氣流床氣化爐煤粉部分氣化特性的研究

第33卷第3期煤炭轉化Vol.33 No. 32010年7月COAL CONVERSIONJul. 2010氣流床氣化爐煤粉部分氣化特性的研究江鴻"金晶2)郝小紅3)樊俊杰》劉瑞"沙永濤"宋博)摘要基于商業(yè)軟件Aspen Plus,運用Gibbs自由能最小化方法建立了氣流床部分氣化模型,預測氣化爐入口參數(空煤比、汽煤比、熱損失和碳轉換率)對出口合成氣的影響特征,模擬結果表明,隨空煤比的增大,粗煤氣中有效氣體成分含量先增大后減少;隨汽煤比的增大,粗煤氣中H2 .含量增多,有利于部分煤氣化再燃;隨碳轉換率的增大,粗煤氣中有效氣體成分含量增加,但提高程度不明顯,因此針對部分氣化不刻意追求碳轉換率.關(guān)鍵詞部分氣化,空煤比,汽煤比,碳轉換率中圖分類(lèi)號TQ541部分氣化產(chǎn)生的煤制氣送人煤粉爐的再燃區,作為0引言氣體再燃燃料還原主燃區生成的NO, ,沒(méi)有氣化的焦燃料分級燃燒技術(shù)不但可以使NO,的排放量炭設法隨--次風(fēng)送到煤粉爐的主燃區加以燃燒利用.對于煤的部分氣化,當今國內外采用的主要是降低50%~80%,而且設備簡(jiǎn)單,容易實(shí)施,運行費流化床氣化技術(shù),流化床爐內反應溫度一般不高于用較低，是很有發(fā)展前途的低NO,燃燒技術(shù)之一。1 000 C,氣化時(shí)氧耗量比氣流床低.但煤制氣再燃從提高再燃區內還原NO,的效果角度考慮,氣體作技術(shù)通常利用電廠(chǎng)煤粉爐的煤粉作為氣化燃料,而為再燃燃料較為合適.但是，我國現有電廠(chǎng)大多以燃流化床通常不希望1 mm以下的細粉過(guò)多,否則煤為主,為了利用電廠(chǎng)的現有資源，通過(guò)再燃技術(shù)實(shí)出口煤氣含有大量的煤粉,送人再燃區后會(huì )影響鍋現NO,排放的高效控制,本研究提出了煤粉部分氣爐的燃盡率,并且流化床造價(jià)較高.因此在爐型的選化煤制氣再燃降低NO,排放技術(shù).取上筆者認為選取氣流床氣化爐較為合理.[0目前1氣流床氣化爐部分氣化模型的建立國內外學(xué)者關(guān)于氣流床的數值模擬研究很多,周志氣流床氣化爐部分氣化模型見(jiàn)圖1,即將煤粉杰等田建立了基于化學(xué)平衡的數學(xué)平衡模型,表明對于溫度高達1 400 C~1 600 C的煤氣化過(guò)程,可PoudrdPowdered以用化學(xué)平衡的方法建立簡(jiǎn)單的數學(xué)模型,并且提出入爐氧煤比的改變達到了分配合成氣熱值和顯熱Air的結論;吳學(xué)成等[4]基于未反應碳縮核模型建立了動(dòng)態(tài)數學(xué)模型,研究了氣化爐入口參數對合成氣成分的影響;汪洋等6利用Aspen Plus模擬了氣化爐的氣化過(guò)程,基于吉布斯自由能最小的原理,結合氣相化學(xué)反應平衡的原則研究了操作條件對出口參數H24命。的影響; Watkinson等[6]提出的平衡模型,對產(chǎn)品煤氣中的CO和H2含量誤差在士0.1%之內,H2S和COS濃度可以準確地預測,但CO2預測值的準確性圖1部分氣化煤制氣再 燃低NO,燃燒系統要差一些,結果還表明該模型對氣流床氣化爐模擬Fig.1 Schematic of partial gasification coal-gas reburning效果最好，流化床次之，而固定床由于一些不確定因low NO, combustion system●國家高新技術(shù)(863)項目(2007AA05Z340).上海市教委科研創(chuàng )新項目(09YZ212)和上海理工大學(xué)研究生創(chuàng )新基金資助項目(5408115001).1)碩士生,2)教授;3)講師:4)博士生,上海理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院.0003上收稿日期:2009-07-07;修回日期:2010-04-0830煤炭轉化2010年素如揮發(fā)分含量組成等的存在,模擬誤差較大. Liu換率來(lái)盡量提高出口粗煤氣的H2體積分數.等[7]建立了氣流床氣化爐模型,重點(diǎn)從反應動(dòng)力學(xué)2.1入爐空煤比對粗煤氣主要成分的影響結合煤焦顆粒的大小研究了對合成氣參數的影響.但是至今對于氣流床氣化爐部分氣化的數值模擬尚氣化爐內的反應實(shí)質(zhì)是一個(gè)部分氧化反應,爐未見(jiàn)到相關(guān)報道.