武小軍，范曉旭，陳文義，初雷哲

（1.河北工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備與控制工程系，天津 300130；2.山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院能源研究所，山東濟(jì)南250014；3.河北工業(yè)大學(xué) 工程流動(dòng)與過(guò)程強(qiáng)化研究中心，天津 300130）

0 引言

作為油氣資源相當(dāng)匱乏而煤炭資源相對(duì)較多的國(guó)家，我國(guó)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主[1].我國(guó)煤炭中揮發(fā)分較高的低階煤（煙煤和褐煤）所占比例超過(guò)80%[2]，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)煤質(zhì)特點(diǎn)的技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

對(duì)于含有較多揮發(fā)份的低階煤，雙流化床煤氣化采用燃料梯級(jí)利用原理，將煤的熱解氣化和半焦燃燒分開(kāi)，根據(jù)高揮發(fā)分煤容易熱解氣化的特點(diǎn)，利用高溫循環(huán)灰為熱載體，實(shí)現(xiàn)了能量由燃燒爐傳遞給氣化爐，同時(shí)避免了煙氣對(duì)煤氣的稀釋，在不采用純氧或富氧氣化劑的條件下獲得中熱值煤氣[3]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，氣化強(qiáng)度大，同時(shí)燃料在系統(tǒng)內(nèi)多次循環(huán)利用，燃料轉(zhuǎn)化率高.國(guó)內(nèi)外許多研究單位都在積極開(kāi)展雙流化床煤氣化技術(shù)的研究工作[4-8].中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所呂清剛等設(shè)計(jì)了基于雙流化床理論的煤熱解工藝，進(jìn)行了熱解氣化和半焦燃燒的試驗(yàn)研究，并考察了溫度對(duì)熱解產(chǎn)物的影響.

為研究煙煤在雙流化床中的氣化特性，產(chǎn)生中熱值燃?xì)?，本文利用山東省科學(xué)院能源研究所的雙流化床熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)煙煤進(jìn)行熱解氣化的實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為煙煤，其元素分析與工業(yè)分析結(jié)果如表1所示.煤的粒徑在4.5mm以下，粒徑分析如圖1所示.

本實(shí)驗(yàn)選用河砂作為流化介質(zhì)，粒徑范圍為0～0.6mm，真實(shí)密度為2 500 kg/m3，堆積密度為1 743 kg/m3.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

雙流化床煤氣化系統(tǒng)如圖2所示.該系統(tǒng)燃燒爐本體高3 000mm，內(nèi)徑100mm，氣化爐高900mm，內(nèi)徑220 mm，燃燒爐和氣化爐通過(guò)上、下返料器連接.雙流化床各部件均由耐熱不銹鋼加工制成，外部覆蓋硅酸鋁纖維氈保溫并用玻璃絲布纏繞固定.在燃燒爐不同高度布置5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，5個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，氣化爐中下部布置2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，旋風(fēng)分離器和旋風(fēng)除塵器出口各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的溫度和壓差.每20 s采集一組數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到與之相連的計(jì)算機(jī)中.

煙煤和床料通過(guò)兩個(gè)加料絞龍分別加入燃燒爐和氣化爐，變頻器控制絞龍的加料速率.燃燒爐一次風(fēng)由空氣壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)共同提供，返料風(fēng)和氣化爐一次風(fēng)由空氣壓縮機(jī)提供.煙煤在氣化爐內(nèi)進(jìn)行熱解氣化，半焦和床料通過(guò)下返料器帶到燃燒爐，半焦進(jìn)行燃燒反應(yīng)，加熱床料.床料和高溫循環(huán)灰經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器后由上返料器帶到氣化爐為氣化反應(yīng)提供熱量.煙氣經(jīng)過(guò)燃燒爐旋風(fēng)分離器分離后經(jīng)由管路排出，燃?xì)饨?jīng)過(guò)氣化爐旋風(fēng)分離器除塵后從在煙囪出口點(diǎn)燃，飛灰被排下并收集.燃?xì)獬煞钟帽銛y式燃?xì)夥治鰞x進(jìn)行分析，可直接測(cè)量燃?xì)庵?CO，CO2，CH4，H2，CnHm，O2的體積分?jǐn)?shù)和燃?xì)獾臒嶂?

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用燃燒液化氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛橐淮物L(fēng)將燃燒爐底部溫度加熱至400℃，逐漸加入煙煤，將燃燒爐的溫度維持在800℃左右.打開(kāi)上返料器，將高溫循環(huán)灰進(jìn)入氣化爐，通過(guò)調(diào)節(jié)下返料器使雙流化床進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，將氣化爐的溫度逐漸提高到650℃左右并保持穩(wěn)定.煙煤逐漸由向燃燒爐中添加改為向氣化爐中添加，完成系統(tǒng)從燃燒狀態(tài)向氣化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.進(jìn)入穩(wěn)定氣化工況后，保持加料量和風(fēng)量，其它參數(shù)基本不變.

表1 大同煙煤元素分析和工業(yè)分析結(jié)果Tab.1 Ultimate and proximate analysisof Datong bitum inous coal

圖1 實(shí)驗(yàn)用煤粉粒徑分析Fig.1 Particle size Analysisof experimentcoal

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定工況下溫度情況

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工況后，燃燒爐和氣化爐爐內(nèi)溫度保持平穩(wěn)，溫度情況如圖3所示.圖中曲線從上到下依次為燃燒爐稀密相區(qū)分界溫度、燃燒爐底部溫度、燃燒爐頂部溫度、氣化爐中部溫度、氣化爐底部溫度.

