蒸汽通入粉煤流化床时煤的气化.pdf_大学文库

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

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

而还小于CO的增加倍数。在图8上就表现为CO%随温度增加而有所增加，H:%则有所下降，随温度的升高，这两个反应的速率均有所增加，但反应(2)速增加超过反应（1），这样在单位时间内生成的H:的摩尔量就越来越多，使H2的增加倍数逐渐提高，逐渐接近 CO的增加倍数值。在图8中就显示出H,%的下降逐渐平缓，而CO的上升也逐渐缓慢。当温度超过900℃以后，反应(2)速率终于增加到能使H2的增加倍数大于CO的增加倍数。这样在图8中表现为H2%有所上升而CO%则有所下降。由图8中数据计算可知，随温度的增加，煤气的热值是有所增加的。图9与图10是不同温度下床层纵向煤气成分的分布。从图中可以看到，低温下沿宋层向上，H,%逐渐有所下降，而CO%与CO2%逐渐有所上升，但在高温情况下，各成分在不同高度处趋于一致。百分 T 800C H=170 mm 百分 T±9501I=170mm 含量含量 (%) (%) 50 4-C02% 40 。一H2% ￥一C0% 40F ·一H2% 30 b一C0:% 30 1,- t一C0% 20 20 10 10 ，。, 5前10015的200250h(mm) 50100150200250h(1m) 图9床内煤气成分纵向分布图10床内煤气成分纵向分布我们将图9与图8比较，就可以看到这两张图很相似。它表明正是流化床内的温度分布导致了煤气成分的浓度分布。床层底部温度低，相应于H2%较高而CO%较低。在高温下，床层上部温度超过900℃，故随温度升高H:%又有所升高，而此时床层下部温度不足900℃，故随温度升高H,%反而有所下降。这样一来就造成浓度梯度的均匀化，如图10。 4.料层高度在气化过程中的效应随料层高度的增加，煤气产率及蒸汽分解率是呈线性增加的（见图11及图12）。料层高度的变化对容积气化强度没有影响，即对化学反应速率没有影响，只是由于料层高度增加，蒸汽在炉内的停留时间相对延长，而使煤气产率及蒸汽分解率有所增加。在h=250mm处，我们测取了煤气成分在不同料层高度下的变化情况，实验结果见图 13。随料层的加高，出口煤气中H2%及CO%均略有所下降，而C0,%略有上升。因料层高度增加，虽对反应速率没有影响，但反应物的数量是增加的，即是说反应(1)与反应(2) 按一定比例同步增加。由于CO:的基数比H:及CO的基数小很多（据实验数据分析所得），这样C02略微增加一些也有可能使其增加倍数高于其它组分的增加倍数，造成图13中的现象。由于H:%及CO%略有下降，故煤气热值随料层加高也有所降低。 12

而还小于的增加倍数。在图上就表现为随温度增加而有所增加，则有所下降，随温度的升高，这两个反应的速率均有所增加，但反应速率增加超过反应，这样在单位时间内生成的的摩尔量就越来越多，使的增加倍数逐渐提高，逐渐接近的增加倍数值。在图中就显示出的下降逐渐平缓，而的上升也逐渐缓慢。当温度超过 ℃ 以后，反应速率终于增加到能使的增加倍数大于的增加倍数。这样在图中表现为有所上升而已则有所下降。由图中数据计算可知，随温度的增加，煤气的热值是有所增加的。图与图是不同温度下床层纵向煤气成分的分布。从图中可以看到，低温下沿床层向上，逐渐有所下降，而与逐渐有所上升，但在高温情况下，各成分在不同高度处趋于一致。百分刽以瓦量幻分巴含量一节乙－ ▲ 一，。钱－卜 ‘ ‘ 口图床内煤气成分纵向分布图床内煤气成分纵向分布我们将图与图比较，就可以看到这两张图很相似。它表明正是流化床内的温度分布导致了煤气成分的浓度分布。床层底部温度低，相应于较高而较低。在高温下，床层上部温度超过 ℃ ，故随温度升高又有所升高，而此时床层下部温度不足 ℃，故随温度升高反而有所下降。这样一来就造成浓度梯度的均匀化，如图。 ’ 料层高度在气化过程中的效应随料层高度的增加，煤气产率及蒸汽分解率是呈线性增加的见图及图。料层高度的变化对容积气化强度没有影响，即对化学反应速率没有影响，只是由于料层高度增加，蒸汽在炉内的停留时间相对延长，而使煤气产率及蒸汽分解率有所增加。在二处，我们测取了煤气成分在不同料层高度下的变化情况，实验结果见图。随料层的加高，出口煤气中及均略有所下降，而略有上升。因料层高度增加，虽对反应速率没有影响，但反应物的数量是增加的，即是说反应与反应按一定比例同步增加。由于的基数比及的基数小很多据实验数据分析所得，这样略微增加一些也有可能使其增加倍数高于其它组分的增加倍粼，造成图中的现象。由于及略有下降，故煤气热值随料层加高也有所降低