低階煤流化床兩段氣化制清潔燃氣實驗研究

【摘要】：氣化技術是含碳燃料清潔高效利用的主要途徑,是制備工業(yè)燃氣的關鍵技術。目前,國內(nèi)煤制工業(yè)燃氣用氣化技術仍以固定床氣化裝置為主,尤其是單段式和兩段式煤氣發(fā)生爐。其局限性在于生產(chǎn)規(guī)模小,放大困難;使用優(yōu)質(zhì)塊煤,對碎煤適用性差;灰分中碳含量高,整體碳轉(zhuǎn)化率提高困難;生成氣體中焦油含量高,凈化處理過程中容易帶來酚水等二次污染問題。近年來,國內(nèi)也成功開發(fā)了煤制工業(yè)燃氣用流化床氣化技術,生產(chǎn)規(guī)模較大,然而還存在著氣體熱值提高困難和焦油含量高等問題。此外,在煤炭開采過程中生成的大量碎煤資源長期得不到合理利用,既浪費了資源,也容易帶來粉塵污染。因此,開發(fā)適合處理碎煤的煤制工業(yè)燃氣用氣化技術具有重要的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益?；诖?本課題提出了低階碎煤制清潔工業(yè)燃氣用流化床兩段氣化技術,由流化床預氧化反應器和輸送床氣化爐組成。原料在上游的流化床預氧化反應器中熱解和部分氣化,生成的全部產(chǎn)物進入到下游的輸送床氣化爐中進行半焦氣化,同時利用高溫氣化爐內(nèi)半焦顆粒對焦油的催化重整作用來脫除焦油,生成潔凈工業(yè)燃氣。由于充分整合了流化床和輸送床反應器各自的優(yōu)勢,并利用半焦對焦油的催化重整作用,因此相對于現(xiàn)有的煤制工業(yè)燃氣用氣化技術,該氣化技術具有生產(chǎn)規(guī)模大、原料適用性廣、生成氣體中焦油含量低等技術優(yōu)勢。本論文針對提出的流化床兩段氣化技術首次系統(tǒng)地開展基礎研究和中試驗證,首先在實驗室射流預氧化流化床反應器上研究了內(nèi)蒙褐煤流化床熱解/預氧化反應特性和半焦氣化反應特性等,在高溫管式爐中研究了溫度和氣氛對煤灰燒結(jié)特性研究,確定了適合流化床兩段氣化工藝的上下兩段反應器各自合適的操作條件;在微型流化床反應器上開展了原位半焦氣化行為測試和氣化反應動力學推導,并與文獻中常見的兩種非原位半焦氣化方法進行比較,揭示原位半焦和非原位半焦理化性質(zhì)差異;在小型流化床兩段反應器上考察了半焦對焦油的催化脫除性能,探索半焦對焦油的催化重整機理,并結(jié)合兩段氣化工藝提出合理的操作方法;在上述基礎上,設計了煤處理量為100 kg/h流化床兩段氣化中試平臺,并進行了系統(tǒng)調(diào)試和運行,驗證了流化床兩段氣化技術的可行性和可靠性,為工藝進一步放大提供技術支撐。本論文各部分的研究內(nèi)容及相關結(jié)果如下所示:(1)流化床中煤熱解和部分氣化特性研究重點考察反應溫度、停留時間、反應氣氛等對內(nèi)蒙勝利褐煤在流化床反應器內(nèi)熱解和部分氣化過程中產(chǎn)物分布規(guī)律、半焦理化性質(zhì)和焦油品質(zhì)等方面的影響。隨反應溫度和煤顆粒在反應器中停留時間的延長,煤中的揮發(fā)分被快速釋放,氣體產(chǎn)率急劇增加,半焦比表面積不斷增大,氣化活性逐步提高。然而,在過高的反應溫度(900oc)和顆粒停留時間(7min)條件下,半焦的孔結(jié)構(gòu)、表面官能團分布和碳微晶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化,進而影響其氣化反應活性。氧氣和水蒸氣的加入有利于半焦中殘余揮發(fā)分的析出、揮發(fā)分的二次反應、半焦孔結(jié)構(gòu)的進一步改善、半焦氣化活性的提高及促使生成輕質(zhì)化的焦油。綜合考慮基礎研究和整體工藝要求,適合流化床兩段氣化工藝的上段流化床操作條件為:操作溫度800oc、停留時間3min、當量空氣系數(shù)0.14、水蒸氣和煤質(zhì)量比0.12。