（热能工程专业论文）双循环流化床煤气化试验研究.pdf

】 声明尸 只月 l i l l lliiiiiiiliiiil i i i t l i l u i i i i l l l i i h i y 17 8 5 6 5 0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双循环流化床煤气化试验研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 蝉日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 鲻 导师签名： 埤 j l - 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 对双循环流化床冷态试验和双循环流化床煤气化热态试验进行初步的试验验证，获 取相关的操作参数和运行经验，搭建双循环流化床冷态试验台及热态试验台，以0 0 6 i n n l 砂子为循环床料，进行双循环流化床冷态试验，研究压力分布对系统运行的影响、 压差对返料器的影响、系统循环量的控制等，并得出最佳操作参数范围，为双循环流化 床热态试验提供基础数据。以0 - - - 1l l l l n 龙口煤粉颗粒为原料，以空气为气化剂，进行 双循环流化床煤气化热态试验，分析试验过程中的典型故障，得出解决方案，并对试验 过程中产生煤气成分及飞灰含碳量进行分析。 关键词：循环流化床，煤气化工艺，双循环流化床 a b s t r a c t d o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o l d - t e s ta n dd o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o a l g a s i f i c a t i o np i l o tp r e l i m i n a r y t h e r m a lw e r et e s t e d ，o b t a i nt h er e l e v a n to p e r a t i n g p a r a m e t e r sa n do p e r a t i o n a le x p e r i e n c et ob u i l dd o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o l d a n dh o ts t a t et e s tb e dt e s tb e dt o0 0 6m ms a n da sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dm a t e r i a l ， t od o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o l d ，as t u d yo ft h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h e i m p a c to fs y s t e mo p e r a t i o n ，p r e s s u r eo nt h ef e e d e rb a c kt ot h ei m p a c to fl o o pv o l u m e c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h eo p t i m u mr a n g eo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，i no r d e rt od o u b l e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dt h e r m a lt e s t i n gp r o v i d et h eb a s i cd a t a t o0 1m ml o n g k o u c o a lp a r t i c l e sa sr a wm a t e r i a l s ，u s i n ga i ra sg a s i f i c a t i o na g e n t ，t od o u b l ec i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dc o a l g a s i f i c a t i o n ，t h e r m a lt e s t ，a n a l y s i so ft h et y p i c a lc o u r s eo ft h e e x p e r i m e n tf a i l u r e ，c o m eu pw i t hs o l u t i o n s ，a n dg a sc o m p o s i t i o np r o d u c e dd u r i n gt h e t e s ta n df