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粘结性煤射流预氧化流化床气化技术研究
Alternative TitleJetting pre-oxidation fluidized bed gasification of caking coal
赵志刚
Subtype博士
Thesis Advisor许光文
2013-05-01
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline化学工程
Keyword洗中煤   预氧化   破粘   流化床气化   无分布板流化床
Abstract在我国焦化行业的洗选煤过程中,每年都会产生大量挥发分较低、灰分高、反应性较差并且具有一定粘结性的洗中煤。这些质量比较差的洗中煤一般都作为锅炉燃料廉价对锅炉用户销售,运输成本高,经济性差。同时,独立焦化企业需要燃烧50%~55%的焦炉煤气用于加热焦炉。利用焦化企业的洗中煤,为焦炉提供加热用燃料,可以实现焦炉煤气替代,使焦炉煤气应用于高价值化学合成,同时提高洗中煤和焦炉煤气的利用价值,为焦化企业创造更大的利润空间。为此,需要能将洗中煤气化制备工业煤气的技术,但是由于焦化洗中煤的上述特点,现有的气化技术都难以利用洗中煤。即,气流床难以处理含灰40%左右的高灰燃料,而常规固定床和流化床气化技术不能处理粘结性煤,因此需要研发适合洗中煤的新型气化技术。 针对洗中煤含灰40%左右的特点,流化床气化技术应该是洗中煤气化制备工业煤气的合适选择,为此需要创新其处理粘结性煤的技术。结合国内外已有流化床气化技术的优缺点,中科院过程所创造性地提出了“射流预氧化流化床气化”技术。通过融合流化床和气流床气化的技术优势,采用含氧气体携带喷射进料,对煤进行预氧化破除半焦表面的粘结性胶体物质,抑制煤颗粒在密相流化床内可能发生的粘结现象。同时射流供料强化气固接触,加快气化反应,可望实现洗中煤等低劣煤(包括热解半焦)的高效转化。 本论文围绕射流预氧化流化床气化技术,首先通过流化床冷态试验研究了无分布板锥形流化床的流化特性,然后通过射流预氧化试验研究了粘结性煤预氧化破粘的效果和条件,最后设计并搭建了140kg/h的射流预氧化流化床气化中试试验平台,针对粘结性焦化洗中煤及烟煤开展了射流预氧化流化床气化技术的中试试验。 本论文的主要研究内容和结果如下: (1)无分布板锥形流化床流体力学特性。我们所提出的气化技术最开始拟采用无分布板锥形流化床,所以有必要对无分布板锥形流化床的流化特性进行深入研究。以石英砂为试验原料,空气作为流化介质在常温常压下通过流化床下端设置的一层或两层水平喷嘴喷入密相床层中,借助压力传感器测量床层的压降研究了无分布板锥形流化床单层喷嘴布风条件下床层的流型和区域划分。同时利用颗粒浓度测量仪测量了单层或两层喷嘴布风条件下颗粒床层的空隙率分布,判断床层的流化状态。随着表观气速的提高,颗粒床层逐渐从固定床、部分流化床到稳定流化床转变。流化床中的气—固流动可以总体上进行如下划分:垂直方向的汇聚区、扩散区和扬析区以及水平方向的环隙区和核心区。无分布板锥形流化床床层中心的气—固流动从底部到表面可分为三个明显的区域:气体汇聚,气体向床层截面扩散,床层表面颗粒扬析。对现有的流体动力学模型进行了修正,结果显示对于起始颗粒静床高度200 mm以上的情况,模型的预测准确性较好。采用两层喷嘴布风的方式只能有限地改善床内颗粒的流化质量,整个床层仍存在未流化的区域。 (2)粘结性煤射流预氧化破粘研究。利用含氧的N2气流垂直射流携带供料方式,在流化床反应器中考察了喷射给料气过量空气系数、反应器温度和给料气氧气浓度对一种粘结性烟煤射流预氧化破粘的效果和由于喷射氧化形成的反应器内温度分布和生成气组成的影响特性。试验结果表明:气化炉温度对粘结性煤的破粘效果影响最大,温度较低时,煤与氧气的反应速度较慢,半焦不能实现完全破粘。当炉温足够高时,在给料气中加入氧气可以有效的破除煤的粘结性。氧气加入量的多少在试验操作范围内(ER为0.1~0.3)对煤的破粘效果影响不大。当反应器内的半焦发生粘结时,反应器内温度曲线上会出现一个下降的拐点。从拐点出现的时间可以判断半焦发生粘结的时间和反应器内半焦累积的高度。预氧化反应气体产物主要由H2、N2、CH4、CO和CO2组成,其中大部分为携带气N2,其他气体的浓度随反应条件的不同而各异。当半焦发生粘结时,H2的浓度会突然增大,依此可以判断半焦发生粘结的时间。当半焦没有发生粘结时,生成气的各种组分含量相对比较稳定。破粘工况下所得的半焦随喷射给料气的过量空气系数的提高,半焦的挥发分和固定碳含量降低,灰分含量升高,质量损失增大,气化活性降低。 (3)射流预氧化流化床气化中试验证。在实验室小试试验的基础上,根据技术要求,设计并建造了煤处理量为140kg/h的射流预氧化流化床气化中试试验装置。在试验平台上开展了空气气化和富氧空气气化试验,验证了气化工艺的可行性,为该技术的进一步工业示范提供了操作经验和基础数据。利用中试装置成功地气化了粘结指数为20的煤,没有发生半焦或煤渣的粘结现象。给料气过量空气系数的增大有利于抑制煤的粘结,但会使碳转化率和煤气质量降低。富氧空气气化时通入气化炉底部密相区的气化剂的氧气含量为40 vol.%,水蒸气与煤的质量比为0.57,但射流给料所用的气体仍为空气,其氧气量为供入气化炉的总氧量的30%。该富氧气化所制得的煤气中H2的平均浓度为18.5 vol.%,CO为13.5 vol.%,CO2为27.0 vol.%,CH4为2.4 vol.%,煤气的高位热值在1100~1300 kcal/Nm3之间变化,平均值为1200 kcal/Nm3左右,碳转化率的计算值为95%。因此,通过富氧气化,特别是使底部的流化气体具有更高的的氧气浓度,有效地强化了煤的气化反应。
