（环境工程专业论文）加压喷动流化床煤部分气化特性试验研究及其数值模拟.pdf

摘要 摘要 基于煤部分气化一半焦燃烧技术路线的第二代加压流化床联合循环发电技术，是当前最有发展 前途的洁净煤发电技术之一，加压煤部分气化是其中的关键技术。本文通过冷态试验、热态试验和 数值模拟等手段对煤在加压喷动流化床中的部分气化及还原态脱硫过程进行了较系统的研究，旨在 掌握影响煤部分气化及脱硫过程的关键因素，为今后的工业应用提供设计和放大的部分依据。 在有机玻璃制成的小型喷动流化床模型上进行了冷态试验，研究了压力、静止床高、流化风量 等因素对最小喷动速度的影响规律，并得出最小喷动速度的关联式。最小喷动速度随压力的增大而 减小，但减小幅度逐渐变小；随静止床高增大而增大，但随着压力的增大，增大趋势减弱：随流化 风风量的增加而减小。研究了静止床高、喷动风量、流化风量和操作压力对流型及流型转变的影响。 研究结果表明，静止床高增加，稳定的喷动区域减小；操作压力提高，稳定的喷动区域增大。研究 还得到了三个压力下的流型图。对压力信号的羞压平均值分析表明保持喷动风速率不变增加流化风 会使床层压降升高，并且在喷动风速率越小时，影响越大；反之，当流化风固定时，喷动风的增加 会使床层压降变小，并且在流化风速率越小时，影响越大。压力信号的a r m 功率谱主频随压力升 高而增大，随流化气增大先增大后减小。 以颗粒动力学为理论基础，采用双欧拉气固流体动力学模型，对喷动流化床一组不同工作压力 的典型工况进行了冷态数值模拟。模拟结果发现随着工作压力增大，保持流化数、喷动风与流化风 比例不变，床内的中心喷动区和环形区的空隙率均相应减小；较高压力下气体径向速度和颗粒径向 速度均减小。对某一典型工况模拟结果表明，与试验的流场外观比较相似，压降和试验值也比较吻 合；此外三个工况的模拟结果和试验取得的流型所处的区域也相一致。 对影响煤气化的关键因素，如温度、压力进行了研究。气化温度对流化床煤气化反应十分重要，提高 气化反应温度，气化反应速率、碳转化率均显著提高。对于煤气热值，气化温度有个最佳的区间。提高气 化炉的温度需要兼顾煤气热值、产气率、碳转化率等参数的综合效果。提高气化压力使流化床内的流化 质量变好，并使反应物浓度提高，气化剂在床内停留时间加长，明显提高气化反应速率。当压力进 一步升高后，由于气体扩散受到抑制，使得提高气化反应速率的趋势减弱。 在喷动流化床煤气化炉上进行了还原态脱硫的试验，对影响脱硫效率的几个重要参数一压力、 温度、c a s 、脱硫剂粒径等进行了较系统的研究，得出了相应的规律。脱硫效率随压力的提高而增 加，增长幅度逐渐变小；随温度的提高而增大，但当反应温度提高至使脱硫剂烧结的温度时，脱硫 效率下降；c a s 增加，脱硫效率也随之增加，但c a s 由2 0 增加到2 5 以后，脱硫效率提高幅度不 大。脱硫剂粒径减小，脱硫效率提高。 在双欧拉气固流体动力学模型基础上，导入传热、传质、煤气化、脱硫过程反应子模型，建立 了增压喷动流化床煤气化炉整体模型，利用该模型主要研究了温度和压力对煤气化和脱硫过程的影 响，并得到气化炉内的煤气各种成份的浓度分布、颗粒的速度分布及颗粒的浓度分布。用该模型分 别对0 1 m w t h 和2 m w t h 的增压煤部分气化炉进行数值模拟，计算结果和试验结果对比，两者基本 一致。 关键词：喷动流化床，煤气化，增压，h 2 s 脱除，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 es e c o n dg e n e r a t i o np r e s s m i z e df l u i d i z e db e dc o m b i n e dc y c l eb a s e d0 1 1c o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o na n d r e s i d u a lc h a rc o m b u s t i o ni so r eo f t h ep r o m i s i n gt e c h n o l o g i e si n2 1 “c e n t u r y c o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o ni n p r e s s u r i z e df l u i d i z e db e di sak e yt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nc o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o nb e h a v i o ra n d s u l f l d a t i o nb yc o l dm o d e l o ，1 m w t hc o a lg a s i f l e ra n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ea i mo ft h