《东北电力技术》1996年第12期煤气化技术的研究与进展东北电力学院(132012)　张化巧　姜秀民　张靖波　孙键摘　要 文中回顾了煤气化技术的产生及发展过程,阐述了它的应用前景,详细介绍了煤气化技术的发展现状及存在的问题,同时也包括我国学者在这方面的贡献,指出了目前尚待解决的问题和发展方向,最后说明了我国开发这方面研究工作的重要意议。

关键词 煤气化　煤气化技术　流化床1　煤气化技术的产生及应用1.1　煤气化技术的产生煤气化是用气化剂将煤及其干馏产物中的有机物最大限度地转变为煤气的过程。

早在18世纪末期,人们就由煤中获得了煤气,19世纪初形成煤气生产的产业部门。

煤的制气技术从19世纪中叶得到发展,20世纪20年代,出现了煤的多种气化工艺。

1922年,常压流化床粉煤气化的温克勒炉获德国专利,1926年投产。

后来德国又作了增加二次风等方面的改进,提高反应温度和反应空间,并称之为高温温克勒炉。

1955年,第一台加压固定床鲁奇气化炉在德国投产。

1940年,奥地利建成了第一台焦化与气化相结合的两段炉。

1939～1944年期间,第一台常压气化气流床研制成功。

40年代后期,美国开发出气流床气化的德士古气化炉。

20世纪中期,由于丰富的天然气资源通过公用的管线输送广泛地分配到各处,这样由煤所生产的煤气量逐渐减少,一些已建成的煤气化炉也纷纷停产,煤气化技术的发展受到抑制。

20世纪70年代中期,由于注意到石油和天然气储量的日益减少,人们又对煤的气化产生了强烈的兴趣。

70年代初,美国又开发出U-G AS气化炉。

此外,比较成功的煤气化方法还有西屋法、D ow法,Shell法等。

我国自80年代起开始这一领域的研究工作,发表了许多文献。

中科院煤化所于80年代初开始的灰熔聚法流化床气化的研究,目前已进入半工业化试验阶段。

1.2　气化产物的用途煤气化是将煤中可燃物完全转化为气体产物,这些气体产物的潜在用途是:a.　生产天然气的代用品;b.　用作以后生产乙醇、汽油、塑料等的合成气;c.　用作发电的气体燃料;d.　用作生产工业蒸汽和工业用热的气体燃料。

2　煤气化技术研究现状及存在的问题 煤气化技术已广泛用于制取各种气体燃料,满足工业生产的要求。

煤气化方法有多种,相应的气化炉也有多种。

根据原料在气化炉内的状态可分成固定床、流化床及气流床三种形式。

为了验证气化器的整体特性,解释测量结果,确认重要的试验变量,识别控制速率的过程,确定需进一步研究的问题,帮助按比例放大工作,加强反应器的模化等原因,在物理、化学定律和实验观察的基础上建立了煤反应综合模型。

综合模型的各个分部模型进展情况及存在的问题包括:2.1　湍流流体力学通用化的多维煤反应模型需要有一个对带回流的气相湍流场的描述,流体力学模型全都是基于S palding及其合作者的气相系统计算方法。

为使方程组封闭,采用了Boussinesq梯度假设,靠Prandtl-K olm og orov关系式建立了旋涡粘度与湍流动能(K)及其衰减速率(ε)的联系,然后从模型化的输运方程解出这两个变量。

