神木烟煤流态化预热中煤气生成特性
0 引 言
目前,煤炭在我国能源消费结构中仍占据主导地位,煤炭燃烧利用占煤炭消费量比重超过80%[1]。煤炭燃烧过程中会产生CO2、SO2、NOx等污染物,危害生态环境。因此,煤炭高效清洁利用是国家重要发展战略。常规煤粉低NOx燃烧技术主要包括空气分级、燃料分级和烟气再循环等技术,在降低NOx排放方面取得较大成就,但难以满足NOx质量浓度≤50 mg/m3的环保要求。近年来,为进一步降低煤燃烧NOx排放水平,国际上普遍采用基于煤粉预处理的燃烧技术,即煤粉进入炉膛前先预热或预燃。全俄热能研究院(All-Russian Thermal Engineering Institute)提出了气体燃烧预热煤粉工艺,后经美国燃气技术研究院(Gas Technology Institute)发展完善[2-3],通过甲烷燃烧对煤粉预热,预热后的高温煤粉喷入炉膛后结合炉内空气分级有效降低了NOx排放;西安交通大学设计了35 kW煤粉两段燃烧试验台,通过丙烷燃烧预热煤粉,预热后煤粉燃烧的NOx排放最高降低74%[4-6]。XIONG等[7]和NIU等[8]在两级下降管式炉内模拟预热燃烧,并探讨了预热温度、停留时间等因素对NOx排放的影响;清华大学提出了煤粉浓缩预热燃烧器,通过卷吸高温烟气对煤粉进行预热,在12 MW试验台上实现了无烟煤和石油焦的稳定燃烧,实现NOx较低排放[9-10]。可见,相较常规煤粉直接入炉燃烧技术,煤粉预处理后再燃烧具有明显优势。
中国科学院工程热物理研究所提出了煤粉流态化自预热燃烧工艺和技术[11],即煤粉在高于800 ℃循环流化床中自预热,再将高温预热燃料送入炉膛与氧化剂接触后燃烧放热。在30 kW预热燃烧试验台上,实现了烟煤[12]、无烟煤[13]、半焦[14]等燃料的稳定燃烧及低NOx排放。其中,煤粉预热后产生的高温预热煤气既能反映预热过程中煤粉的改性程度,又对后续燃烧效率及NOx排放有重要影响。因此,煤粉流态化预热后的预热煤气成分分析是控制燃料转化及低NOx排放的关键。ZHANG等[15]研究了O2/C比对神木烟煤预热过程中煤气特性的影响,结果表明随O2/C比增加,预热温度升高,但煤气中可燃成分CO、H2、CH4含量下降,煤气热值随之减小;欧阳子区[16]研究了预热温度、循环流化床空气当量比对无烟煤预热特性的影响,结果表明随预热温度升高,预热煤气中H2含量升高,CO和CH4含量降低,而随循环流化床空气当量比增加,预热煤气中H2含量降低,CH4含量升高,CO含量先减小后增加。然而,原有试验研究中,难以保持变量单一变化,如研究预热温度对煤气成分的影响,需依靠调节当量比或给煤量实现预热温度变化,而当量比和预热温度均影响预热特性,原有研究无法精准分析预热温度单一变量对预热过程的影响规律。
笔者基于循环流化床预热技术,在温度可控的千瓦级煤粉预热燃烧试验平台上,通过电炉控温等方法,研究神木烟煤预热过程中预热温度、循环流化床空气当量比、煤粉粒径对煤向煤气转化特性的影响,以精准解析煤粉预热过程的煤转化特性,支撑预热燃烧技术发展和应用。
1 试 验
1.1 试验原料
试验原料为神木烟煤,神木烟煤工业分析及元素分析见表1。试验开始前向提升管内加入石英砂作为床料。煤粒径分别为0～0.180、0～0.355、0～0.500mm,石英砂粒径为0.1～0.5 mm,煤粉及石英砂粒径分布如图1、2所示。
图1 神木烟煤粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of Shenmu bituminous coal
图2 石英砂粒径分布
Fig.2 Particle size distribution of quartz sand