內的碳顆粒不完全燃燒，故通人爐內的氧碳比是- -煤粉部分氣化的產(chǎn)物比全部氣化過(guò)程的產(chǎn)物更個(gè)重要的參數.過(guò)大的氧碳比會(huì )造成參與燃燒的碳為復雜,其產(chǎn)物有半焦和粗煤氣，在較低的氣化溫度含量過(guò)高,影響氣化程度;而過(guò)于少的氧碳比會(huì )造成下還有煤焦油等,而且對于部分氣化而言,當今主要氣化溫度過(guò)低.部分氣化就屬于較小的氧碳比的氣采用的是流化床氣化技術(shù),其氣化溫度一般低于化過(guò)程.因為不追求高碳轉換率,所以大多數部分氣1 000 C[812] ,因此對于文獻[4,7]所建立的考慮氣化所采用的氣化劑為空氣,以此節約大規模的空分化過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型比較復雜,而且迄今為止基于氣系統，節約成本. [C}圖3為人爐空煤比變化對部分氣流床的部分氣化系統的反應動(dòng)力學(xué)幾乎沒(méi)有,很難建立合理的數學(xué)模型來(lái)真實(shí)地反映爐內的氣化過(guò)程.所以本研究采用商業(yè)軟件Aspen Plus,基于吉」735.T 2.25 !布斯自由能最小的原理,結合氣相化學(xué)反應平衡的-2.20-2.15原則對氣流床部分氣化過(guò)程進(jìn)行模擬.圖2為氣化-2.10爐模型的物流,輸人包括給煤(coal)、空氣(air)以及-2.05 品2.00水蒸氣(H2O)和氣化爐熱損失(Q loss),輸出包括2.6 28 3.0 3.2 3.4 3.6粗煤氣(gas)和灰(ash).Air-coal ratio圖3空煤比對粗煤氣主要 成分和有效氣產(chǎn)率的影響.CeFig. 3 Influences of air-coal ratio on main ingredients ofsyngas and effective gas productive rate●- -H2;★- -CO;▲一 -CO2;■一CH;O--H2O,Gasifer0一Effective gas productive rate_Coll化出口粗煤氣參數的影響規律，模擬參數為:給煤量Air+H2O為10 kg/h,通人水蒸氣溫度為300 C,水蒸氣量為1 kg/h,氣化壓力為0. 15 MPa,計算時(shí)考慮將碳轉Aah化率定為60%,而流化床部分氣化的一般高于60%[18],但煤粉在氣流床內的停留時(shí)間要小于流化圖2氣流床 氣化爐模型物流床,所以其碳轉化率一般比流化床部分氣化的碳轉Fig. 2 Schematie of entrained-flow gasifier model模擬用煤的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1,本文化率要低一些分別從氣化爐人爐空氣與煤質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱(chēng)空煤比)、隨著(zhù)空煤比的增加,O2的量也逐漸加大,氣化溫汽煤比、氣化壓力、氣化溫度的變化分析氣化爐出口度升高,朱子彬等[9]認為氣化爐內的燃燒氣化反應參數的變化.存在一個(gè)特性溫度,該溫度在氣化溫度以下200 C~表1煤質(zhì)分析300 C ,煤焦的氣化反應受?chē)乐氐膬葦U散影響，此時(shí)Table 1 Coal quality analysis化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應為主,而外擴散反應未占主導地位，Proximate salys/%/s adUlimate aysy%.adad一 5 (w.g-1) FT/C加上O2的量相對不充分,所以CO的含量在此時(shí)高M(jìn)AVCH_2.66 10.24 27.47 73.47 4.227.160.771.48 26831 1500于CO2.但當空煤比超過(guò)一定值之后,O2量相對增多,CO在煤焦內孔或煤焦表面的邊界層氣相周?chē)?結果與討論與Or發(fā)生氧化反應生成CO2.