ep a p e ri st o s t u d y c o a l p a r t i a lg a s i f i c a t i o nb e h a v i o ra n ds u l f l d a f i o na te l e v a t e dp r e s s u r ef o rd e v e l o p i n g i n d a s l r y - a c a l eo r a lp a r t 枷g a s i f l e r e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nas p o u t - f l u i db e dm a d ew i t ho r g a n i cg l a s s e f f e c t so f p r e s s u r e ，s t a t i c b e dh e i 【g h ta n df l u i d i z i n gg a sv e l o c i t yo l lt h em i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t yw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tt h em i n i m u ms p o r t i n gv e l o c i t yd e c r e a s e sw i t ht h eb e dp r e s s u r e ，a n dd e c r e a s e ss l i g h t l ya t h i g h e rp r e s s u r e 1 1 ”m i u i n m n ls p o u t i n gv e l o c i t yi n c r e a s e sw i t ht h es t a t i cb e dh e i g h ta n di n c r e a s e ss l i g h l y a th i g h e rb e dp r e s s u r e i n c r e a s i n gt h ef l u i d i z i n gg a sv e l o c i t y , t h em i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t yd e c r e a s e s t w oc o r r e l a t i o n sw e r ed e v e l o p e dt op r e d i c tt h em i n i r n b i ns p o u t i n gv e l o c i t y ，e f f e c t so f t h es t a t i cb e dh e i g h t a n do p e r a t i o n a lp r e s s u r eo nt h ef l o wp a t t e r nm a pa n dt h et r a n s i t i o no ff l o wp a t t e r n sw e r ep a r t i c u l a r l y s m d i e & r e s u l t ss h o wt h a ts t e a d yr e g i o no f s p o u t i n gi sr e d u c e d 、v i ms t a t i cb e dh e i g h ta n di se n l a r g e dw i 血 o p e r a t i o n a lp r e s s u r e f l o wp a t t e r nm a p su n d e rt h r e eo p e r a t i o n a lp r e s s u r e sw c r ed e v e l o p e d e x p e r i m e n t so n t h ep r e s s u r ed r o pa n dt h ep u l s eo f p r e s s u r ed r o pw e r ec a r r i e do u tb ya d j u s t i n gt h eo p e r a t i o n a lp r e s s u r ea n d t h ef l u i d i z a t i o nv e l o c i t y t h eb e dp r e s s u r ed r o pi n c r e a s e sw i t hf l u i d i z i n gg a sv e l o c t r ya n di n c r e a s e sg r e a t l y a tl o w e rs p o u t i n gg a sv e l o c i t y t h eb e dp r e s s u r ed r o pd e c r e a s e sw i t hs p o u t