流化床煤的氣化脫硫及固態(tài)產(chǎn)物燃燒特性研究

張 勇

（山西西山煤氣化有限責任公司，山西 古交 030205）

眾所周知，煤炭應用主要以其燃燒利用其熱量為主，其在應用過程中勢必會造成對環(huán)境的污染。當前，大力開展?jié)崈裘杭夹g為主要解決煤炭應用過程中對環(huán)境造成污染的問題，實現(xiàn)對煤炭高效、潔凈的利用。其中，煤炭氣化指的是原煤在氣化劑的作用下轉化為可燃性燃料的過程，該過程可分為熱解和煤焦氣化兩個階段[1]。理論表明，煤炭的部分氣化應用能夠大幅度降低氣化爐投資成本，且對氣化爐的技術和工藝要求也降低。為實現(xiàn)煤炭部分的氣化應用，本文將開展流化床煤氣化脫硫及固態(tài)產(chǎn)物的燃燒特性研究。

1 流化床部分氣化特性研究

基于流化床煤炭的氣化特性除了與煤炭本身的性質相關外，還與其他外在因素包括有空氣氣化當量比（ER）、空氣氣化溫度、空氣水蒸氣氣化ER、空氣水蒸氣氣化溫度以及所使用的氣化劑類型等相關。本節(jié)將通過實驗的形式對上述不同因素下對應的煤的氣化特性展開研究。

1.1 實驗設計及實驗方法

本次實驗的載體為常壓流化床，其結構如圖1所示。

圖1 常壓流化床試驗臺

本次實驗涉及到的分析儀器主要包括有煤氣分析儀、氣相色譜儀以及傅立葉紅外分析儀。其中，煤氣分析儀重點對煤氣中甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣和氫氣5 種氣體的體積分數(shù)和比例及其變化趨勢進行檢測；氣相色譜儀可對煤氣中多種氣體實現(xiàn)更加靈敏、更加準確的檢測，本實驗采用四通道的Micro FC3000型氣相色譜儀；傅立葉紅外分析儀可對多種氣體組分進行檢測，采用型號為Temet 型紅外光譜儀[2]。

本次實驗將通過氧氣當量系數(shù)ER、煤氣熱值、煤氣產(chǎn)率、煤氣組分產(chǎn)率、碳轉化率、冷煤氣效率等參數(shù)反應流化床煤的氣化特性，實驗對象為黃陵煤炭。

1.2 氣化特性研究結果

本文所研究的重點為燃燒特性研究，氣化特性為燃燒特性研究基礎。因此，只對氣化特性的研究結果進行總結：

1）對于溫度而言，溫度的升高促進了分解反應和二氧化碳的還原反應，即，隨著溫度的升高對應的煤氣熱值、冷煤氣效率以及碳轉化率等指標明顯升高，有利于氣化的品質。

2）當空氣和水蒸氣的ER 值在0.18～0.26 的區(qū)間內時，有利于氣化反應中氫氣的燃燒反應；而當空氣和水蒸氣的ER 值在大于0.26 的區(qū)間內時，有助于升高碳轉化率?？偟膩碇v，當ER 值相對較低時有助于氣化效果[3]。

3）對比空氣氣化與空氣水蒸氣的氣化效果，發(fā)現(xiàn)水蒸氣的加入明顯提高了碳的轉化率和冷煤氣效率。

2 氣化脫硫及固態(tài)產(chǎn)物燃燒特性研究

在上述流化床部分氣化特性研究的基礎上，本節(jié)重點對氣化脫硫特性和固態(tài)產(chǎn)物的燃燒特性進行研究。

2.1 脫硫特性研究

硫成分以H2S、SO2、COS 和CH4S 存在于煤炭中，本小節(jié)具體研究了脫硫劑對脫硫特性的影響。

本節(jié)不僅對不同鈣硫比下H2S 的脫除效果進行對比，而且對不同直徑的鈣硫比對應H2S 的脫除效果進行對比，對比結果如圖2 所示。

圖2 鈣硫比對H2S 的脫除效果

如圖2 所示，隨著鈣硫比的增加，H2S 的釋放值明顯降低，說明對H2S 的脫除效果變差；在同等鈣硫比的前提下，鈣硫比的粒徑增大，對應H2S 的脫除效果增加，H2S 的釋放比例從9%減少為7.9%。