G osman等、Smith 和Sm oot、S palding及Mellor和Herring验证了这一方法并指出了其使用上的限制。

这一方法还不能精确地模拟发生在钝体后的回流,用于载有颗粒物料的气体运动也是有问题的。

但这种方法仍然是目前在煤反应模型中用得最多的一种。

2.2　气相湍流燃烧描述煤反应过程的多维模型采用了多种处理气相湍流燃烧的方法。

这些方法从局部气相平衡变化到有选择的关键反应的总体动力学计算以及对其它反应的部分平衡计算。

为更好地模拟气相湍流燃烧过程,近来的研究过程中引入了局部平衡的计算,并认为局部区域内燃料-氧化剂混合比例按统计规律变化。

但是由于对煤反应过程中产生的气相产物、湍流的影响以及暂态速率等的了解还不确切,这种模型还没有充分与动力学计算联系起来。

2.3　颗粒弥散大尺寸的反应器中有许多大的回流区,进口旋流对颗粒运动也有很大的影响。

气体分子总是趋于局部平衡的,然而,由于每一颗粒自身运动过程不同,引起当地颗粒的特性也不一样。

因此,掌握颗粒运动的影响成为一个重要的问题。

湍流对颗粒运动也有重要影响。

对均相混合物中湍流的处理仍缺乏严格的理论推导,而主要依赖于经验。

在模型中增加的湍流扩散相,带来了由于流体与颗粒相之间相互作用所引起的新的未解决的问题。

由于缺乏对这一物理现象细节的了解,还不能写出控制方程的通用表达式。

在模型中,当颗粒与气体扩散速率不同时,采用两种不同处理方法。

第一种方法对颗粒相的处理类似于对气相的处理。

对各个不同尺寸的颗粒进行分组,然后引入其运动过程的影响。

对一定的煤颗粒尺寸组给出其特性(如尺寸、温度等)。

对每一颗粒组可写出具有源项和汇项的欧拉方程,颗粒可以从一组转入到另一组。

第二条方法是沿着流场来考察颗粒。

沿每一个颗粒的轨迹,颗粒的固体特性连续变化。

气体与固体的相互作用通过在气相欧拉方程中加入一源项来考虑,该源项由颗粒运动的计算得到。

这种拉格朗日方法需要较少的计算机内存,但在处理气体湍流的颗粒运动的影响以及得到的平均颗粒特性与测量值进行比较等方面存在问题。

分析湍流场中颗粒运动的可靠方法必须依靠实验数据,而这种数据也是有限的。

气体和颗粒在冷态流场和反应流中颗粒平均扩散的实验数据,说明了流动参数,特别是旋转运动对颗粒扩散速率的影响,同时也表明在实验系统中,固体颗粒扩散速率比气体扩散慢得多。

这些数据为评价颗粒扩散模型提供了比较的基础。

2.4　煤的热解煤反应包括颗粒在快速加热时气态挥发分和焦油的析出,以及残留碳与氧、水蒸气、二氧化碳或氢的非均相反应。

这两个过程通常是相继发生的,但在某些条件下也会同时进行。

杨允明等研究了煤在固定床反应器中加压热解过程。

最近在煤燃烧和气化研究过程中,氮的释放受到了特别的重视。

黄克权等对固定床中氮压力下的非等温热解过程进行了研究。

在煤的消耗过程中,氮大约以与煤消耗相同的速率离开煤,并且看来与其它参数(如煤的种类、反应器型式、反应过程等)无关。

更细致的研究表明,氮的释放对温度的敏感性比碳稍强,因此在低温下氮的释放较碳慢,而在高温下则较碳快。

对于煤热解产物的定量描述仍是非常困难的。

大部分模型中关于挥发分的处理均以下述假定为基础。

炭骸的成分是给定的,挥发分的元素组成由原煤的元素分析及物质平衡来确定,通过局部平衡计算给出详细的气体成分和温度;挥发分成分以热解实验中挥发分产物的实验结果为基础,产物最终在气相中以速率控制过程消耗掉。

当煤颗粒消耗时,可以用C、H、O、N和　S从煤中释放的速率对煤中挥发分变化的预测作出评价。

其它文献还报导了考虑挥发分扩散、裂解形成烟炱以及压力影响的方法。

最近一些研究将热解速率和原煤的结构联系起来,并显示了很好的前景,但也存在不少问题,包括较高的加热速率和较小的颗粒对产物形成的影响,以及在大尺寸反应器中的热解过程与小的实验装置中所得的结果的关系等。