i n gg a sv e l o c i t ya n dd e c r e a s e s g r e a t l ya tl o w e rf l u i d i z i n gg a sv e l c c i t y m a j o rf r e q u e n c yo fm o d e r na r mp o w e rs p e c t r u mi n c r e a s e sw i t h p r e s s u r ea n di n c r e a s e sf l x s t l yt h e ed e c r e a s e sw i t hf l u l d i z i n gg a sv e l o c i t y s o m et y p i c a le a s c sw i t hd i f f e r e n to p e r a t i o n a lp r e s s u r ew c r es i m u l a t e db yat h r e e - d i m e n s i o ne u l e r i a n m u l t i i p h a s em o d e lw i t l lc l o s u r el a wa c c o r d i n gt ot h ek i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o w s i m u l a t i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h er a t eo f i n e r s t i c ea n dt h er a d i a lv e l o c i t yo f p a r t i c l ea n dg a sd c c r c a s ew i t hp r e s s u r e s i m u l a t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wr e g i o na s p e c ti ss i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h eb e dp r e s s u r ed r o pi s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s i m u l a t i n gr e s u l t so f t h r e et y p i c a le a s e sa r ea c c o r d i n gt of l o wr e g i o n m a p s e f f e c t so f p r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st o n q p e r a t t l r e , p r e s s u r eo l lc o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w e r es t u d i e di nt h e0 1 m wt h e r m a li n p u tp r e s s u r i z e ds p o u t - f l u i db e d t e m p e r a t u r ei si m p o r t a n tt ot h e r g a c t i o no fc o a lg a s i f i c a t i o n i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o n sa r eq u i c k e n e da n dt h ec o n v e r s i o no f c a r b a n dy i e do fg a si n c r e a s e t e m p e r a t u r eh a sa n0 l m m a lr a n g ef o rv a l u eo fg a s s ot h eg a s i f i e r t e m p e r a t u r es h o u l db ei n c r e a s e dj u s tl o w e rt h a nt h em e l t i n gp o i to fa s hb u tt h ev a l u eo fg a sa n dc a r b o n c o n v e r s i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d f l u i d i z i n ga n dc o n t a c tb e t w e e ng a sa n ds o l i da r ei m p r o v e da th i g h e r p r e s s u r e r e a c t a n to r