氣流床煤氣化系統的熱力學(xué)分析

第35卷第2期化學(xué)工程Vol. 35 No.22007年2月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Feb. 2007氣流床煤氣化系統的熱力學(xué)分析汪洋，于廣鎖，代正華，梁欽鋒,于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237)摘要:在使用Aspen Plus對激冷型氣流床煤氣化系統進(jìn)行模擬和優(yōu)化的基礎上,采用熱力學(xué)分析方法,對氣化系統進(jìn)行了能量衡算和朔量衡算。計算結果表明,系統中炯損失最大的過(guò)程是化學(xué)能轉變?yōu)槲锢砟艿倪^(guò)程。洗滌冷卻室是炯損失最大的設備,擁?yè)p失占了總擁的21.2% ;其次是氣化爐氣化室,占到了總擁的13. 9% ,氣化室的擁?yè)p失主要發(fā)生在水的汽化等過(guò)程中,這一部分擁?yè)p失占氣化過(guò)程擁?yè)p失的70%左右,而氧氣加熱至反應溫度所帶來(lái)的煳損失僅占30%左右。采用傭分析方法可以更準確地揭示系統中棚損失最大的環(huán)節和過(guò)程,為改進(jìn)設備、節約能源提供目標和對策。關(guān)鍵詞:氣流床煤氣化;能分析;爛分析中圖分類(lèi)號:TQ 54文獻標識碼:A文章編號:1005-9954( 2007 )02-0075-04Thermodynamic analysis of entrained-flow coal gasification systemWANG Yang, YU Guang-suo , DAI Zheng hua ,LIANG Qin-feng, YU Zun-hong( Institute of Clean Coal Technology , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 ,China)Abstract : Based on the simulation and optimization results of quenching entrained-flow coal gasification process withAspen Plus，thermodynamic analysis was applied to calculate energy distribution and exergy distribution of thegasification system. The results show that the process with the maximal exergy ]oss is chemical energy transforminginto physical energy. The equipment with the maximum exergy loss is scrubbing cooling chamber, sharing 21. 2%of total input exergy ; the second is gasifier, with exergy loss sharing 13. 9%，and 70% of exergy loss in gasifierroot in vaporization of water, the temperature rise of oxygen result in the other 30%. By using exergy analysismethod, it can be more accurate and convenient to uncover the process with the maximal exergy loss so as to set uptarget and provide suggestion of equipment rebuilding and energy saving.Key words :entained-low gasification; energy analysis; exergy analysis自20世紀70年代以來(lái),由于能源短缺,迫使人析的方法 ,對氣化系統進(jìn)行了能量衡算和炯量衡算,們不得不認真地研究各種運動(dòng)形態(tài)能量的開(kāi)發(fā)和利為提高過(guò)程效率提供理論基礎。