同理，分別得出不同鈣硫比和同樣鈣硫比不同粒徑對SO2、COS 和CH4S 的脫除效果進行對比，并得出如下結論：

1）對于SO2的脫除效果而言，較大粒徑的鈣硫比對SO2的脫除效果較好；當粒徑為80 目～150 目（100 μm～178 μm）的鈣硫比時，隨著鈣硫比的增加SO2的脫除效果先增大后減??；而對于粒徑為150目～200 目（75μm～100 μm）的鈣硫比而言，隨著鈣硫比的增加SO2的脫除效果逐漸加強。

2）對于COS 的脫除效果而言，其變化規(guī)律與對粒徑的SO2的脫除效果的變化趨勢一致。

3）對于CH4S 的脫除效果而言，在不同粒徑的鈣硫比下，對CH4S 的脫除效果均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而且，在80 目～150 目（100 μm～178 μm）和150 目～200 目（75μm～100 μm）鈣硫比下，最佳脫除CH4S 對應的鈣硫比為1。

2.2 氣化固態(tài)產(chǎn)物的燃燒特性研究

流化床部分氣化處理后，其所得的固態(tài)產(chǎn)物需要在流化床的燃燒爐進行反應并產(chǎn)生富氧高溫的煙氣[4]。因此，選擇合適的燃燒爐需充分掌握煤部分氣化反應后所得固態(tài)產(chǎn)物的燃燒特性，本節(jié)基于熱重分析儀重點對氣化固態(tài)產(chǎn)物的燃燒特性進行研究，研究對象為粒徑為150 目～200 目（75μm～100 μm），鈣硫比2和4 脫硫劑所得的固態(tài)產(chǎn)物。

實驗方法：設定測試樣品的質量為5 mg；燃燒介質為空氣，空氣的輸入流量為100 mL/min；實驗升溫速度為20 K/min。結合上述要求，本次實驗的樣品主要成分如表1 所示。

表1 氣化固態(tài)產(chǎn)物的主要成分

通過實驗得出如表2 所示的結論。

表2 氣化固態(tài)產(chǎn)物燃燒特性

綜合分析表2 可知，當鈣硫比為4 時，所得氣化固態(tài)產(chǎn)物飛灰的著火溫度和燃盡溫度比較低；而且，焦的著火溫度比飛灰高將近30 ℃，焦的燃盡溫度比飛灰高將近40 ℃，說明焦比飛灰具有更好的燃燒性能和穩(wěn)定性；當鈣硫比為2 時，對所得氣化固態(tài)產(chǎn)物飛灰的著火溫度和燃盡溫度比焦的高；而且，焦的著火溫度比飛灰高30 ℃，焦的燃盡溫度與飛灰相近，焦與飛灰具有相近的燃燒性能和穩(wěn)定性[5]。對于飛灰與焦的混合物，其著火溫度和燃盡溫度介于未加入脫硫劑的飛灰和焦中間，且其燃燒性能和穩(wěn)定性均變差。

3 結論

針對煤炭燃燒對環(huán)境造成污染的主要問題，目前部分煤炭應用行業(yè)采用潔凈技術對其進行利用，從一定程度上解決了上述問題。為煤炭的潔凈技術應用推廣，本文重點對流化床煤的氣化脫硫及固態(tài)產(chǎn)物燃燒特性進行研究，并總結如下：

1）溫度升高有利于煤炭部分氣化反應的發(fā)生；

2）當ER 值相對較低時有助于氣化效果，針對黃陵煤炭將ER 確定為0.20～0.25 之間最佳；

3）總的來講，添加鈣基脫硫劑對煤炭的氣化催化效果有限；但是，在實際生產(chǎn)中一般將脫硫劑的鈣硫比設定為4。