n c e r t r a t i o ni si n c r e a s e da n dt h es t i c kt i m eo f g a s i f i c a t i o nm e d i u m i sp r o l o n g e d s ot h e g a sq u a l i t yi si m p r o v e da th i g h e rp r e s s u r e e f f e c to fp r e s s u r eo ng a sq u a l i t yi s e v i d e n t 缸l o w e r p r e s s u r e b u ti ti su n c o n s p i c u o a s a th i g h o rp r e s s u r ef o rt h ed i f f u s eo f g a si sr e s t a i n e dw i t hp r e s s u r e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u to nt h es u l f i d a t o nw i t hc a l c i u m - b a s e ds o r b e n t s f a c t o r s s u c ha st e m p e m t u r e ，p r e s s u r e ，d i a m e t e r so fc a l c i u m - b a s e dd e s u l f u r i z e ra n dm o l er a t i o no fc a sw e r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d n ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r ea n do p e r a t i o n a l p r e s s u r eb u tt h ee x t e n to fi n c r e a s i n gi sb e c o m i n gw e a k e ra n dw e a k e r t h ed e s u l p h u r i z a t i o ne 仿c i e n c y i n c r e a s e sw i t hm o l em t i o ro f c a s b u tt h ed e s u i f ，h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yd o e sn o ti n c 陀a s eg r e a t l yw h e nt h e m o l er a t i o no fc a sr i s e sf r o m2t 02 5 t h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht l l ed e c r e a s eo f d e s u l f u r i z e rd i f m l e t e r a ne u l e r i o rm u l t i p h a s ef l o wm o d e lw i t hr e a c t i o nw a sd e v e l o p e db yc o m b i n i n gt h er e a c t i o nm o d u l e a b s t r a c t w i t hf l u e n lt h er e a c t i o nm o d e li n v o l v e sr e l e a s eo f v o l a t i l e s ，g a sh o m o g e n e o u sr e a c t i o n a n d h e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n sb c 眦e ng a sa n ds o l i d e f f e c t so ft e m p e m 眦a n dp r e s s u r eo nc o a lg a s i f i c a t i o n w e r ei n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u to no i m wt h e r m a li n p u tc o a lg a s i f i e ra n d2 m wt h e r m a l i n p u tp i l o t - s c a l ec o a lg a s i f i e r s i m u l a t i n gr e s u l t sa r ea c c o r d i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：s p o u t - f l u i db e d ，c o a lg a s i f i c a t i o n , p r e s s u r i z e d , h y d r o g e ns u l f i d er e m o v a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l i l 主要符号表 主要符号表 频率因子 k _ 謦月 水汽置换反应平衡常数 固体颗粒由尊h 2 8 浓度只 颗粒压力(pa)(km o i m 、 。 