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流化床气化原理pdf

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  化的兴趣, 于是产生了如图 2 所示的第二代鼓泡流化床气化炉。 对于气候平均状态随时间的变化的担心增加了 人们对生物质气化的兴趣,特别是流化床的生物质气化,市场占有率已经接近 20%。 流化床气化炉基本上分成两大类型: 鼓泡流化床气化炉和循环流化床气化炉。 以后的章 节将给与详细说明。

  【定义】气化是这样的一种工艺:使用或不使用气化介质,将固体或液体燃料转化成一

  种可燃烧的气体。 气化是将反应燃料,如煤炭、生物量、石油焦或重油,与少数的氧气,通常还要加 点蒸汽, 放到一个气化炉里。 气化炉里吸热反应所需要的热量来自于氧气与燃料的放热反应, 并维持气化炉的操ห้องสมุดไป่ตู้温度。 如果有一个外部热源可提供气化反应必要的热能, 水蒸汽可以 成为唯一的气化介质。 煤炭气化与直接燃烧相比有一个很重要的好处。例如,同样的燃料,气化工艺产生的 气体量比燃烧过程产生的气体量少很多。气体量减少意味着设备的减少,建设总成本降低。 对于一个小型发电机组,只需要一个气化炉和压燃式发动机,比起锅炉、冷凝器、蒸汽发动 机等等要省钱得多。因此,气化工艺为远程建设提供一个着迷的选择。 当然,气化工艺也有一个重要的缺点。碳转化率不可能达到 100%。一部分可通过的 能源从灰渣中跑掉了。还有,作为冷煤气的利用,如果没有热回收系统,显热就丢掉了。 从气化炉获得的清洁煤气可当作大型联合循环电厂的燃料, 煤气先是在燃气透平发电 机组燃烧, 然后从燃气透平机出来的热气体经过锅炉产生水蒸汽, 水蒸汽又可以送到蒸汽透 平发电机组进一步发电。 这个气化炉与联合循环系统的结合, 就是著名的以气化技术为龙头 的联合循环发电装置 (IGCC) 与直接烧煤的电厂相比, 。 IGCC 极大地降低了污染物的排放。 目前,燃煤电厂的热效率是 34%(Schimmoller, 2005) ,IGCC 的效率是 40%。美国能源部的 目标,以高位热值(HHV)计算应该达到 52%(DOE, 2001) ,这一个数字超过了当前粉煤锅 炉发电的热效率 40%。 从固体燃料获得气体燃料之后的另一种新兴技术是通过燃料电池进行高效率的电能生 产。 煤炭能够最终靠气化技术生产合成气,一种包含 CO 和 H2 的气体。这个气体,在高度净 化以后能代替天然气,使燃料电池得发电效率达到 50%以上。 煤气能更加进一步转换成可以输送的液体燃料,也能够适用于化工产品和化学肥料的生产。 这样,当石油和天然气资源枯竭的时候,煤炭气化作为一个活生生的工艺,可完全在将来 替代石油和天然气。 这里要向读者提供的是气化工艺所涉及到的热化学原理, 以及各种流化床气化炉的设计 原则。

  气化是一个相对来说还是比较古老的技术。 1797 年就有人发明了煤炭气化,然后在 19 世纪被 广泛地用于城镇煤气,但是相当昂贵。为此,北美洲人还是愿意用鲸油照明,几乎把鲸鱼杀 绝。1846 年,加拿大的本地人,葛世纳博士用热裂解的方法发明了从固体燃料提取灯油的 工艺,并把它称之为煤油(希腊词,蜡和油的意思) 。1849 年,他又在美国和加拿大开发了 从石油提取煤油的技术,挽救了濒临绝种的鲸鱼。

  表 3, 各类气化炉操作特性的比较 操作参数 气化煤颗粒大小 细粉许可度 大块许可度 出口气体温度 煤种许可度 氧化剂需要量 反应区温度 水蒸汽需要量 灰渣形态 气化效率 规模 缺陷 固定床或移动床 51mm 有限制 无限制 450 ~ 650℃ 低品质煤炭 低 1090℃ 高 干 80% 小 煤气中含有焦油粉尘 低品质煤炭,尤其是 生物质 中等 800 ~ 1000℃ 中等 干 86% 中等 碳转化率低 流化床 6mm 适中 适中 气流床 0.15mm 无限制 严格限制 1260℃ 任意煤种,不能气化 生物质 高 1990℃ 低 熔融 80% 大 热煤气冷却

