褐煤加压流化床气化的试验研究
戢绪国 邓一英 王 鹏
（煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院）
摘要：在φ100mm加压流化床气化炉内，进行了一种朝鲜褐煤2种压力条件下的纯氧流化床气化试验。分析了煤种的煤质特性，进行各项气化指标分析。
关键词：朝鲜褐煤；加压流化床；气化试验
中国援朝300t级浮法玻璃生产线拟采用一种朝鲜褐煤进行流化床气化，生产出的煤气用于烧制玻璃。
为优化朝鲜褐煤流化床气化的各项工艺指标，我们进行了朝鲜褐煤2种条件下纯氧流化床的气化试验。
1 试验工艺
Φ100mm流化床气化工艺流程见图2-1，经破碎、筛分得到的0.25～2.0mm的朝鲜褐煤煤样，加入加压煤箱。煤料经过螺旋给料机连续加入气化炉内，加煤圈数通过计数器累计显示并输入计算机中。煤料入料口位于气化炉中部。气化剂氧气由氧气钢瓶经减压阀减压、再经过气体质量流量计调节流量，与蒸汽发生器产生的蒸汽一起混合进入过热器过热到420℃左右，然后从气化炉的下部入炉，与煤料在流化状态下发生气化反应；气化剂流量均采集到计算机中。排灰装置在气化炉下部，由螺旋将灰渣连续排入灰斗，排灰圈数由计数器显示并输入计算机中。炉内维持一定料层高度（通过气化炉出入口的压差确定），通过控制加煤量和排灰量使流化床内稳定气化。气化反应生成的煤气，由炉顶出炉进入煤气旋风除尘器，分离出
图2-1 煤流化床气化工艺流程图（略）
Fig.2-1 ID-100mm fluidized bed coal gasification system flowsheet
大部分带出物飞灰后，粗煤气进入煤气冷却器，在此析出的液态物质由冷却器底部定时排出，而煤气则进入气液分离罐进一步分离出夹带的冷凝物。由气液分离器出来的净煤气少部分进一步净化后经取样口取样，送HP5890气相色谱仪进行煤气常规组分的全分析，用定硫管分析煤气中的H2S含量；绝大部分煤气经过气动薄膜阀减压后，进入涡街流量计计量，然后点火炬放空。气动薄膜阀实行自动控制，涡街流量计在控制台显示计量数据，并自动记录在计算机上。
试验系统中的炉温、压力等重要参数由计算机采集和显示，蒸汽流量实行手动调节。试验完成后，收集灰渣、飞灰和冷凝物进行计量并作分析。
2 煤质特性与分析
2.1 煤质特性
对朝鲜褐煤取样并送检测部门分析化验。主要化验项目有：全水、工业分析、元素分析、发热量、灰熔融性、结渣性、热稳定性、灰成分和反应活性等。见表3-1～表3-5。
表3-1 工业分析 (Table 3-1 Proximate analysis)
表3-2 元素分析（％）及灰熔融性（℃）(Table 3-2 Ultimate analysis and Ash fusibility temperature)
表3-3 结渣性和热稳定性(Table 3-3 Clinkering property and Thermal stability)
表3-4 灰成分（％）(Table 3-4 Ash composition)
表3-5 反应活性（α ％）(Table 3-5 CO2-Reactivity)
2.2煤质分析
从煤质分析结果看，朝鲜褐煤灰熔点高、活性高，是适用于流化床气化的原料，可以在1000℃左右的条件下进xx化，便可取得煤炭高的转化利用效率。但是，朝鲜褐煤水分含量较高、灰分含量高，一般流化床要求Mt应小于12.0%，Aad应小于25％[1～3]；水分含量高，在工业应用上会产生不良影响，提高反应炉温度时，蒸发该水分所需的能量高，用在加热提升炉温消耗的碳量增加。灰分含量高，流化床气化时，必须加强排灰操作，排灰时有可能使没有反应xx的煤碳夹杂在灰渣中排出。综合两方面的影响，虽然对于Φ100mm流化床气化炉的影响较小，但对于工业流化床气化炉而言，有可能影响到气化效率和热效率。朝鲜褐煤灰成分中SiO2+Al2O3含量高，尤其是Al2O3含量很高，故灰熔融性温度很高，这对流化床气化有利；朝鲜褐煤中等结渣性、热稳定性较差，对流化床操作存在一些不利影响，如必须加强排灰等。
3 流化床试验基本情况与结果
3.1 冷漠试验
与固定床、气流床及其气化工艺相比，流化床气化的特点是细粒煤料在气化炉内呈流化状态与气化剂发生气化反应生成煤气。流化性能的好坏直接受操作控制条件的影响，如加料、排灰操作、压力及反应温度等，继而影响到煤气化的强度、煤气组成、飞灰及炉渣的数量和含碳量、气化效率和热效率等。因此，维持气化炉内良好的流化状态是工艺技术的关键，而获得{zj0}的工艺技术经济指标还受到以下诸因素的影响：A、煤种特性，如煤的比重、煤料粒度及其分布；B、气化剂的组成；C、气化炉本身的结构，如布风和床内结构等。为配合朝鲜褐煤的热态流化床气化试验，进行了流化床冷态模拟试验研究，以便摸清流化床气化的大致操作控制条件。