用，“炯”的概念引起人們的重視‘。此后,在基本概念(基準態(tài))環(huán)境模型的建立、擁值計算、能級分1系統炯分析方法析等理論研究方面得到迅速發(fā)展,擁方法趨于成熟，擁的定義是:一定形式的能量或一定狀態(tài)的物工程應用逐漸展開(kāi)。通過(guò)對生產(chǎn)工藝系統的擁分質(zhì), 經(jīng)過(guò)完全可逆的變化過(guò)程后(傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)析,可以展示系統用炯狀況,揭示擁?yè)p分布規律,由反應等) ,達到與環(huán)境完全平衡的狀態(tài),在這個(gè)過(guò)程此得到對系統能量和能質(zhì)利用的科學(xué)評價(jià)。目前，中該能量或物質(zhì)所能做的最大功稱(chēng)為擁，用符號E,在石化、石油、動(dòng)力、冶金制冷等技術(shù)領(lǐng)域以及能源表示。擁概念是通過(guò)熱力學(xué)第二定律揭示的,對于等管理部門(mén),以傭方法評價(jià)和指導用能實(shí)踐,已獲得日量不同溫度的熱能,其能質(zhì)差表現為擁的差”。依據益廣泛的應用。.熱力學(xué)中國煤化工的做功能力為本文在基于A(yíng)spen Plus對激冷型氣流床煤氣化系統進(jìn)行模擬和優(yōu)化的基礎.上,首次采用熱力學(xué)分TYHCNMHG(1)基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2004CB217707) ;國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2003AA521020) ;上海市青年科技啟明星計劃資助項目(03QF14013)作者簡(jiǎn)介;汪洋( 1980-) ,男,碩士研究生,研究方向為過(guò)程系統工程:于廣鎖,通訊聯(lián)系人,E-mail: gyu@ ecusl. edu. cn?！?6●化學(xué)工程2007 年第35卷第2期式(1)表示溫度為T(mén)的熱量Q利用卡諾機和低3氣化系統的熱力學(xué)分析溫熱源T?？勺龀龅淖畲蠊?不同溫度熱能的做功能(1)物質(zhì)的基準炯計算力不同,溫度越高,做功能力越大,其價(jià)值也就越大，物理炯選用的基準條件為25 C、101 325 Pa。因此,熱量的做功能力反映了等量、不等溫熱能在能此時(shí),各類(lèi)物質(zhì)的物理炯為0。質(zhì)上的差別,擁分析理論中稱(chēng)W..為熱量Q具有的在計算化學(xué)炯時(shí),除了物理條件外,還必須選定基擁,式中To為環(huán)境溫度。準物質(zhì)。到目前為止,在分析理論中,選定水空氣等用傭定義不同溫度、壓力物質(zhì)的能質(zhì)差別，即讓在自然界廣泛存在而且化學(xué)穩定性很好的物質(zhì)作為基具有參數H、S的流體經(jīng)歷可逆過(guò)程通過(guò)某一物系，準物質(zhì),可以確保所有物質(zhì)的化學(xué)擁不出現負值。在此過(guò)程中,對外做功W與環(huán)境交換熱量Q最終達(2)煤的炯值計算到與環(huán)境平衡。流體經(jīng)歷這樣的過(guò)程對外做出的對整個(gè)氣流床煤氣化系統的熱力學(xué)分析均基于功,即稱(chēng)為具有參數H、S流體的擁。根據熱力學(xué)第1 kg 北宿煤(干基) ,煤質(zhì)分析見(jiàn)表 1。一定律得國H=H。+W+Q(2)表1工業(yè)分析和元素 分析(質(zhì)量分數)由于過(guò)程可逆,得Table 1 Industrial analysis and element analysis %Q=T。(S-S)(3)工業(yè)分析元素分析所以MFC。V.jA.JCHNs0A小E(p,T)=W=H-Ho-T。(S-Sq)7. 2051.0429.50 12.26 69.274.56 1.28 3.6 8.08 13.21對于具體物流,只要計算出H,H,S,S。即可計算出物流的炯值。此外，可以證明,對于微元變化過(guò)煤的擁值由朱明善41給出的公式計算:程,利用式(1)和式(4)計算壓力不變(熱量傭計算e。