表1 神木烟煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate and analysis of Shenmu bituminous coal
1.2 试验装置
千瓦级煤粉预热燃烧试验平台流程如图3所示,包括预热燃烧器(预热燃烧室和高温气固燃料喷口)、卧式燃烧室及辅助系统(给料系统、烟气冷却系统、布袋除尘系统、电辅热系统、测控系统等)。
图3 千瓦级煤粉预热燃烧试验平台
Fig.3 Kilowatt-stage pulverized coal preheating combustion experimental platform
预热燃烧室即循环流化床,由提升管、旋风分离器及返料器组成,其中提升管内径为81 mm,高度为1 500 mm。预热燃烧室采用电炉辅热形式,电炉沿提升管高度方向分为上下两端,用于调整控制预热温度。预热燃烧室共装有5个K型热电偶温度测点,提升管布置3个温度测点,分别位于距提升管底部200、500、1 450 mm高度处,旋风分离器出口和返料器底部各有一个温度测点,用于监测预热燃烧室温度分布情况。卧式燃烧室为方形结构,内截面为500 mm×500 mm,燃烧室长度为2 115 mm。
1.3 试验工况
试验工况见表2,工况1～4主要研究相同空气当量比下,预热温度对烟煤预热过程中煤向煤气转化特性的影响,预热温度通过电炉调整控制。工况3、5、6主要研究相同预热温度下空气当量比对烟煤预热过程中煤向煤气转化特性的影响。工况3、7、8主要研究相同预热温度和空气当量比下,粒径对烟煤预热过程中煤向煤气转化特性的影响。循环流化床空气量和循环流化床空气当量比计算公式为
表2 试验工况
Table 2 Experiment conditions
FCFB=FPr FRe FCa,
(1)
λCFB=FCFB/FStoic,
(2)
式中,FCFB为循环流化床空气量,m3/h;FPr为一次风空气量,m3/h;FRe为返料风空气量,m3/h;FCa为播煤风空气量,m3/h;λCFB为循环流化床空气当量比;FStoic为煤粉完全燃烧所需理论空气量,m3/h。
1.4 试验方法
试验前,向提升管内加入2.5 kg石英砂作为床料,一次风由提升管底部布风板给入,返料器处开启返料风以保证床料流化。同时开启提升管和卧式燃烧室电炉为提升管和燃烧室加热升温,待提升管底部温度达500 ℃左右时,启动螺旋给料机,以小给煤量给煤使提升管继续升温。待提升管平均温度升高至800 ℃时,开启二次风、三次风,加大给煤量和一次风,将预热燃烧室切换至气化状态。不断调节给煤量及风量向预定试验工况靠近,待提升管温度和卧式燃烧室温度达到稳定时,开始稳定工况测量和数据采集。
切换工况时,保持循环流化床内风量和给煤量不变,通过调节提升管电炉温度调节提升管预热温度,研究预热温度对神木烟煤预热煤气特性的影响;保持给煤量不变,改变循环流化床内风量,再通过调节提升管电炉温度保持预热温度不变,研究循环流化床空气当量比对神木烟煤预热煤气特性的影响;保持给煤量及循环流化床空气当量比不变,改变煤粉粒径,同时调节电炉温度保持预热温度不变,研究煤粉粒径对神木烟煤预热煤气特性的影响。
试验过程中在旋风分离器出口抽取高温煤气,经水洗、活性炭吸附处理后由气袋收集,其主要成分(CO2、N2、CO、CH4、H2)由气相色谱分析仪(Agilent GC 3000)分析,测量精度为±2%,对每个气样测量3次取平均值为最后测量结果。
2 结果与分析
2.1 预热温度对预热煤气特性的影响
由于给入提升管的空气量不足,因此神木烟煤预热过程中会经历热解及部分气化反应。热解过程中,煤粉挥发分在极短时间内析出并裂解生成CO、H2和CH4等小分子气相产物;气化反应主要为预热煤焦与气化剂或气相(中间)产物的非均相反应及气化剂与气相(中间)产物的均相反应(ΔH为焓变),主要反应[17-18]为