因此,當煤焦周?chē)魍ㄟ^(guò)前人的研究可知,H2對于NO,的還原效流氣體中O2濃度充足條件下,更多的CO將在顆粒果要優(yōu)于CO,但比CH,差. [3-1]對于煤粉部分氣化內部或附近邊界層燒掉,所以在空煤比逐漸增大后，出口粗煤氣中的CH含量極少,所以研究的主要目CO的含量會(huì )先增加后降低,CO2的含量會(huì )先減少標在于怎樣選取最佳的入爐空煤比、汽煤比和碳轉后增多. CO和CO2的含量變化還可以結合碳轉化第3期江鴻等氣流床氣化爐 媒粉部分氣化特性的研究率的定義式來(lái)推導:CO體積分數最大，而空煤比從2.8變化到3.0,H2Ccn =_UX (Mco, +Mco+ McH, + Moos)(1)體積分數減少緩慢,所以對空煤比的選取應該在n(C)2.8~3.2之間.式中:Com是碳轉化率;U是合成氣流量;M,是氣體I 020摩爾百分比,i分別代表CO2 ,CO,CH和COS;分-96母n(C)是人爐煤中碳的摩爾含量.由于計算時(shí)固定42、900碳轉化率為60%不變,所以當空煤比增大時(shí),空氣840中大量N2進(jìn)入爐內,U肯定增大,人爐煤質(zhì)量不變,則式(1)中分母的值不變,那么分子的值必然要相應減小才能保證碳轉化率不變,而CH。和COS26 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6Air-cnoal mtio的含量太少,于是Mco, +Mco總量只能減少,而隨著(zhù)進(jìn)入爐內空氣中的O2增多,CO2含量必然增加，圖4空煤比對氣化溫度和冷煤氣效率的影響Fig. 4 Influences of aircoal ratio on cold syngas所以CO減少,而且其體積分數減少幅度比CO2體efficiency and gasification temperature積分數增多幅度要大.而隨著(zhù)空煤比的增加,更多的▼一Cold syngas eficienceg ;●一Gasification temperatureH元素和O2生成了H2O,所以粗煤氣中H2體積分數減少.而由H元素守恒也可以得到相應的結2.2汽煤比對粗煤氣有效成分的影響論:模擬條件:給煤量為10 kg/h,通入空氣量為n(H) +nneam (H)=UX (2MH, + 2Mr,o+4McH, + 2MHs)(2)29.5 kg/h,通人水蒸氣溫度為300 C,氣化壓力為式中:n(H)是人爐煤中H的摩爾含量;ncm(H)是0.15MPa,碳轉化率定為60%.人爐汽煤比對粗煤人爐水蒸氣中H的摩爾含量;U是合成氣流量;M氣主要成分的影響規律見(jiàn)圖5,將計算得到的CO,是氣體摩爾分數，i,分別代表H2,H2O,CH,和H2S.由于式(2)中左邊不變,而CH和H2S的含量太少，所以而隨著(zhù)進(jìn)入爐內空氣中的O2增多,H2O含量必然增加,所以H2減少,而且H2體積分數減;少幅度與H2O體積分數增多幅度是一致的.而隨著(zhù)空煤比的增加,有效氣產(chǎn)率呈現先增后減的趨勢,在空煤比2. 95時(shí)達到峰值,這是因為在空煤比2. 95Seam coal ratio/ (kg*kg')之前空氣量不足,因此更多的C參與到水蒸氣分解圖5汽煤比對粗煤氣主要成分的影響反應C+ H2O=CO+H2 ,C+2H2O=CO2 +2H2加:Fig. 5 Influences of steam-coal ratio on main劇,而在溫度高于700 C時(shí),前者的平衡常數遠大于ingredients of syngas后者[20] ,因此更多的C參與到前者的反應;因此在:●一H;★-- CO;▲- -CO2;■- CH;O-- H2O空煤比2.95之前有效氣產(chǎn)率呈上升趨勢,而隨著(zhù)空H2O,CO2和H2四種氣體成分的體積分數作數據氣量的增多,更多的C生成了CO2,水蒸氣分解反回歸分析,發(fā)現每一組數據基本上都吻合下式:應程度減小,再結合之后氣相反應為主的CO變換.(3)反應:C0+ H2O一C0+ H,該反應是一個(gè)可逆XooXXH,O反應,溫度升高,反應朝左邊進(jìn)行為主([1],而當空煤式中:X,是指粗煤氣中CO,H2O,CO2,H:成分的比增大,氣化爐內溫度升高(見(jiàn)圖4),所以這些都導體積分數.結合化學(xué)反應平衡的理論,認為CO變換致H2O的含量增多而H2含量減少.空煤比在2.9反應在氣化爐出口的氣相反應中幾乎達到平衡,而時(shí)冷煤氣效率達到峰值,此時(shí)煤氣熱值達到最大,而化學(xué)平衡常數K值是溫度的函數([],所以式(3)是隨著(zhù)空煤比的增加冷煤氣效率降低,氣化溫度升高溫度的函數.這與大多數學(xué)者如沙興中等[23)認為.