Shell粉煤氣化爐的分析與模擬

華東理工大學(xué)學(xué)報Vol. 29 No.2202Journal of East China University of Science and Technology2003-04研究簡(jiǎn)報文章編號:1006- 3080( 2003)02-0202-04Shell粉煤氣化爐的分析與模擬王輔臣”，龔欣，代正華，周志杰，于遵宏 .(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237)摘要:以受限容器內多噴嘴對置射流下的流體流動(dòng)特征為基礎,分析了Shell粉煤氣化爐內的流場(chǎng)特征,發(fā)現爐內存在5個(gè)特征各異的流動(dòng)區域，即射流區、撞擊區、撞擊擴展流區、回流區和管流區。從氣化爐內主要的化學(xué)反應著(zhù)手,結合流動(dòng)、混合與化學(xué)反應的相互影響,分析了爐內各流動(dòng)區域的化學(xué)反應過(guò)程,建立了氣化爐的數學(xué)模型,對氣化過(guò)程進(jìn)行數學(xué)模擬，預測了工藝條件對氣化結果的影響。結果表明,有效氣(CO+ H2)產(chǎn)率隨氧煤比的變化有-最佳值,隨蒸汽煤比不同,對應的氧煤比在0.54Nm2/kg~0.56Nm2/kg之間。有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤比的升高而增加。關(guān)鍵詞:粉煤;氣化爐;數學(xué)模型;模擬中圖分類(lèi)號:TQ546.1文獻標識碼:AProcess Analysis and Simulation of Shell Pulverized Coal GasifierWANG Fu-chen*，GONG Xin DAI Zheng-hua，ZHOU Zhi-jie，YU Zun -hong(Institute of Clean Coal Technology ECUST，Shanghai 200237, China)Abstract:In this paper, the fluid flow characteristics of Shell pulverized coal gasifer was analysed ba-sed on flow pattern of multi- opposed-burner jet in confined vessel. The results show that there are fiveflow regions possessed different characteristics in the gasifier, which are jet flow region, impinging jetregion, impinging jet developing stream region, re- circulation stream region and tube stream region. Thechemical reactions governing the process were analysed combined with fluid flow patterns. A Mathematicmodel has been presented for Shell gasifer. The industrial gasifier simulation have been made and theeffects of operation conditions on gasification have been predicted using the model. The results show thatthere is a optimum yields of effective gases (CO + H2) along with the ratio of oxygen to coal. The optimumratio of oxygen to coal is 0. 54Nm*/kg ~0.56Nm/kg in different ratios of steam to coal. The yields ofeffective gases (CO+ H2) increases along with the increasing of ratio of steam to coal.Key words :pulverized coal; gasifier; mathematic model; simulation煤的氣化是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之料中國煤化工Shell氣流床氣化法是一,備受各國學(xué)術(shù)界和工程界的重視。以粉煤為原MYHCNMHG術(shù)中最有競爭力的技術(shù).基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(G1999022103);高等學(xué)之一,它涉及高溫、高壓、非均相條件下的流體流動(dòng)以及與之相關(guān)的傳遞過(guò)程規律和復雜的化學(xué)反應過(guò)校骨干教師資助項目收稿日期:2002-05-14作者簡(jiǎn)介:王輔臣(1966-),男,甘肅岷縣人,教授,博士,主要從事潔.目前,處理能力為2 000t/d 煤,配套253MWe凈煤技術(shù)研究.聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)的Shell 氣化裝置已在荷蘭第2期王輔臣等:Shell粉煤氣化爐的分析與模擬203Buggenum建成運轉。國內將引進(jìn)Shell粉煤氣化技1.2.1 -次反應區 -次反應區包括射流區、撞擊術(shù)用于石腦油為原料的合成氨廠(chǎng)的改造,采用Shell區及撞擊擴展流區的一部分。該區以煤中揮發(fā)分與粉煤氣化技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范裝置的建設也正氧氣的燃燒反應為主,也伴有射流卷吸的回流氣體在醞釀之中。本文對Shell粉煤氣化爐進(jìn)行了分析中CO和H2的燃燒反應。及模擬,在消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎上自主開(kāi)1.2.2 二次反應區 二次反應區包括管流區和撞發(fā)我國粉煤氣化技術(shù)。擊擴展區的一部分。1.2.3 - 次與二次反應共存區- 、二次反應共存1過(guò)程分析區主要是回流區。