循環(huán)流化床富氧氣化運(yùn)行特性研究

鞏時(shí)尚，姜婭玲，張寶宗

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 陜西嘉和華亨熱系統(tǒng)股份有限公司，陜西 寶雞 722400)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)化工、建材、陶瓷、輕工、鋼鐵等行業(yè)的工業(yè)窯爐主要以燃煤和天然氣為燃料，以燃煤為主的工業(yè)窯爐污染大、效率低，為企業(yè)發(fā)展增加了較大環(huán)保成本；以天然氣為主的工業(yè)窯爐，由于近年來(lái)天然氣價(jià)格連年上漲且供應(yīng)不夠穩(wěn)定，也為企業(yè)長(zhǎng)期健康發(fā)展增加了經(jīng)濟(jì)成本[1-2]。隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求越來(lái)越高，為工業(yè)窯爐尋找一種低污染、供應(yīng)充足的燃料顯得極其重要。煤氣化產(chǎn)生的工業(yè)燃?xì)鈨r(jià)格低、區(qū)域內(nèi)供應(yīng)穩(wěn)定，因此目前可作為工業(yè)窯爐的主要燃料[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已建成30余套循環(huán)流化床煤氣化裝置[4]，但大多數(shù)工業(yè)裝置煤氣熱值在1 300 kcal/Nm3左右，爐渣含碳量高于20%，碳轉(zhuǎn)化率低，造成能量大量耗費(fèi)，本文針對(duì)該問(wèn)題，以江西某產(chǎn)氣量為62 000 Nm3/h的循環(huán)流化床富氧氣化爐為研究對(duì)象，研究了不同煤種、粒徑分布、爐膛溫度、料層差壓、氧氣流量等因素對(duì)煤氣熱值、爐渣含碳量和碳轉(zhuǎn)化率的影響并進(jìn)行了理論分析，為大型循環(huán)流化床富氧氣化爐運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)整提供了方法。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

試驗(yàn)以江西某62 000 Nm3/h循環(huán)流化床富氧氣化爐為對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同影響因素的調(diào)整，探究其對(duì)煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率的影響。

1.1 試驗(yàn)原料

氣化爐試驗(yàn)用煤為陜北神木原煤和內(nèi)蒙古東勝原煤，采用輥式破碎機(jī)將原煤破碎成粒徑為1～10 mm的煤粉顆粒，煤的元素分析和工業(yè)分析見表1。氣化爐床料選用粒徑為0.5～2 mm的石英砂。

表1 原煤的元素解析和工業(yè)解析

1.2 試驗(yàn)氣化裝置

氣化裝置如圖1所示，主要由循環(huán)流化床煤氣化爐、空氣預(yù)熱器、蒸汽過(guò)熱器、給料系統(tǒng)、氣化劑系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。其中循環(huán)流化床煤氣化爐由爐膛、旋內(nèi)分離器和返料器組成，輔助系統(tǒng)包括流化內(nèi)系統(tǒng)、灰渣冷卻系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和氧氣預(yù)熱系統(tǒng)等。給煤系統(tǒng)將氣化爐所需原煤送至爐內(nèi)；氣化劑系統(tǒng)將氣化劑送至爐內(nèi)；灰渣冷卻系統(tǒng)將爐渣和飛灰進(jìn)行收集和冷卻；循環(huán)水系統(tǒng)為氣化系統(tǒng)提供冷卻水；除塵系統(tǒng)對(duì)煤氣進(jìn)行除塵和凈化；氧氣預(yù)熱系統(tǒng)利用副產(chǎn)蒸汽對(duì)氧氣進(jìn)行預(yù)熱。

圖1 江西某項(xiàng)目氣化爐系統(tǒng)流程圖

1.3 試驗(yàn)方法

在熱態(tài)啟動(dòng)前向該循環(huán)流化床富氧氣化裝置加入床料，利用床下油槍控制升溫速率，當(dāng)爐膛溫度提升到550 ℃時(shí)進(jìn)行投煤，當(dāng)爐膛溫度達(dá)到850 ℃并穩(wěn)定6 h后轉(zhuǎn)入氣化工況，氣化工況穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用單一變量法，不改變其他試驗(yàn)條件以保證數(shù)據(jù)比較的有效性，每種工況穩(wěn)定4 h，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，研究不同煤種、粒徑分布、爐膛溫度、料層差壓、氧氣流量等因素對(duì)爐渣含碳量、煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率的影響。

為了在試驗(yàn)過(guò)程中更好的評(píng)估氣化爐運(yùn)行，引入碳轉(zhuǎn)化率Cconv：

式中：Cconv為碳轉(zhuǎn)化率，%；Cgas為干煤氣中的碳含量，kg；Cc為原煤中的碳含量，kg。

2 結(jié)果與分析

循環(huán)流化床氣化爐是利用煤在爐膛底部密相區(qū)與通入的空氣發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫氣體與爐膛上部較細(xì)的固體顆粒參與爐膛內(nèi)循環(huán)，吸收熱量并與CO2、O2、蒸汽等氣化劑發(fā)生反應(yīng)，生成煤氣。而煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率的高低是評(píng)價(jià)其品質(zhì)的主要指標(biāo)。

