新型干煤粉氣流床氣化爐的氣化特性研究

王凱　方軍

摘 要：隨著氣流床氣化爐結(jié)構(gòu)的發(fā)展，人們根據(jù)無焰氧化技術(shù)突出了一種新型的氣流床氣化爐結(jié)構(gòu)，即新型干煤粉氣流床氣化爐。由于此新型結(jié)構(gòu)可使得爐內(nèi)溫度均勻分布，因此使得無焰氧化技術(shù)發(fā)揮出更佳的性能。本文通過相關(guān)的實驗與模擬對此新型結(jié)構(gòu)的氣化特性進行研究。

關(guān)鍵詞：新型干煤粉；氣流床氣化爐；氣化特性

作為潔凈煤技術(shù)與煤化工的重要組成部分，煤氣化技術(shù)逐步被廣泛的應(yīng)用。與國外的煤氣化技術(shù)相比，我國在此方面的技術(shù)較為落后，并且易受到諸多外界因素的影響。因此為發(fā)展新型的煤氣化技術(shù)必須根據(jù)我國煤炭的特點進行，以滿足行業(yè)的需求。

1 新型氣化爐結(jié)構(gòu)與煤種特點

新型的煤氣化爐對傳統(tǒng)的煤粉與氣化劑的進料方式進行了改變，將煤粉與氣化劑分別放置于爐體的同一高度上，并運用不同的噴嘴將其噴到爐內(nèi)。噴入的氣化劑在爐內(nèi)通過高速旋轉(zhuǎn)的氣流進行快速的旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生的合成氣與液渣通過爐底的出口排除。實驗所使用的煤種為淮南煤，95%的煤粉顆粒直徑在10-80μm之間，部分顆粒直徑則大于80μm。

2 氣流床氣化爐的模型建立

在國外，對于煤的部分氣化技術(shù)而言，其通常采用氣流床氣化技術(shù)，在普遍的操作中氣流爐內(nèi)的溫度一般維持在1100攝氏度左右，在進行氣化時，其耗氧量比氣流床低許多。但作為煤制氣再燃的氣化燃料，一般選用2mm以下的細粉，以此來減少出口的煤粉含量，因此氣流床氣化爐是較為完美的設(shè)備。根據(jù)目前的實驗發(fā)展?fàn)顩r而言，周志杰等人通過研究表明了在1500-1700攝氏度的煤氣化過程中，使用化學(xué)平衡的方式對數(shù)學(xué)模型進行簡單的構(gòu)造，為實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了良好的基礎(chǔ)；吳學(xué)成等人在對未反應(yīng)碳縮核進行分析的基礎(chǔ)上建立了動態(tài)的數(shù)學(xué)模型，對研究氣化爐入口的相關(guān)參數(shù)提供了依據(jù)；而汪洋等人在吉布斯自由能最小理論的基礎(chǔ)上通過模擬氣化爐的實驗過程，對出口的參數(shù)進行了研究，提供了有力的數(shù)據(jù)支持；Watkinson等人通過對CO與H2的誤差進行計算而提出的平衡模型，較為準(zhǔn)確的預(yù)測出H2S與COS的濃度，為以后的實驗提供了更為準(zhǔn)確的依據(jù)，同時排除了一些不確定的因素，減小了實驗的誤差。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 氣化爐的數(shù)值模型

由于煤粉氣化的過程是煤粉富燃反應(yīng)過程，因此氣化過程主要分為揮發(fā)的析出與反應(yīng)、焦炭的異相氣化反應(yīng)與輻射傳熱等過程。在實際的計算過程中，為滿足在有限的爐內(nèi)空間內(nèi)煤粉氣流的高速旋轉(zhuǎn)，通常采用如下的方式：第一，帶旋轉(zhuǎn)氣流修正的模擬模型。第二，采用標(biāo)量守恒定律描繪出函數(shù)的分布。