一一。 曳力系数p床层压力( m p a ) 脱硫前煤i 中硫化氢浓度 一a p 差压平均值(kpa)( m g ，n m j 、 。一 脱硫后煤i 中实测硫化氢浓度 p 差压( k p a ) (mgnm3、一 反应前锋处反应物浓度( m o l m 3 ) 晶：月 h 2 平衡分压( b a r ) 床径( m ) 喷动口直径( m ) z k 气体的扩散系数( m 2 s ) 颗粒碰撞后的恢复系数 尼以月 c 0 2 的平衡分压( a u n ) q q f q 相间的热量交换( j ) 流化风流量( n m 3 h ) 喷动风流量( n m 3 h ) 表观活化能( k j k m 0 1 ) ( 最小流化状态风量( n m 3 h ) 重力加速度( m s 2 ) 径向分布函数 静止床高( 衄) 焓值( j k g ) - ，“ 气相中组分f 的扩散通量 t k 。 足彤 k k i 謦 表面反应速率常数( m - 2 s - 1 ) 总体反应速率常数( m _ 2 s - 1 ) 气体扩散速率常数( m 。s ) 气体均相反应速率常数 ( k m o l m 3 s ) 水汽置换反应速率常数 ( 咖1 m 3 s ) i v 通用气体常数( j ( m o l k ) ) h 2 s 反应速率( k m o l m 3 s ) 焦炭反应速率( k m o l m 3 s ) 源项 s h e r w o o d 数 施密特数 颗粒反应表面积( m ? ) 反应时间( s ) 温度( k ) 流化速度( m s ) 爿 气 巳 g e e 口 r 仳 s 砌 & ， r 吁 毋 g 矾 主要符合表 甜。 最小喷动速度( m s ) 甜“最小喷动流化速度( m s ) 希腊字母 速度( m s ) 床内焦炭颗粒的体积( m 3 ) 焦炭摩尔质量( g m 0 1 ) 体积百分比( ) 反应转化率( ) 于煤气产率( n m 3 k g ) 组分质量百分含量( ) 密度( k g m 3 ) 体积份额 动力粘度( p a s ) 喷动流化床底部锥角( 。) 压力应变张量 相与相间的动量交换系数 体积粘度( p a - s ) 内部摩擦角( o ) 导热系数w ( m 目 机理因子 下标： j 固相 g 气相 m 混合物 v 矿 圪 心 x x y 影 d “ 睁 疗 丑。 m 丑 妙 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 煤炭是我国最主要的能源资源。据专家预测：2 0 2 0 年中国一次能源的需求在2 5 3 3 亿吨标准煤 之间，最少将是2 0 0 0 年的一倍。煤炭是2 0 5 - 2 9 亿吨，石油是4 5 6 1 亿吨，天然气是1 4 5 3 1 6 5 4 亿 立方米，发电装机容量是8 6 5 9 4 7 亿千瓦，都有大幅度增长。至于2 0 5 0 年的一次能源需求，估计 将在5 0 亿吨标准煤左右，到2 0 5 0 年煤所占据的比例仍将在5 0 左右i l j 。煤炭在发达国家主要用于 发电，以美国为例，它的煤产量的9 0 用于发电。燃煤发电量至今仍占美国总发电量的5 5 。2 0 0 0 年我国有大约4 0 的产煤用于发电，这个比例将日益提高，因为煤炭只有在大型电站使用时，才有 利于集中处理，做到高效洁净使用。我国是一个以燃煤发电为主的国家，目前燃煤发电机组占总装 机容量的7 0 以上，到2 0 3 0 年煤电机组的比重仍高达6 0 左右，但发电煤耗高出发达国家的煤耗 1 5 2 0 ，燃煤发电释放的污染物s 0 2 和n o ，的排放鼍占总排放量的4 0 一5 0 ，导致环境污染严重， 可持续发展面临较大的压力。我国能源中长期发展纲要( 草案) 指出的能源发展战略是；“坚持以煤 炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。 由于我国资源特点，以煤为主的能源供应在相当长的时间内不会改变。按目前技术的延续进行 煤炭的开采利用，资源与环境无法承受，因此新一代的洁净煤技术应当成为我国能源技术发展的战 略重点。 由此可见，大力发展高效率、低污染的洁净煤发电技术愈加迫切，作为高效洁净煤的发电技术， 常规燃煤电站加脱硫脱硝( p c + f g d + d e n o 。) 作为当前火力发电的主流技术，在我国及世界各国都是 如此，随着蒸汽参数进一步提高以及相应配套的脱硫、脱硝技术的提高，电站的净效率和污染物排 放指标往更高水平的发展还有着一定的空间，这是发展的一个方向。