R1:C O2
CO2,ΔH=-395.1kJ/mol,
(3)
R2:C 1/2O2CO,ΔH=-113.2 kJ/mol,
(4)
R3:CO 1/2O2CO2,ΔH=-281.1 kJ/mol,
(5)
R4:H2 1/2O2H2O,ΔH=-249.0 kJ/mol,
(6)
R5:CH4 2O2CO2 2H2O,ΔH=-802.6 kJ/mol,
(7)
R6:C CO2
2CO,ΔH= 166.9 kJ/mol,
(8)
R7:C H2OH2 CO,ΔH= 135.5 kJ/mol,
(9)
R8:CO H2OCO2 H2,ΔH=-31.5 kJ/mol,
(10)
R9:CO 3H2CH4 H2O,ΔH=-227.6 kJ/mol。
(11)
预热温度对预热煤气成分及热值的影响如图4所示。可知随预热温度升高,煤气中CO2体积分数降低,CO体积分数增加,H2体积分数先增加后保持不变,CH4体积分数先增加后减小。
图4 不同预热温度下煤气成分及热值
Fig.4 Gas composition and heat value at different preheating temperatures
预热温度由850 ℃升至950 ℃时,Boudouard反应R6和水煤气反应R7反应速率不断提高,同时反应平衡也向正方向移动,导致预热煤气中CO2体积分数由12.41%降至8.82%,CO体积分数由9.6%增至15.84%;预热煤气中H2主要来源于煤中芳香环的缩聚反应[19]及水煤气反应R7,预热温度由850 ℃升高至880 ℃时,水煤气反应R7及热解反应的增强促进了H2生成,H2体积分数由8.54%增至10.11%。但水煤气反应受煤中H2O限制, 且随预热温度进一步增加,H2氧化反应R4随之增强,同时水煤气变换反应R8向逆方向偏移,H2生成与转化反应达到平衡,导致880 ℃后H2体积分数基本保持在10%;CH4体积分数随预热温度的升高先增加后减小,且CH4体积分数始终维持在较低水平。这是由于预热过程中,CH4主要来源于煤中挥发分热解[20-21],预热温度由850 ℃升至880 ℃时,热解反应加强,CH4释放量增加[22],而R5反应速率较慢,因此CH4体积分数增加。预热温度进一步增加时,R5反应速率进一步增加,占据主导,CH4体积分数下降。
预热温度由850 ℃升高至950 ℃时,煤气中有效组分(CO H2 CH4)体积分数由20.16%升高至27.45%,煤气品质明显改善,煤气热值则从2.86MJ/m3(标况下,下同)增至3.61 MJ/m3。
2.2 循环流化床空气当量比对预热煤气特性的影响
循环流化床空气当量比对煤气成分和热值的影响如图5所示。可知循环流化床空气当量比由0.3增至0.5,煤气中CO2体积分数增加,而CO、H2、CH4体积分数降低。
图5 不同λCFB下煤气成分和热值
Fig.5 Gas composition and heat value at different λCFB
给煤量及预热温度不变,增大循环流化床空气当量比,反应中O2量增多,氧/煤比增加,有利于放热反应R1及CO氧化反应R3进行,导致煤气中CO2体积分数由10.41%增至13.60%,CO体积分数由12.98%降至8.32%;循环流化床空气量由6.9m3/h增至11.1 m3/h,提升管内流化风速由1.50 m/s升高至2.42 m/s,因此煤粉在提升管内停留时间由1 s降至0.62 s,导致煤粉热解反应减弱,使热解产生的H2、CH4及CO含量减小,O2量增多使部分H2和CH4发生氧化反应R4和R5,导致煤气中H2体积分数由10.34%降至5.28%,CH4体积分数由1.91%降至1.18%。流化风速v计算公式为
