蒸汽通入粉煤流化床时煤的气化

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.04.002 北京钢铁学院学报 1985年第4期 蒸汽通人粉煤流化床时煤的气化 传输原理教研室张先播张洪 摘要 本文重点讨论了粉煤流化床内蒸汽使煤气化时气化温度、流化速度及料层高度 三因态对煤气产率、蒸汽分解率、容积气化强度及煤气质量诸气化指标的影响。实 验中测取了不同实验条件下煤气成份和温度在流化床中的纵向分布。 一、前 言 煤炭气化工艺的开拓至少已有一个半世纪的历史了。气化方式多种多样。近年来，流态 化气化法受到极大的重视。 五十至六十年代主要对流化气化法进行可行性研究。从七十年代开始，才对该法影响气 化的各因素进行深入的研究。 Fredersdorff)粗略地讨论了流化床中所发生的气化反应类型及反应速率。Wen() 进一步研究了气化反应速率的表示式，并在此基础上建立了求解气化过程各参数的数学模 型。Johnson3.)和onJensen1详细地研究了流化床气化过程的反应动力学问题，提出 了一些经验和半经验公式。一直到最近仍有人在不断探讨如何更准确地表达气化反应的速 率。Pulsifer in和Martin【s-]研究了气化温度和压力两个因素对气化过程的影响，重点 描述了这两个因素对煤气组成的影响，但基本上未作解释。1981年天津市政工程设计院也简 略地讨论了流化床中操作因素对气化过程的影响。 本文研究的目的是为了验证前人的某些尚有争议的结论，并对过去未州以解释的实验现 象作出较为合理的解释，同时，根据实际气化过程的需要，研究某些新因素对气化过程的影 响。 本文重点讨论了粉煤流化床内蒸汽使煤气化时气化温度、流化速度及料层高度三因素对 煤气产率、蒸汽分解率、容积气化强度及煤气质量诸气化指标的影响，测取了不同实验条件 下煤气成分和温度在流化床中的纵向分布。 二、实验过程 实验流程见图1。高位水箱中的水经转子流量计计量后进入直流式蒸汽发生器，发生器 具有自我平衡性能，即随着进水量的增，发生器内水位上升，蒸发面积加大，蒸发量也随 之加大，直至蒸发量与进水量相平衡，从而将蒸汽量的计量转花为液体水量的计量。从发生 器出来的饱和蒸汽进入电加热的蒸汽过热器，可将蒸汽过热至400℃以上。过热后的蒸汽进 6

北京钢铁 学院学报 年 第 期 蒸汽通人粉煤流化床时煤的气化 传输原理教研 室 张先樱 张 洪 摘 要 本 文重 点讨论 了粉煤流化床 内蒸汽使煤 气 化 时气化 温度 、 流 化速度及 料层 高度 三 因态对煤 气产率 、 蒸汽分 解率 、 容积 气化 强度及煤 气质量诸 气 化指标 的影 响 。 实 验 中测取 了不 同实验条件下煤气成份 和 温度在流 化床 中的纵 向分布 。 一 、 前 、 一 口 ，， ， 户 口 煤炭气化工艺 的 开拓至 少 已有一个半世 纪的历 史 了 。 气化方式 多种 多样 。 近年来 ， 流态 化气化法受 到极大的重 视 。 五十至 六十年代主 要对流 化气化法进行可 行性研 究 。 从七十年代开始 ， 才对 该法影响气 化的 各因素进行 深入 的研 究 。 ’ 粗略地讨论了流 化床 中所发生的 气化反应 类型及反应速 率 。 ’ 进一 步研 究 了气化反应速 率的表示式 ， 并 在此 基础 上建立 了求 解气化过程 各参数的数学模 型 。 咚 ’ 毛 和 。 叫 详细地研 究 了流化床气化过程 的反应 动力学 问题 ， 提 出 了一 些经验和半经验公式 。 一直到最近仍有人 在不断 探 讨如 何 更准确 地表达气 化 反应 的速 率 。 和 汇“ 一 研 究 了气化温度 和压 力两个 因素对 气化过程 的 影响 ， 重点 描述了这两个因素对煤气组成的影响 ， 但基本 上未作解释 。 年天津市政工程 设计院也简 略地讨论 了流化床中操作因素对气化过程 的影响 。 本文研 究的 目的是 为了验证前人 的 某 些尚有争议的 结论 ， 并对过去未加 以解释 的实验现 象作出较为合理的解释 ， 同时 ， 根据实际 气化过程 的需 要 ， 研 究某 些新 因素对气化过程 的影 响 。 本文重点讨论 了粉 煤流化床内蒸 汽使煤气化 时气化温度 、 流化速度及 料层 高度 三 因素对 煤气产 率 、 蒸 汽分解率 、 容积 气化强度 及煤气 质量诸 气化指标 的影响 ， 测取 了不 同实验条件 下煤气成分 和温度 在流化床 中的纵 向分布 。 二 、 实验过程 实验流程见 图 。 高位 水箱 中的 水经 转子 流量计计量后 进入 直流式蒸汽发生器 ， 发生器 具有 自我平衡性能 ， 即随着进 水量 的 增加 ， 发生 器 内水 位上升 ， 蒸发面积 加大 ， 蒸发量 也随 之加大 ， 直至蒸发量 与进 水量相 平衡 ， 从而将蒸汽量 的 计量 转 化力液 体水量 的计量 。 从发生 器 出来的饱 和蒸汽进入 电加热 的蒸 汽过 热器 ， 可 将蒸汽过 热 至 ℃ 以 上 。 过 热后 的蒸汽进 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．04．002