= 34215.87[C] +21.97[N] + 116702.76[H] +沒(méi)有考慮壓力變化)條件下的dE, ,其計算結果是一18 260.357[S]-13 278.593[0]-致的，說(shuō)明了二式在理論上是統- -的。298. 15 x0.71768 ma +0.6276[0] x{32 729.8[C] +141 791.11[H]-2多噴嘴對置煤 氣化系統簡(jiǎn)介17 723.842[0] + 16019.49[S] }(5)激冷型氣流床煤氣化系統包括4個(gè)主要部分，式中,m,表示每kg干煤中所含灰分的質(zhì)量。即氣化爐(氣化室和洗滌冷卻室)、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔和閃蒸系統。- -定濃度的水煤漿與氧氣通過(guò)對4計算結果及分析置噴嘴送人氣化爐中進(jìn)行氣化燃燒,氣化產(chǎn)生的粗基于A(yíng)spen Plus對氣流床煤氣化工藝流程進(jìn)行煤氣經(jīng)洗滌冷卻室洗滌冷卻,進(jìn)人水洗塔進(jìn)行初步了模擬及優(yōu)化'5- 6] ,應用熱力學(xué)分析方法,對氣化系.凈化得到合成氣;氣化爐內產(chǎn)生的渣通過(guò)鎖斗排出統進(jìn)行了能量衡算和炯量衡算,系統進(jìn)出物流的能系統,渣水和水洗塔的黑水通人蒸發(fā)熱水塔進(jìn)行廢量和炯量見(jiàn)表2和表3。水處理;蒸發(fā)熱水塔出來(lái)的黑水進(jìn)人閃蒸系統除去大部分的酸氣,閃蒸得到的水除去細灰后循環(huán)使用,表2氣化系統進(jìn)出物流能量 計算見(jiàn)圖1。Table2 In and out energy calculation of gasification system高溫冷凝液氧氣合成氣輸入焓/(WJ.h")輸出焓/(k.h")_煤、酸氣煤26 030.00合成氣.18 206.63水化低溫冷凝液97. 151 761.49租合成飛路|202. 2719.5901。其他氣體1.53冷即室渣水器中國煤化工，130. 20TYHC NMH G講519. 14循環(huán)灰水渣脫鹽水40. 3290.44圖1 氣流床煤氣化系統流程淡水30. 80熱量損失147.35 ;Fig. 1 Entrained-low coal gasifcation systen總計27 903. 6820 876.37汪洋等氣流床煤氣化系統的熱力學(xué)分析.77●表3氣化系統進(jìn)出物流煸量計算一般情況下,把系統或設備中有效的輸出炯與Table3 In and out exergy calculation of gasifcation system輸人擁的比值定義為該系統或設備的普遍擁效率,輸入煙(kJ.h)輸出傭/(kJ.h-')以nm表示。從表4和表5可以看到,擁效率最低的煤25 945.15合成氣16 052.27設備是洗滌冷卻室,炯損失占了總炯的21.2%,其水2.12渣5.23次是氣化爐氣化室,炯損失也占到了總傭的13.9%。氧氣111.98酸氣18. 62(2)圖形炯高溫冷凝液188. 38其他氣體1.51低溫冷凝液67.53灰水6.76為了深人揭示傭的變化情況,采用圖形化傭分補水0. 19濾餅1.13析方法!7-8],見(jiàn)圖2。圖中橫坐標為過(guò)程發(fā)生的焓脫鹽水0.37循環(huán)灰水1.19.變,縱坐標為A。A值的計算式為淡水0.12熱量損失112.91總計26315. 8416 199. 63A=AH=1-T。H(6)式中,Os為過(guò)程發(fā)生所帶來(lái)的擁變量,AH為過(guò)程(1)傭效率發(fā)生的焓變量,aS為過(guò)程發(fā)生所帶來(lái)的熵變量,T。炯損失的大小,可以表示實(shí)際過(guò)程的不可逆程度。則為擁分析過(guò)程中預先確定的環(huán)境溫度。當過(guò)程具炯損失越大,該過(guò)程將越偏離相應的可逆過(guò)程,因而可體 到換熱過(guò)程時(shí),A值的計算式簡(jiǎn)化為用炯損失的大小來(lái)衡量某一具體過(guò) 程的熱力學(xué)完善程A=1--7)度。但由于擁?yè)p失是一個(gè)絕對量,它無(wú)法比較不同工作條件下各個(gè)過(guò)程或各類(lèi)熱工設備中的炯利用程度,式中,T為過(guò)程中熱源的放熱溫度或工質(zhì)的吸熱溫為此在擁分析中廣泛地使用擁效率的概念。