l ya s hc a r b o nc o n t e n ta n a l y s i s s u nl u ju n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g h u a k e yw o r d s ：c f b ，c o a l - g a s i f i c a t i o np r o c e s s ，d o u b l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 世界及我国能源状况l 1 1 2 我国能源开发利用情况1 1 2 循环流化床锅炉研究现状2 1 2 1 循环流化床锅炉原理及优点2 1 2 2 国外循环流化床煤气化现状4 1 2 3 国内循环流化床煤气化现状7 1 3 本文研究目的和研究内容1 0 1 3 1 本文研究目的1 0 1 3 2 本文研究内容1 0 第二章双循环流化床冷态试验研究1 1 2 1 双循环流化床冷态试验系统1 1 2 1 1 双循环流化床冷态试验系统图1 l 2 1 2 双循环流化床冷态试验系统本体1 2 2 1 3 双循环流化床冷态试验辅助系统1 4 2 2 试验用床料1 5 2 3 冷态试验研究内容1 6 2 3 1 临界流化速度试验1 6 2 3 2 旋风分离器性能试验1 7 2 3 3 系统循环量试验1 8 2 3 4 燃烧炉顶部压差与系统循环量关系2 1 2 4 本章小结2 2 第三章双循环流化床煤气化试验研究2 3 3 1 双循环流化床煤气化试验系统2 3 3 1 1 双循环流化床煤气化试验系统图2 3 3 1 2 双循环流化床煤气化试验系统本体一2 4 3 1 3 双循环流化床煤气化试验辅助系统3 1 3 2 双循环流化床煤气化试验3 7 3 2 1 试验用煤和床料3 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 2 双循环流化床煤气化试验点火启动4 l 3 2 3 双循环流化床煤气化试验过程4 3 3 3 双循环流化床煤气化试验结果与分析4 6 3 3 1 主要试验条件4 6 3 3 2 温度分布4 6 3 3 3 压力分布4 7 3 3 4 气体成分分析4 7 3 3 5 飞灰含碳量测定4 8 3 4 本章小结4 9 第四章结论5 0 参考文献5 1 致谢5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 世界及我国能源状况 第一章绪论 能源是人类社会经济发展的重要物质基础，是人类生活和生产不可缺少的物质 条件。随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能 源需求量持续增大，能源资源日益紧缺。 1 9 9 0 年世界国内生产总值为2 6 5 万亿美元( 按1 9 9 5 年不变价格计算) ，2 0 0 0 年达 到3 4 3 万亿美元，年均增长2 7 。根据 2 0 0 4 年b p 世界能源统计，1 9 7 3 年世界一 次能源消费量仅为5 7 3 亿吨油当量，2 0 0 3 年已达到9 7 4 亿吨油当量。过去3 0 年来， 世界能源消费量年均增长率为1 8 左右【l j 。 根据 2 0 0 4 年b p 世界能源统计，截止至u 2 0 0 3 年底，全世界剩余石油探明可采 储量为1 5 6 5 8 亿吨，2 0 0 3 年世界石油产量为3 6 9 7 亿吨，比上年度增) 3 1 1 3 8 ，世界煤 炭剩余可采储量为9 8 4 4 5 亿吨，储采比高达1 9 2 ，天然气剩余可采储量为1 7 5 7 8 万亿 立方米，储采比达到6 7 f 2 1 。 我国能源需求呈扩大趋势，尤其2 0 世纪9 0 年代以来，我国能源需求急剧增长。 根据英国石油公司2 0 0 7 年统计，2 0 0 6 年世界一次能源消费增长了2 4 ，但是，中国 次能源消费增长了8 4 ，远高于世界一次能源消费增长率，占全球能源消费增长 的一半以上，见表1 1 【3 】。在全球新增能源消费当中，中国的石油和煤炭消费分别占 世界消费增量的7 7 3 和7 1 7 。 表卜12 0 0 6 年中国和世界能源消费增长对比( ) 1 1 2 我国能源开发利用情况 在一次能源中，我国煤炭资源最为丰富，探明的保有储量已超过1 0 0 0 0 亿吨， 华北电力大学硕士学位论文 居世界第三位，估计在地下深1 5 0 0m 以内的煤炭资源总量约4 0 0 0 0 亿吨，在保有的 煤炭储量中，烟煤占7 0 以上，褐煤占1 4 ，无烟煤占1 4 。我国探明的石油资源为 2 0 0 多亿吨，其中可采储量仅6 0 亿吨，已探明的天然气资源3 4 0 0 0 亿m j ，煤炭占我国 化石燃料总储量的9 5 p 以i - 4 】：丰富的煤炭资源和我国历史、经济等方面的条件相 结合，形成了我国能源结构中以煤为主的格局。并且，在今后相当长的时间内，这 种以煤为主的能源结构不会有大的变化。 我国在年煤炭消耗量中，大约8 0 的煤用于燃烧，其余用于气化或作为化工、 炼焦厂的原料，锅炉是主要的燃煤设备。