（工程热物理专业论文）流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性.pdf

摘要 摘要 煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的一个重要特性，直接决定着煤炭燃烧或 气化利用方式的选择、设计及其运行。流化床气化技术由于具有煤种适应性强、 污染物排放易于控制等特性是今后煤炭气化技术发展方向之一。针对流化床气化 技术存在的床料熔融、团聚、积灰等重要过程，本文开展了对这些过程具有决定 性影响的煤灰熔融特性的实验和理论研究。 论文首先对煤灰的化学组成、矿物组成以及所处的环境条件( 气氛、压力等) 等因素对煤灰熔融特性的影响的研究现状进行了文献综述，并介绍了煤灰熔融温 度的不同测试方法。 在文献综述基础上，通过组合智能灰熔点仪、差示扫描量热( d s c ) 分析、 压力热天平和x 射线衍射分析仪相结合以及f a c t s a g e 软件计算等不同方法的特 点和优势，研究了煤灰特性以及运行环境条件( 气氛、温度和压力) 对煤灰熔融 特性的影响特性。氧化性气氛和还原性气氛下的特征温度均高于弱还原性气氛下 的特征温度；由h 。和c q 组成的气氛下的灰熔点要低于c 0 和c 0 2 组成的气氛下的 灰熔点。由压力热天平和x r d 分析得到增大压力能够促进低温共熔体的生成，促 进低温熔融，但是因煤种不同而不同。利用f a c t s a g e 可以得到已知灰成分的煤 灰的熔融区间和熔融速率较快的温度区间，可以用来初步估计煤灰的熔融特性。 并利用d s c 曲线得到煤灰熔融过程的活化能和频率因子。 最后利用所搭建的压差法测量煤灰烧结温度实验台分别研究了灰样放置装 置、时间、气氛、煤灰成分对煤灰烧结特性的影响。惰性气氛( n 2 ) 下的烧结温 度与氧化性气氛( 0 2 、c 0 2 ) 下的烧结温度近似相等，还原性气氛( h ，、c o ) 下的 烧结温度低于氧化性气氛( 0 2 、c 0 0 下的烧结温度，c o 气氛下的烧结温度高于 h 2 下的烧结温度。在氧化性气氛下，随煤灰中c a o 、n a z o 、k 2 0 含量增加，煤灰烧 结温度逐渐降低。在典型流化床气化气氛( 弱还原气氛) 下，煤灰烧结温度随 f e ：0 3 、c a o 、n a 2 0 、k 。o 含量增加而增加。烧结不仅与温度有关，还与时间有关。 在达到设定的温度后，随着时间的进行，灰柱两端的压差不断减小，但经过一段 时间后，灰柱两端的压差保持一个定值。研究结果同时也表明可以通过配煤或添 加添加剂方式来改变煤灰烧结特性，使得流化床气化过程安全运行。 本文研究结果初步揭示了气氛和压力对煤灰熔融特性的影响以及灰成分和 气氛对煤灰烧结特性的影响，对流化床气化技术的设计和运行具有一定的指导作 用。 关键词：流化床气化煤灰熔融特性压差法烧结温度低温共融物 竺塑! 竖! 一 a b s t r a c t c o a la s hf u s i b i l i t yi sa l li m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ci np u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o na n dc o a l g a s i f i c a t i o n , w h i c hd e t e r m i n e sh o wt ou t i l i z ec o a lr e s o u r c e si nc o a lc o m b u s t i o no rg a s i f i c a t i o n b e c a u s et h ef l u i d i z e dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲a d a p t a b i l i t yi nc o a l r e s o b r e ma n dt h er e l e a s eo fp o l l u t a n t se a s i l yc o n t r o l l e d ，i tw i l lb e c o m ea nd i r e c t i o no fc o a l g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t b u tt h e r ea r es o m eo p e r a t i o np r o b l e m ss u c ha sb e df u s i o n , b e da g g l o m e r a t i o na n dd e p o s i t i o ni nf l u i d i z e dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rm a i n l yd i d e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nc o a la s hf u s i b i l i t yw h i c hi si m p o r t a n tt os o l v i n gt h e s e p r o b l e m s f i r s to f a l l 。