昭通褐煤气化扩大试验研究

第25卷　第2期煤　炭　转　化V o l.25　No.2 2002年4月COA L CON V ERSIO N A pr.2002昭通褐煤气化扩大试验研究X何　屏1)　张　绪2)　尹承绪3)　贾九民4)　喻依兆5)　郭森魁6) 摘　要　针对昭通褐煤的特点,在气化煤量为0.3t/h的焦载热流化床气化扩大试验装置上进行了试验研究.研究结果表明,煤气中焦油量很小,有利于煤气生产的后期处理;与移动床气化和普通流化床气化相比,煤气热值和气化产率都有较大增加,煤气热值已接近城市煤气的要求;加大气化煤量可增加提升段燃烧的易燃成分,从而提高了燃烧温度和气化温度;气化煤量的变化对褐煤气化产率和产量的影响较大.对于开发昭通褐煤资源来说,采用本工艺技术生产城市煤气是一个较佳的方案.关键词　褐煤,煤气化,煤气,焦载热,流化床中图分类号　TQ540　引　言昭通褐煤已探明的储量约80亿t,因其水分高、发热值低、热稳定性差,长期以来未能大规模开发利用.但昭通褐煤挥发分产率高,化学活性好,是极好的煤气化原料.针对昭通褐煤的这些特点,本文利用流化床焦载热气化技术,建成气化煤量为0.3t/h 的扩大试验装置,并对昭通褐煤进行了试验研究,以期通过本研究能加快昭通褐煤开发利用的步伐,将资源优势转化为经济优势.1　实验部分本装置的技术特点是,以褐煤半焦作为固体热载体,并以流态化方式按气化过程所需热量来组织物料和热量的传输,见图1.热载体半焦在燃烧提升段被提升的过程中,部分燃烧并加热自身获取热量;在提升段顶部的气-固分离器内,热载体与燃烧烟气分离后,进入气化器提供气化热量.这样,既避免了燃烧烟气中的二氧化碳和氮气进入煤气,降低煤气热值,又省去投资较大的空分装置.流化床气化采用图1　工艺流程图F ig.1　Pr ocess diagr am1——Lifting-fire tu be;2——GasifierⅠ;3——GasiferⅡ;4——Gas-s olid separator;5——Distributing gate水蒸气作为流化介质.需气化的褐煤经螺旋给煤机送入气化器Ⅰ进行流态化气化,根据气化温度的高低,可产生热解煤气和部分水煤气.由于昭通褐煤化X云南省省院省校科技合作项目(98YQ019).　1)副教授;5)硕士生;6)教授,昆明理工大学电力工程学院,650051昆明;2)研究员;4)高级工程师,清华大学煤燃烧国家工程中心,100084　北京;3)教授级高级工程师,昆明煤炭科学研究所,650011　昆明　收稿日期:2002-01-09学活性好,可在较低的温度下进行气化,采用流化床气化正是体现了这一优势.气化后的煤,半焦或焦,从气化器底部的下料管进入提升段提升燃烧.设置气化器Ⅱ的目的是,可根据工艺的需要,将分离器分离的高温焦分流部分到其中进行更深程度的水煤气气化反应,以期能增加褐煤的气化率和煤气的产量及种类.气化后的物料与气化器Ⅰ相同,也进入提升段燃烧加热.同时,当气化器Ⅰ进行低温热解气化时,气化器Ⅱ中温度较高的物料与来自气化器Ⅰ的低温焦混合有助于提高提升段内的燃烧温度.气化产生的煤气经气化器顶部的煤气管引出至煤气净化燃烧室燃烧,再经净化处理后由烟囱排放.在气化器顶部的三通管设置煤气采样口,分流少量采样煤气经热过滤器、空气冷却器粗除尘冷至约50℃,再经过水冷至室温,冰冷至0℃,脱脂棉过滤器细除尘,收集液体产物,最后经干冰冷凝器冷至-43℃,收集油类产物,真空泵抽吸进行气体采样.煤气的流量计量采用气体示踪法进行.将计量的示踪气体氦气通入气化器下部的风室,随流化介质进入气化器与煤气迅速混合,分析采样煤气中氦气的成分即可计算出总的煤气流量.2　结果与讨论2.1　空气作为流化介质的气化一般流化床气化以空气和水蒸气作为流化介质和气化剂,空气同时也作为助燃剂.由于空气中的氮气和煤燃烧产生的二氧化碳气体进入煤气,所以煤气热值很低.本研究从利于与焦载热气化进行比较以及易于气化器物料升温的目的出发,用空气作为流化介质进行了气化试验,结果见表1.表1　空气作为流化介质的气化结果　T able1　T he r esults of coa l g asification w ith fluidizing medium-airSam ple O2N2CH4CO CO2C2H4C2H6H2Q DW/M J/Nm3 L112.0145.81 2.348.2224.220.1507.25 2.747 L214.8456.090.43 5.5111.220　011.91 2.135从表1可看出,所取两个煤气样的热值都很低,是大量不可燃气体氮气稀释了煤气可燃成分的结果,与后面用水蒸气作流化介质的焦载热气化比较差异极大.煤气中烷烃类成分含量也很少,原因是其参与了燃烧的结果.2.2　移动床焦载热气化气化器内不通入任何流化介质,褐煤随物料在气化器内呈移动床形式边向下移动边热解气化.本试验的目的旨在研究焦载热气化对煤气热值的影响.试验结果见表2和图2.