Other AbstractIn China, a large amount of middlings is produced every year in the coal washing process of coking industry. The caking middlings has low volatile, high ash content and relatively low reactivity for gasification, which is generally sold as cheap boiler fuel. Meanwhile, about 50%~55% coking oven gas (COG) is burnt to heat the coking oven in the coking industry. The COG rich in H2 can be used for other high-value applications if the middlings can be gasified to produce fuel gas that can be use to substitute for the coke oven gas. However, the middlings can hardly be gasified by the existing gasification technologies. The conventional fixed bed and fluidized bed gasification technologies cannot be used for caking coals and the entrained flow gasification technology with high price is hardly applicable to high-ash coal. A novel jetting pre-oxidation fluidized bed gasification (JPFBG) technology was proposed to gasify middlings in Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences. By combining the advantages of fluidized bed and entrained flow gasification, coal is fed into the bed with a gas jet containing oxygen and meanwhile oxidizes the coal to destroy its caking propensity. Meanwhile, the jetting feeding strengthens the gas-solid contact and accelerates the gasification reaction to gasify the middlings efficiently. This study is about the JPFBG technology, and we performed first the research of the fluidization characteristics in a tapered gas-solid bed without a gas distributor, the bed I tended to be used as the gasifier, and then the caking destruction conditions for a kind of caking coal were clarified by experiment in a bench-scale setup. On these fundamental studies, a 140 kg/h pilot gasifier was designed and built to verify the JPFBG technology.
Pages104
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8278
Collection研究所(批量导入)
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GB/T 7714
赵志刚. 粘结性煤射流预氧化流化床气化技术研究[D]. 中国科学院研究生院,2013.
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