冷模试验所用的试验装置为有机玻璃体，直径50mm，可直接观察到炉内料层的分布情况。冷模试验结果见表4-1（试验煤颗粒尺寸为0.25～2.00mm）。
从固定床转为流化床的交点速度是床内料层的初始流化速度，颗粒开始带出炉顶的速度称之为极限流化速度。在实际流化床气化中只有选择流速高于初始流化速度而低于极限流化速度，才能保证真正的流态化效果。
冷模试验观察到，料层高度对起始流化速度的影响较小；粒度随床层高度增加时，均出现节涌现象，且起始节涌的床高不受粒度的影响；提高风量后，节涌会xx，逐渐转向全床均匀返混，薄料层比厚料层
表4-1 冷模试验结果(Table 4-1 Test results of cold model)
的节涌易于xx。
当然，冷模试验可为朝鲜褐煤的热态流化床试验选择合适的操作条件提高基础，但是，与冷态模拟相比，热态的气氛、条件等方面还存在诸多的不同：
A、气氛不同。在热试状态下，炉内气氛是一个复杂的混合组分。在炉底，接近布风口是以氧气～蒸汽为主的混合气氛，随着炉内气化反应的进行，很快被反应生成的煤气及未分解的组分如N2、蒸汽等混合组成的气体气氛所代替。气氛的变化，气体密度、粒度等随之而变化，会影响到流化过程。
B、固体颗粒的变化。随气～固相气化反应的逐步进行，煤颗粒的几何尺寸随之发生变化，一般地讲，颗粒尺寸逐步变小，灰含量增加，比重逐步提高。当然，对稳定运行的流化床而言，床内固体特性趋于一个稳定状态，固体颗粒尺寸与密度分布及碳含量会趋于一个确定值。颗粒变化的另一个情况是随灰渣的集聚进行，颗粒尺寸增加至不能被气流托起而从炉底排出。
C、温度和压力的影响。系统压力增加时，气体特性包括密度和粘度都会产生相应的变化；压力升高，起始流化速度提高。温度在流化床反应层中较为均匀，只是在布风口及入料口附近局部有些差别。
褐煤流化床气化过程是一个复杂的动态过程，多种因素综合影响着气化炉内的流体力学性质，进而影响化学反应过程。充分的准备工作为试验任务的顺利完成提供了保证。
3.2 热态试验
1、 流化参数的确定
根据冷态模拟试验结果、Φ100mm流化床气化炉的结构，结合朝鲜褐煤的煤质特点，以及委托方对试验的要求，所选择的主要工艺参数如下：
入炉煤粒度：0.25～2.0mm；操作压力： 0.02～0.7MPa；水蒸气量： 3.5～4.5kg/h
氧气量： 3.6～4.2Nm3/h；氧气浓度： 99.5％； 加煤量： 11.0～14.0kg/h
流化速度：
当炉内P1=0.02MPa，气化剂入炉速度为0.87m/s；
当炉内P2=0.7MPa，气化剂入炉速度为0.53m/s。
经过朝鲜褐煤的反复多次试验，在以上两种条件下所进行的试验，操作参数的选择是合理的，表现在反应炉内上下温度均匀且稳定，排灰顺畅，煤气出口温度达到527℃左右，煤气组成稳定，煤气热值高，试验达到预期效果。
2、 流化床气化试验特性
朝鲜褐煤的流化床气化试验分别选取了两种压力的纯氧气化条件，表4-2为朝鲜褐煤流化床纯氧气化试验性能指标一览表。
表4-2 朝鲜褐煤流化床纯氧气化试验性能指标一览表
(Table 4-2a Pure oxygen gasification results of foreign lignite in fluidized bed)
|
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项 目 |
单 位 |
系统压力,， |
MPa | ||
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|
0.02 |
0.70 | |||
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一、操作指标 |
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煤粒度 |
mm |
0.25-2.0 |
0.25-2.0 | ||
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煤堆比重 |
kg/m3 |
752 |
752 | ||
|
|
入炉蒸汽温度 |
℃ |
420 |
420 | ||
|
|
炉内{zg}温度 |
℃ |
1000 |
1250 | ||