3.2 模擬結(jié)果計算分析

第一，變工況條件下氣化爐的結(jié)構(gòu)特性。變工況條件下，氣化爐中的合成氣體的有效組分濃度為75%，已經(jīng)接近目標(biāo)值，使得無焰氧化技術(shù)具有高效的可行性。從實驗的結(jié)果看，由于受到爐壁的散熱限制，使得CO與H2的測算值低于實際計算結(jié)果，但CO2的測算值與實際計算結(jié)果基本吻合。第二，優(yōu)化工況下爐內(nèi)組分與其分布特征。一方面，由于爐內(nèi)的溫度分布較為均勻，出進料截面外，其余的溫度基本維持在較為穩(wěn)定的狀況，因此可以得出爐型結(jié)構(gòu)與進料方式可以使煤粉氣化的結(jié)論。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 實驗結(jié)果

第一，隨著空煤比含量的不斷增加，粗煤氣中的有效氣體成分逐漸減少，由此導(dǎo)致冷煤氣的效率不斷下降，建議取2.5-3.0。第二，隨著汽煤比的含量不斷的增加，粗煤氣中的H2含量逐漸增多，使得部分煤氣出現(xiàn)再燃現(xiàn)象，建議選取0.2-0.3.第三，伴隨著碳轉(zhuǎn)化率的逐漸增大，粗煤氣中有效的氣體成分含量逐漸增多，但是必須清晰的認識到，此程度提高并不明顯，并且會增加初始投資，降低煤焦的燃盡率。

4.2 對實驗結(jié)果的討論

第一，空煤比對粗煤氣主要成分的影響。對于氣化爐內(nèi)的反應(yīng)而言，其本質(zhì)即是部分氧化反應(yīng)，由于爐內(nèi)的煤炭顆粒無法完全的燃燒，因此爐內(nèi)的氧碳比成為影響反應(yīng)的重要因素，若氧碳比的含量過大則會對氣化程度造成較為嚴(yán)重的影響；相反，若氧碳比的含量過低，則會使得氣化溫度變低，影響轉(zhuǎn)換的效率。因此在實驗中實驗人員所使用的氣化劑大部分為空氣，起到了節(jié)約成本的作用。第二，汽煤比對粗煤氣有效成分的影響。實驗給定的數(shù)據(jù)為給煤量為15kg/h，空氣量為30kg/h，氣壓為0.2MPa，轉(zhuǎn)化率定為65%。按照實驗數(shù)據(jù)，得出：若汽煤比每增加0.06，溫度下降5度，則并不會對氣化溫度造成影響；同時若增加汽煤比，則可有效的提升轉(zhuǎn)換率。由于汽煤比對H2具有較大的影響，因此可有效提升H2的體積分數(shù)，由此當(dāng)進行實驗時汽煤比的有效選擇范圍是0.2-0.3，對各種因素不會形成較大影響。第三，煤炭轉(zhuǎn)化率對粗煤氣有效成分的影響。實驗給定的數(shù)據(jù)為給煤量為15kg/h，空氣量為30kg/h，氣壓為0.2MPa。按照具體的實驗步驟，我們可以得知，當(dāng)煤炭轉(zhuǎn)換率逐漸升高時，則氣化溫度逐漸下降，當(dāng)H2與CO的含量逐漸增多時，CO2與H2O的含量逐漸減少，并且有利于部分煤氣的再燃。若依靠提高煤炭在爐內(nèi)的停留時間來增強轉(zhuǎn)化率，則不僅會增加氣化爐的初始投入量，更不利于其余的煤焦進行回爐燃燒。

5 結(jié)束語

煤炭的利用對我國的發(fā)展具有重要的作用，通過運用干煤粉氣流床氣化爐技術(shù)，使得煤氣轉(zhuǎn)化的效率不斷增強，為我國在此領(lǐng)域的發(fā)展提供了充足的實驗依據(jù)，極大程度的拉近了與世界發(fā)展的距離，追趕世界在此方面的步伐。

參考文獻：

[1]鄭夢欣，李玉順，王定標(biāo)，等.新型干煤粉氣流床氣化爐的冷態(tài)數(shù)值模擬[J].化學(xué)工程，2015，43（9）：68-73.