在用于燃烧的煤中，优质煤所占比重不高， 并且煤种多变，许多是高硫、高灰、高水份的煤，再加上部分锅炉热效率低、运行 水平低，环保不得力，不仅浪费了大量的宝贵能源，而且排放了大量的污染物，造成 了严重的大气污染。污染物主要为s o x 、n o x 、灰尘，如表1 2 所示p j ，其中s o x 危 害很大，是大气污染的重要因素之一，是形成酸雨的主要元凶，对环境是一种慢性、 叠加的长期危害。因此，燃煤锅炉成为我国一个主要的空气污染源，环保问题已成为 国民经济可持续发展的制约因素。 表1 - 2 煤燃烧排放的污染物占总污染物的百分数( ) 由此可见，在我国现有的能源结构以及日益提高的环保要求下，煤的清洁燃烧 是十分重要的，所以使用新型清洁的燃烧设备就成为一个迫切的要求。 1 2 循环流化床锅炉研究现状 随着世界经济的日益发展，环境与发展已成为当今世界的两大主题，社会经济 发展中对环境的污染问题日益引起人们的重视，因此，环保已成为亟待解决的问题， 而循环流化床锅炉以其系统简单、价格低廉、煤种适用范围广、环境污染少等显著 特点备受人们关注。 1 2 1 循环流化床锅炉原理及优点 循环流化床锅炉是从鼓泡床沸腾炉发展而来的一种新型燃煤锅炉技术，结构如 图1 1 所示，它的工作原理是将煤破碎成0 - 1 0m m 的颗粒后送后炉膛，同时炉膛内 存有大量床料( 炉渣或石英砂) ，由炉膛下部配风，使燃料在床料中呈“流态化 燃烧，并在炉膛出口或过热器后部安装气固分离器( 一般均采用旋风分离器) ，将 2 华北电力大学硕士学位论文 分离下来的固体颗粒通过回送装置再次送人炉膛燃烧【6 1 。 省煤嚣 空臻嚣 袁绦垒嚣 图i - i 循环流化床锅炉结构原理图 循环流化床锅炉的运行特点是燃料随床料在炉内多次循环，这为燃烧提供了足 够的燃尽时间，使飞灰含碳量下降，对于燃用高热值燃料，运行良好的循环流化床 锅炉来说，燃烧效率可达9 8 9 9 ，相当于煤粉燃烧锅炉的燃烧效率。 循环流化床锅炉燃烧技术是一项近2 0 多年来发展起来的新型燃煤技术，它具有 燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快等突出 优点【刀。 l 、燃料适应性广。这是循环流化床锅炉的主要优点之一，在循环流化床锅炉 中按重量计，燃料仅占床料的1 3 ，其余是不可燃的固体颗料，如脱硫剂、灰 渣或砂【8 1 。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好， 因此燃料进入炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同 时床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需空气至着 火温度所需的热量，上述特点可以使循环流化床锅炉不需辅助燃料。循环流化床锅 炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高 水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、 垃圾等【9 1 。 3 华北电力大学硕士学位论文 2 、燃烧效率高。循环流化床锅炉的燃烧效率通常在9 7 5 - 9 9 5 范围内可与 煤粉锅炉相媲美【1 0 】。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为气一固混合良好，燃烧速率 高，特别是对粗料燃料，绝大部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛。循环流化床锅炉 能在较宽的运行变化范围内保持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的燃料时也是 如此。 3 、高效脱硫。对循环流化床锅炉来说，炉内加钙固硫是一种经济的脱硫方式， 可在炉内加入石灰石( c a c 0 3 ) 或白云石( c a c 0 3 、m g c 0 3 ) 固硫，典型的循环流 化床锅炉达到9 0 脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比( c a s ) 为1 5 - 2 5 i 】。与燃 烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢，为了使氧化钙充分分转化为硫酸钙，烟气 中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和尽可能大的反应比面积，脱 硫剂随床料在炉内多次循环，提高了脱硫剂的利用率。 4 、氮氧化物排放低。循环流化床锅炉燃烧温度一般在8 5 0 9 5 0 范围内，低 温燃烧这对降低n o x 的排放是非常有利的，运行经验表明，循环流化床锅炉的n o x 排放范围为5 0 1 5 0p p m t l 2 1 。 5 、其他污染的排放低。循环流化床锅炉的其他污染物如c o 、h c l 、h f 等的排 放也很低【1 3 j 。 6 、燃烧强度高，炉膛截面积小。炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅 炉的主要优点之一，循环流化床锅炉的截面热负荷约为3 5 - 4 5m w m 2 ，接近或高 于煤粉炉1 1 4 ，。 7 、易于实现灰渣综合利用。循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优 良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用， 如灰渣作为水泥掺和料或作建筑材料。 8 、负荷调节范围大、调节快。当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物 料量，一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达( 3 - - 一4 ) ：1 ，此外，由于截 面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每分 钟4 t 1 钳。 9 、循环流化床锅炉还有给煤点少，燃料预处理系统简单、造价低等多种优点。 1 2 2 国外循环流化床煤气化现状 国外第一台商业循环流化床锅炉由芬兰的a h l s t r o m 公司开发，于1 9 7 9 年在芬 兰p i h l a v a 投运，紧接着于1 9 8 2 年，由l u r g i 公司开发的用于燃烧洗煤厂尾料的l 台8 4m w t hc f b 锅炉在德国的l e u n e n 投运，1 9 8 5 年9 月，世界上第一台9 6m w e 再热式c f b 锅炉在德国杜伊斯堡城市电厂投运并获得了成功【16 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 近2 0 、3 0 年来，c f b 锅炉技术在国外得到了快速发展，在西方国家现有3 7 家 公司生产流化床锅炉，其中就有2 7 家生产c f b 锅炉。经过多年来的发展和整合， 目前国外循环床锅炉的生产主要集中在f o s t e r w h e e l e r 、a h l s t r o m 公司和a l s t o m 公 司旗下的几个子公司中【r 7 1 。截至2 0 0 2 年底，国外锅炉厂家已生产c f b 锅炉总容量 已超过3 0 0 0 0m w e 。目前，循环流化床锅炉的检验规程和安全规程已列入美国 a s m e 标准，这是其技术成熟的一个重要标志。 近年来，国外循环流化床锅炉技术快速地往大型化和高参数方向发展。迄今为 止，世界上2 0 0m w 级的c f b 锅炉总装机容量已超过5 0 0 0m w 。其中a l s t o m 公司 为法国g a n d a n n e 电厂制造的2 5 0m w ec f b 锅炉已于1 9 9 6 年投运，a h l s t r o m 公司 为美国j a c k s o n v i l l e 电厂制造的3 0 0m w e 级c f b 锅炉亦已在2 0 0 2 年内投运。在更 高容量方面，f o s t e r w h e e l e r 公司已于2 0 0 3 年与波兰电力公司签订了生产目前世界 上容量最大、也是第一台4 6 0m w e 级超临界循环流化床锅炉。该公司同时也获得 了法国电力公司6 0 0m w e 级超临界c f b 锅炉的制造合同，并已完成了方案的深度 设计。目前，国外1 0 0m w e 以上容量的循环流化床锅炉约有6 0 台，其中已经投运 的有4 0 余台。在运行的最大容量循环流化床锅炉为美国佛罗里达3 0 0m w e 燃用石 油焦的循环流化床锅炉。另有近1 0 台2 0 0 - - - 3 0 0m w e 循环流化床锅炉正在安装或 制造中。 据统计，国外大型c f b 锅炉( 1 0 0m w e ) 用户主要分布在欧美，亚洲) 仅占 约2 0 左右。波兰是国外大型c f b 锅炉的大用户，截至2 0 0 3 年底，波兰已投运的 1 0 0m w e 级以上c f b 锅炉超过1 5 台，其c f b 锅炉的炉型、容量、使用燃料等较 有代表性。表1 3 列出了波兰目前运行的1 0 0m w e 以上c f b 锅炉情况u 引。 表1 - 3 波兰已投运1 0 0m w e 以上c f b 锅炉一览 目前，国外大型c f b 锅炉的设计生产和运行水平已达一定高度。已投运的大 5 华北电力大学硕士学位论文 多数c f b 锅炉运行效果良好。以安装在法国g a r d a n n e 电厂的2 5 0m w e 级c f b 锅 炉为例，该锅炉设计燃烧贫煤，于1 9 9 6 年投运经过1 年调试后，其实际运行参数 与设计值之对比示于表1 4 t 1 引。 表1 - 4 法国g a r d a n n e 电厂c f b 锅炉之若干设计与运行参数对比 从表1 - 4 可见，g a r d a n n e 电厂的实际运行效率和污染排放水平甚至优于设计保 证值的要求。这说明国外c f b 锅炉企业已掌握了大型c f b 锅炉的设计制造技术。 当然，限于所使用燃料的特殊性，并不是所有已投产的大型c f b 锅炉都运行良好。 