(見(jiàn)圖4).CO變換反應是趨于平衡的結論是一致的.隨著(zhù)汽綜合考慮空煤比在2.9時(shí)冷煤氣效率達到峰煤比的增加,H2增長(cháng)趨勢逐漸變緩,由0.1增加到值，此時(shí)煤氣熱值達到最大，而從圖3中可知此時(shí)0.15時(shí),H2增加1.52%;而汽煤比0.2之后增長(cháng)趨32煤炭轉化2010年勢緩慢,0.2~0.25之間H2增加0.44%;而0.25~利于將其回爐燃燒[42)由于碳轉換率提高對粗煤0.3時(shí)H2只增加0.37%,因此選取汽煤比0.1~氣中有 效成分H2和CO提高不是很明顯，因此在0.2較為合理.保證部分氣化效果下,保持相當的碳轉換率即可.汽煤比每增加0. 05,氣化溫度下降大約6 C,對氣化溫度影響較小。增加汽煤比可以提高有效氣4.產(chǎn)率,但程度很小,汽煤比從0~0.5,有效氣產(chǎn)率才增長(cháng)1.3%(見(jiàn)圖6).760F2.41075000 :2.39Carbon convernionate1%74087 碳轉換率對粗煤氣主要成分的影響7352.380Fig. 7 Influences of carbon conversion rate on main7300.0 0.1.0.20.30.4 0.5ingredients of syngasSleam-coul ratio/(kg*'kg )H2;★★--- CO;▲- -COn;O--H2O圖6汽煤比對氣化溫度和有效氣產(chǎn)率的影響Fig.6 Influences of steam-coal ratio on gasification。840--23-22temperature and efective gas productive rate-2.1●-Gasification temperaturelO-- Efective80+2.1gas productive rate419鑒于汽煤比對H2影響較大,可以有效提高H2三760體積分數,但增長(cháng)趨勢漸緩，而且水蒸氣的通入會(huì )減7405052545658&少CO體積分數,因此筆者認為在汽煤比上選取Carthon coovernion rate/%0.1~0.2較為合理，既增加了H2體積分數又不會(huì )圖8碳轉換率對氣化溫度和有效氣產(chǎn)率的影響很大程度影響冷煤氣效率.Fig.8 Influences of carbon conversion rate on gasification2.3碳轉 化率對粗煤氣主要成分的影響temperature and effective gas productive rate0- -Gsification temperature;O 一Efective模擬條件:給煤量為10 kg/h,通人空氣量為29.5 kg/h,水蒸氣量為1 kg/h,通人水蒸氣溫度為3結論300 C,從模擬計算上來(lái)說(shuō)相當于煤量增加,即空煤比減少,氣化壓力為0. 15 MPa.碳轉化率對粗煤氣.1)隨空煤比的增大,粗煤氣中有效氣體成分含主要成分、氣化溫度和有效氣產(chǎn)率的影響規律見(jiàn)圖.量減少,導致冷煤氣效率下降,建議取2.8~3.2.7和圖8.由圖8可知,隨著(zhù)碳轉換率升高,氣化溫度2)隨汽煤比的增大,粗煤氣中H2含量增多,有下降,CO變換反應平衡點(diǎn)右移,所以H2和CO含利于部分煤氣化再燃;而控制較低的氣化溫度有利量增加,CO2和H2O的含量有所減少.所以碳轉換于H2含量增多,建議選取0.1~0.2.率增加有利于部分煤氣化再燃,但是實(shí)際碳轉化率3)隨碳轉換率的增大,粗煤氣中有效氣體成分提高是由增加氣化爐內燃燒份額和較長(cháng)的(煤在爐含量增加,但提高程度不明顯,而且會(huì )增加初投資，內停留)時(shí)間決定的.從第2.1節可知,增加氣化爐降低余下煤焦燃盡率.因此保證一定的碳轉換率即內燃燒份額必然提高空煤比,這對粗煤氣有效成分可,不必過(guò)多追求.的提高不利;依靠提高爐內停留時(shí)間來(lái)提高碳轉換4)對粗煤氣中四種主要氣體成分的數據回歸率會(huì )增加氣化爐的高度,提高氣化爐初投資,而且隨分析后,認為Co變換反應是決定該四種氣體含量著(zhù)碳轉換率升高,余下煤焦平均燃燒速率越小,越不分布的主要反應.參考文獻[1]許世森,張東亮 ,任永強.大規模煤氣化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.