t h i sp a p e rd i dl i t e r a t u r es u m m a r yo l lt h ee f f e c t so f c o a la s hc h e m i s t r yc o m p o s i t i o n , m i n e r a lc o m p o s i t i o n ，a t m o s p h e r ea n dp r e s s u r eo nc o a la s hf u s i b i l i t ye n di n 仃o d u c e dd i f f e r e n tk i n d s o f m e t h o d st om e a s u r ec o a la s hf u s i o nt e m p e r a t u r e s t u d i e dt h ei n f l u e n c e so f c o a la s hc h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o ne n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ss u c ha s a t m o s p h e r e , t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nc o a la s hf u s i b i l i t yb yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft h e i n t e l l i g e n ta s hm e l t i n gp o i n ta p p a r a t u s ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，p r e s s u r i z e d t h e r m o b a l a n c e ，x r da n df a c t s a g es o f t w a r e t h ef u s i o nt e m p e r a t u r eu n d e rb o t ho x i d i z i n ge n d r e d u c i n ga t m o s p h e r ei sh i g h e rt h a n t h a tu n d e rw e a k l yr e d u c i n ga t m o s p h e r e t h ef u s i o n t e m p e r a t u r eu n d e rh 2 c 0 2a t m o s p h e r ei sl o w e rt h a nt h a tu n d e rc 0 c 0 2 i n c r e a s i n gp r e s s u r ec a n p r o m o t et h ep r o d u c t i o no fl o wt e m p e r a t u r em o l t e nm a t r i xa n dt h ep r o c e s so fl o wt e m p e r a t u r e f u s i o n t h et e m p e r a t u r er a n g eo f c o a la s hf u s i o nc a nb ea c h i e v e db yu s i n gf a c t s a g ew h i c hc a l lb e u s e dt oe s t i m a t ec o a la s hf u s i b i l i t y a c t i v a t i o ne n e r g ya n df r e q u e n c yf a c t o ra r eo b t a i n e du s i n g d s cc u r v e f i n a l l y ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fa s ha r r a n g e m e n ta n dt i m eo nt h es i n t e r i n gp r o c e s s , a t m o s p h e r e ( i n e a i a , o x i d i z i n g , r e d u c i n ga t m o s p h e r e ) a n dc o a la s hc h e m i c a lc o m p o s i t i o nu nt h e c o a la s hs i n t e d n gt e m p e r a t u r e t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eu n d e ri n e r t i aa t m o s p h e r ei ss i m i l a rt o t h a tu n d e ro x i d i z i n ga t m o s p h e r e t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eu n d e rr e d u c i n ga t m o s p h e r ei sl o w e r t h a nt h a tu n d e ro x i d i z i n ga t m o s p h e r e t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eu n d e rc oa t m o s p h e r ei sh i g h e r t h a nt h a tu n d e rh 2a t m o s p h e r e i no x i d i z i n ga t m o s p h e r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc a oa n dn a 2 0 c o r a e n t ，t h es i n t o r i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s i nt y p i c a lf l u i d i z e db e dg a z i f i e a t i o na t m o s p h e r e ( w e a k l yr e d u c i n ga t m o s p h e r e ) , w i t ht h ei n c r e a s eo ff e 2 0 3 ，c a oa n dn