|
|
氧气浓度 |
％ |
99.50 |
99.5 | ||
|
|
加煤量 |
kg/h |
11.65 |
13.83 | ||
|
|
氧气量 |
Nm3/h |
3.65 |
4.15 | ||
|
|
蒸汽量 |
kg/h |
3.54 |
4.49 | ||
|
|
二、消耗指标 |
|
|
| ||
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|
煤耗 |
kg /Nm3粗煤气 |
0.959 |
0.907 | ||
|
|
氧气消耗 |
Nm3/kg原煤 |
0.31 |
0.30 | ||
|
|
Nm3/kg干燥无灰煤 |
0.61 |
0.59 | |||
|
|
Nm3/Nm3粗煤气 |
0.30 |
0.27 | |||
|
|
蒸汽消耗 |
kg/kg原煤 |
0.30 |
0.33 | ||
|
|
kg/kg干燥无灰煤 |
0.59 |
0.63 | |||
|
|
kg/Nm3粗煤气 |
0.29 |
0.29 | |||
|
|
三、产量与产率 |
|
|
| ||
|
|
煤气产量 |
Nm3/h |
12.15 |
15.25 | ||
|
|
煤气产率 |
Nm3/kg原煤 |
1.043 |
1.103 | ||
|
|
Nm3/kg干燥无灰煤 |
2.036 |
2.152 | |||
|
|
灰渣产率 |
kg/100kg原煤 |
22.09 |
27.56 | ||
|
|
飞灰产率 |
kg/100kg原煤 |
15.42 |
7.83 | ||
|
|
冷凝水产率 |
kg/100kg原煤 |
33.35 |
32.59 | ||
|
|
碳转化率 |
% |
86.21 |
91.60 | ||
|
|
四、气化强度 |
kg/m2.h |
1484.08 |
1761.15 | ||
|
|
五、蒸汽分解率 |
％ |
61.07 |
65.98 | ||
|
|
六、灰渣含碳 |
％ |
9.21 |
6.86 | ||
|
|
飞灰含炭 |
|
22.04 |
18.10 | ||
|
|
七、煤气组成 |
|
|
| ||
|
|
H2 |
％ |
38.31 |
38.13 | ||
|
CO |
% |
28.61 |
31.85 | |||
|
CH4 |
％ |
2.77 |
3.29 | |||
|
CO2 |
％ |
29.35 |
25.89 | |||
|
O2 |
％ |
0.15 |
0.17 | |||
|
N2 |
％ |
0.76 |
0.59 | |||
|
H2S |
ppmv |
557.49 |
736.94 | |||
|
八、煤气性质 |
|
|
| |||
|
低位热值 |
MJ/Nm3 |
8.760 |
9.34 | |||
|
高位热值 |
MJ/Nm3 |
9.621 |
10.22 | |||
|
煤气密度 |
kg/Nm3 |
1.00 |
0.98 | |||
|
九、气化效率 |
|
|
| |||
|
η1(气化效率) |
％ |
63.48 |
71.59 | |||
|
η2（热效率） |
％ |
64.93 |
72.85 | |||
4 试验结论
1、朝鲜褐煤虽然水分含量和灰分含量较高，但灰熔融性温度很高，反应活性高，试验结果表明，用作纯氧流化床气化的原料是可行的。
2、消耗指标、煤气质量及气化强度
从两种压力条件的试验消耗指标看，1kg干燥无灰基煤氧耗为0.61Nm3-0.59Nm3、蒸汽消耗量为0.59kg-0.63 kg。压力提高，床内气相停留时间增加，气固反应更加彻底，炭转化率提高，因而煤耗降低。从煤气组成看（V%）：（CO+H2）：67%-70%；CO2：30%-25%；CH4：2.7%-3.3%；H2S：550-737ppmv。随压力提高，气化强度增加，分别为：1484.08、1761.15kg/m2.h。
3、煤气的燃烧温度
根据煤气的热值，分别计算得到了两个压力条件下的朝鲜褐煤纯氧流化床煤气理论燃烧温度，乘以实际玻璃窑炉燃烧的高温系数（0.6）后，折算温度在1500～1600℃左右，能否用于玻璃窑炉的生产，由玻璃行业专家决定。
参考文献：
[1] 戴和武，谢可玉，褐煤利用技术[M]，煤炭工业出版社，1998，214－226.
[2] 沙兴中，杨南星，煤的气化与应用[M]，华东理工大学出版社，1995，221－249.
[3] 邬纫云，煤炭气化[M]，中国矿业大学出版社，1989，200－210.