进一步还应研究热解过程中产生的炭骸的特性,包括孔的结构,尺寸、形状和反应性等。

从煤中释放出来某特定气相成分的数据对污染物形成的模拟可能是重要的,然而由于反应速率的不确定性和湍流动力学处理上的困难,这些数据不易放到通用化的模型中去。

2.5　碳的非均相反应碳颗粒的燃烧时间是煤反应过程中非常重要的一部分,这一时间尺度较湍流时间尺度要大得多。

由于炭结构的变化和多种反应物(O2、H2O、CO2、H2)的影响;这一过程的模拟强烈地依赖于在特定试验工况下,特定煤种的实验数据。

在煤反应模型中,对碳反应最常用的处理方法是以相关的气相扩散和表面反应过程为基础的,反应速率数据以阿累尼乌斯形式表示,并采用了收缩核心或等直径的模拟方式,对考虑灰层扩散、考虑碳以外的其它元素、表面氧化反应产物是一氧化碳还是二氧化碳以及炭中矿物质的催化效应等问题作了尝试。

王同华等研究了褐煤快速热解半焦的气化特性。

目前,正在通过碳和煤的真实反应速率数据以及炭结构模型来考虑煤的基本结构、反应性、孔隙度和内孔扩散对反应的影响。

Smith综述了不同炭的真实反应速率数据,但到目前为止,反应速率被认为是与煤的种类有关的,部分原因是炭的结构及煤所含的杂质不同。

Fins on 等通过对内孔结构和孔隙扩散的考虑,以真实反应速率为基础,模化了炭的气化过程。

2.6　辐射反应器中主要的气相辐射物质是CO2和H2O,其辐射数据总的来说是令人满意的。

其它气体组分,如CO、SO2和NO,由于浓度低通常是次要的。

局部气体温度和组分的不确定性通常较辐射数据的问题大。

反应系统中的颗粒辐射来自于碳、灰和烟炱三个部分。

必要的数据包括:颗粒温度、尺寸分布、折射指数及浓度。

目前已有了一些关于烟炱和碳粒折射指数的数据,但在烟炱的尺寸和浓度方面仍有很大问题。

最近的辐射模型已将注意力放在通量法上。

2.7　污染物的生成煤反应过程中生成的污染物包括:氧化硫、氧化氮、HCN、NH3、H2S、CO、挥发性灰分、可能有害的碳氢化合物及粒度范围很宽的颗粒。

通过对反应过程的控制来降低氧化氮的方法已经进行了示范,并且确定了煤中的氮,特别是热解过程中释放的氮的重要性,给出了氮从煤中释放的速率数据。

同时还测定了湍流煤粉反应过程中NO、HCN、和NH3的局部生成速率。

目前,还没有一个模型包括污染物的生成过程。

由于气相反应动力学(如NO x生成)的重要性以及在湍流系统中缺乏满意的反应理论,开发描述煤反应过程中污染物生成的各种方法是一个重要但还很不现实的目标。

2.8　灰/渣的生成灰/渣由煤反应后剩余的矿物质组成。

煤中的灰分是由相当数量的某些元素和一些微量元素组成,Sarofim等讨论了由粉煤燃烧得到的灰分的颗粒尺寸问题,并且指出,某些灰的组分是更高温度条件下的挥发分。

张振桴等对不同气氛下煤灰的熔聚行为进行了研究。

反应过程中生成的灰/渣在反应器壁面上形成覆盖物,减少了传热数量,腐蚀了壁面。

此外,灰分也能对非均相反应起催化作用。

在现有的煤反应模型中都没有包括灰/渣生成过程模型。

灰/渣的生成是煤反应综合模型的一部分,还需要进行大量的研究工作。

3　煤气化技术的发展趋势 模拟煤反应过程的综合模型包含着许多物理、化学过程,这些过程还不完全清楚。

正是由于缺乏关于这些基本过程的了解,才必须把数学模拟方法和有效的实验数据结合起来。

煤气化技术是世界各国都在努力研究和开发的课题之一,在今后的一段时间内将在以下几个方面进行大量的研究工作。

在气化方法和气化炉选择上:a.　提高造气压力,加压气化能提高气化强度,节省动力,便于长距离输送;b.　增大气化炉直径和容积,提高单炉产气量;c.　扩大煤种适应范围,特别是发展劣质煤和粉煤造气;d.　把生产廉价、低热值煤气与发电相结合,发展燃气轮机和蒸汽轮机复合循环发电;e.　利用核能制气,扩大能源,提高煤利用率;f.　开发煤的催化气化,便于在加压和较低温度下生产含甲烷多的城市煤气和天然气代用品。