入风箱，使流速均匀化后再进入气化炉与宋中煤粒子发生气化反应。产生的煤气及未分解的 蒸汽通过煤气引出管进入喷淋洗气筒进行清洗和冷却，清洁的煤气通过容积式煤气流量计计 量后放散。 水 ·调 热翠 进谋 一正 接 h器 设散 0 图1实验流程图 1-水箱，2-转子流量计，3-蒸汽发生器；4-汽水分离器，5-蒸汽过热器， 6-气化炉炉体；7-自动电子电位差计：8-气相色谱仪，9-进煤口及煤气 引出，10-喷淋洗气筒，11-水封槽，12-煤气流量计；13-动图仪表， 14-U型管压力表 小型实验用蒸汽气化炉炉型目前尚没有一种较为满意的炉型。这次实验中，通过反复试 验摸索，并参考其它炉型，采用了炉体外部电加热形式以保证气化反应的连续进行（见图 2)。这种加热形式易于控制和调节。为增加单位床层体积的加热面积，气化炉做成二维形 状：21mm×220mm×320mm。布风板采用嵌入式以提高气密性，其开孔率为8.5%。 为了测量床层内纵向温度分布，沿着流化床的纵向设置了一组热电偶，其热端分别置于 离布风板20mm、50mm、100mm、200mm处，采用电子电位差计自动记录各点温度值。 在从布风板向上2/3料层高度处，另设置了一热电偶，采用XCT显示仪表连续监视及电子电 位差计自动记录，以便于及时控制工况的稳定，并以此温度作为特征炉温度。 流化速度受两个因素影响，即蒸汽过热温度和蒸发量。为便于控制，实验中将蒸汽过热 温度稳定在420~460℃之间，这样便可通过调节发生器的进水量来达到控制流化速度的目 的。在这次实验中所选取的流化指数较低，为1,2~2.0之间。实验测得850℃下临界流化速 度为0.53m/s。 在实验中，通过控制进煤量，使床内料层高度在整个实验过程中不超过规定的范围。 流化床内取煤气样装置见图3。在取样管前装有一陶瓷纤维过滤头，它能将煤粉挡住而 让煤气通过。煤气进入洗气瓶冷却下来后用医用注射器抽取，当然，也会有极少量的极细的 炭微粒通过过滤头，但又被其后的洗气瓶所捕获，从而保证了所抽取的煤气样的清洁。用气 相色谱仪分析气样。但在色谱分析过程，由于操作上的原因（如进样量重复性不好），易

