基于气流床气化的煤质评价实验平台建设与实践

刘 霞, 陈雪莉, 王亦飞, 龚 欣, 刘海峰, 于广锁, 王辅臣

(1. 华东理工大学 煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237;2. 上海煤气化工程技术研究中心, 上海 200237)

基于气流床气化的煤质评价实验平台建设与实践

刘 霞1,2, 陈雪莉1,2, 王亦飞1,2, 龚 欣1,2, 刘海峰1,2, 于广锁1,2, 王辅臣1,2

(1. 华东理工大学 煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237;2. 上海煤气化工程技术研究中心, 上海 200237)

针对该专业煤化学知识缺乏的现状,在煤气化及能源化工教育部重点实验室发展的基础上,建立了基于气流床气化的煤质评价实验平台。该实验平台主要由样品制备系统、煤质基本分析系统、煤的反应性评价系统、煤粉流动性评价系统、煤的成浆性能评价系统、煤灰性质分析系统6部分组成。实验平台可以为本科生创新实验、毕业课题提供实验条件,并使研究生直接参与到煤质分析实验中,通过实践学习,进一步理解并掌握相关的煤化学知识。此外,本实验平台还为工业煤化工项目的选煤及后期运行提供数据支撑。实践表明,该实验平台的建设与运行对学科发展及科研成果的工业化均起到了重要推动作用。

煤质评价； 实验平台； 气流床气化

煤炭作为我国的主体能源,其地位在今后相当长的时期内不会发生根本性的改变,因此,洁净高效地利用煤炭是我国国民经济快速发展的重要保障[1]。煤气化技术是煤炭清洁高效利用的关键核心技术,是煤基大宗化学品和液体染料合成、联合循环发电、炼厂制氢、高炉还原炼铁化工冶金等行业的龙头技术[2]。工业化的煤气化技术可分为固定床、流化床及气流床气化技术,其中气流床气化技术具有气化温度与压力高、负荷大、煤种适应范围广等诸多特点,是目前煤气化技术发展的主要方向[3]。

1 实验室平台建设情况

本校的煤气化与能源化工教育部重点实验室长期致力于气流床气化过程与技术的基础研究和应用开发,成功开发了具有自主知识产权的“多喷嘴对置式水煤浆(OMB)气化技术”和“单喷嘴粉煤加压(SE)气化技术”。此外,实验室承担了本科生和研究生“流体力学”“工程力学”“化工过程开发”“多相流”“过程系统工程”“气化与燃烧工程”“化工过程模拟”“碳-化工进展”“煤气化与多联产技术”等课程的教学任务,并指导学生的实验、实习以及学位论文。以上述条件为基础,实验室建立了气化反应与热模平台、气流床气化大型冷模平台等7大实验平台,如图1所示。实验室目前共有近百名来自化学工程与工艺、热能与动力工程专业的本科生及研究生参与研究工作。我校的化工专业具有明显优势,学校开设的课程使得毕业后从事煤化工研究、工作的学生在本科和研究生阶段学习了大量的化工理论知识,为他们以后的研究和工作奠定了良好的化工基础,但是有关煤化学基础并未开设专门课程。部分研究生的研究方向迫使他们自学煤化学知识,但未涉及煤化学研究方向的学生煤化学知识相对匮乏。

图1 实验室平台构成

随着当代科技的进步,对人才要求不断提高,只有全面掌握本学科范围内的知识才能满足社会对“宽口径、复合型”人才的需求,完成培养拥有创新意识、创新思维、创新能力人才的宏伟目标[4]。未来10年,中国高等教育将完成“由大变强”的历史性转变,实践教学成为教学体系的重要组成部分,而高校实验室已逐步向技术密集、知识密集和设备密集的综合型教学科研基地发展,因此,开展实验室实践教学、培养科技专门人才,实验室责无旁贷[5-6]。近年来,实验室的研究成果不断应用于工业化生产,气化装置陆续成功开车并进入平稳运行阶段。基于人才培养与服务于工业化两方兼顾的原则,煤气化及能源化工教育部重点实验室开始建设煤质评价实验平台。该平台旨在为实验室科研及工业化项目提供服务,并提高学生实验技能,使学生掌握学科基础知识、了解学科发展,为煤化工行业产、学、研发展提供关键纽带。