系統(tǒng)穩(wěn)定后燃燒爐內(nèi)保持良好的燃燒狀態(tài)，內(nèi)部溫度比較均衡，頂部和底部的溫差僅有40℃左右.其原因在于燃燒爐以高速循環(huán)床方式進(jìn)行燃燒，爐內(nèi)灰濃度很高，高灰濃度加強(qiáng)了爐內(nèi)的摻混和傳質(zhì)傳熱，使得爐膛高度方向溫度均勻.氣化爐內(nèi)熱解反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行，溫度變化較小.由于煤從氣化爐頂部加入，在氣化爐內(nèi)下降的過(guò)程中不斷發(fā)生熱解反應(yīng)吸收熱量，所以氣化爐內(nèi)上下會(huì)有一定的溫差，最高達(dá)到120℃.燃燒爐內(nèi)熱床料經(jīng)上返料器進(jìn)入氣化爐與加入的煤粉混合，并為煤粉熱解提供熱量，因此燃燒爐的溫度要高于氣化爐內(nèi)的溫度.

2.2 燃燒爐穩(wěn)定工況下壓差情況

燃燒爐進(jìn)入穩(wěn)定工況后壓差情況如圖4所示.燃燒爐頂部壓差和底部壓差基本保持不變，燃燒爐內(nèi)部燃燒穩(wěn)定.

2.3 燃?xì)馇闆r

系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定氣化狀態(tài)后，氣化爐溫度維持在680℃左右，煙煤加入量為5.4 kg/h，一次風(fēng)風(fēng)量為28m3/h.此時(shí)用便攜式燃?xì)夥治鰞x分析燃?xì)獬煞?，主要成分的體積分?jǐn)?shù)CO為20.99%，CH4為2.47%，H2為18.14%，熱值為5.53 MJ/Nm3.此時(shí)在燃?xì)獬隹谶M(jìn)行火炬點(diǎn)火，燃?xì)馊紵€(wěn)定，火焰明亮，無(wú)明顯煙氣，如圖5所示.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的燃?xì)馄焚|(zhì)比范曉旭等運(yùn)用雙流化床進(jìn)行的煤氣化實(shí)驗(yàn)研究[9]結(jié)果要差（煙煤氣化所產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂翟?0～12 MJ/m3左右）.造成該情況出現(xiàn)的原因主要有3點(diǎn)：1）本實(shí)驗(yàn)氣化爐與燃燒爐分別保溫造成了系統(tǒng)有更多的熱損失，這也造成了本氣化爐溫度低；2）返料器尺寸較大，同時(shí)以空氣作為返料風(fēng)對(duì)燃?xì)馄焚|(zhì)的影響較大；3）燃料從氣化爐側(cè)壁進(jìn)入，煤粉與床料摻混不夠均勻.

圖5 點(diǎn)火情況圖Fig.5 Featureof combustion flame

2.4 氣化爐料層高度的監(jiān)測(cè)及對(duì)氣化結(jié)果影響

系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定循化狀態(tài)后，氣化爐內(nèi)壓差保持穩(wěn)定.在保持其它參數(shù)基本不變情況下，向氣化爐內(nèi)增加床料可改變氣化爐的料層高度.由于氣化爐處于微流化狀態(tài)，通過(guò)氣化爐壓差監(jiān)測(cè)料層高度變化.氣化爐壓差與氣化爐存料量之間的關(guān)系見(jiàn)圖6.當(dāng)氣化爐內(nèi)存沙10Kg時(shí)氣化爐下部壓差為1000Pa左右，當(dāng)氣化爐內(nèi)存沙12.8 kg時(shí)，氣化爐內(nèi)壓差達(dá)到3 500 Pa左右.

通過(guò)改變氣化爐料層高度改變?nèi)剂显跉饣癄t內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)而改變氣化結(jié)果.氣化情況與氣化爐內(nèi)壓差的情況見(jiàn)圖7.

圖6 氣化爐下部壓差曲線Fig.6 Pressure difference curve in lowergasifier

圖7 燃?xì)馀c氣化爐內(nèi)壓差關(guān)系Fig.7 Variation of thegasby pressure difference in gasifier

在氣化爐壓差為1 200Pa時(shí)，煤粉在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間太短，氣化不完全，燃?xì)庵饕煞諧O為6.14%，CH4為1.14%，H2為3.86%，熱值為1.55 MJ/Nm3，而隨著氣化爐存料高度的增加，煤粉在氣化爐停留時(shí)間延長(zhǎng)，燃?xì)馄焚|(zhì)顯著改善.當(dāng)壓差達(dá)到3550Pa時(shí)，燃?xì)庵饕煞諧O為20.99%，CH4為2.47%，H2為18.14%，熱值達(dá)到5.53MJ/Nm3，要優(yōu)于低壓差工況.

3 結(jié)論

在雙流化床煤氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成了煙煤的氣化特性實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）煙煤在雙流化床系統(tǒng)可以穩(wěn)定氣化，穩(wěn)定工況時(shí)各測(cè)量溫度基本保持不變；

2）氣化產(chǎn)生燃?xì)饪梢赃M(jìn)行穩(wěn)定燃燒，熱值為5.53MJ/Nm3，沒(méi)有達(dá)到中熱值標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需進(jìn)一步改進(jìn)；

3）可以通過(guò)氣化爐內(nèi)壓差監(jiān)測(cè)氣化爐內(nèi)料層堆積高度.增加氣化爐內(nèi)的料層堆積高度可以延長(zhǎng)煤粉在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)而改善燃?xì)馄焚|(zhì).

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