贵州高灰熔点煤气化特性研究.pdf

第38卷第1期
煤炭转化
Vol.38No。1
2015年1月
COAL CONVERSION
Jan.2015
贵州高灰熔点煤气化恃性硏究
娄形)张忠孝2周志豪3
摘要选取贵州典型高灰嫆点煤种老矿中渫,在椎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1200℃上升至1500℃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勢,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
的方法探索气流床气化炉内部反应的规律,实验装
1.1装置及实验方法
置一般采用柱塞流反应器的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.1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、一维高温管式电加热炉、
为,模型分为平衡模型「7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.小室模型被证明适用于气流床气钼棒(最高可控温度为1600℃);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,
使用未反应碳缩核模型和随机孔模型2,1进行
计算.传统的气流床气化技术只适用于低灰熔点煤,
Cooling weker Agitator
因此部分文献的研究目标为低灰熔点煤12,少量
Filter screen
文献采用实验的方法来研究高灰熔点煤的气化特
性,而且并无相对应的模拟结果.本实验在水煤
Flowmeter a
浆常压柱塞流气化反应器中,对我国贵州的典型高
Gas combustion furnace
灰熔点煤种老矿中煤在固、液态排渣气化温度范围
Sampling pump
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O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
国家高技术研究发展计划(863)项目(2013AAO51101)
1)博士生;2)博士、教投(通讯作者);3)硕土生,上海理工大学环境与建筑学院,20003上海
收稿日期:2014-03-28;修回臼期:2014-05-2
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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;将事先筛好的煤倒人煤浆罐中,
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0.9L/h);前期准备完成后,进人实验阶段.在
试,最终将喷嘴出口直径确定为0.8mm;另外,喷给浆量一定的情况下,通过调节O2流量来实现不
嘴外部加有水冷套筒,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
度受热而导致水分素发,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
Gas
煤媒气经冷却及气体浄化后,进入 Gasboard-3100型
煤气分析仪对合成气中的主要气体成分(CO,H2
Coal slurry
CO2和CH4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
15mm
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,
关闭煤浆泵以及O2瓶和N2瓶的阀门,同时关闭冷
图2雾化喷嘴结构
却水系统,应即时对喷嘴、煤浆泵和供气管路进行清
Fig2 Schematic diagram of atomizing nozzle structure
理,避免下次实验时出现堵煤现象
实验时首先检查实验系统各阀门位置、供气系12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检査各系统的气密性,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阆的连接和实验室制浆特性见表1.为使隔膜式计量泵和喷
,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
表1老矿中煤及水煤浆的特性分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of Iaokuang middings and coal slurry
Oximate ana
Ultimate analysis/%, ad
Ash fusion temperature/C Concentration of Density of coal slurry
coal slurry/%
2.7229.1326.5342.7957.363.560.656.210.83127014101470
0
950
小于75m(200目以下).设计给浆量约为0.91/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1200℃~1500C,n(O):n(C)(CO,H2和CH4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H2()的异相
约为2.5s
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