燃煤电站进一步发展的另一个 空间，就是已经有着3 0 - 4 0 年发展历史的燃煤联合循环发电技术，如i g c c 、p f b c 等，但这两种联 合循环发电技术净效率还是不够理想，只有4 2 ，如p f b c 燃气入口温度偏低致使净效率不高。2 g p f b c c c ( 或称为a p f b c - c c ) 技术就是为了弥补p f b c c c 的不足而提出的。a p f b c c c 系统在增 压气化炉中采用空气部分气化( 碳转化率7 0 ) 方案，产生的煤气在低热值煤气燃烧室中产生1 2 0 0 。c 左右的高温燃气，进入燃气轮机发电，气化炉产生的半焦在增压流化床( p f b ) 锅炉或常压流化床 ( p f b ) 锅炉的燃烧室中燃烧产生蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机发电。该联合循环中，燃气轮机发电占总 发电量的4 5 5 0 ，加上燃气轮机入口温度大为提高，因此联合循环发电效率能达到4 8 5 0 ，而煤 部分气化炉是2 gp f b c 系统中关键设备之一。 加压喷动流化床是从喷动床发展起来的一种新的炉型，兼有喷动床、流化床的特点，且有对煤 种适应性宽、不易结渣、气固接触性好、气化效率高等优点。我所曾经承担了国家重点基础研究发 展规划二级课题“加压煤气化、燃烧集成系统的验证”( g 1 9 9 9 0 2 2 2 1 0 5 3 ) 研究项目，开发具有自 主知识产权的煤加压喷动流化床部分气化和半焦加压流化床燃烧集成系统。 本课题的研究工作是该课题的延伸。 1 2 国内外研究概述 1 2 1 第二代增压流化床联合循环发电技术的研究进展 随着p f b c 电站在世界范围内商业示范的成功，其优异的环保性能受到制造商和用户的广泛关 注。第一代p f b c 电站由于受到p f b 炉内燃烧温度的限制，其燃气透平入口温度不能大于8 7 0 ， 也就阻碍了燃气布雷登循环效率的进一步提高，发电净效率在4 2 左右 2 1 ，比常规超l 临界电站发电 净效率高2 个百分点，在一定程度上制约了该技术的发展和推广。为了进一步提高燃气蒸汽联合循 环的效率，提出了2 g p f b c - c c 的概念，它最早由英国c r e ( c o a l r e s e a r c h e s t a b l i s h m e n t ) 提出， 其主要思路是在原有p f b 炉前置一台p f b 部分气化炉或炭化炉，部分气化炉产生的煤气在燃气透 l 东南大学博士学位论文 平顶置燃烧室中燃烧，以提高燃气透平入口温度，生成的半焦在加压或常压流化床内燃烧，构成气 化一燃烧的混合系统由此形成了以下几种主要的技术路线： 图1 1f o s t e rw h e e l e r 开发的a p f b c 系统图 f o s t e rw h e e l e t 公司提出a p f b c 系统，其系统流程如图1 1 所示。主要特征是加压气化，加压 燃烧，两级高温除尘，熟煤气和热烟气在透平燃烧器中燃烧后混合进入透平作功。 英国的c r e 致力于发展空气鼓风部分气化联合循环( a b g c ) 技术，也有人称之为“h y b r i d ” 系统，即部分气化一半焦燃烧混合联合循环。该系统由增压流化床部分气化炉产生热煤气，流经煤 气冷却器冷却至4 5 0 5 5 0 ，然后进入中温过滤式除尘器除灰，洁净的煤气在低热值燃烧器中燃烧 产生高温烟气，进入燃气透平发电。煤经气化炉部分气化后产生的焦进入常压循环流化床( c f b ) 锅炉燃烧，产生蒸汽送至蒸汽透平发电。该系统如图1 2 所示： 图1 - 2c r e 开发的a b g c 技术路线系统图 我国在第一代p f b c 技术研究开发成功的基础上，开发具有自主知识产权的煤加压喷动流化床 2 第一章绪论 部分气化和半焦加压流化床燃烧中试规模的集成系统，成功地完成了该系统的相关试验。提出适合 我国国情的增压部分气化联合循环( 2 g p f b c - c c ) 技术路线。 1 2 2 流化床煤气化炉研究概况 流化床煤气化是最早工业化的气化工艺之一，经多年的发展，形成不少种炉型。在美国有u - g a s 、 k r w 、t r a n s p o r tr c t o r 、h y - g 、c o 七、c 0 2 - a c c 帅r 、e x x o n 催化气化等，在日本有旋流板 式的j s w ，喷动流化床气化炉，在德国有高温温克勒h t w ，及l u r g i 公司开发的循环流化床气化炉 c f b g ，在加拿大有喷动床气化，在中国有灰熔聚气化、双器流化床、分区流化床、循环制气流化 床水煤气炉及加压流化床等肛”。从流化床气化炉的结构上来看，上述炉型基本分成鼓泡流化床、循 环流化床与带中心射流的流化床如喷动或射流流化床等不同形式。 针对2 g p f b c c c 煤部分气化炉或与之相关的增压气化炉，国内外已经展开了很多研究。 