表2　移动床焦载热气化结果T a ble2　T he result s o f pa cked bed g asificationSample T em p./℃O2N2CH4C O CO2C2H4C2H6H2Q DW/M J/Nm3 L14500 1.32 4.49 6.6711.9713.540.880.5140.629.137L15558 2.23 6.347.8811.9634.71 1.72 1.1634.009.774L16575 1.997.738.9913.0236.23 2.15 1.1828.7110.004L18607 1.12 3.208.1210.2324.35 3.84 2.1646.9512.942L196300.84 2.7510.1813.9529.72 5.46 2.5234.5814.012图2　移动床气化温度分布Fig.2　T emper ature pr ofile o f packed bed gasificatio n ×——Upper;●——M iddle u pper;▲——M iddle below;□——Below 从本试验可以得到以下结果:(1)将表2和表1进行比较,氮气含量大幅度减少,热值增加了6倍,充分表明了焦载热气化可以避免空气中氮气进入到煤气中的优点.(2)气化器物料温度不均匀.从图2可见,温度分布是“中下部”最高,“下部”最低,反映气体温度的“上部”和“中上部”居中,最高值与最低值的差值达150℃～200℃.原因是,中下部正好是高温焦进口的位置,所以温度最高;而下部温度反映的是移动床“死角”区的温度,所以温度最低,数值也相对稳定.说明移动床气化物料混合差,传热速度慢,热量利用56 煤　炭　转　化 2002年率低,煤气产率也低.2.3　焦载热流化床热解气化试验采用水蒸气作为流化介质,避免了用空气作流化介质氮气混入煤气中的缺点,又克服了移动床气化温度不均匀的不足.试验结果见表3和图3～图5.由此得到如下结果:(1)气化器内物料温度均匀.从图3可见,气化表3　焦载热流化床气化结果T able3　T he results of coa l g asificat ion using coalite as solid heat carr ier w ith fluidizing medium-steam Sample Temp./℃He O2N2CH4L246240.920.64 6.6210.59L25654 1.190.43 3.0711.96L26708 1.860.79 3.1913.43L27716 1.74 1.03 5.3710.92L28752 1.690.96 5.837.50L29790 2.130.57 5.567.82L30810 1.870.709.82 5.63 Sample CO CO2C2H4C2H6H2L249.5838.600.420.8431.79L2515.3138.27 1.040.9527.78L2620.5027.28 1.63 1.2620.06L2727.4530.41 1.280.5821.22L2835.2024.74 1.120.3722.86L2925.4320.79 3.55 1.4333.26L3017.1423.20.330.2041.11Sample T/℃Q DW/M J/Nm3R/Nm3/tM/t/hP/Nm3/hL246139.229410265109L2564510.45116252084L2669311.35220326554L2771210.80921726558L2874810.50842214059L2975712.44233514047L308108.94453器内地“下部”和“中下部”的温度非常接近,温差一般在15℃左右,与移动床气化比较,温差减小了10倍以上.说明物料的混合程度高,传热速度快,因此气化强度增大,单位时间产气量也增大.(2)气化温度是影响煤气热值主要的因素.如表3和图4所示,对于气化煤量相同的情况(L24, L26,L27,L28和L29),随着温度的升高,煤气热值均呈增加的趋势.原因是随着温度的升高,煤气中CO2的含量降低,热解的可燃成分含量增加,特别是高热值烃类成分CH4,C2H4和C2H6的热裂解脱出和焦油的二次裂解,故煤气热值增高.因此在稳定地给入气化煤量时,煤气的热值主要与温度有关.图3　焦载热流化床气化温度分布Fig.3　T em per ature pro file o f co al g asificat ion us-ing coalite as solid heat car rier with fluidiz-ing medium-steam×——U pper;●——M iddle upper;▲——M iddle below;□——Below图4　焦载热流化床气化煤气热值Fig.4　G as calor ific o f co al gasifica tion using co aliteas solid heat ca rr ier w ith fluidizing medium-steam图5　焦载热流化床气化煤气产率Fig.5　T hr oughput r ate o f coal g asificat ion usingcoalite as so lid heat car rier with fluidizingmedium-steam(3)褐煤气化率R和产气量P受气化温度T 和气化煤量M的影响较大.