2 煤质评价实验平台的建设

本校在气流床煤气化领域处于国际领先水平,现建有国家能源煤气化技术研发中心、煤气化教育部重点实验室、上海煤气化工程技术研究中心和洁净煤技术研究所,并与中国石化共建了中国石化-华东理工大学气化技术研究中心。随着“973”“863”等国家项目和“985工程”建设资金对研发中心和重点实验室的投入,在原有实验条件的基础上,逐步建设煤质评价实验平台,评价项目围绕气流床煤气化技术展开,主要由煤样品制备系统、煤质基本分析系统、煤的反应性评价系统、煤粉流动性评价系统、煤的成浆性能评价系统、煤灰性质分析系统6部分组成。

2.1 样品制备系统

该系统主要由煤样制备与灰渣制备2部分组成,是煤质评价实验平台的基础单元。所制备样品是否具有代表性、是否符合分析标准是关系到分析实验是否准确并具有实际意义的重要环节[7]。制样的目的是将采集到的所有样品经过破碎、混合和缩分等程序,制成能代表原煤样的分析用样品,同时为灰渣制备提供基础样品。煤样制备系统主要包括干燥箱、破碎机、缩分器、棒磨机、振筛机、分样器。灰渣制备系统主要由马弗炉、高温炉、天平、压片机组成。

实验室设有专门的样品制备工作室,对样品进行程序化处理,其流程见图2。收到煤样品后,使用缩分器对样品进行缩分,若其粒径过大(大于25 mm),则经过破碎机破碎后再缩分；缩分后的样品(约3 kg)一次破碎到6 mm,取1 kg用于煤的哈氏可磨性测试；取500 g左右放入密封容器,用于全水分测试；剩余样品(约1.5 kg)置于干燥箱内连续干燥1 h以上直至恒重达到空气干燥状态,而后经棒磨机磨至粒径小于0.2 mm以下,最后经分样器分出20 g左右,以空气干燥基状态放入密封容器备用,剩余0.2 mm以下煤样亦收集备用。

图2 煤样制备流程图

灰渣制备可分为灰样及渣样的制备,用于不同测试项目,其中灰样亦是渣样制备的前处理过程。灰样制备过程:取已制备好粒度小于0.2 mm的煤样,按GB212—91标准于马弗炉中完全灰化,研磨至粒度小于0.1 mm,用于煤灰熔融性及煤灰成分测试。渣样制备目的是为煤灰的黏温特性测试准备样品。具体流程：取已完全灰化的约80 g灰样,放入坩埚中,于高温炉内升温至高于样品流动温度(FT)200 ℃以上进行熔融,冷却后敲碎坩埚,取得渣样备用。

2.2 煤质基本分析系统

实验平台将煤的全水分分析、工业分析、元素分析、发热量、哈氏可磨性分析5项内容归为煤质基本分析系统,如图3所示。全水分分析通过快速水分分析仪进行测定；工业分析包括水分、灰分、挥发分、固定碳4个分析指标,其中煤的水分、灰分通过红外煤质分析仪进行测定,挥发分通过挥发分测试仪进行测定,固定碳由差量法得到；元素分析包括碳、氢、氧、氮、全硫5个分析指标,其中碳、氢、氮、硫通过元素分析仪测得,氧元素含量由差量法计算得到；煤的弹筒发热量由量热仪测得,其他基准结合煤的工业分析、元素分析计算得到；哈氏可磨仪测得煤的哈氏可磨指数。