美国f o s t e rw h e e l c r 公司及其协作单位共同开展，由d o e 提供资助，在j o h nb l i z a r d 研究中心 建造了2 5 m w t h 的a p f b c 试验装置，其加压部分气化炉外径7 6 2 m m ，高1 0 5 m ，内保温，密相区 内径2 5 5 m m ，高1 1 m ，扩展段内径3 0 5 m m ，此段高6 5 m ，自由空间高2 9 2 m ，内径3 5 6 m m 。采用 喷动床炉型，喷动管内径2 5 4 m m ，空气、煤及脱硫剂以1 2 2 1 8 3 m s 的速度喷入床内，半焦经错列 n 2 管束冷却至1 4 9 后排出。试验电站于1 9 9 1 年5 月试运投产，同年1 1 月进行加压部分气化炉第 一轮试验，已完成8 轮3 7 个工况运行，运行温度8 1 6 9 8 2 ，压力1 0 1 1 4 2 m p a 。试验煤种为 p i t t s b u r g h 8 # ，i l l i n o i s 6 # 与e a g l e b u t t e 煤，颗粒0 3 m m ，煤气中c o 浓度为1 5 2 0 ，h 2 浓度在1 0 1 5 ， 试验中没有检测到焦油蒸汽。随后p s d f ( p o w e r s y s t e m d e v e l o p m e n t f a c i l i t y ) 在a i a b a m a 州w i l s o n v i l l e 将f o s t e r w h e e l e r 喷动床气化炉进行了放大试验，气化炉密相区内径1 m ，悬浮区内径1 3 m ，高1 8 m ， 炉内不布置受热面，气化炉运行温度8 7 0 9 8 0 c ，压力1 o m p a ，加煤量2 1 8 0 k g h ，空气量2 8 1 5 n m 1 1 ， 流化速度l r n s ，炉内石灰石脱硫，主要运行结果：碳转化率6 5 7 5 ，煤气热值4 8 5 m j n m 3 ( h h v ) 。 气化炉单元试验于1 9 9 8 年完成。 英国的c r e ( c o a lr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 自二十世纪七十年代中期就开始进行喷动流化床气化 炉的研究，相继完成了煤处理量0 5k g e n 和5 0k g h 的小型试验研究。在此基础上，1 9 8 2 年建造煤 处理量5 0 0k g h 的中试气化炉，进行了近2 0 0 0h 的常压试验，考察了煤种、粒径、富氧度、温度、 细粉循环、床层高度等对煤气成分、热值、碳转化率的影响。试验验证了喷动流化床具有良好的煤 种适应性，煤气热值在3 7 3 9 m j n m 3 ，细粉循环后碳转化率大幅度提高。此外向煤中加入吸收剂如 石灰石进行了脱硫试验，对于2 ( 质量含量，干燥基) 含硫量煤来说，钙硫摩尔比2 ，则h 2 s 从2 2 0 0 p p m 降低到4 4 0 l a p m 【。c r e 还建成了密相区内径o 3 2 m ，悬浮区内径0 4 5 i n ，高l l m 的加压喷动流化 床试验装置来评估主要参数对工艺性能的影响，但试验结果未见公开报导。 针对上两种工艺，国外很多研究者进行了基础性的研究。z e v e n h o v e n 等“”在加压热重和加压 丝网炉上针对2 gp f b c 系统研究了温度、压力和加热速率等对不同性质的燃料( 从烟煤到木材) 的 挥发份析出和焦的活性的影响。研究发现较年轻的煤，如褐煤、泥煤，受压力影响较烟煤小，煤中 o c 摩尔比与半焦活性直接相关。z h u o 等【l2 】比较了宽筛分煤在小型和较大型气化炉中的碳转化率， 结果表明，压力提高，碳转化率增加，在蒸汽气氛下，碳转化率比c 0 2 气氛下高。在高温的气化炉 内初始1 0 s 内，形成的半焦其燃烧活性随着停留时间急剧下降。r o b e r t 等”在增压热重分析仪上研 究了煤热解压力对煤焦的活性的影响，试验中使用了三种澳大利亚褐煤，研究认为压力通过影响煤 焦的结构和微孔的表面积，从而影响了反应物向焦表面的扩散，进而影响了焦的化学反应速率。 l e m a i g n c n 等 1 卅研究了煤灰中的无机物( 包括金属化合物) 对煤气化的影响，证实这些物质对气化 反应起到催化作用，特别是c a 和f e ，催化效果与煤种有关，很难归纳一个具有普遍意义的关联式。 b e n s o n 等【”1 对燃用低品质煤造成流化床气化炉床内结焦和壁面玷污的原因进行了研究，研究发现， 煤灰、脱硫剂和床料反应形成低共熔的化合物( c a 、m g 、a i 、s i 类化合物) 是造成床内结焦的主要原 因，壁面结垢物主要是高钙、镁的化合物。h a n s o n 等”在一个内径7 6 m m ，高2 5 0 m m 小型喷动床 气化装置上研究了煤颗粒大小对煤热解及气化的影响，认为粒径在0 - 3 m m 范围内对热解与气化的影 响不大，颗粒大的煤在炉内更易破碎，小颗粒将膨胀，同时半焦活性也与颗粒大小无关。 3 东南大学博士学位论文 荷兰d e l f t 大学提出了利用生物质和煤为燃料的2 gp f b c 方案，并建立了1 5 m w t h 的试验装置， 压力分别为0 3 5 m p a 和0 5 m p a ，气化炉温为8 5 7 下进行了褐煤试验。