金項目: 國家高技術研究發(fā)展計劃( 863計劃)項目( 2002AA529210 )作者簡介:那永潔( 1961- ),男,福建南平人,研究員. Tel : 010 - 82671749 , E - mail : nayongjie@ efb. etp. ac. cn第5期那永潔等:循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗研究599無內(nèi)襯,外壁用硅酸鋁纖維包裹,沒有附設加熱裝置.提升管內(nèi)徑為100mm,從布風板到提升管頂部的總高度為3000mm.旋風爐的形狀與普通旋風除告塵器相似,從旋風爐底部排出的循環(huán)物料依次通過管7洗滌水箱垂直下降管和U型返料器,全部返回提升管.為了某斗飛灰防止在返料器中出現(xiàn)高溫而使循環(huán)物料黏結，采用氮氣作為U型返料器的流化風。沿提升管高度(包括風室)布置了4個溫度測點和2組壓力測點，旋風爐的入口和出口分別設有溫度和壓力測點底渣(2)輔助設備 氣化劑由空氣、氧氣和水蒸氣組成,經(jīng)電爐預熱到約200C后由提升管底部的風圖1 CFBR100熱態(tài)試驗臺系統(tǒng)室供入、空氣由空氣壓縮機提供，氧氣和氮氣由氣Fig. 1 The CFBR100 experimental apparatus瓶供給,水蒸氣由電爐加熱給水產(chǎn)生;煤由螺旋給1-螺旋給料機 ;2-間接冷卻器 ;3一煤氣成分分析儀 ;4一氮氣瓶;料機通過斜管加入提升管,斜管采用水冷套管結構,5一氧氣瓶;6一 -液化石油氣瓶 ;向斜管通入少量空氣作為載氣.從旋風爐排氣管流7-水瓶;8- 空 氣壓縮機;出的煤氣首先進入管式間接水冷卻器冷卻,然后進9--加熱電爐入水箱洗滌，飛灰也在水箱中被捕集.水箱出口管段上設有熱電偶、流量表和煤氣成分取樣頭.煤氣中CO, CO2 , H,和CH4的濃度采用德國Sick-maihak公司生產(chǎn)的分析儀進行在線實時分析.溫度、壓力、煤的螺旋給料機的電機頻率、煤氣成分及流量的測量與分析結果均由計算機實時采集、顯示和記錄.2試驗 過程和試驗結果及分析( 1 )煤氣化試驗所用煤的性質 試驗采用神華煤,其煤質分析和粒度分布結果見表1和圖2.表1神華煤的煤質及灰成分分析Table 1 Proximate , ultimate and ash composition analyses of Shenhua coal元素分析/%工業(yè)分析/%Qmet ar灰的熔融性/CGrL(C.) u(HJ) u(O。) u(S) u( Nu)MadA Vau FC. /MJ. kg-1 DFr68. 83. 56.11. 080.406. 888.53 27. 6056. 99.25. 87.108011901210灰成分分析/%u(SiO2) u( Al203) u( Fe203) u( CaO)u( MgO)u( SO3)u( TO2 )u( K20)u( Na20)u( P203 )25.3210.7722. 1126. 640.959. 060.690. 491. 750.02(2)試驗過程試驗前將3.5kg小于1mm的石英100砂作為基本床料加入提升管內(nèi)，然后通入空氣及返料80風，打開氣化劑加熱電爐;隨后點燃液化石油氣,加熱煤氣化爐及提升管內(nèi)的物料;當提升管底部溫度達到中國煤化工析400 C時,開始少量、斷續(xù)加煤，當煤開始穩(wěn)定燃燒后關閉液化石油氣;調整空氣和給煤速率,逐步提高提升MHCNMHG0L上上1業(yè)上⊥山1.0010.00管底部溫度到800C左右;改變氣化劑流量和煤的加入0.010.10粒度/mm速率逐步轉換到氣化狀態(tài);當提升管溫度、煤氣組成在10 min內(nèi)變化幅度很小時,即認為達到穩(wěn)定狀態(tài),作為圖2神華煤粒 度的分布曲線一個試驗工況.試驗過程中不排底渣,試驗完成后取得Fig. 2 Size distribution of Shenhua coal600煤炭學報2004年第29卷底渣、、飛灰和水箱洗滌 水等樣品進行分析.(3)試驗過程的溫度變化及分布圖3為-次試驗過程中記錄的提升管底部、中部、頂部及旋風爐出口溫度的變化曲線,圖4為煤氣濃度變化曲線、可以看出,溫度比較平穩(wěn),煤氣組成也比較穩(wěn)定.但提升管上下的溫度分布并不均勻,提升管頂部和旋風爐出口的溫度明顯偏低,這顯然不利于提高氣化效率.可能的原因包括散熱量大、流化速度偏低、循環(huán)灰濃度偏低、焦碳的氣化反應速率偏低等.1 1002:900只70015笛500- -提升管底部塔1一古一合合一一合一一合一0*提升管中部300+旋風爐出口.5-0-CH -口一CO2100時間圖3溫度記錄 曲線.圖4煤氣組成記錄曲線Fig. 3 Gasifier temperaturesFig. 4 Gas composition(4)初步的試驗結果(表2)試驗表2試驗 條件和結果結果表明,加煤速率、氧煤比和蒸汽煤比Table 2 Experiment conditions and results對氣化指標有顯著影響.神華煤氣化時的項目工況1工況2 工況3 工況4 工況 5碳轉化率最高可達96.9%，冷煤氣效率煤加入量/kg: h-'5. 