(2)半焦流化床氣化和灰渣燒結(jié)行為研究在流化床反應裝置中考察內(nèi)容(1)確定的操作條件下生成半焦的氣化行為,研究氣化溫度、停留時間、當量空氣系數(shù)、水蒸氣和半焦質(zhì)量比對半焦氣化行為和碳轉(zhuǎn)化率的影響。隨著半焦氣化反應溫度的提升、當量空氣系數(shù)的增加、半焦在流化床反應器內(nèi)停留時間的延長和水蒸氣的通入,半焦氣化反應被促進,生成更多的有效氣體組分。然而,在高溫(1050oc)和過量氧氣(er=0.31)供應下,半焦氣化過程中發(fā)生灰分燒結(jié)現(xiàn)象,影響氣化反應的進行。合適的氣化爐操作條件為:氣化溫度1000oc、停留時間2min、當量空氣系數(shù)0.27、水蒸氣和半焦質(zhì)量比0.10。針對氣化過程中灰分的燒結(jié)行為,在高溫管式爐中考察了煤灰燒結(jié)行為。研究發(fā)現(xiàn),溫度和氣氛對煤灰燒結(jié)行為影響很大,各氣氛下煤灰燒結(jié)溫度從小到大依次為:還原性氣氛、水蒸氣氣氛、惰性氣氛和氧化性氣氛。(3)半焦原位氣化分析方法及氣化動力學研究利用新型的微型流化床反應分析儀研究了原位半焦的氣化特性和反應動力學,并和兩種非原位半焦的反應特性進行比較。研究表明,相對于兩種非原位半焦,在活性氣氛下生成的原位半焦具有比表面積大、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、石墨化程度低、對co2化學吸附能力強等物化特性。在克服外擴散影響的條件下,原位半焦的氣化反應速率快,求取的反應活化能小。測試結(jié)果對比分析揭示了原位半焦和非原位半焦氣化行為的差異,也驗證了構(gòu)建的原位半焦氣化分析方法的合理性。(4)流化床半焦脫除焦油特性和機理研究利用兩段流化床反應器研究高溫條件下半焦對焦油的催化重整作用。相對于熱裂解,半焦催化重整不僅能有效地脫除焦油,提高有效氣體組分的含量,且能明顯抑制焦油脫除過程中的積碳生成。半焦自身的特性,如孔結(jié)構(gòu)和金屬氧化物的種類及含量,均影響半焦對焦油的脫除性能。使用半焦的孔結(jié)構(gòu)越發(fā)達,微孔和介孔比表面積越大,對煤焦油的催化脫除效果越理想。通過對負載金屬氧化物脫灰半焦性能測試發(fā)現(xiàn),負載na2o和fe2o3的半焦催化性能較好,而負載cao和mgo的半焦性能一般。通過對使用過的半焦進行活化再使用測試發(fā)現(xiàn),通入少量水蒸氣不僅能提高氣化性能,且有助于半焦對焦油的催化重整。適合流化床兩段氣化工藝的焦油脫除條件為:溫度1000°C、氣體在半焦床層中的停留時間大于0.9 s,氣化過程適當?shù)赝ㄈ胍欢康乃魵飧佑欣诮褂偷拇呋摮?5)流化床兩段氣化中試驗證在實驗室研究的基礎上,設計、建成了流化床兩段氣化中試試驗平臺,并進行了系統(tǒng)調(diào)試工作,其碎煤處理量為100kg/h。中試運行結(jié)果顯示,輸送床氣化爐內(nèi)的半焦能有效脫除焦油,并將其轉(zhuǎn)化為有效氣體組分,提高氣化生成氣熱值。典型運行條件對比發(fā)現(xiàn),隨著預氧化反應器和輸送床氣化爐溫度的提高,碳轉(zhuǎn)化率提高,氣體中的有效氣體組分增加。當上段預氧化反應器和下段氣化爐的操作溫度分別為840oC和1000oC左右時,氣化爐出口處氣體的熱值達到1050 kcal/Nm3,氣化爐出口處生成氣體的焦油含量為365 mg/Nm3,充分說明了流化床兩段氣化工藝生產(chǎn)煤制工業(yè)燃氣技術的合理性和可行性,也驗證了流化床兩段氣化技術在脫除焦油方面的優(yōu)勢,為工藝的進一步放大提供技術支撐。 【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ546

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