据报道，于1 9 9 9 年投运、安装在韩国t o n g h a e 电厂、燃烧当地无烟煤的2 2 0m w e 级c f b 锅炉在初始运行中尚存在有旋风分离器和回料阀运行温度高于设计值、飞 灰含碳量偏高和燃烧效率达不到设计值等问题【l 舛，后来经过大的整改，包括对旋风 分离器进行重新设计改造，这些问题才得到了较好的解决。 国外对循环流化床煤气化的研究应用比较早，很多公司都从事这方面的试验研 究。具有代表性的有【2 0 3 4 】： 1 、鲁奇公司开发的c f b 技术 鲁奇公司对c f b 技术的开发已有二十多年的历史，从冷模试验到小型热试、 中试、工业性示范装置有八套，规模均不同，进行了大量的实验研究，包括从煤的 燃烧到煤的气化，并获得了工业应用，主要用于燃料气及联合循环发电。 2 、戴维电力煤气公司开发的温克尔( w i n k e r ) 气化炉 该炉使用9 5m m 以下的煤为原料，干法排灰，用氧气、蒸汽或空气蒸汽作 气化剂，操作压力0 2 0 3 9 5m p a ，根据煤的灰熔点和煤的反应活性，气化温度在 8 1 5 1 1 0 0 之间选择，单炉最大日处理煤量1 1 0 0 吨( 用氧气蒸汽作气化剂) ，用 空气蒸汽作气化剂为7 0 0 吨煤，c o + h 2 含量达8 3 ，产气率为1 5 5m 3 k g 煤。 3 、埃克森( e x x o n ) 研究和工程公司开发的煤的催化气化工艺 6 华北电力大学硕士学位论文 4 、前西德莱茵褐煤公司和伍德公司合作开发的高温温克尔煤气化工艺 5 、美国能源部、气体工艺研究所开发的u g a s 气化法 该法以空气、氧气、蒸汽为气化剂，分二路入炉，含氧浓度低者从流化床布板 进入使流化床均匀流化，并保持床温在9 5 4 - 1 0 1 0 ( 2 ，含氧浓度高者从中心喷嘴高 速喷入炉内，在喷嘴上方形成低泡相高温区域( 高出床温3 8 c ) ，灰渣在此区域“团 聚”而应避免呈现液态，当灰渣团粒的粒度和相对密度增大到一定程度时，通过喷 嘴中心管坠入灰斗排出。 。 6 、西屋公司和美国能源部开发的西屋流化床气化法 1 2 3 国内循环流化床煤气化现状 我国的循环流化床燃烧技术分为自主开发、国外引进及引进技术的消化吸收三 个主要来源。进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国循环流化床锅炉数量和单台容量逐年 增加。据不完全统计，现有近千台3 5 - - 4 6 0t h 循环流化床蒸汽锅炉和热水锅炉在 运行、安装、制造或订货，平均单机容量从3 7 4 1t h 上升至1 0 6 7 8t h ，参数从中 压、次高压、高压发展到超高压，单台容量已经发展到6 7 0t h ，见图l 一2 l l 引。截至 2 0 0 3 年广”投运台数已有7 0 0 多台。单炉最大容量为4 6 5t h ，发电量1 5 0m w e 。目 前，我国已成为世界上循环流化床锅炉台数最多和总蒸发量最大的国家，总运行台 数已超过世界其它地区所有循环流化床锅炉的总和1 3 5 1 。 正卧 转 长 嘁 鐾 晤 b 番 图卜2 中国c f b 锅炉单台容量发展 中国科学院工程热物理研究所自8 0 年代以来，一直致力于循环流化床燃烧技 术的研究和开发工作，已经在循环流化床燃烧技术各个方面特别是布风流化、分离 技术和循环返料系统、系统集成与控制等关键技术方面形成了一批具有我国特色的 专利和技术成果。1 0 讹，3 5t h 和7 5 讹循环流化床锅炉在国内市场上占有8 0 左 右的份额。首台1 3 0t h 循环流化床锅炉在2 0 0 0 年9 月点火试运行，4 1 0t h 大型循 7 华北电力大学硕士学位论文 环流化床锅炉是国内首台利用自主技术设计的大容量锅炉。下一步发展具有中间再 加热4 2 0t h ( 1 2 5m w ) 循环流化床锅炉，最终将具备开发1 0 2 5t h ( 3 0 0m w ) 循 环流化床锅炉的能力。 华中理工大学动力工程系研制成功了3 5t 和7 5tf 排气旋风分离器循环流化床 锅炉系列产品。它在送灰器的稳定性运行性能、防磨等关键技术方面有所突破，并 对1 0 2 5t h 锅炉燃烧优化做了一些研究工作。与武昌锅炉容器合作开发的循环流化 床锅炉范例：3 7t 循环流化床锅炉，广西贵港甘化股份有限公司；7 5t 循环流化床 锅炉，云南富源后所煤矿电厂；1 0t 循环流化床锅炉，河南新川造纸厂。 清华大学洁净燃烧技术国家工程研制中心1 9 8 4 年开始循环流化床的研制开发， 先后开发1 0t h - 2 2 0t h 循环流化床锅炉。1 9 9 3 年之后根据国际上循环流化床情况 提出了分离器的改进专利，并成功用于7 5t l i 锅炉。被专家誉为具有国际先进水平， 有很大潜力。“九五 期间与东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂合作用于国产1 2 5m w 循 环流化床锅炉设计。该技术目前已有近4 0 万台7 5t h 订单、l o 余台1 3 0t h 订单和 6 台2 2 0t h 订单，并改进4 1 0t h 的工程设计。