入 风 箱 ， 使流速均匀化后 再进入 气化炉与床中煤粒子 发生 气化反应 。 产生的煤气及未分解的 蒸汽通过煤气 引出管进入 喷淋洗 气筒进 行清洗和 冷却 ， 清洁 的煤气 通过 容积式 煤气流量计计 量 后 放散 。 勺 月示 生 ， 「日 图 实验 流程 图 一 水箱 一 转子流量 计， 一 蒸汽 发生器 一 汽 水分 离器 一 蒸汽过 热器， 一 气化炉炉体 一 自动 电子 电位 差 计 一 气相 色谱 仪 一 进煤 口 及 煤 气 引 出， 一 喷淋 洗气筒， 一 水封槽 一 煤气流量 计 一 动圈仪 表， 一 型 管压 力表 小型实验 用蒸汽气化炉炉型 目前尚没 有一种较为满意的炉型 。 这 次实验 中 ， 通过反复试 验摸 索 ， 并参考其 它炉型 ， 采 用 了炉体外部 电加 热形式 以 保证气化反 应 的连续 进行 见 图 。 这种加热形式 易于 控 制 和调节 。 为增加单位床层 体积 的加热面 积 ， 气化炉做成二维形 状 只 。 布风板 采用嵌入 式 以 提高气 密性 ， 其 开孔 率为 。 为了测量 床层 内纵 向温度 分布 ， 沿着 流化床的纵 向设 置 了一 组热 电偶 ， 其热端分别 置于 离布风 板 、 、 、 处 ， 采用 电子 电位差计 自动记 录 各点 温度值 。 在从布风 板 向上 料层高度 处 ， 另设置 了一热 电偶 ， 采用 显示 仪表连续监视 及 电子 电 位差计 自动记录 ， 以便 于 及 时控 制工 况的稳定 ， 并 以 此温度 作为特 征炉温度 。 流 化速度 受 两个 因素影响 ， 即蒸 汽过 热 温度 和蒸发量 。 为便于控 制 ， 实验 中将蒸 汽过热 温度 稳定 在 ℃ 之 间 ， 这 样便可 通过调 节发 生器的进 水量 来达到控 制 流化速度的 目 的 。 在这次实验 中所选取 的流 化指数较低 ， 为 之 间 。 实验测 得 ℃下 临界流 化速 度 为 。 在实验 中 ， 通过控 制进煤量 ， 使床 内料层 高度 在整个实验过程 中不 超过规定 的范围 。 流化床 内取 煤 气样装 置见 图 。 在取 样管前装 有一 陶瓷纤 维过 滤头 ， 它 能 将煤粉挡住而 让煤气通过 。 煤气进入洗气瓶冷却下 来后 用医用注射器 抽取 ， 当然 ， 也会有极少量 的极细 的 炭微粒通过过 滤头 ， 但 又被其后 的洗 气瓶所捕获 ， 从而保证 了所抽取 的煤 气样 的清洁 。 用气 相 色谱仪分析气样 。 但 在色谱分析 过程 犷 ， 由于操 作 上的原 因 如 进 样量 重 复性不好 ， 易

上法兰 炉体腔 接调 接调 压器~ 压器 电炉盘 下法兰 布风板 风箱法兰 风箱 图2炉体结构示意图 注射器 洗气瓶 胶管 取样管 陶瓷纤维取样买 图3流化床内取气样系统 8

炉体 壁 接调 器调 压 器 上 法兰 电炉 盘 下法兰 布风 板 风 箱法 兰 风 箱 图 炉体结构示意图 注射器 洗气瓶 取样甘 肖决纤维取样头 图 流 化床 内取 气样 系统