第3期江鴻等氣流床氣化爐煤粉部分氣化特性的研究33[2] 江鴻,金晶,劉瑞等.部分氣化煤制氣再燃低NO,燃燒技術(shù)氣化方案探討[J].上海電力200922(1);6870.0[3] 周志杰,于廣鎖,龔 欣等.整體煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)氣化單元模擬[J].煤炭轉化,004,27(3)153-57.[4]吳學(xué)成,王 勤輝，駱?lè )N快等.氣化參數影響氣流床煤氣化的模型研究( 1):模型建立及驗證[J]浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)2004(10);1361-1368.5] 任彈,代正華,于遵宏.運用Gibbs自由能最小化方法模撒氣流床煤氣化爐[J].煤嫫轉化,2004.27(4) :27-33.6] Weatkinson A P,LucasJ P,Lim CJ. A Prediction of Performance of Commercial Coal Gasifiers[J]. Fuel, 1991,70<4) r519-527.7門(mén)] Liu G S,Rezaei H R. Modelling of a Pressurized Entrained Flow Coal Gasifier : the Effect of Reaction Kinetics and Char Struc-tureCJ]. Ful2000.791767-1779.[8]李乾軍,章名耀,施愛(ài)用等， 加壓噴動(dòng)流化床棋部分氣化試驗[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2006 ,36(5)765-768.[9]周宏倉， 金保升,神兆平等.流化床部分媒氣化實(shí)驗研究[J].熱能動(dòng)力工程，2004。19(3) :252-255.[10]黃亞繼,金保升,種兆平等.流化床部分煤氣化影響因素研究[J].鍋爐技術(shù).2005 ,36(6):8-14.[11]王俊琪,方夢(mèng)祥 .駱仲泱等.煤的空氣、水蒸氣部分氣化特性研究[J].熱力發(fā)電，2008.37(1);21-25.[12] 肖睿,金保升.熊源泉等.2 MW加壓噴動(dòng)流化床煤部分氣化特性的研究[J].中國動(dòng)力工程學(xué)報.2005.25(2);211-216.[13]姚向東，張忠孝,邱莉莉等.天然氣再燃降NO,的化學(xué)動(dòng)力學(xué)及影響因素分析[].上海理工大學(xué)學(xué)報,2004,26(1) :62-65.[14] Glarborg P. Kristensen P G, Alzueta M U. NO, Reduction by Non hydrocarbon Fuels Implications for Reburning withGasifiction Gases[J]. Energy and Fuels ,2000.14(4) :828-838.[15]王志強,孫紹增，秦 裕坤等.煤氣再燃還原氮氧化物的特性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007 ,27(20) :42-45.16] Duan Jjia,Luo Yonghao, Yan Naiqiang et al. Effect of Biomass Gasification Tar on NO Reduction by Biogas Reburning[J].Energy and Fuels,2007 ,21(3):1511-1516.[17]侯祥松.張 海. 焦爐煤氣再燃降低NO,排放技術(shù)研究[].煤炭轉化,2007,30(1) :39-42.[18]目小蘭. 煤部分氣化燃燒集成系統的研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2002.[19]朱子彬，馬智華 ,林石英等高溫下煤焦氣化反應特性(I):灰分熔融對煤焦氣化的影響[J].化工學(xué)報,1994, 45(2); 148-15[20]李芳芹 ,陸成輝.陳家仁等煤的燃燒與氣化手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997.[21]李政.王天驕,韓志明等. Tecaxo煤氣化爐數學(xué)模型的研究(建模部分)[].