该技术的特点是使循环流化床锅炉 的可靠性比其他循环流化床有很大提高。 由上述可知，从引进到自行设计制造，近年来我国循环流化床锅炉发展迅速， 在循环床锅炉大型化方面已取得了可喜的发展，与世界水平的差距正在逐步缩小。 目前我国已投运的1 0 0m w e 以上c f b 锅炉电厂情况见表1 5 t 1 8 1 ， 表卜5 国内目前己投运1 0 0m w e 级以上c f b 锅炉电厂一览 型：! 塞签量i i 地缕鏖丝遁丝魁f 塑丝垄丝盛墼童i 鱼】查垡 敬煤 粥7 纠j l 如 l ：1a l a l s t r 日m 技承 4 1 0 鸯筑免娥攥2 0 0 3 羽川直宾 1 盥允粥煤 2 0 0 z 为0 3葶簟 睇i 袈废4 ”4 4 0 琨：筐2 3 i l ：苏人咆 1 超高j 爱荐煞 i 弼 赞攥 2 0 0 2 9 2 0 0 2辩霓保定 2 竖!筮缝垫q 墟q 箜 出筮整益2绠塞堡噩垡 4 1 0 龙黼艨2 0 0 2i f 谣j 直i 与热l 院务份 贺埕2 0 0 3 鳟南新乡2超离j 秀热 贫爆2 0 0 3 瓤南歼翳 l 翅离j k 碍燃 咯锯4 4 0 赞嫒 2 0 0 3 i 唾南蔌墅2翅高脬再热 煅缘2 0 0 4 广农瞧矧 2 锺离j k 蒜热 褐煤 2 0 0 4 6 南逛榆嗣1魈萼；j ；焉热 赘攥2 0 1 1 3 l b 乐n 铴澎2透翕j k 搏燃 一一一 贫艨2 0 0 3 l | l 乐摩定 2 蘑裹j ；秀璐 4 1 0 l 撂发纷嬲滋 2 0 0 3 m 身= 墨鹾 2 巾撂发份濑煤2 0 0 3 l l j 瘃济?2超瘸脬秀热 1 锝4 4 0捌蝮 2 0 0 4 j l 采秀，麓集朗1趣葛强耀焰 戈鸯哮嫒2 0 0 3 糕南豫联 2 超痛j k 碍热 丝塑握垫坠 出壅叠窒2丝毫篓匿签 由表l 一5 可见，近年来特别是2 0 0 2 年以来，我国大型c f b 锅炉发展神速，每 华北电力大学硕士学位论文 年以超过1 0 0 0m w e 以上的投运容量在迅速增加。 国内对循环流化床用于煤气化的研究始于二十世纪九十年代，目前主要有下面 几种【3 6 3 8 】： l 、郑州永泰能源新设备有限公司( 江苏理工大学) 技术 1 9 9 0 年，江苏理工大学王同章、王立群申请了“流化床粉煤气化方法及其装置 的发明专利，并于1 9 9 5 年获得批准。后来郑州方与江苏理工大学等成立了郑州永 泰能源新设备有限公司，开发了f m1 6 型粉煤常压水煤气发生炉，分别于1 9 9 8 年、 1 9 9 9 年应用于郑州、南洋城市煤气站，经多次调试、改进，运行基本正常，并向居 民正常供气，于1 9 9 9 年3 月通过河南省经贸委组织的新技术鉴定。2 0 0 0 年，在f m 1 6 型炉的基础上，引进华中科技大学“下排气旋风分离器等专利技术，推出了f m 2 5 型炉，应用于山东济南钢厂，设计用于制半水煤气燃料气，在调试过程中发现 气化效率较低、高温热管换热器岛损等问题，后来逐渐解决了这些问题。 2 、中科院山西煤化学研究所开发的“灰熔聚流化床粉煤气化技术” 山西煤化所从8 0 年代开始研究“灰熔聚流化床粉煤气化技术 ，先后建立了日 处理1 吨煤的小型试验装置和2 4 吨煤的中间试验装置以及相配套的冷态试验模型。 1 9 9 1 年和1 9 9 6 年分别在试验装置上完成了空气鼓风制工业燃料气、氧气蒸汽 鼓风制化工合成气的国家重点攻关项目任务，并获得专利。采用该技术的0 2 4r n 氧气蒸汽鼓风制合成氨原料气装置在陕西汉中城化公司建成，于2 0 0 0 年7 月投 入运行。 3 、上海申江化肥成套公司“循环流化床粉煤气化综合利用 技术 上海申江化肥成套公司利用谢志平“循环流化床粉煤煤气发生炉”专利技术， 与其合作开发了“循环流化床粉煤气化综合利用技术。1 9 9 9 年在邵东铝厂建4 0 0 m 3 h 的中试装置试验成功，2 0 0 0 年在吴忠化肥厂建立一套3 0 0 0m 3 h 规模的半水煤 气工业化装置，获得成功并计划建5 0 0 0m 3 h 的工业化装置。 我国是一个煤资源丰富，石油天然气资源相对缺乏的国家，循环流化床煤气化 技术的发展在民用燃料、工业燃料、化肥、化工等行业有着广阔的应用前景。我们 应吸收国外的先进技术和经验，结合我国的具体情况，加强对煤气化技术的基础研 究，特别是各种煤的燃烧、气化性能、适用工艺条件的试验研究，同时抓紧对大型 低能耗制氧设备、高效换热等配套设备的开发。科研院所、工厂、高校之间加强合 作，国家给予适当的扶持，使这一技术发扬光大，在我国的经济建设中发挥良好的 效益。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文研究目的和研究内容 1 3 1 本文研究目的 本文的研究目的是对双循环流化床冷态试验和双循环流化床煤气化热态试验 进行初步的试验验证，获取相关的操作参数和运行经验，并探索通过优化运行参数 来提高燃气品质和燃气生产效率。 1 3 2 本文研究内容 1 、搭建双循环流化床冷态试验台，以0 - - - 0 6i t l m 砂子为循环床料，进行双循 环流化床冷态试验，研究压力分布对系统运行的影响、压差对返料器的影响、系统 循环量的控制等，并得出最佳操作参数范围，为双循环流化床热态试验提供基础数 据。 