产生较大的系统误差。为此，我们在数据处理过程采用归一化对分析结果进行修正。 令C:'为修正前气样中组分的百分含量，C:为修正后的百分含量，则有修正公式： C1=K.C,' 式中K为修正系数， K=- 1 C 11 采用该式进行修正，可以大大减小操作因素引起的系统误差。 在我们的实验条件下，CH。含量较少，往往易被误差所掩盖。因此在以后的叙述中， 不讨论甲烷含量的变化。 实验选用的煤种为京西无烟煤，其粒度范围为0.8~2.0mm,发热值为4036kca1/kg, 工业分析结果见表1。 表1 原煤的工业分析结果 固定碳 水 分 挥发分 灰 分 52.5% 5.84% 5.50% 36.2% 三、实验结果与讨论 1.流化速度在气化过程中的效应 我们在不同的炉温条件下，测量了不同流化速度下的煤气生成量，其中一组工况数据见 图4。从图中可以看到，流化速度的变化对煤气产率的影响是不显著的。图5是流化速度对 煤气成分的影响，也可以认为在实验条件下，流化速度对煤气成分几乎没有影响，也就说是 气化反应属于反应动力学控制区内。增加流化速度也就是增加炉内水蒸汽的分压，因而水蒸 汽分压的增加对气化反应速率无甚影响。由此可见，气化速率表达式中可以不关联水蒸汽分 压这一项。随着流化速度的增加，由于煤气生成量没有多大变化，故过剃蒸汽量逐渐增加， 从而蒸汽分解率随流化速度的增加而降低。 百分」 T=900'C H=170mm h=100mm 含量 煤气 产率1 (%) (升1分) 50 4.0 ·一Hz% 40F A一C0% 3.0 30 A——C02% 2.0 20 1.0 4 10 公 0.60.70,80.91.01.1流化速度 mis 0.60.70.80.91.01.1流化速度 ms 图4流化速度对煤气产率的影响 图5流化速度对床内煤气成分的影响 9

产生较大的 系统误 差 。 为此 ， 我们 在数据处理 过程 采用归一 化对 分析 结果进 行修正 。 令 产 为修正前气样 中 组分 的百分 含量 ， 为修 正后 的 百分 含量 ， 则 有修正公式 ， 产 式 中 为修正 系数 ， 一了竺‘ 艺 、 ， 采用 该式进 行 修正 ， 可 以大大减小操 作因素 引起 的 系统误 差 。 在我们 的实验 条件下 ， ‘ 含量 较少 ， 往往 易被误 差所掩盖 。 因 此 在 以后 的叙述 中 ， 不讨论 甲烷 含量 的变化 。 实验选 用的煤种为 京西无 烟煤 ， 其粒度 范围为 ， 发热值 为 ， 工 业分析 结果见 表 。 表 原煤 的工 业分析 结果 固 定 碳 挥 发 分 灰 分 。 三 、 实验 结 果 与讨论 流化速度在气化过 程 中的效应 我们 在不 同的炉温条件下 ， 测 量 了不 同流 化速度下 的煤气生成量 ， 其 中一 组工况数据见 图 。 从 图 中可 以 看到 ， 流 化速度 的变化对煤气产 率的影响是 不显著 的 。 图 是 流 化速度对 煤气成分 的影响 ， 也可 以认为在实验条件下 ， 流化速度对煤气成分 几乎没有影响 ， 也就说是 气化反应属 于反应 动 力学控 制 区 内 。 增加 流化速度 也就是 增加炉 内水蒸汽的分压 ， 因而水蒸 汽分压 的 增加对气化反应速 率无甚 影响 。 由此可见 ， 气化速 率表达式 中可 以不关联 水蒸汽分 压 这一 项 。 随着 流 化速度 的 增加 ， 由于煤 气生 成量 没 有多大变化 ， 故过剩蒸汽量 逐 渐 一 增加 ， 从而蒸汽 分解 率随流 化速度的 增加而 降低 。 二 “ 飞“ 百含创分它量 煤气 产 率 升 分 吸 尧 ， · ， － 心 － 叱 么 △ 鑫 乙 流化速 度 。 。 流 化 速度 凡 图 流 化速度对煤 气产率的影响 图 流 化速度对床 内煤气成分 的影响