试验结果为：煤气热值3 5 2 m j l ( g ( h h v ) ，碳转化率9 0 0 , ，木材气化数据较褐煤好，煤气热值可达4 6 4 m j k g ( h h v ) ，碳转化率9 8 ， 试验还对气相污染物如h 2 s ，n h 3 ，h c n ，p a h s 等进行了研究”7 。 建在日本若松的2 g p f b c 中试装置( p d u ) ，流化床部分气化炉外径1 5 0 0 m m ，内径5 7 0 m n l ，总 高9 0 0 01 1 1 1 1 3 ，采用燃烧炉出来的含氧烟气，辅助空气和蒸汽作为气化剂，虽然含氧烟气带来了大量 显热，但烟气中大量的a d 2 、n 2 等惰性气体可能对煤气热值产生影响，煤气化炉验证试验累积运行 6 3 5 d , 时，最长连续运行6 5 d 时，进行了三种澳大利亚煤的气化和脱硫试验。试验基本数据：气化炉 压力为1 9 m p a 、温度9 9 0 9 9 8 3 2 ，运行床高5 8 5 9 m ，煤气熟值在3 2 8 - 4 0 4 k t j n r l l 3 ( h h v ) ，碳转化率 7 2 7 5 【1 9 。 德国b r a n d e n b u r g 大学建立了o 2 m w t l l 加压流化床气化装置，燃用德国本地褐煤，由于煤水分含 量高( 1 9 ) ，以及炉体散热的影响，在压力0 5 8 m p a ，8 5 0 3 2 气化时，煤气热值仅为1 3 8 1 6 2 m j k g ， 同时还采用s i e m e n sv 9 4 3 a 型燃气透平进行了2 gp f b c 电站的概念设计，预计电站的净效率可达5 0 ( l h v ) 口o 】。 国内近年来东南大学在国家“9 7 3 ”项目“煤热解、气化、高温净化基础研究”资助下，在已建 立的熟输入2 m w t 的煤增压部分气化试验中试装置上进行试验研究。气化炉主要尺寸：内径0 4 5 0 m m ， 高度3 7 0 0 m m ，自由空间内径0 6 4 0 m m ，高度6 5 0 0 m m ，设计压力0 8 m p a 。炉型：喷动流化床。气化 煤量3 5 0 k g h 。 部分气化炉按预定的碳转化率7 0 的条件进行试验，压力为0 5 m p a ，气化温度9 5 0 9 8 0 。实际 碳转化率为6 8 6 0 7 2 2 ，煤气热值h h v 4 5 2 - 4 6 7 m j n m 3 ，l h v 4 1 0 - 4 3 0 m j n m 。煤科院北京煤 化所与上海成套所承担国家“八五”攻关项目“加压粉煤流化床气化的开发研究”，建立了d n l 0 0 和d n 3 0 0 的气化装置，在d n l 0 0 装置上进行了不同煤种、富氧和空气气化的研究，主要研究工艺参 数对气化过程的影响j 。在d n 3 0 0 装置上进行了两种焦炭和三种煤的气化试验，采用了飞灰循环和 灰熔聚技术提高碳转化率，压力0 6 - 1 0 m p a ，温度9 7 0 3 2 1 0 0 0 ，加煤量8 5 2 0 0 k g h ，空煤比2 3 3 5 ， 汽煤比0 3 - 0 7 6 ，煤气产率2 5 6 3 n m 3 k g 煤，碳转化率6 3 - 9 4 ，煤气热值2 8 - 4 5m j n m 3 ( l i v ) 拉2 】。 中国科学院山西煤碳化学研究所从8 0 年代开始研究灰熔聚射流流化床粉煤气化技术，建立了一套直 径0 2 m ，压力1 5 m p a ，日处理量3 t - 4 t 煤的加压灰熔聚流化床粉煤气化试验装置，在该装置上进行 了府谷煤的气化试验，考察了压力、温度对煤处理量、碳转化率、排出灰渣中碳含量、煤气组成等 工艺指标的影响，研究发现，提高压力，碳转化率、冷煤气效率均有提高，排出灰渣中碳含量降低， 煤气热值达到4 6 0 m j n m 3 5 4 3 m j n m 3 ，甲烷含量2 5 3 o ，气化强度与压力的0 7 次方- 0 7 5 次 方成正比( 在表压0 m p a 1 4 m p a 范围内) 幽】。此外建立了工业装置内径2 4 l n ，日处理量1 0 0 t ，以氧 气蒸汽鼓风生产合成气，常压运行例。 东南大学肖睿等删建立了热输入0 1 m w t h 的增压喷动流化床煤部分气化试验台，并在该试验台上 进行了空气蒸汽高度预热新工艺可行性研究，并进行工艺优化试验研究，对气化工艺参数如气化温度、 压力、空煤比、汽煤比等进行变工况试验研究，获得优化气化参数。 此外部分研究者对流化床煤气化过程中的还原态脱硫进行了研究。步学朋等口7 】在0 1 0 0 m m ) j u 压 流化床气化装置上，对不同煤种和不同钙基脱硫剂进行了试验研究。结果表明：脱硫效率随c a s 摩 尔比增加而提高，并且当c a s = 3 时达到最大值。发现操作压力对脱硫效率的影响与床层温度和c 0 2 分压有关。吴治国等唧1 在台式流化床煤气化装置( m 3 0 m m ) 上研究了影响炉内脱硫效率的因素。