  世界上最闻名,也是被最广泛使用的大型移动床气化炉就是鲁奇炉。从 1955 年起,在 南非,鲁奇炉被用于煤炭的间接液化。大约从 1900 年起,已经有小型的移动床气化炉。第 二次世界大战期间,有 100 多万这样的气化炉用于各种各样的交通工具,如卡车、公交车、 轮船、火车等等。 下排风气化炉非常普及,特别是在生物质气化领域。虽然气化炉装置的规模比较小,只 有 1.5MWth,但是却占有生物质气化市场 75%的份额 (Maniatis, 2002)。 一个固定或移动床气化炉由燃烧和气化, 两个反应区域组成。 2 是一个固定床气化炉 图 的草图。 假设进入气化炉的煤炭已经是脱除了挥发分的半焦, 下部只有碳燃烧生产二氧化碳 的反应以及放出热量供上部吸热的气化反应所用。在燃烧区域,生成的灰渣从下面排出。燃 烧生成的气体和水蒸汽向上,半焦向下移动。所有的水蒸汽与碳的反应、二氧化碳与碳的反 应都发生在这个吸热区域内。 表 2 对各种气化炉的强项和弱项进行了比较。表 3 则是操作特性方面的更详细的比较。

  根据气化燃料和气化剂接触的方式,气化炉可以分成四大类: 1. 气流床 2. 流化床(鼓泡流化或者循环流化) 3. 喷动床 4. 固定床或移动床 图 1 提供了这四种气化炉的简单结构。以下提供简单的文字说明。 2.1 气流床 气流床,如图 1 的(d),需要气化的粉煤悬浮在氧气(或空气)和水蒸汽之中。煤灰在 气化炉的高温中熔融成液体从底部排出。大型的工业化气化炉有德士古、谢尔、KT 等。这 些气化炉典型的操作压力是 35 Bar, 氧气是主要的气化介质。 许多 IGCC 装置用的是气流床。 与其他的气化炉相比,气流床的产气量比较大(100MWe) ,但是只能用化石燃料和精制废 物,很少用生物质燃料,因为燃料的颗粒必须非常细(一般在 80 ~ 100 微米) 。 2.2 流化床 在图 1(b)和(c)所示的流化床气化炉中, 燃料在流化的小颗粒床中与适当的气化剂, 如空 气或氧气、水蒸汽接触并气化。德国人温克勒在 1921 年发明了“流化床” ,并于 1926 年将 空气鼓风的、工业化的流化床气化炉煤气用于发电机组。至 1929 年,5 个机组的发电量达 到了 100MW(A. M. Squires, 1983) 。1970 年代发生的“石油危机”击发了人们对流化床气

  图 1 四种气化炉的结构示意图 2.3 喷动床 在喷动床里,气化介质要以较高的速度穿透一个颗粒尺寸相对较大(盖达颗粒 D)的厚 床层。射流将固体颗粒带到床层表面,然后像喷泉一样落下。落下的颗粒在射流周围类似移 动床向下,然后被射流再次提升到床层表面。 2.4 固定床或移动床 在移动床气化炉里, 固体燃料自上而下, 进入气化炉的气化剂与固体床层接触有三种方 式:气化剂自下而上通过床层的气化炉称上排风气化炉(图 2) ,还有下排风气化炉和侧排 风气化炉(图 1(a)) 。

  表 2,各类气化炉的强项和弱项 气化炉类别 固定床 模式 (a)下排风 (b)上排风 (c)侧排风 流化床 气流床 鼓泡或循环 强项或弱项 热值低,含尘量中,焦油少。 热值高,含尘量中,焦油多。 热值低,含尘量中,焦油多。 能气化所有的煤种,气化强度超过固 中等 定床,传热传质好。热值高,效率高。 能气化所有的煤种,气化强度最大, 热煤气显热高,熔融排渣。 大 生产规模 小或中等

  过程 a、b 和 d 是吸热的,热量由过程 3 提供。在干燥过程中,固体燃料中的水分被蒸 发。在热裂解过程中,半焦或燃料中的水蒸汽、有机液体以及不可冷凝的气体被分解成小分 子物质。燃烧过程则是固体燃料中的有机质被氧化并释放出热量,在还原反应中,这些气体 以吸热的形式还原成可燃烧的煤气。 某些作者(DOE, 1978)则认为气化反应只是三个阶段:脱挥发分,快速的甲烷生产反 应以及慢速的半焦气化。