图3 煤质基本分析系统

通过基本煤质分析可以了解煤的品质,以便于指导生产及其应用。通过煤的工业分析可以初步判断煤的性质、种类和工业用途。对于气流床气化选煤而言,煤中的水分直接影响煤的成浆性能,而挥发分则会对其气化反应活性产生直接影响,灰分的高低不仅影响气化炉型的选择,还会直接影响气化炉的气化性能和经济性能[8]。煤的元素分析是为了得到煤中有机物的元素组成,通过煤中氧元素含量可以判断煤的成浆性能,煤中全硫含量则主要影响合成气的最终处理。工业分析、元素分析数据还可以估算煤的发热量,用于计算气化炉的气化性能指标。煤的发热量是指单位质量的煤燃烧后产生的热量,是评价煤质的一项重要指标,可以通过发热量推算煤的变质程度,也是影响煤的气化性能和经济性能的一个基本参数。煤的可磨性是指在规定条件下将煤磨碎成粉的难易程度,是确定煤的粉碎工艺和选择粉碎设备的重要依据[9]。

2.3 煤的气化反应性评价系统

调研中发现，就鄱阳县的村庄特点，总体上表现为数量多、布局分散；个体上表现为占地面积大、结构疏松、环境较差。

煤的气化反应性评价系统主要由马尔文激光粒度仪、水蒸气炉、热分析仪组成。GB/T220—2001规定通过测定一定温度下煤焦与CO2反应后气体中的CO2含量,以CO2还原率作为评价煤焦的反应活性指标。该标准主要针对传统的固定床气化活性测试,推荐采用3～6 mm粒度的煤焦样品、固定床管式反应器、气化温度为800～1 100 ℃,无论是颗粒粒度还是反应温度条件都与气流床气化相差甚远。因此,参照国标,测定一定温度下煤焦与CO2反应过程中煤焦的失重速率及煤焦的转化率作为评价煤焦反应活性的指标。该测试在通用的DSC/TG同步热分析仪上进行,放置于热天平内的煤焦样品在指定温度下与CO2气体进行等温反应,实时记录煤焦重量随时间的变化,进而获得煤焦反应速率。该方法具有控制与测量精度高的特点,被广泛应用于评价煤焦的反应活性[10]。另外,该系统配有水蒸气炉,可测试煤焦对水蒸气的气化反应性。

煤的气化反应性又叫煤的活性,是指煤在一定温度下与O2、CO2和水蒸气的反应能力。煤的反应性与气化工艺密切相关,煤活性强弱直接影响煤在气化炉中反应的快慢、完成情况、煤耗、氧耗及合成气中有效气成分。高反应性的煤可以在生产能力基本稳定的条件下,使气化炉在较低温度下操作,避免灰分结渣甚至破坏气化过程。因此,建立及完善煤的气化反应性评价系统对于实际工业应用具有重要指导意义。

2.4 煤粉流动性评价系统

煤粉流动性评价系统由激光粒度仪、快速水分分析仪、粉体综合特性测试仪、粉体流变仪组成。颗粒的流动性是多因素综合作用的结果,需要在对各相关参数分析的基础上做出综合评价。激光粒度仪测试煤粉的粒径及分布；快速水分分析仪在指定温度下测试煤粉颗粒的含水量；粉体综合特性测试仪测试松装密度、振实密度、压缩率、休止角和平板角；粉体流变仪从动力学流动性质(稳定性及流动速率、通气性、固结性)、堆积性质(压缩性、透气性)和剪切性质(内摩擦角和黏聚力)等方面描述煤粉力学行为。通过上述流动性分析数据计算得到煤粉流动性参数HR(Hausner ratio)、Carr流动性指数FI及流动函数FF。

煤粉流动性评价主要服务于气流床粉煤气化煤粉的下料和输送单元,煤粉流动性是联系煤粉颗粒的材料性质与粉体供料单元的纽带。HR与煤粉的颗粒流动呈负相关关系,HR越大,流动性越差；Carr流动性指数FI是由休止角、压缩率、平板角等多项测试结果得到,其值越大,流动性越好；流动函数FF是在剪切实验的基础上建立的另一种煤粉流动性评价方法,其值越大,表示粉体流动性越好[11]。