2.1 煤種對(duì)氣化反應(yīng)的影響

不同煤種，由于其組分不同，使得CO2反應(yīng)活性也不同，而CO2反應(yīng)活性是一項(xiàng)重要的氣化特性指標(biāo)，其對(duì)爐渣含碳量、煤氣組分碳轉(zhuǎn)化率影響較大，本次氣化爐試驗(yàn)煤種有陜北神木和內(nèi)蒙古東勝兩種原煤，其CO2反應(yīng)活性如圖2所示，在相同溫度下由于陜北神木原煤中元素組成中碳含量要高于內(nèi)蒙古東勝原煤，使得其反應(yīng)活性也高于內(nèi)蒙古東勝原煤，尤其在950 ℃條件下，陜北神木原煤比內(nèi)蒙古東勝原煤活性高26.1%。

圖2 不同煤種CO2反應(yīng)活性隨溫度變化曲線

得到煤種的反應(yīng)活性后，考察了兩種煤在富氧氣化裝置上的氣化運(yùn)行特征，如圖3所示，在相同溫度下，陜北神木原煤氣化運(yùn)行得到的煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率均高于內(nèi)蒙古東勝原煤，這是由于在相同溫度下氣化反應(yīng)活性高的煤生成的煤氣有效組分(CO、CH4、H2體積分?jǐn)?shù)之和)多，熱值高。循環(huán)流化床氣化爐運(yùn)行溫度為920～960 ℃，其根據(jù)氣化爐原煤灰熔點(diǎn)和煤氣熱值來(lái)調(diào)整，一般為原煤軟化溫度減去150 ℃左右，試驗(yàn)中確定了最佳煤種后，后期氣化爐運(yùn)行優(yōu)化時(shí)均采用陜北神木原煤。

圖3 不同煤種煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線

2.2 原煤粒徑的影響

原煤粒徑對(duì)于循環(huán)流化床氣化爐的爐渣含碳量、煤氣成分、熱值和碳轉(zhuǎn)化率有著重要影響。試驗(yàn)所用氣化裝置前期采用大顆粒煤較多，其中粒徑大于10 mm的占14.13%，而調(diào)整后為8.3%，降低了大顆粒煤所占比例，由表2可知，大顆粒煤占比降低后，氣化爐碳轉(zhuǎn)化率提高了0.88%，爐渣含碳量降低了10.36%，煤氣熱值提高了44 kcal/Nm3，這是由于原煤粒徑降低后，煤顆粒表面積增加，加快了氣化反應(yīng)速率，使得更多的碳與氧氣反應(yīng)生成CO和CO2，從而降低了爐渣含碳量，提高了煤氣熱值。

表2 原煤粒徑調(diào)整前后氣化爐主要參數(shù)

圖4 氣化爐原煤粒徑分布曲線

2.3 爐膛溫度的影響

圖5為煤氣熱值及組分隨爐膛溫度變化曲線，圖6為碳轉(zhuǎn)化率和爐渣含碳量隨爐膛溫度變化曲線，如圖所示，氣化爐爐膛溫度由920 ℃提高至960 ℃，CO體積分?jǐn)?shù)增加了3.39%，H2體積分?jǐn)?shù)增加了1.28%，CH4體積分?jǐn)?shù)增加了0.26%，煤氣熱值提高了147 kcal/Nm3，爐渣含碳量降低了15.60%，碳轉(zhuǎn)化率提高了4.75%，這是由于提高爐膛溫度，不僅有利于煤中揮發(fā)分的快速析出，更有利于C與O2、CO2、H2O反應(yīng)生成CO2、CO和H2，其中由于溫度相同時(shí)，C與CO2的活化能(反應(yīng)物分子達(dá)到活化分子所需要的能量)最小，使得C將CO2轉(zhuǎn)化成CO，從而提高了煤氣組分中的CO和H2含量，提高了煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率，CH4主要是由烴類、芳香側(cè)鏈和脂肪鏈的裂解產(chǎn)生[5-6]，隨著溫度提高，促進(jìn)其裂解，裂解生成的CH4增加，但是CH4本身也隨著溫度的提高而裂解，因而整體上CH4體積分?jǐn)?shù)增加不明顯。

圖5 煤氣熱值和組分隨爐膛溫度變化曲線

圖6 碳轉(zhuǎn)化率和爐渣含碳量隨爐膛溫度變化曲線

2.4 料層差壓的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，研究料層差壓對(duì)循環(huán)流化床氣化反應(yīng)的影響，具體見圖7和圖8。如圖所示，隨著床料厚度的增加，煤氣熱值由1 321 kcal/Nm3提高至1 507 kcal/Nm3，效果明顯，煤氣中有效組分H2增加1.62%，CO增加3.76%，CH4增加0.13%，爐渣含碳量降低16.8%，碳轉(zhuǎn)化率增加3.7%。這一方面是由于床料厚度的增加，爐內(nèi)氣流速率減小，增加了煤粉顆粒在爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，另一方面，隨著床層差壓的提高，排渣量減少，增加了密相區(qū)濃度，延長(zhǎng)了氣流與煤粉顆粒的接觸時(shí)間，使得氣化反應(yīng)更徹底。同時(shí)，隨著床層差壓增加，減小了流化內(nèi)速，增加了旋內(nèi)分離器對(duì)小顆粒煤的分離效率[7]，從而提高了碳轉(zhuǎn)化率，提高了煤氣中的有效組分和熱值，降低了爐渣含碳量。