445.77 5. 375. 285.7560.5%.美國Foster Wheeler公司"1用褐氧與煤之比/m3. kg-10.90 1.04 1.12 0. 870.89.煤( Vau=44.5% )氣化時碳轉化率為蒸汽與煤之比kg* kg~0.52 0. 400.330.2195%~98%,而用煙煤(Var=22%~截面氣化強度/kg° ( m2. h)-169367241.8% )時則為48% ~ 75%.以相同變?nèi)莘e氣化強度/kg: (m3. h)-'231245228224244干煤氣產(chǎn)率/m3. kg-13.193.463.613.223.09質程度煤作比較,本試驗的碳轉化率與德煤氣組成/%國Lurgi公司的試驗結果131相當,但Lur-4( CO)18.44 18.95 18.88 15.76 20.804( CO2 )9.77 14.50 14.83 12.56 11.23gi公司采用空氣作氣化劑時的煤氣組成中4(H2)8.82 15.35 13. 98 12.03 12. 16有效成分含量高于表2的結果.中國科學4CH4)0.76 0.81 0.810.90 0.71院山西煤炭化學研究所在直徑57 mmx高4(N2)62.21 50.39 51.50 58.75 55. 823710mm的試驗裝置(帶電加熱)上也冷煤氣熱值/kJ m-337564673448938834369用神華煤做了煤氣化試驗7](950C，氣冷煤氣氣化效率/%44.860.4 60.5 46. 850.4碳轉化率/%72.092.296.973.377.0化劑為CO2 +02,其中(02) =30% ),提升管底部溫度/C86587904892883當氣化強度為490 kg/ ( m’，h)時,碳提升管中部溫度/C84856885871878轉化率為90% ,冷煤氣效率為63. 35%，提升管頂部溫度/C128436176旋風爐出口溫度/C688728731 696737與此相比,表2所示的氣化強度和碳轉化提升管底部氣化劑表觀速度/m" s-1.852.42 2.32 2. 082.00率較高,而冷煤氣效率稍低.與煤炭科學提升管頂部煤氣表觀速度/m;2.56.3.323.162.752.63研究總院北京煤化工分院采用灰熔聚排渣中國煤化工的加壓流化床試驗結果4]相比,表2所示的煤氣中有效成分MH. CNMHG高(5)煤氣中焦油及酚的含量 從旋風爐出來的粗煤氣先經(jīng)過一個間接水冷卻器冷卻,然后進入水箱洗滌,煤氣中的焦油可能存在于間接冷卻器壁面及水箱的洗滌水中.根據(jù)觀察,間接冷卻器壁面上沒有焦油等附著物.對水箱中的洗滌水樣品進行了焦油和酚含量的分析.送往國家環(huán)境分析測試中心分析的2個樣品分別采自水箱的上表面及中部,其礦物油分析結果分別為1. 33和0.99 mg/L,以此推算,煤氣中的第5期那永潔等:循環(huán)流化床常壓煤氣化的初步試驗研究601礦物油含量約為0.3mg/m3;同樣的樣品還送到煤炭科學研究總院北京煤化工分院,分析結果沒有檢出焦油,說明煤氣中焦油含量極低.因為在整個循環(huán)流化床煤氣化爐中沒有低溫區(qū),即使產(chǎn)生一些焦油也能夠被比較徹底地裂解.(6)結渣問題 采用神華煤試驗時,當提升管底部溫度高于930 C時(比變形溫度低150 C ),極易發(fā)生結渣.采用大同煤試驗時, 提升管底部溫度高于950 C時(比變形溫度低200 C )也容易發(fā)生結渣.同時發(fā)現(xiàn)當改變試驗工況時,如果操作條件在短時間內(nèi)變化較大,也容易在提升管底部產(chǎn)生局部高溫而結渣.結渣限制了進一步提高煤氣化的試驗溫度.目 前尚無法肯定,是否可以通過改變試驗條件(比如氣化劑成分、表觀速度等)提高發(fā)生結渣的溫度,這是今后的試驗內(nèi)容之一.(7)存在的其它問題在CFBR100熱態(tài)試驗臺的試驗中，飛灰碳損失比較高.對工況5時在間接冷卻器底部和洗滌水箱中取得的飛灰進行粒度分析,其篩上質量累計50%對應的切割粒度分別為50和7μm,說明旋風爐的氣固分離效率不高.對洗滌水箱中取得的飛灰進行分析，結果表明其含碳量較高(53. 54% ),甚至還含有揮發(fā)分( Vu=11.73% ),說明氣化反應速率不高或者煤在爐內(nèi)停留時間不足,這也是今后試驗的重點之- -.3結語建立了常壓循環(huán)流化床煤氣化熱態(tài)試驗臺CFBR100 ,完成了初步的煤氣化試驗,取得了許多試驗數(shù)據(jù)和操作運行經(jīng)驗,為下-步常壓和加壓循環(huán)流化床煤氣化試驗提供了依據(jù);實現(xiàn)了循環(huán)流化床煤氣化系.統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行;在900 C的煤氣化溫度條件下,實現(xiàn)的碳轉化率為88%、冷煤氣效率為55% ;在試驗中遇到了結渣和飛灰碳損失高等問題,將在今后的試驗中尋求原因及解決方法.參考文獻:[1 ] Gary J Stiegel , Rusell C Maxwell. 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