2.流化床内温度分布 我们测取了流化宋内纵向温度分布。表2及表3是其中二组数据。从表中可见流化宋内 上下温差有100℃以上，在宋层底部温度梯度较大而在离布风板100mm以上温度梯度已很 小，其原因是蒸汽入炉温度低于床温。尽管流化床内热交换比较剧烈，但毕竟将蒸汽温度升 至炉温是需要一定时间，这样在床层纵向便会产生温度梯度。 表2 流化床内纵向各点温度 实验条件 t炉=950℃，H=200mm, U=0.82m/s 床层高度mm 20 50 100 200 温度 ℃ 850 900 950 970 表3 流化床内纵向各点温度 实验条件 t炉=850℃，H=200mm,U=0.82m/s 宋层高度mm 20 50 100 200 温度℃ 730 800 850 860 另外，在煤中有时会混入一些煤矸石沉于床底使流化不良，同样也会产生床内纵向温度 分布。 3.温度在气化过程中的效应 随气化温度的提高，煤气产率相应增加，其实验数据见图6。可以看到，温度对煤气产 率的影响是极其显著的。即是说气化反应速率对气化温度的变化很为敏感，几乎每增加50℃， 煤气产率就增加约1.5倍。图7是蒸汽分 煤气， 流量1 解率受炉温的影响。随气化温度的增加， (升/分： 煤气产率及蒸汽分解率均呈指数形式急剧 G0f 增加。根据实验数据，我们可以计算出单 0 位容积床层的气化强度随温度的增加也是 呈指数关系增加的。这也证明气化反应是 处于反应动力学控制，并且气化速率与温 30 度的关系有可能用指数关系来加以描述。 20 为了考察温度对煤气质量究竞有何影 10 响，在料层高为170mm、不同的温度水 平下，于离布风板250mm的料面上方取 650070800850900950温度（℃） 气样进行分析，结果见图8。从图中可以 看到，在900℃以下时，随着炉温的升 图6温度对煤气产率的影响 高，H2%逐渐下降，CO%逐渐上升。在 900℃以后，H2%有所回升而CO%有所下降。在整个过程中，C0,%随温度的变化不显著， 但总起来看，CO,%略微有些下降趋势。但从绝对量上来看，H:量总是大于CO的量。 气化反应主要是指下述几个独立反应： 10

一流化床 内沮 度分布 我们侧取 了流化床内纵 向温度分布 。 表 及 表 是 其 中二 组数据 。 从表 中可见 流化床内 上下温差 有 ℃ 以 上 ， 在床层底部温 度梯度 较大 而在离布风 板 以 上温度梯度 已很 小 ， 其原 因是 蒸汽入 炉温度低 于 床温 。 尽 管流化床内热 交换 比较剧 烈 ， 但毕竟将蒸 汽温度 升 至 炉温是需要一定 时间 ， 这样在床层纵 向便会产生 温度梯度 。 表 流化床内纵 向各点温度 实验条件 炉 ℃ ， ， 床层高度 温 度 ℃ “ 塑 。 。 ，口一口﹄一 一们︸甘︸ 一城份︵ 表 实验条件 流 化床内纵向各点 温度 炉 ℃ ， 二 ， 床层 高度 温 度 ℃ 另外 ， 在煤 中有 时会混入一 些煤歼石沉 于 床底使流化不 良 ， 同样也会产生 床内纵 向温度 分布 。 沮 度在气 化过程 中的效应 随气化温度 的提高 ， 煤气产 率相应增加 ， 其实验数据见 图 。 可 以 看到 ， 温度 对煤气产 率的影响是极其显著的 。 即是说气 化反应速 率对 气 化温度 的变化很 为敏感 ， 几乎每增加 ℃ ， 煤气产 率就 增加约 倍 。 图 是蒸汽分 解率受炉温 的影响 。 随气化温度的增加 ， 谋气产率 及蒸汽分解率均呈 指数形式急剧 增加 。 根据 实验数据 ， 我们 可 以计算 出单 位容积 床层 的气化强度随温度 的 增加也是 呈 指数关系增加 的 。 这也证 明气化反应是 处 于反应 动力学控 制 ， 并且气化速率 与温 度 的关系有可 能用 指数关系来加 以描述 。 为 了考察温度对煤气质量究竟有何影 响 ， 在料层高 为 、 不 同的温度 水 平下 ， 于 离布风板 的 料面 上方取 气样进行 分析 ， 结果见 图 。 从图 中可 以 看到 ， 在 。 ℃ 以 下 时 ， 随着 炉温 的升 高 ， 逐 渐下降 ， 逐渐 上升 。 在 煤气 流 量 升 分〕 ‘ 一产产 下 。 温度 ℃ 图 温度对煤 气产率的影响 ℃ 以后 ， 有所回升而 有所下 降 。 在整个过程 中 ， 随温度 的变化不显著 ， 但 总起来看 ， 略微 有些下 降趋势 。 但 从绝对量 上来看 ， 量 总是大于 口的量 。 气化反应主 要是 指下述 几个独立反应