如图5和表3所示,气化温度升高,煤气产量呈增加的趋势.原因是随着温度的升高褐煤中热裂解的成分增加,焦油产生了二次裂解,水煤气反应逐渐加强,因此加大了煤气的产量P.气化煤量影响煤气产率的情况较为复杂.气化煤量越多,煤气产率呈下降的趋势.原因是在一定工况下,气化器的气化强度一定,气化煤量的增加会造成褐煤气化深度不够,因此使得气化率降低(如试样57第2期 何　屏等　昭通褐煤气化扩大试验研究L25),而气化煤量过少会造成气化能力过剩,又会影响煤气的产量.从试验的结果看,本试验装置的气化能力在150kg/h～250kg/h最为合适,煤气产率最高可达400Nm3/t,热值为12M J/Nm3左右.2.4　褐煤半焦气化表3中L30是停止气化器进煤,即M为零的情况下,所采的煤气样,目的是研究褐煤半焦水煤气反应的情况.分析结果表明,H2的量非但没有减少,而且比气化器进煤时还高,说明在该温度水平下已有较旺盛的水煤气反应;其它热裂解可燃成分,如CH4,C2H4和C2H6的比例有所降低,但仍有一定的量存在,特别是CH4的比例还很大,表明气化器中的褐煤热解气化深度还不够.分别从气化器和气-固分离器中对物料取样进行的工业分析表明(见表4),物料中所含挥发分均在15%左右,也说明了褐煤热裂解气化的深度不够.原因可能是褐煤的气化器内的停留气化时间不够,因此物料中还残留部分挥发物质.表4　焦的工业分析T able4　P ro x imate analysis o f coalite Sam ple M a d A d V daf FC dGasifier 2.8864.5414.4330.34Separator 4.2251.7416.3640.36 2.5　气化副产焦油从热解气化取样过程看,液化收集器的冷凝液中绝大部分是冷凝水,焦油含量很小.从采集的10 m3煤气中,收集到的热解水和乳化液共计538g,重量百分比约为5%.经分离得到的热解水482g,冷却后呈棕色,其中含有大量的酚类有机化合物;剩余的50g可视为焦油部分,但其中还含有较多的固体保留物,主要是煤粉.焦油部分经酸、碱处理后,未发现有可溶于酸、碱的物质,因此可判断大部分为煤沥青,少量为重质芳烃.在干冰冷凝器中,未明显收集到C4—C5成分的轻油部分产物.通过改变褐煤粒度、气化时间和温度试图增加热裂解气化液体产量,但收效甚微.初步分析焦油收率小的原因可能是:(1)如文献[1]和[2]所述,本气化器的气空间较高,气体停留时间较长,因此焦油蒸气二次裂解成为气体.(2)受到流化条件和分离器分离效果的限制,气化褐煤的粒度相对较大;由于物料循环量大,气化褐煤在物料层的停留时间短.因此气化褐煤在气化器中的热解程度不高,产生的焦油蒸气量小.未裂解部分是易燃成分,进入提升段后很快即被燃烧掉.3　结　论(1)用空气作流化介质气化煤气热值低,是大量不可燃气体氮气进入煤气、高热值的烷烃参加燃烧的结果.(2)移动床焦载热气化煤气热值明显升高,但气化器内温度不均匀,物料混合程度低,热量利用率低,煤气产率低.(3)焦载热流化床热裂解气化温度均匀,温差仅为15℃.煤气热值和产量均随温度的增加而增加,是褐煤中热裂解成分进一步增加和焦油蒸气二次裂解的结果.气化煤量对褐煤气化产率影响较大,给煤量过大,会造成褐煤气化深度不够,煤气产率下降;给煤量过小会影响煤气的产量.试验结果表明,本试验装置的气化能力以150kg/h～250kg/h最为合适,煤气热值达12MJ/Nm3左右,气化产率在400Nm3/t以上.(4)褐煤半焦水煤气试验结果表明,H2的量明显增加,说明昭通褐煤半焦的反应活性很好,在约800℃左右已有较旺盛的水煤气反应.但物料中挥发分含量还较高,表明褐煤热解气化深度还不够.原因可能是褐煤在气化器内的停留气化时间不够.(5)热解气化中的液体产品量很少,仅为5%.其中热解水占90%以上,焦油部分极少.对焦油处理发现,大部分为煤沥青,未见轻油产物.原因可能是焦油蒸气在气化器中二次裂解.煤气中液体产量小,对煤气生产后期处理有好处,可减少煤气生产装置的投资和运行成本.(6)煤气热值已接近用作城市煤气的要求,若再经过加压水洗初步脱出CO2,热值就将超出城市煤气热值较多.因此对昭通褐煤来说,采用本工艺生产城市煤气是较佳的方案.参　考　文　献[1]　李海滨,杨之媛,吕　红等.煤在流化床中的热解.燃料化学学报,1998,26(4):339-343[2]　贾永斌,张守玉,程中虎等.热解和气化过程中焦油裂解的研究.