循環流化床富氧氣化運行特性研究

鞏時尚，姜婭玲，張寶宗

(1. 中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 陜西嘉和華亨熱系統股份有限公司，陜西 寶雞 722400)

0 引言

目前國內化工、建材、陶瓷、輕工、鋼鐵等行業的工業窯爐主要以燃煤和天然氣為燃料，以燃煤為主的工業窯爐污染大、效率低，為企業發展增加了較大環保成本；以天然氣為主的工業窯爐，由于近年來天然氣價格連年上漲且供應不夠穩定，也為企業長期健康發展增加了經濟成本[1-2]。隨著國家對企業經濟性和環保性的要求越來越高，為工業窯爐尋找一種低污染、供應充足的燃料顯得極其重要。煤氣化產生的工業燃氣價格低、區域內供應穩定，因此目前可作為工業窯爐的主要燃料[3]。

近年來，國內已建成30余套循環流化床煤氣化裝置[4]，但大多數工業裝置煤氣熱值在1 300 kcal/Nm3左右，爐渣含碳量高于20%，碳轉化率低，造成能量大量耗費，本文針對該問題，以江西某產氣量為62 000 Nm3/h的循環流化床富氧氣化爐為研究對象，研究了不同煤種、粒徑分布、爐膛溫度、料層差壓、氧氣流量等因素對煤氣熱值、爐渣含碳量和碳轉化率的影響并進行了理論分析，為大型循環流化床富氧氣化爐運行和優化調整提供了方法。

1 試驗系統及方法

試驗以江西某62 000 Nm3/h循環流化床富氧氣化爐為對象，通過對不同影響因素的調整，探究其對煤氣熱值和碳轉化率的影響。

1.1 試驗原料

氣化爐試驗用煤為陜北神木原煤和內蒙古東勝原煤，采用輥式破碎機將原煤破碎成粒徑為1～10 mm的煤粉顆粒，煤的元素分析和工業分析見表1。氣化爐床料選用粒徑為0.5～2 mm的石英砂。

表1 原煤的元素解析和工業解析

1.2 試驗氣化裝置

氣化裝置如圖1所示，主要由循環流化床煤氣化爐、空氣預熱器、蒸汽過熱器、給料系統、氣化劑系統及輔助系統組成。其中循環流化床煤氣化爐由爐膛、旋內分離器和返料器組成，輔助系統包括流化內系統、灰渣冷卻系統、循環水系統、除塵系統和氧氣預熱系統等。給煤系統將氣化爐所需原煤送至爐內；氣化劑系統將氣化劑送至爐內；灰渣冷卻系統將爐渣和飛灰進行收集和冷卻；循環水系統為氣化系統提供冷卻水；除塵系統對煤氣進行除塵和凈化；氧氣預熱系統利用副產蒸汽對氧氣進行預熱。

圖1 江西某項目氣化爐系統流程圖

1.3 試驗方法

在熱態啟動前向該循環流化床富氧氣化裝置加入床料，利用床下油槍控制升溫速率，當爐膛溫度提升到550 ℃時進行投煤，當爐膛溫度達到850 ℃并穩定6 h后轉入氣化工況，氣化工況穩定后進行試驗，試驗采用單一變量法，不改變其他試驗條件以保證數據比較的有效性，每種工況穩定4 h，試驗結果取平均值，研究不同煤種、粒徑分布、爐膛溫度、料層差壓、氧氣流量等因素對爐渣含碳量、煤氣熱值和碳轉化率的影響。

為了在試驗過程中更好的評估氣化爐運行，引入碳轉化率Cconv：

式中：Cconv為碳轉化率，%；Cgas為干煤氣中的碳含量，kg；Cc為原煤中的碳含量，kg。

2 結果與分析

循環流化床氣化爐是利用煤在爐膛底部密相區與通入的空氣發生部分燃燒反應，產生的高溫氣體與爐膛上部較細的固體顆粒參與爐膛內循環，吸收熱量并與CO2、O2、蒸汽等氣化劑發生反應，生成煤氣。而煤氣熱值和碳轉化率的高低是評價其品質的主要指標。

