新型干煤粉气流床气化炉的气化特性研究

王凯　方军

摘 要：随着气流床气化炉结构的发展，人们根据无焰氧化技术突出了一种新型的气流床气化炉结构，即新型干煤粉气流床气化炉。由于此新型结构可使得炉内温度均匀分布，因此使得无焰氧化技术发挥出更佳的性能。本文通过相关的实验与模拟对此新型结构的气化特性进行研究。

关键词：新型干煤粉；气流床气化炉；气化特性

作为洁净煤技术与煤化工的重要组成部分，煤气化技术逐步被广泛的应用。与国外的煤气化技术相比，我国在此方面的技术较为落后，并且易受到诸多外界因素的影响。因此为发展新型的煤气化技术必须根据我国煤炭的特点进行，以满足行业的需求。

1 新型气化炉结构与煤种特点

新型的煤气化炉对传统的煤粉与气化剂的进料方式进行了改变，将煤粉与气化剂分别放置于炉体的同一高度上，并运用不同的喷嘴将其喷到炉内。喷入的气化剂在炉内通过高速旋转的气流进行快速的旋转，将产生的合成气与液渣通过炉底的出口排除。实验所使用的煤种为淮南煤，95%的煤粉颗粒直径在10-80μm之间，部分颗粒直徑则大于80μm。

2 气流床气化炉的模型建立

在国外，对于煤的部分气化技术而言，其通常采用气流床气化技术，在普遍的操作中气流炉内的温度一般维持在1100摄氏度左右，在进行气化时，其耗氧量比气流床低许多。但作为煤制气再燃的气化燃料，一般选用2mm以下的细粉，以此来减少出口的煤粉含量，因此气流床气化炉是较为完美的设备。根据目前的实验发展状况而言，周志杰等人通过研究表明了在1500-1700摄氏度的煤气化过程中，使用化学平衡的方式对数学模型进行简单的构造，为实验数据的准确性提供了良好的基础；吴学成等人在对未反应碳缩核进行分析的基础上建立了动态的数学模型，对研究气化炉入口的相关参数提供了依据；而汪洋等人在吉布斯自由能最小理論的基础上通过模拟气化炉的实验过程，对出口的参数进行了研究，提供了有力的数据支持；Watkinson等人通过对CO与H2的误差进行计算而提出的平衡模型，较为准确的预测出H2S与COS的浓度，为以后的实验提供了更为准确的依据，同时排除了一些不确定的因素，减小了实验的误差。

3 数值模拟研究

3.1 气化炉的数值模型

由于煤粉气化的过程是煤粉富燃反应过程，因此气化过程主要分为挥发的析出与反应、焦炭的异相气化反应与辐射传热等过程。在实际的计算过程中，为满足在有限的炉内空间内煤粉气流的高速旋转，通常采用如下的方式：第一，带旋转气流修正的模拟模型。第二，采用标量守恒定律描绘出函数的分布。

3.2 模拟结果计算分析

第一，变工况条件下气化炉的结构特性。变工况条件下，气化炉中的合成气体的有效组分浓度为75%，已经接近目标值，使得无焰氧化技术具有高效的可行性。从实验的结果看，由于受到炉壁的散热限制，使得CO与H2的测算值低于实际计算结果，但CO2的测算值与实际计算结果基本吻合。第二，优化工况下炉内组分与其分布特征。一方面，由于炉内的温度分布较为均匀，出进料截面外，其余的温度基本维持在较为稳定的状况，因此可以得出炉型结构与进料方式可以使煤粉气化的结论。

4 实验结果与讨论

4.1 实验结果

第一，随着空煤比含量的不断增加，粗煤气中的有效气体成分逐渐减少，由此导致冷煤气的效率不断下降，建议取2.5-3.0。第二，随着汽煤比的含量不断的增加，粗煤气中的H2含量逐渐增多，使得部分煤气出现再燃现象，建议选取0.2-0.3.第三，伴随着碳转化率的逐渐增大，粗煤气中有效的气体成分含量逐渐增多，但是必须清晰的认识到，此程度提高并不明显，并且会增加初始投资，降低煤焦的燃尽率。

4.2 对实验结果的讨论

第一，空煤比对粗煤气主要成分的影响。对于气化炉内的反应而言，其本质即是部分氧化反应，由于炉内的煤炭颗粒无法完全的燃烧，因此炉内的氧碳比成为影响反应的重要因素，若氧碳比的含量过大则会对气化程度造成较为严重的影响；相反，若氧碳比的含量过低，则会使得气化温度变低，影响转换的效率。因此在实验中实验人员所使用的气化剂大部分为空气，起到了节约成本的作用。第二，汽煤比对粗煤气有效成分的影响。实验给定的数据为给煤量为15kg/h，空气量为30kg/h，气压为0.2MPa，转化率定为65%。按照实验数据，得出：若汽煤比每增加0.06，温度下降5度，则并不会对气化温度造成影响；同时若增加汽煤比，则可有效的提升转换率。由于汽煤比对H2具有较大的影响，因此可有效提升H2的体积分数，由此当进行实验时汽煤比的有效选择范围是0.2-0.3，对各种因素不会形成较大影响。第三，煤炭转化率对粗煤气有效成分的影响。实验给定的数据为给煤量为15kg/h，空气量为30kg/h，气压为0.2MPa。按照具体的实验步骤，我们可以得知，当煤炭转换率逐渐升高时，则气化温度逐渐下降，当H2与CO的含量逐渐增多时，CO2与H2O的含量逐渐减少，并且有利于部分煤气的再燃。若依靠提高煤炭在炉内的停留时间来增强转化率，则不仅会增加气化炉的初始投入量，更不利于其余的煤焦进行回炉燃烧。

5 结束语

煤炭的利用对我国的发展具有重要的作用，通过运用干煤粉气流床气化炉技术，使得煤气转化的效率不断增强，为我国在此领域的发展提供了充足的实验依据，极大程度的拉近了与世界发展的距离，追赶世界在此方面的步伐。

参考文献：

[1]郑梦欣，李玉顺，王定标，等.新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟[J].化学工程，2015，43（9）：68-73.