煤炭转化,2000,23(4):1-558 煤　炭　转　化 2002年THE ENLARGE TEST STUDY OF GASIFICATIONFOR ZHAOTONG LIGNITEHe Ping Zhang Xu *　Yin Chengxu **　Jia Jiumin *　Yu Yizhao and Guo Senkui (College of Electric P ow er E ngineering ,K unming Univer sity o f Science and T echnology ,650051K unming ;*N ational E ngineering Centr e of Coal Burn ,T singhua Univer sity ,100084Beij ing ;**K unming Research I nstitute of Coal Science ,650011K unming )ABSTRACT In the light of char acteristics of Zhaotong lig nire,the test study of g asification has been developed at the enlarg e test installation w ith fluidized bed g asifier using coalite as so lid heat carrier w hich g asify lig nite w ith the ability o f 0.3t /h .The study results demo nstrate that gas tar is very little,favo rable for later stag e of gas manufacture;that calorific value and y ield of gas ar e increase to a certain of ex tent by comparison w ith packed bed g asifier and general fluidized bed gasifier ;that the calorific value of gas has appro ached the national standards of city gas ;that co mbustion temperature and g asification temperature is elevated through increasing coal supply to increase inflamm able material in so lid heat car rier of the riser ,but,the change of coal supply ex-er ts an influence on the rate and the yield o f gasification.Fo r these r easo n,the better plan o f the development of Zhaotong lig nite is gas m aking by this technolog ical process .KEY WORDS lig nite,co al g asification,g as,coalite as solid carr ier,fluidized bed(上接第50页)[13]　Chakrabar tty S K,Kretsch mer H O.Stuftu re of Coals :Valen ce State of Carbon in Cial.Fu el,1974,53:132-136[14]　徐龙君,鲜学福,张代钧.突出区煤的化学组成和大分子结构研究.重庆大学学报,1997,20(2):69-74XRD STUDY ON SOLID PRODUCTS OF PLASMAPYROLYSIS OF COALWang Dazhi Tian Yajun and Xie Kechang(State K ey L ab o f C 1Chemistry and T echnology ,T aiyuan Universityof Technology ,030024Taiy uan )ABSTRACT Sev eral w ays have been used to analy ze the XRD gr aphics o f chars and slag s w hich w er e pro duced in the H 2/Ar DC plasma jet with co als and liquefied gas .With the different co nditions and differ ent region of plasm a jet ,the order of C atom s and the structure of chars and slag s are different.The X-ray radial distribution function (RDF)w as discussed and used to de-term ine the structure o f slag s.T he main aim is to clear the process of the m echanism o f deposi-tio n on the reactio n w all and plasma reaction .KEY WORDS coal,liquefied gas,X-ray diffraction,plasma59第2期 何　屏等　昭通褐煤气化扩大试验研究。