(12)
式中,T为预热温度,℃;T0为初始空气温度,取20 ℃;r为提升管半径,m。
图5试验结果与ZHANG等[15]研究结果一致,与MAN等[23]研究结果相反,主要是由于前者改变O2/C时,预热温度变化较小,此时氧化反应占主导,使煤气中CO、H2、CH4体积分数下降;而后者变换一次风当量比时,预热温度变化较大,由830 ℃升高至940 ℃,预热温度升高导致热解反应及气化反应占主导,煤气中CO、H2、CH4体积分数上升。
循环流化床空气当量比由0.3增至0.5时,煤气中有效组分(CO H2 CH4)体积分数由25.23%降至14.78%,热值由3.44 MJ/m3降至2.04 MJ/m3,煤气品质明显下降。
2.3 煤粉粒径对预热煤气特性的影响
煤粉粒径对预热煤气成分和热值的影响如图6所示。给煤量、预热温度、循环流化床空气当量比、提升管内流化风速不变,随煤粉粒径增大,煤粉在提升管内停留时间增加。煤粉粒径由0～0.180 mm增至0～0.355 mm时,煤气中CO2体积分数由14.20%降至10.41%,CO体积分数由7.49%增至12.98%,H2体积分数由6.42%增至10.34%,CH4体积分数由1.83%增至1.91%。这是由于煤粉在提升管内停留时间增加使更多C元素与CO2、H2O反应,即Boudouard反应R6和水煤气变换反应R7加强,另一方面煤粉在提升管内停留时间增加也使煤粉热解反应加强,释放出更多CO、H2及CH4气体;而煤粉粒径进一步增至0～0.5 mm时,此时煤气中CO2体积分数由10.41%降至9.63%,CO体积分数由12.98%增至16.6%,H2体积分数基本不变,CH4体积分数则迅速下降。可见煤粉粒径进一步增加,气化反应进一步加强,而水煤气反应R7受煤中H2O限制,同时氧化反应R4、R5增强,使煤气中H2体积分数基本不变,主要由煤粉热解产生的CH4体积分数由1.91%降至1.03%。图6结果与DING等[24]研究结果不一致,主要是由于试验过程中煤粉粒径变化导致预热温度变化,影响煤气成分。
图6 不同煤粉粒径下煤气成分和热值
Fig.6 Gas composition and heat value at different coal particle sizes
煤粉粒径由0～0.180 mm增至0～0.500 mm,煤气中可燃物成分CO H2 CH4不断上升,煤气热值由2.30MJ/m3增至3.63 MJ/m3,粒径对煤气成分和热值影响较大。
3 结 论
1)循环流化床空气当量比为0.3时,随预热温度升高,煤粉热解反应、Boudouard反应R6及水煤气反应R7增强,促使煤气中CO2体积分数下降、CO、H2、CH4体积分数上升,但880 ℃以上时由于H2O限制及氧化反应增强,导致煤气中H2体积分数基本不变,CH4体积分数下降。预热温度由850 ℃升高至950 ℃时,煤气热值从2.86 MJ/m3增至3.61MJ/m3。
2)预热温度为910 ℃时,循环流化床空气当量比由0.3增至0.5时,氧化反应R3、R4、R5增强,煤气中CO、H2、CH4体积分数均下降,CO2体积分数上升,煤气热值由3.44 MJ/m3降至2.04 MJ/m3。
3)预热温度和空气当量比不变时,煤粉粒径由0～0.180 mm增至0～0.500 mm时,CO2体积分数下降,CO、H2体积分数上升,煤气热值由2.30 MJ/m3增至3.63 MJ/m3,粒径对煤粉预热过程煤向煤气转化特性的影响较显著。
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