a 2 0c o n t e n t , t h es i n t e r i n g t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s a f t e rr e a c h i n gt h es o t - u pt e m p e r a t u r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft i m e ，t h e p r e s s u r ed r o pa c r o s st h ea s hp e l l e t sd e c r e a s e sg r a d u a l l y , b u ta f t e rac e r t a i nt i m e , k e p tc o u s t a n l t h er e s e a r c hc o n s e q u e n c e ss h o wt h ec o a la s hs i n t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a l lb ec h a n g e db ym i x i n g d i f f e r e n tk i n d so fc o a l so ra d d i n ga d d i t i o na g e n tt om a k et h ep r o c e s so ff l u i d i z e dg a s i f i c a t i o n o p e r a t es a f e l y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fp r e s s u r eo nc o a la s hf u s i b i l i t y , a n dt h ei n f l u e n c e so fa s h c h e m i s t r yc o m p o s i t i o na n da t m o s p h e r eo nt h ec o a la s hs i n t e r i n gc h a r a e t e r i s t i c sp r e l i m i n a r i l y , i t m a yh a v ec e r t a i ng u i d a n c eo nt h ed e s i g na n dt h eo p e r a t i o no f f l u i d i z e dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：f l u i d i z e dg a s i f i c a t i o n c o a la s hf u s i b i l i t y p r e s s u r ed r o p l o wt e m p e r a t u r em o l t e nm a t r i x s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：零、) ，牧签字日期：为中年多月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏太鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝垄盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：套、) ，摩炙 导师签名： 签字日期：如町年月j 2 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 跏碜 少7 年z 爿厂2 日 | 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 世界及我国能源现状与未来 能源是经济发展和人民生活水平提高的基础，社会发展需要有安全且可承受 的能源供给。目前，人类能源资源主要是石油、煤、天然气、核能、可再生能源 等几类构成，其中以石油、煤、天然气等化石燃料为主。 表1 1 给出了2 0 0 5 年世界各大区一次能源消费状况。由表1 1 可以得出， 化石燃料在能源消费中的比重接近8 8 ，煤所占的比例约为三分之一。亚太地区 化石燃料所占比重达到9 1 之多，煤所占的比例接近5 0 ，可见煤作为能源资 源占有重要地位。 表1 12 0 0 5 年世界各大区一次能源消费状况“1 万吨油当量 表1 2 给出了2 0 0 5 年世界煤炭消费大国。2 0 0 5 年，世界煤炭消费量为2 9 29 8 0 万吨油当量，亚太地区煤炭消费量名列世界第一，为1 6 48 1 0 万吨油当量，占世界 总量的5 6 1 3 。煤炭消费最多的国家是中国，其消费量为1 0 81 9 0 万吨油当量， 占世界总量的3 6 1 9 。可见在中国煤炭在能源消费中占有主导地位。 表1 - 22 0 0 5 年世界煤炭消费大国f 1 j 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 全球经济的发展推动着能源消耗的增长。国际能源署预计今后的3 0 年，能 源需求将增7 0 ，其中大部分的增长将来自发展中国家。由于各种形式的能源 生产都具有其优缺点，多种形式能源资源相互补充的能源结构形式是能源消耗的 发展方向，但由于能源资源及技术发展状况，今后相当长的时间内化石燃料依旧 是能源主要资源，而可再生能源、核能等资源所占比例有限。图1 1 和图1 2 是 国际能源署预测的2 0 1 0 年和2 0 3 0 年时的全球能源消费结构。 g a s 2 31 图1 - 1 预测2 0 1 0 年全球能源结构图1 - 2 预测2 0 3 0 年全球能源结构 可见，即使到2 0 3 0 年，化石燃料占有8 0 的比例。煤将毫无疑问地继续作 为主要的能源资源，随着其它一次性资源的枯竭，煤炭在一次性能源结构中的比 重将不会降低，预计到2 0 3 0 年煤炭还将占世界能源资源比例的2 2 。 