動(dòng)力工程,2001.4(2).1161-1165.[22]何翔,金晶、張忠孝等. IGCC中水煤漿氣化爐數學(xué)平街模型研究[C]//中國工程熱物理學(xué)會(huì )2008年燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì )議論文集，西安:[出版者不詳],2008.[23]沙興中 ,楊南星.煤的氣化與應用[M].上海:華東理工大學(xué)出版杜,2002.[24]房倚天,周 政,勾吉祥 等.循環(huán)流化床(CFB)煤/焦氣化反應的研究一操作 氣速、圖體循環(huán)速率對循環(huán)流化床氣化反應的影響[J].燃料化學(xué)學(xué)報,1998 ,26(6):521-525.[25]房倚天,陳富 艷.循環(huán)流化床(CFB)煤氣化反應的研究一溫度 、氧含量及煤種對CFB氣化反應的影響[].燃料化學(xué)學(xué)報，1999.27(1) :23-28.[26]房倚天,勾吉祥 ,王鴻瑜等.循環(huán)流化床(CFB)煤/焦氣化反應的研究一同鼓 泡流化床( BFB)氣化反應的對比[J].燃料化學(xué)學(xué)報,1999 ,27(1) :29-33.[27] Ni Qizhi, Williams A. A Simulation Study on the Performance of an Entrained-low Coal Gasifier[J]. Fuel, 1995,74(1) : 102-110.STUDY ON ENTRAINED-FLOW GASIFIER PARTIALGASIFICATION CHARACTERJiang Hong Jin Jing Hao Xiaohong Fan Junjie Liu Rui Sha Yongtao and Song Bo(College of Power Engineering，University of Shanghai forScience and Technology , 200093 Shanghai)ABSTRACT Based on Aspen Plus, a model for entrained-flow bed coal gasifier partial gasi-fication by the method of Gibbs free energy minimization was established. A series of calculationswere carried out to predict the effects of different operation parameters on the performance ofsyngas, The parameters include air-coal mass ratio, steam-coal ratio and carbon conversion rate ingasifier. The results show that the increasing of air-coal mass ratio can reduce the effective com-position in coal gas, which lead to decrease of cold syngas efficiency, while the increasing ofsteam-coal ratio can enhance H2 volume percentages. It can help NO, reduction with partial gasi-fication reburning. The results also show that the increasing of carbon conversion rate can addthe effective composition in coal gas, but the extent of increasing is not obvious. Therefore wecan not deliberately pursue carbon conversion rate for partial gasification.KEY WORDSpartial gasification, air-coal mass ratio, steam-coal ratio, carbon conversionrate