自固体流态化技术发展以后,温克勒(F.Winkler)首先将流态化技术应用于小颗粒煤的气化,开发了流化床(或称沸腾床)气化法。由于流化床气化采用的原料煤颗粒较细(0~10mm),气化剂流速很高,炉内煤料处于剧烈的搅动和不断返混的流化状态,炉床内温度均匀,气固相接触良好,有利于气固反应速率的提高。流化床气化技术自1926年开发以来得到了迅速发展和不断提高。
2.4.1 常压流化床气化原理
流化床气化采用0~10mm的小颗粒煤作为气化原料。气化剂同时作为流化介质,通过气化炉内的气体分布板(炉箅)自下而上经过床层。根据所用原料的粒度分布和性质,控制气化剂的流速,使床内的原料煤全部处于流化状态,在剧烈的搅动和返混中,煤粒和气化剂充分接触,同时进行着化学反应和热量传递。利用碳燃烧放出的热量,提供给煤粒进行干燥、干馏和气化。生成的煤气在离开流化床床层时,夹带着大量细小颗粒(包括70%的灰粒和部分未完全气化的炭粒)由炉顶离开气化炉。部分密度较重的渣粒由炉底排灰机构排出。
在流化床气化炉内,主要进行的反应有:碳的燃烧反应、二氧化碳还原反应、水蒸气分解反应及水煤气变换反应等,见式(2)、式(3)、式(4)、式(8)及式(10)。
2.4.2 常压流化床(温克勒炉)气化工艺
温克勒气化工艺是最早的以褐煤为原料的常压流化床气化工艺,在德国的莱纳(Leuna)建成第一台工业炉。以后,在气化炉及废热锅炉的设计上进行了不断的开发和改进,但其基本原理没有变化。
2.4.2.1 温克勒气化炉
图5-39为温克勒气化炉的示意图。由图可见,该炉是一个高大的圆筒形容器。它在结构和功能上可分为两大部分:下部的圆锥部分为流化床,上部的圆筒部分为悬浮床,其高度约为下部流化床高度的6~10倍。
将0~10mm的原料煤由螺旋加料器加入圆锥部分的腰部。一般沿简体的圆周设置二个或三个进口,互成180°或120°。
温克勒炉采用的炉箅安装在圆锥体部分,炉箅直径比上部炉膛的圆柱形部分的直径小,鼓风气流沿垂直于炉箅的平面进入炉内。这样的结构为床层中的颗粒进行正规和均匀的循环创造了良好条件。当灰渣直接落在炉箅平面上时,虽可借刮灰板将灰刮去,但难以彻底清除。灰渣在炉箅上的堆积,往往会引起结渣现象,因而限制了炉温的提高,同时也不利于气化剂的均匀分布。
氧气(空气)和水蒸气作为气化剂自炉箅下部供入,或由不同高度的喷嘴环输入炉中。通过调整气化介质的流速和组成来控制流化床温度不超过灰的软化点。富含灰分的较大粒子,由于其密度大于煤粒,均沉积在流化床底部,由螺旋排灰机排出。在温克勒炉中,30%左右的灰分由床底部排出,其余由气流从炉顶夹带而出。
为提高气化效率和适应气化活性较低的煤,在气化炉中部适当的高度引入二次气化剂,在接近于灰熔点的温度下操作,使气流中所带的炭粒得到充分气化。
废热锅炉安装在气化炉顶部附近,由沿内壁配置的水冷管组成。产品气由于废热锅炉的
冷却作用,使熔融灰粒在此重新固化。
2.4.2....