我国是一个富煤、贫油、少气的国家，即是一个以煤炭为主要能源资源的国 家。中国已探明能源资源总量8 2 3 l 亿吨标准煤，能源资源总储量的构成为：原 煤8 7 4 ，原油2 8 ，天然气0 3 ，水能9 5 。其中探明可经济开发的剩余 可采总储量为1 3 9 2 亿吨标准煤，能源剩余可采总储量的构成为：原煤5 8 8 ， 原油3 4 ，天然气1 3 ，水能3 6 5 。已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的 3 3 8 ，可采量仅次于前苏联和美国，居世界第三位。 与我国能源资源相对应，我国的能源结构也是以煤为主。煤炭在我国一次性 能源结构中一直处于主导地位，2 0 世纪5 0 年代煤炭消耗占全部能源的比例曾高 达9 0 。随着大庆油田、渤海油田的发现和开发，一次性能源结构才有了一定 程度的改变。目前，我国煤产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚，居世 界第二位。 随着国民经济的飞速发展，我国已经成为世界第二大能源消费国，能源消费 总量约占世界能源消费总量的1l 。据资料统计，2 0 0 4 年，我国能源消费总量 为1 9 7 亿吨标准煤，比上年增长1 5 2 。其中，煤炭消费量1 8 7 亿吨，比上年 增长1 4 4 ；原油消费量2 9 亿吨，比上年增长1 6 8 ；天然气消费量4 1 5 亿 立方米，比上年增长1 8 5 。2 0 0 5 年煤炭消费量比2 0 0 4 年增长1 1 ，达到2 1 4 亿吨【2 】。表1 3 给出了我国发电的能源构成及其预测。即使到2 0 2 0 年，煤炭发 电所占的比例依旧在7 0 以上。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 3 我国发电的能源构成及其预测 发电能源2 0 0 0 年2 0 1 0 焦2 0 2 0 年 煤7 7 9 7 5 ，5 7 2 5 油3 3 2 2 3 1 5 3 天然气1 4 3 2 4 6 水电1 6 1 4 6 1 4 8 核电1 2 2 3 9 4 7 其他可再生能源0 1 0 4 0 4 6 我国煤炭的8 4 用于直接燃烧，由于燃煤设备和燃烧技术相对落后，因而带 来了燃烧效率不高和环境污染严重两大问题。表1 4 为我国燃煤设备的平均热效 率，由表可见，由于效率低、造成能源的很大浪费。以工业锅炉为例，我国现有 燃煤工业锅炉近5 0 万台，每年耗煤占煤炭生产总量的3 5 ，但平均的锅炉效率 只有6 0 ，比先进国家8 0 的效率低2 0 个百分点以上，仅此一项，每年浪费原 煤近l 亿吨。 表1 4 我国燃煤设备的平均热效率 l 燃煤设备工业锅炉火电厂工业炉窑民用炉灶 i 热效率( )6 0 - 6 53 0 92 0 - 3 01 6 世界上从7 0 年代开始，着手研究和发展高效、清洁的燃煤发电技术，目前 主要有流化床燃煤联合循环( 常压a f b c c c 和增压p f b c c c ) ，整体煤气化联 合循环( i g c c ) ，整体煤气化燃料电池联合循环( i g f c ) 以及近年来发展的零 排放煤气化燃烧利用系统等。其中己进入示范阶段的是整体煤气化联合循环发电 技术( i g c c ) 和增压流化床联合循环发电技术( p f b c c c ) 。 以煤气化为核心的多联产系统是综合解决我国能源领域五大问题的重要途 径l j l 。它符合多元化要求，符合产品的灵活性，市场灵活性，也适应不断严格的 环保标准，i g c c 是目前最洁净的燃煤发电技术，符合2 0 0 5 2 0 1 0 年日益严格的 脱硫、脱硝、除尘要求以及微颗粒和金属元素的排放要求。虽然i g c c 发展缓慢， 但是基于气化的项目发展很快。煤气化多联产符合循环经济原则。煤气化系统为 大规模氢气的制备和应用创造条件，为分布式能源供应发展提供便利。煤气化联 合循环是未来新型热力循环的核心。 i g c c 将煤气化和净化处理后的可燃气体供燃气轮机燃用做功发电。一般， 它是由煤气发生系统及净化系统、燃气轮机、汽轮机、发电机及有关附属系统组 成。发电效率可达到4 0 - 4 6 ，现在正研究效率为5 0 6 0 的系统。1 g c c 发电技 术由于其效率高、对煤种的适应性广，且利用脱硫和氧气氧化，环保指标好、副 产品可再利用而不会对环境造成二次污染等特点而被公认为2 l 世纪最有发展前 途的一种清洁煤发电技术 4 1 。 如果在煤气化工艺中以空气代替富氧气化，还可以大幅度降低厂用电率，再 浙江大学硕士学位论文第章绪论 加之新型燃气轮机的发展与应用，因此，整体煤气化联合循环具有较大幅度地提 高燃煤发电效率的潜力。 煤气化技术是i g c c 等联合循环中关键技术之一，目前有固定床、流化床和 气流床( 喷流床) 三大类气化工艺。i g c c 发电对煤气化工艺的要求为：气化工 艺的冷煤气效率高，碳转化率高，气化炉运行安全可靠，可用率高，单炉生产能 力大；煤种适应性强，粗煤气便于冷却处理，粗煤气中含焦油、酚类和粉尘少； 能与发电设各运行工况匹配跟踪、起停较快，负荷变化范围较大。煤气化工艺、 净化工艺的改进和i g c c 整体技术的提高，热损失和厂用电率都会逐渐降低。 1 2 煤炭气化技术发展简介 自2 0 世纪6 0 年代以来，煤气化技术研究开发取得了较大的进展，尤其是2 0 世纪7 0 年代的石油危机的刺激和严重的燃煤环境污染问题，国内外各国政府和 研究机构都给予了极大的重视；美国先后提出的洁净煤技术示范计划( c c t p ) 和 2 l 世纪展望( v i s i o n2 1 ) ，其中i g c c 是主要项目；欧共体和日本的洁净煤技术 发展计划都十分重视i g c c 。在i g c c 项目的带动下，一批大型化的先进的煤气 化技术完成示范，如t e x a c o ，d e s t e c ，s h e l l ，p r e n f l o ，k r w 等技术。基于成熟 技术的煤部分气化燃烧集成联合发电系统( a b g c ( 英国) ，h i p p s ( 美国) ) 概念正 在开