2.1 煤種對氣化反應的影響

不同煤種，由于其組分不同，使得CO2反應活性也不同，而CO2反應活性是一項重要的氣化特性指標，其對爐渣含碳量、煤氣組分碳轉化率影響較大，本次氣化爐試驗煤種有陜北神木和內蒙古東勝兩種原煤，其CO2反應活性如圖2所示，在相同溫度下由于陜北神木原煤中元素組成中碳含量要高于內蒙古東勝原煤，使得其反應活性也高于內蒙古東勝原煤，尤其在950 ℃條件下，陜北神木原煤比內蒙古東勝原煤活性高26.1%。

圖2 不同煤種CO2反應活性隨溫度變化曲線

得到煤種的反應活性后，考察了兩種煤在富氧氣化裝置上的氣化運行特征，如圖3所示，在相同溫度下，陜北神木原煤氣化運行得到的煤氣熱值和碳轉化率均高于內蒙古東勝原煤，這是由于在相同溫度下氣化反應活性高的煤生成的煤氣有效組分(CO、CH4、H2體積分數之和)多，熱值高。循環流化床氣化爐運行溫度為920～960 ℃，其根據氣化爐原煤灰熔點和煤氣熱值來調整，一般為原煤軟化溫度減去150 ℃左右，試驗中確定了最佳煤種后，后期氣化爐運行優化時均采用陜北神木原煤。

圖3 不同煤種煤氣熱值和碳轉化率隨溫度變化曲線

2.2 原煤粒徑的影響

原煤粒徑對于循環流化床氣化爐的爐渣含碳量、煤氣成分、熱值和碳轉化率有著重要影響。試驗所用氣化裝置前期采用大顆粒煤較多，其中粒徑大于10 mm的占14.13%，而調整后為8.3%，降低了大顆粒煤所占比例，由表2可知，大顆粒煤占比降低后，氣化爐碳轉化率提高了0.88%，爐渣含碳量降低了10.36%，煤氣熱值提高了44 kcal/Nm3，這是由于原煤粒徑降低后，煤顆粒表面積增加，加快了氣化反應速率，使得更多的碳與氧氣反應生成CO和CO2，從而降低了爐渣含碳量，提高了煤氣熱值。

表2 原煤粒徑調整前后氣化爐主要參數

圖4 氣化爐原煤粒徑分布曲線

2.3 爐膛溫度的影響

圖5為煤氣熱值及組分隨爐膛溫度變化曲線，圖6為碳轉化率和爐渣含碳量隨爐膛溫度變化曲線，如圖所示，氣化爐爐膛溫度由920 ℃提高至960 ℃，CO體積分數增加了3.39%，H2體積分數增加了1.28%，CH4體積分數增加了0.26%，煤氣熱值提高了147 kcal/Nm3，爐渣含碳量降低了15.60%，碳轉化率提高了4.75%，這是由于提高爐膛溫度，不僅有利于煤中揮發分的快速析出，更有利于C與O2、CO2、H2O反應生成CO2、CO和H2，其中由于溫度相同時，C與CO2的活化能(反應物分子達到活化分子所需要的能量)最小，使得C將CO2轉化成CO，從而提高了煤氣組分中的CO和H2含量，提高了煤氣熱值和碳轉化率，CH4主要是由烴類、芳香側鏈和脂肪鏈的裂解產生[5-6]，隨著溫度提高，促進其裂解，裂解生成的CH4增加，但是CH4本身也隨著溫度的提高而裂解，因而整體上CH4體積分數增加不明顯。

圖5 煤氣熱值和組分隨爐膛溫度變化曲線

圖6 碳轉化率和爐渣含碳量隨爐膛溫度變化曲線

2.4 料層差壓的影響

在其他參數不變的情況下，研究料層差壓對循環流化床氣化反應的影響，具體見圖7和圖8。如圖所示，隨著床料厚度的增加，煤氣熱值由1 321 kcal/Nm3提高至1 507 kcal/Nm3，效果明顯，煤氣中有效組分H2增加1.62%，CO增加3.76%，CH4增加0.13%，爐渣含碳量降低16.8%，碳轉化率增加3.7%。這一方面是由于床料厚度的增加，爐內氣流速率減小，增加了煤粉顆粒在爐內的反應時間，另一方面，隨著床層差壓的提高，排渣量減少，增加了密相區濃度，延長了氣流與煤粉顆粒的接觸時間，使得氣化反應更徹底。同時，隨著床層差壓增加，減小了流化內速，增加了旋內分離器對小顆粒煤的分離效率[7]，從而提高了碳轉化率，提高了煤氣中的有效組分和熱值，降低了爐渣含碳量。