2 、搭建双循环流化床煤气化热态试验台，以o 1 0m r n 龙口煤粉颗粒为原料， 以空气为气化剂，进行双循环流化床煤气化热态试验，分析试验过程中的典型故障， 得出解决方案，并对试验过程中产生煤气成分及飞灰含碳量进行分析。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章双循环流化床冷态试验研究 2 1 双循环流化床冷态试验系统 2 1 1 双循环流化床冷态试验系统图 所谓双循环流化床，是指由燃烧炉和气化炉两个炉体组成的循环流化床，燃料 在燃烧炉当中进行充分燃烧，产生的热量用于加热床料，本试验中采用的床料是粒 径范围为0 - - - 0 6m m 的河砂，高温床料通过上返料器进入气化炉，为气化炉中煤的 气化提供热量，温度降低后的床料和煤气化后产生的半焦颗粒，通过下返料器返回 到燃烧炉中进行充分燃烧，产生的热量用于加热床料，维持燃烧炉温度恒定，双循 环流化床煤气化试验流程图如图2 i 所示t 空气 气化剂( 空气) 图2 - 1 双循环流化床煤气化试验流程图 煤 为了更好的进行双循环流化床煤气化试验，所以建立了一套双循环流化床冷态 试验装置，进行基础试验研究和分析，为热态试验打下基础。 双循环流化床冷态试验系统图如图2 2 所示，实物图如图2 3 所示，试验系统 由试验系统本体和辅助系统组成，整个冷态试验台是由有机玻璃制成，以便于观察 物料循环情况。 燃烧炉所需风量由鼓风机提供，作为次风由底部进入，通过布风板实现床料 的高速流化，循环灰被风携带由燃烧炉顶部进入旋风分离器，进行气固分离后，由 上返料器进入气化炉，然后通过下返料器返回燃烧炉，在整个循环系统中，上返料 器作为一个通流阀，其作用是进行密封和返料，防止燃烧炉和气化炉窜气，下返料 器作为循环量控制阀，实现系统的循环量调节和控制。 华北电力大学硕士学位论文 彤 v 5 图2 - 2 双循环流化床冷态试验系统图图2 - 3 双循环流化床冷态试验实物图 其中：l 一鼓风机；2 一燃烧炉；3 一旋风分离器；4 一上返料器；5 一气化炉； 6 一下返料器；7 一空气压缩机。 2 1 2 双循环流化床冷态试验系统本体 双循环流化床冷态试验系统本体包括燃烧炉、气化炉、旋风分离器、上返料器 及下返料器。 l 、燃烧炉 燃烧炉内径1 0 0m m ，高5 0 0 0m m ，材质为有机玻璃，底部布风板由一层2 0 0 目不锈钢网制成，起到支撑和流化床料的作用，沿燃烧炉高度方向分别布置了四个 压力测点，用于测量燃烧炉内压力大小。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 、气化炉 气化炉为鼓泡床形式，横截面为圆形，结构见图2 4 ，为保证加入原料所需的 反应时间和空间，气化炉内径d r = 2 1 1i 砌，气化炉高度h r = 1 9 0 0n u t i ，冷态试验 装置需在气化炉顶部开设一个加料c i ，以便向气化炉内加入床料，沿气化炉高度方 向设置有两个压力测点。 图2 - 4 气化炉结构简图 3 、旋风分离器 旋风分离器的特点是结构简单，气固分离效率较高，操作简易，价格低廉，其 工作原理是利用含有粉尘的气体流入旋风分离器中，形成回转运动，使气体中悬浮 颗粒在离心力作用下被抛向器壁，并与器壁撞击而失去速度，然后在重力的作用下 沿器壁下落，旋风分离器结构简图如图2 5 所示。 旋风分离器具体尺寸： 旋风分离器直径为d o = 2 0 0m m ， 入口半径r = 2 5m m ， 排气管直径d e = 3 7m m ， 排气管插入深度h c = 1 0 0m m ， 分离器筒体长h - - 4 0 0m m ， 分离器锥体长h h = 4 0 0m m ， 排灰口直径d 2 - - 7 0m m 。 1 3 燃烧炉一次风，通过燃烧炉底部布风板进入，起到流化床料的作用，所需风量 较大，专门由一台鼓风机提供，其余松动风、流化风及返料风由一台空气压缩机提 供。 所有压力均采用1 1 5 l 系列电容式压差变送器进行测量，各测压点和压差变送 器之间通过蛇皮管连接，最终压差变频器将压力以电信号的形式送入计算机系统， 通过组态王组态软件将压力的具体数值显示出来。所有风量的控制是通过l z b 型 玻璃转子流量计来控制的，风量的大小通过手工记录的方法记录下来。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 试验用床料 本试验中采用o 0 6m m 的河砂作为循环床料，堆积密度为1 4 8 7k r d m 3 ，平均 粒径为0 3 5m m 。 余 j 曷 g 誉 鼍 葛 h 看 8 昌 表2 - 1 试验用砂筛分试验 备注：筛分试验中砂子总重1 0 0 0g ，筛分过程持续l o 分钟。 r | | 一实验用砂粒径分析l | |。 | j 一 图2 - 6 试验用砂粒径分布 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 冷态试验研究内容 2 3 1 临界流化速度试验 床层从固定床状态转变为流化状态时的空气流速称为临界流化速度( 或临界流 化风速) u m f ，也即所谓的最小流化速度。