2.5 煤的成浆性能评价系统

实验室条件下,煤样品的成浆性能评价的过程:将原煤经磨煤、筛分成一定的粒度,进行粒度级配后与水按一定的配比混合,并加入分散剂,然后经电动搅拌器在1 000 r/min的条件下搅拌约20 min,得到水煤浆；测试制得的不同浓度下水煤浆的性质,包括浓度、黏度、流动性、稳定性等,最后基于实验结果提出适宜于水煤浆加压气流床气化技术的煤样成浆浓度。因此,煤的成浆性能评价系统包括磨煤系统、电动搅拌器、黏度计、pH计及流变仪等。

成浆浓度是指剪切速率为100 s-1、黏度约为1 000 mPa·s时,水煤浆能达到的浓度。水煤浆加压气流床气化技术要求原料煤具有较高的成浆浓度,成浆浓度是影响气化过程、碳转化率以及出口煤气成分的关键因素,较高的成浆浓度能提高水煤浆气化效率,保证气化装置在满负荷下生产,且有利于降低氧耗[12]。作为气化原料,通常要求煤浆质量分数大于58%,从气化效率角度讲,煤浆浓度越高越好,开发稳定的高浓度水煤浆一直是业界努力的方向[1]。

2.6 煤灰性质分析系统

煤灰性质分析包括煤灰成分及煤灰黏温特性分析。采用压片法由X射线荧光光谱仪测得灰成分；旋转高温黏度计测试经高温炉预熔后灰渣的黏温特性。

煤灰主要由金属氧化物、非金属氧化物及盐类组成。煤灰中的矿物质直接影响到煤灰的熔融温度及黏度[13]。煤在高温气化过程中产生的大部分灰将转化为液态渣并在重力及气流作用下以熔融状态沿气化炉内壁流出排渣口,通常其液态渣黏度在气化炉操作温度(1 200～1 500 ℃)下的期望值为15～25 Pa·s,黏度过高将会出现结渣、堵渣等现象,因此原料煤的黏温特性对气化炉操作温度的确定至关重要[14]。

3 煤质评价实验平台的运行实践

随着实验平台的建设完善,实验室对原煤的分析从单个指标的测试逐步过渡到可以对煤质进行综合分析评价,并承担多个科研项目。鉴于实验教师紧缺的实际情况,为了使平台作用发挥最大化,除对本科生开展创新实验外,还开展研究生教学,不断协调实验平台的运行模式,使研究生经历从认知学习到实际参与的过程,现已基本形成了教师培训管理、研究生参与分析、教师审核分析结果的运行模式。

(1) 教师对研究生进行理论及仪器操作培训,使研究生掌握基础理论知识。研究生入学的1～2学期,主要以理论课学习为主,并未完全进入实验阶段,对自己的研究方向了解并不深入,此阶段是研究生学习基础知识的重要时期。本实验室每年招收研究生新生20人左右,实验室将每届来自不同专业和导师的研究生组合为一个班,对他们进行理论及实验培训,通过梳理煤化学的实验平台,开展煤的分析实验,让研究生学习为什么要测试、测试什么指标、什么样的测试结果反映出煤的何种特性,在了解仪器的同时学习煤化学知识,为将来的课题研究奠定基础。

(2) 研究生参与实验分析,进行实践教学。研究生二年级基本进入实验室进行课题研究,对专业知识的学习已经有了一定的基础。实验室在二年级上学期结合研究生的研究方向将本届所有研究生分配到煤质分析平台的各个岗位,让研究生切实参与到煤质分析的实验中,分析结果为其课题研究提供理论数据的同时,也可配合完成煤质分析平台承担的科研项目。

(3) 教师审核实验结果,给出分析报告,并整理积累数据。由于煤质分析评价平台分析项目较多,达到了一个小型分析中心的规模,实验室目前仅有实验室编制教师1名,部分数据来自相关研究生,因此对分析数据进行审核是非常关键的环节,经审核后的结果方可给出实验报告,完成项目结题报告。与此同时,教师可以整理煤质数据,建立煤质分析数据库。