圖7 煤氣熱值和組分隨料層差壓變化曲線

圖8 碳轉(zhuǎn)化率和爐渣含碳量隨料層差壓變化曲線

2.5 氧氣流量的影響

其他條件不變，保證氧氣母管壓力穩(wěn)定，通過(guò)入爐氧氣流量調(diào)閥控制氧氣流量，研究氧氣流量對(duì)氣化爐運(yùn)行特性的影響。逐漸將氧氣流量由0 Nm3/h提高至956 Nm3/h，爐膛溫度也隨氧氣流量增加而提高，選取氧氣流量分別為0 Nm3/h、411 Nm3/h、677 Nm3/h、792 Nm3/h、956 Nm3/h的5種工況進(jìn)行分析研究。

為煤氣熱值、組分、碳轉(zhuǎn)化率和爐渣含碳量隨氧氣流量的變化曲線見圖9～圖10，由圖可知，隨著氧氣投入并且氧量增加，爐膛溫度緩慢提高，煤氣熱值從1 344提高至1 523 kcal/Nm3，煤氣有效組分H2增加2.77%，CO增加3.25%，爐渣含碳量下降15.9%，碳轉(zhuǎn)化率提高3.7%，這是由于隨著氧量的增加，爐膛整體溫度提高，由于氣化過(guò)程為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于氣化反應(yīng)正向進(jìn)行，提高碳轉(zhuǎn)化率，降低爐渣含碳量，并且隨著氧量的增加，促進(jìn)了碳的氧化反應(yīng)，生成CO2和CO，同時(shí)由于C和CO2的反應(yīng)活化能最小，使得C將CO2又轉(zhuǎn)化成CO，此外，由于爐內(nèi)C和H2O的反應(yīng)在930℃以上時(shí)反應(yīng)速率較快[8-9]，隨著氧量增加，爐膛溫度增加，均有利于提高CO和H2的體積分?jǐn)?shù)，提高煤氣熱值。

圖9 煤氣熱值和組分隨氧氣流量變化曲線

圖10 碳轉(zhuǎn)化率和爐渣含碳量隨氧氣流量變化曲線

3 綜合優(yōu)化分析

經(jīng)煤種、原煤粒徑分布、料層差壓、爐膛溫度、和氧氣流量因素調(diào)整發(fā)現(xiàn)，各因素均在一定程度上有利于提高碳轉(zhuǎn)化率、降低爐渣含碳量、提高煤氣有效組分和熱值。調(diào)整前，氣化爐煤氣熱值基本保持在1 350 kcal/ Nm3左右，爐渣含碳量保持在30%左右，碳轉(zhuǎn)化率保持在73%左右，現(xiàn)依據(jù)以上研究結(jié)果對(duì)富氧氣化裝置60%、75%、100%額定負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后結(jié)果見表3，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)荷的增加，氧氣流量也隨著增加。

表3 不同負(fù)荷綜合優(yōu)化調(diào)整后主要參數(shù)

由表3可知，在不同負(fù)荷下，爐渣含碳量降低至13.58%、14.52%和11.27%，煤氣熱值提 高 至 1 528.3kcal/ Nm3、1 554.6kcal/ Nm3和1 578.5 kcal/ Nm3，碳轉(zhuǎn)化率提高至77.56%、77.82%和78.10%，綜合優(yōu)化調(diào)整有利于氣化反應(yīng)的正向進(jìn)行，提高了煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率，降低了爐渣含碳量。

4 結(jié)論

在江西某62 000 Nm3/h循環(huán)流化床富氧氣化爐中，通過(guò)研究不同因素對(duì)氣化特性的影響，得到如下主要結(jié)論：

1)陜北神木原煤的反應(yīng)活性高于內(nèi)蒙古東勝原煤，在相同工況下，陜北神木原煤生成的煤氣有效組分和熱值均高于內(nèi)蒙古東勝原煤，為后期試驗(yàn)確定了氣化煤種。

2)合理的爐膛溫度、料層差壓、粒徑分布、氧氣流量均能降低爐渣含碳量，提高煤氣熱值、煤氣有效組分和碳轉(zhuǎn)化率，降低了經(jīng)濟(jì)成本，為企業(yè)健康發(fā)展提供了保障。

3)在不同負(fù)荷下各參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)整，爐渣含碳量明顯降低，煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率均有所提高，優(yōu)化效果良好。

4)通過(guò)合理的氣化調(diào)整，不僅對(duì)目前已投產(chǎn)的大型氣化裝置具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值，也為大型循環(huán)流化床富氧氣化爐運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)整提供了方法。