分级气流床煤气化技术的实验室研究参考.doc

分级气流床煤气化技术的实验室研究 张建胜1，岳光溪1，顾大地2，李思斌2，韩喜民3，王中刚3（1. 清华大学热能工程系，北京 ；2. 北京达立科科技有限公司，北京 ；3. 山西丰喜肥业集团股份有限公司临猗分公司，山西 临猗 ） 2007-02-14 [摘? 要]? 介绍了一种具有自主知识产权的分级气流床气化工艺，并进行了冷热态实验研究。研究结果表明，在同样运行条件下，分级气化的有效气体成分要高于连续气化。 [关键词]? 气化；分级；有效气体 ? ??? 煤气化是洁净煤技术的重要组成部分，它以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸气等气体为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，得到不同组分不同热值的煤气。将廉价的煤炭转化成为清洁煤气，既可用于生产化工产品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电（IGCC）和以煤气化为基础的多联产等领域[1，2]。以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统，可同时获得多种高附加值的化工产品和多种洁净的二次能源。可以相信，以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统将是中国煤化工今后的发展方向。煤化工的发展必须以煤气化为“龙头”，因此煤气化技术是煤化工的关键。 ??? 煤气化技术的发展表明，气流床煤气化炉具有很好的煤种适应性和优良的技术性能，是煤气化的首选技术，其中最具代表性的是德士古（Texaco）水煤浆气化技术、Destec水煤浆气化技术和谢尔（Shell）干煤粉气化技术[3,4]。近几十年来在原国家科委、计委、教委和各工业部门的支持下，我国在煤气化的研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作，开发了多喷嘴对置式水煤浆气化技术[5]、灰熔聚煤气化技术[6]等。清华大学、北京达立科科技有限公司也提出了一种新的高温纯氧气流床煤气化技术，即分级气流床煤气化技术。下面介绍这一技术的实验室研究情况。 1 工艺介绍 ??? 针对目前商业运行的水煤浆气化炉存在的问题和缺点，清华大学和北京达立科科技有限公司提出了将水煤浆的连续气化过程进行分级，形成一种新的煤气化工艺——分级气流床煤气化工艺。采用分级气化工艺，可以进行水煤浆、干煤粉及其他含碳物质的气化，其工艺过程如图1所示。 ??? 原料（水煤浆、干煤粉或者其他含碳物质）通过给料机构进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，其他气体，如CO2、N2、水蒸气等作为喷嘴雾化介质。在第一段控制氧气加入的比例，保持第一段的温度在合适的水平，不至于太高。在第一段中生成的气体以及未反应的固体混合物进入第二段，在第二段再补充部分氧气，使气化炉内的温度达到煤的灰熔点以上，在第二段完成全部的气化过程。 图1? 分级气流床煤气化工艺示意图 ? ??? 在国家863和973计划的支持下，清华大学对分级气流床气化技术进行了冷态实验研究、热态实验研究和模型研究。 2 冷态流场研究 ??? 在实验室建立分级气流床气化炉的冷态模拟实验台，采用三维激光颗粒动态分析仪（Particle Dynamic Analyzer, PDA）对气化炉内的三维流场进行测量，包括气化炉内的三维速度、雾化后的颗粒粒径、浓度分布等，重点研究了分级后二次射流对气化炉内流场的影响。 ??? 为了使测量结果具有指导意义，实验台尺寸是根据相似准则设计的。实验台设计的关键是水煤浆喷嘴，相似参数主要是几何相似和雷诺数相似，它们决定了流动模型和流动特征。对于像气化炉这样的同轴射流系统还要保证Thring-Newby准则数相同，这样就可以保证两系统相似。根据这些准则设计的实验台如图2所示。为便于加工和观察，喷嘴和炉体都采用有机玻璃制造。炉体直筒段高度为1300mm，直径为500mm。在离开炉体直筒段上沿250mm、450mm、650mm、850mm和1050mm的高度上分别设置了5个测量用的观察窗，从上到下依次编号为I、II、III、IV、V。同时在侧面距离直筒段上沿250mm、350mm和450mm的位置设有三层二次射流口，即图中的T、M、B位置，每层布置4个。二次气流经过这几个二次射流口由特殊的二次喷嘴进入炉内。为了比较二次气流的影响，同时测量了不加二次气流工况下的炉内速度分布情况。在加入二次射流的情况下，测量了不同二次射流流量和二次气流分别从上、中、下三层进入炉体时气化炉内的流场情况。 图2? 冷态实验台观察窗和二次射流口位置示意图 ??? 图3和4给出了二次射流的流量和位置对气化炉内截面I处轴向和切向速度的影响。从图3(a)的轴向速度分布来看，二次气流加入后，从壁面开始到炉膛中心，在相当的距离范围内存在一个轴向速度接近0的区域，说明壁面附近的二次气流对主气流有一个截断作用。而在靠近炉膛中心处，轴向速度则比不加二次气流时有所增加，这主要是因为到达炉膛中心后，二次气流方向已经由横向转为和主气流