圖7 煤氣熱值和組分隨料層差壓變化曲線

圖8 碳轉化率和爐渣含碳量隨料層差壓變化曲線

2.5 氧氣流量的影響

其他條件不變，保證氧氣母管壓力穩定，通過入爐氧氣流量調閥控制氧氣流量，研究氧氣流量對氣化爐運行特性的影響。逐漸將氧氣流量由0 Nm3/h提高至956 Nm3/h，爐膛溫度也隨氧氣流量增加而提高，選取氧氣流量分別為0 Nm3/h、411 Nm3/h、677 Nm3/h、792 Nm3/h、956 Nm3/h的5種工況進行分析研究。

為煤氣熱值、組分、碳轉化率和爐渣含碳量隨氧氣流量的變化曲線見圖9～圖10，由圖可知，隨著氧氣投入并且氧量增加，爐膛溫度緩慢提高，煤氣熱值從1 344提高至1 523 kcal/Nm3，煤氣有效組分H2增加2.77%，CO增加3.25%，爐渣含碳量下降15.9%，碳轉化率提高3.7%，這是由于隨著氧量的增加，爐膛整體溫度提高，由于氣化過程為強吸熱反應，溫度升高有利于氣化反應正向進行，提高碳轉化率，降低爐渣含碳量，并且隨著氧量的增加，促進了碳的氧化反應，生成CO2和CO，同時由于C和CO2的反應活化能最小，使得C將CO2又轉化成CO，此外，由于爐內C和H2O的反應在930℃以上時反應速率較快[8-9]，隨著氧量增加，爐膛溫度增加，均有利于提高CO和H2的體積分數，提高煤氣熱值。

圖9 煤氣熱值和組分隨氧氣流量變化曲線

圖10 碳轉化率和爐渣含碳量隨氧氣流量變化曲線

3 綜合優化分析

經煤種、原煤粒徑分布、料層差壓、爐膛溫度、和氧氣流量因素調整發現，各因素均在一定程度上有利于提高碳轉化率、降低爐渣含碳量、提高煤氣有效組分和熱值。調整前，氣化爐煤氣熱值基本保持在1 350 kcal/ Nm3左右，爐渣含碳量保持在30%左右，碳轉化率保持在73%左右，現依據以上研究結果對富氧氣化裝置60%、75%、100%額定負荷進行優化調整，調整后結果見表3，發現隨著負荷的增加，氧氣流量也隨著增加。

表3 不同負荷綜合優化調整后主要參數

由表3可知，在不同負荷下，爐渣含碳量降低至13.58%、14.52%和11.27%，煤氣熱值提 高 至 1 528.3kcal/ Nm3、1 554.6kcal/ Nm3和1 578.5 kcal/ Nm3，碳轉化率提高至77.56%、77.82%和78.10%，綜合優化調整有利于氣化反應的正向進行，提高了煤氣熱值和碳轉化率，降低了爐渣含碳量。

4 結論

在江西某62 000 Nm3/h循環流化床富氧氣化爐中，通過研究不同因素對氣化特性的影響，得到如下主要結論：

1)陜北神木原煤的反應活性高于內蒙古東勝原煤，在相同工況下，陜北神木原煤生成的煤氣有效組分和熱值均高于內蒙古東勝原煤，為后期試驗確定了氣化煤種。

2)合理的爐膛溫度、料層差壓、粒徑分布、氧氣流量均能降低爐渣含碳量，提高煤氣熱值、煤氣有效組分和碳轉化率，降低了經濟成本，為企業健康發展提供了保障。

3)在不同負荷下各參數協調優化調整，爐渣含碳量明顯降低，煤氣熱值和碳轉化率均有所提高，優化效果良好。

4)通過合理的氣化調整，不僅對目前已投產的大型氣化裝置具有重要的意義和實用價值，也為大型循環流化床富氧氣化爐運行和優化調整提供了方法。