对应于临界流化速度按布风板通风面积计 算的空气流量称为临界流化风量q m f 。 临界流化速度和临界流化风量是循环流化床运行中的重要参数，通过确定临界 流化风量，可以据此估算热态运行时的最低风量，即循环流化床低负荷运行时的风 量下限，因为低于该风量就可能引起结焦。l 临界流化速度或临界流化风量一般与床 料的颗粒度、密度及料层堆积空隙率等有关，至今尚未从理论上找到可靠的计算方 法，虽然可以借助于经验公式作近似计算，但更为直观可靠的方法是通过试验来确 定。由于循环流化床一般使用宽筛分物料，床层从固定床转变到流化床没有明显的 “解锁”现象即压力回落过程，可以利用料层阻力特性的试验结果来确定临界流化 风量。从低气速上升到高气速的压降流速特性试验称为“上行试验法，反之，称 为“下行 试验法。 本试验按操作床层高度分别为3 5 0m m 、4 5 0m i l l 、5 0 0m m 进行三次试验，研 究料层高度对临界流化速度的影响，每次试验既采用“上行 试验法也采用“下行 试验法以确保试验的准确性。 2 5 0 0 2 0 0 0 罟1 5 0 0 骘1 0 0 0 幽 5 0 0 o o 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 0o 3 5 风速( m s ) 图2 - 7 风速图( 堆积高度为3 5 0m m ) 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 0 0 0 2 5 0 0 ，、2 0 0 0 a 、。1 5 0 0 遨。 坦1 0 0 0 5 0 0 o 一、 e 髅 幽 oo 0 5o 10 1 50 20 2 5 0 30 3 5 风速( m s 图2 - 8 风速图( 堆积高度为4 5 0m m ) o oo 0 5o 1 00 1 5o 2 00 2 5 0 3 00 3 5 风速 m s ) 图2 - 9 风速图( 堆积高度为5 0 0m m ) 从图2 7 至图2 - 9 中可以看出粒径为0 一- 0 6m m 河砂的临界流化速度u m f 为0 1 7 m s ，且在粒径相同的情况下，不同的料层厚度临界流化速度是基本相同的，即临 界流化速度受床层厚度影响不大，但在相同起始流化的状态下，料层厚度越大，显 然床层压降越大。 2 3 2 旋风分离器性能试验 评价旋风分离器的性能指标有分离效率、阻力、烟气处理量和经济性( 投资和 运行费用) 等。其中，分离器的分离效率和阻力两项指标最为重要。 煤粉颗粒在气化过程中，产生大量循环灰，分离器作用是将循环灰和气体分离， 由于循环灰和0 0 6m m 砂子物理特性相似，因此本次试验以0 一- 0 6i l l m 砂子为原 料，净重为5k g 。将砂子加入到燃烧炉，通过燃烧炉一次风将全部砂子携带进旋风 分离器，通过观察，几乎无砂粒飞出系统，并测得阻力为5 0 0p a 左右，证明旋风分 离器可以满足试验要求。 17 o o 绚弘弱加坫m 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 系统循环量试验 在双循环流化床中，气化炉内的温度以及煤粉颗粒气化反应时间决定了气化效 果，而这两个条件可通过系统循环量以及气化炉物料堆积高度的研究来实现，为此， 进行物料循环冷态试验，通过对系统循环量和气化炉内不同堆积高度物料的移动速 度研究，估算出循环灰携带的热量和煤粉颗粒在气化炉内停留时间，为热态实验台 的设计提供基础数据。 l 、试验方法 试验前，燃烧炉内物料堆积高度为3 0 0m m ；在运行过程中，通过补充或排出 部分床料，使气化炉物料堆积到试验设定高度后，保持系统稳定运行，通过调节燃 烧炉一次风量q 1 ( 风速为v 1 ) 、下返料器风量q 2 ，来改变系统内物料循环量情况， 送入返料器的空气流量用流化数表示： n i = ( q i ai ) u m f 式中：n i 流化数； q i 风量，m 3 h ； a i 各风量所对应的横截面积，m 2 ； u m 广循环物料的临界流化速度，m s ( 2 - 1 ) 通过鼓泡床气化炉物料的循环量为系统循环量，系统循环量的测量采用标定刻 度法，即在有机玻璃壁面上标定刻度，通过测量壁面处颗粒的下移速度计算出物料循 环量，每个工况测量4 6 次，取其平均值。把这样计算出的示踪粒子在下返料器立管 内的流动速度作为料流速度，与物料堆积密度及下返料器立管截面积相乘即为返料 量，其计算式为： u 。= l t 尊 g p 2 p bu g a o 式中：u g 一物料颗粒表观速度，m s ； l 一一气化炉上的标定距离，m ； t 示踪粒子通过标定距离所需时间，s ； g p 一一返料量，k g s ； 舢一物料颗粒堆积密度，k g m 3 ； a o 一一气化炉截面积，m 2 。 1 8 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 、试验结果与分析 ( 1 ) n 2 和q j 对系统循环量的影响 风速大于3 3 6m s ，气化炉内物料堆积高度等于或小