4 煤质评价实验平台运行成果

2009年煤质评价实验平台开始建设,经过几年的努力,已基本完善。目前实验平台每年分析煤样品超过200个,其运行模式为学生提供了系统的学习机会,也为工业项目提供了大量的基础数据,运行状况良好,成果显著。

(1) 为本科生提供了实验平台。近几年煤质评价实验平台为本科生创新实验提供了实验条件,并开展几十个课题为大四学生的毕业论文提供研究方向。

(2) 为研究生提供了学习与实践平台。煤质评价实验平台为研究生课题论文提供了大量煤质数据。学生毕业后大多从事与煤化工相关的工作,通过煤质分析平台对研究生进行培训与实践,使研究生掌握了较全面的煤化学知识。结果表明,此阶段的学习使研究生在找工作时表现出明显的优势。

(3) 为工业煤化工项目选煤及运行提供基础数据,并承担多个煤的气化反应性综合评价项目。煤质评价实验平台为多个煤气化项目工艺软件包提供煤质分析结果,并在本校开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、单喷嘴粉煤气化技术项目推广、选煤、开车及运行过程中,进行了大量的数据分析,为企业的安全、高效生产提供了保障,最终实现工业装置原料煤种的高效匹配和经济运行,对技术的推广应用起到了推动的作用。此外,煤质评价平台还为中电投宁夏能源有限公司、中海油鄂尔多斯新能源投资有限公司等几十家公司的煤化工项目提供煤气化特性评价服务。

(4) 煤质评价实验平台累计分析煤样达1 000多个,建立了煤气化及能源化工教育部重点实验室煤质分析数据库,煤质数据库将煤样按区域及各项煤质指标分类,方便查询且能初步评价煤样品的气化性能,可以为煤化工产业、特别是煤气化产业的发展提供全面、系统的关键基础数据。

References)

[1] 解维伟. 煤化学与煤质分析[M]. 北京:冶金工业出版社,2012.

[2] 于遵宏,王辅臣. 煤炭气化技术[M]. 北京:化学工业出版社,2010.

[3] 于广锁,牛苗任,王亦飞,等.气流床煤气化的技术现状和发展趋势[J]. 现代化工,2004,24(5):23-26.

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Construction and practice of experimental platform for coal quality evaluation based on entrained-flow bed gasification

Liu Xia1,2, Chen Xueli1,2, Wang Yifei1,2, Gong Xin1,2, Liu Haifeng1,2, Yu Guangsuo1,2, Wang Fuchen1,2

(1. Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Aiming at the lack of knowledge of coal chemistry in this discipline and based on the development of Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, an experimental platform for coal quality evaluation based on entrained-flow bed gasification is established. The platform is composed of the following six parts: a sample preparation system, a coal basic analysis system, a coal reactivity analysis system, a pulverized coal’s flow characteristic analysis system, a coal water slurry performance evaluation and coal ash characteristic analysis system. The platform can provide the experimental conditions for undergraduate’s innovation experiments and graduation projects, and enable the graduate students to participate directly in the experiment for coal quality analysis. Through the practical learning, the students can further understand and master the knowledge about coal chemistry. In addition, this experimental platform provides the data support for the coal selection and the later operation of the coal chemical industry project. The practice shows that the construction and operation of this platform play an important promotional role in the development of this discipline and the industrialization of research achievements.

coal quality evaluation; experimental platform; entrained-flow bed gasification

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.024

2016-07-04 修改日期：2016-08-29

中央高校基本科研业务费资助(WB1617004)；上海市科委“中心能力提升”项目(15DZ2281900)

刘霞(1983—)，女，山东淄博，硕士，实验师，主要研究方向为煤气化.

E-mail：lxia@ecust.edu.cn

TQ53; G484

A

1002-4956(2017)3-0097-04