主要設備度,此時(shí)A值即為以熱源溫度或受熱工質(zhì)溫度計算的炯效率列于表4,表5為氣化系統的擁?yè)p失分布。的卡諾循環(huán)效率。當任何能量過(guò)程發(fā)生時(shí),都會(huì )同時(shí)存在能量的表4主要設備煳效率釋放側( energy donor) 和能量的接受側( energy ac-Table4 Exergy eficiency of key apparatusceptor)。以換熱過(guò)程為例,熱源是能量的釋放側,而輸人傭輸出傭受熱工質(zhì)則是能量的接受側。熱量由熱源傳遞給工/(k.kg") /(kJ●kg~")質(zhì),其過(guò)程發(fā)生的驅動(dòng)力是熱源與工質(zhì)之間的溫度氣化爐26059. 1022 390.5485.9差異,體現在A(yíng)值上則是以放熱溫度計算的A.與以洗滌冷卻室23 247. 1617 675. 8176.0吸熱溫度計算的A.之間的差值。假設過(guò)程的換熱昆合器17 257.3117 028.1198.7量為dH,按照傳統熱力學(xué)推導換熱過(guò)程的爛損失可旋風(fēng)分離器17 028.1116 683.0798.0以表示為水洗塔17 080. 6416 96s.9199.3蒸發(fā)熱水塔602.59495. 8782.3Oe=T。xAS=T。xAHx((寧一六)) =△HxAA101 274.9191 239.3190.1(8)將上述變化量替換為微分量,則表5氣化系統炯損失分布SHTable5 Exergy loss distibution of gasification systemAε=0AxdH(9)傭/(kJ.kg-)比率/%此公式的含義為:圖示炯分析中的熱源A值變總輸人26 315.84100.0.化曲線(xiàn)與吸熱工質(zhì)的A值變化曲線(xiàn)之間所夾的面3668. 56積即為此換熱過(guò)程帶來(lái)的炯損失。洗滌冷卻室5571. 3421.2圖2為在一定氧化反應放熱量的情況下,氣化混合器229.20.9煳損失旋風(fēng)分離器345.04.1.3爐內吸中國煤化工的變化線(xiàn)，包括氧水洗塔.114.730.4氣的加MHCNMHG上可以看出,氣化106.72爐的煽頂天按及生仕小爍永T所含有的水氣化、其他27.98蒸發(fā)過(guò)熱至氣化溫度的過(guò)程中,這一部分炯損失占輸出61.0氣化過(guò)程炯損失的70%左右,而氧氣加熱至反應溫煙損失+輸出26 315. 84100.0度所帶來(lái)的炯損失僅占30%左右?！?8●化學(xué)工程2007 年第35卷第2期法,采用擁分析方法可以更準確地揭示系統中擁?yè)p失最大的環(huán)節和過(guò)程,為改進(jìn)設備、節約能源提供目0.標和對策。0.602H20參考文獻:[1]官 克勤,項新耀.擁傳遞的研究現狀與發(fā)展方向[J].熱科學(xué)與技術(shù),2002,1(2):177- -180.1 0002 0003 0004 000[2]張永 貴.準擁與熱力過(guò)程炯變量計算方法[J].節能技AH(kJ.kg)術(shù),2004 ,22(20) :20- -21圖2氣化過(guò)程A-Q 曲線(xiàn)[3] 嚴家騷.工程熱力學(xué)[M].第3版.北京:高等教育出版Fig.2 Gasification process A-Q curve社2000.[4]朱明善. 能量系統的擁分析[ M].北京:清華大學(xué)出版5結論社,1988.基于A(yíng)spen Plus 對氣流床煤氣化系統進(jìn)行了模[5] 汪洋,代正華,于廣鎖,等.運用Gibbs自由能最小化方擬和優(yōu)化,采用熱力學(xué)分析方法,對氣化系統進(jìn)行了法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化,2004,27(4):能量衡算和炯量衡算。計算結果表明,炯效率最低27-33.的設備是洗滌冷卻室,擁?yè)p失占了總炯的21.2% 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