因射流的卷吸作用和湍流擴散，回流區將與射流區和撞擊流擴展區進(jìn)行質(zhì)量交換,其1.1爐內流體流動(dòng)特征中以卷吸為主,但因湍流的隨機性,也將有個(gè)別氧氣Shell粉煤氣化技術(shù)的核心是多噴嘴對置射流微團經(jīng)湍流擴散作用而進(jìn)入回流區中。因此在回流在爐內高溫、高壓、非均相條件下形成的流場(chǎng)。作者區中既有-次反應,亦有二次反應,但以二次反應為及合作者曾采用先進(jìn)的激光多普勒動(dòng)態(tài)粒子分析儀主。同樣,該區中的反應除碳與H2O和CO2的氣化(Dual PDA)研究了冷態(tài)下受限容器中多噴嘴對置反，應外均受微觀(guān)混合過(guò)程的控制。射流的流體流動(dòng)特征,據此，可將Shell粉煤氣化1.3停留時(shí)間分布對氣化過(guò)程的影響爐內的流體流動(dòng)過(guò)程分為特征各異的5個(gè)區域,即停留時(shí)間分布是微觀(guān)的混合過(guò)程在宏觀(guān)上的表射流區、撞擊區、撞擊擴展流區、回流區和管流區(見(jiàn)現。宏觀(guān)混合程度反映物料參與反應的可能性,而微圖1)。觀(guān)混合程度則反映物料參與反應的程度。因此,可用宏觀(guān)混合時(shí)間尺度作為物料是否充分參與反應的判據2數學(xué)模型2.1氣相物料的混合模型氣相物料的混合模型參照文獻[2]。從總體上講,因受停留時(shí)間分布的影響,停留時(shí)間低于宏觀(guān)或微觀(guān)混合時(shí)間尺度的這一部分物料將無(wú)法充分反應,其宏觀(guān)表現似乎是化學(xué)反應未達到平衡。在進(jìn)行氣化爐氣相物料的計算時(shí),必須從停留時(shí)間分布的角度出發(fā),考慮到微觀(guān)混合與宏觀(guān)混合的時(shí)間尺度[3]。2.2殘炭量的計算模型圖1Shell氣化爐內流體流動(dòng)過(guò)程示意圖氣化爐出口的殘炭量與煤顆粒在爐內的經(jīng)歷有Fig. 1 Diagram of fluid flow process in Shell gasifier關(guān)。從機理上講,粉煤在爐內的氣化過(guò)程經(jīng)歷了顆粒. I - Jet stream region; 1- Impinging stream region;的湍流彌散、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、顆I一Impinging developing stream region;粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應、殘炭的多N - Re-circulation stream region; V一Tube stream region相反應、灰渣的形成等階段。由于每個(gè)階段的速率不1.2 反應特征同,因此上述過(guò)程對顆粒反應的影響也不同,顆粒的氣化爐內的化學(xué)反應可分為一次反應(即燃燒彌中國煤化工密切相關(guān),而爐內主要反應)和二次反應(即C、CH4等的氣化反應和逆變組YH.CN MH G觀(guān)混合過(guò)程所控制。因換反應),某個(gè)流動(dòng)區內可能發(fā)生的化學(xué)反應是以-此,殘灰重的計異既嬰考慮爐內的流動(dòng)特征,又要涉次反應為主、還是以二次反應為主,與該區內的流體及爐內的宏觀(guān)混合(影響濃度分布和停留時(shí)間分布)流動(dòng)特征及與之相應的混合過(guò)程有關(guān)。根據不同特和微觀(guān)混合狀況。據此,作者提出了粉煤氣化過(guò)程中點(diǎn),爐內有3個(gè)化學(xué)反應特征各異的區域,即一次反氣化爐出口殘炭量占煤中總有效成分量的分率的計應區、二次反應區和一.二次反應共存區。算式[204華東理工大學(xué)學(xué)報第28卷V,R.Yr=|。 (1- V.)|1+R- Rt E(t)dt(1)3模擬結果及討論其中terin=(R.+V,R.)/RR。當脫揮發(fā)分的速率遠大于殘炭的氣化速率時(shí)，氣化爐的操作條件和煤種的元素組成及熱值見(jiàn)R2/R,→0tm→1/R。,從而上式簡(jiǎn)化為表1。模擬值與實(shí)驗值的比較見(jiàn)表2。表3為工藝條件對氣化結果的影響。由表可見(jiàn)，Yr=(1一V,)(1R.t)E(t)dt氧煤比每升高0.01Nm*/kg,氣化爐出口溫度升高約2.3基礎熱力學(xué)數據計算模型50C;有效氣產(chǎn)率隨氧煤比的變化有-最佳值,隨蒸氣化過(guò)程是在高溫高壓下進(jìn)行的,有關(guān)氣體的.汽煤比不同，對應的氧煤比為0.54Nm*/kg熱力學(xué)性質(zhì)按實(shí)際氣體來(lái)處理。本文模型中涉及的0.56Nm2/kg,但實(shí)際操作中氧碳比的選擇還要考慮主要熱力學(xué)數據包括氣體熱容、氣體混合物中組分到煤的灰熔點(diǎn);蒸汽煤比增加，比氧耗增加,水分的逸度系數、反應平衡常數等。限于篇幅,其計算模解率降低。H,含量隨氧煤比的變化有一最高值，型不再贅述,可參見(jiàn)文獻[2]。表1煤的性質(zhì)及操作條件Table 1 Properties of coal and operation conditionElement analysis (% )VH/>/roe/r'sc/CH_SOAsh(kJ. kg-1)MPa(Nm3●kg-1)__ (kg. kg-)75.504.971.43.0.879.127.9129 974.03. 000. 5810.126表2模擬值與實(shí) 驗值的比較Table 2 Comparision between experimental value and simulation value4Gas yield/Heat effective/Toun/CH2CO CO2H2S COSCH4N2ArNH3 HCN H2O (Nm3.kg-)(LHV%)Operation 1 400~ 0. 310 0.0.01000.00050.00800.0170 2. 283. 30.value1500.0. 62100.00230.031 0Simulation0. 30580.011 4.0. 00020. 030 00.002 30. 0206.1 501.02. 1883. 000.618 90. 00250. 0001表3工藝條件對氣化結果的影響Table 3 Effect of technology condition on gasification resultsTou/Pog/o。/(kg. . kg-1) (Nm3 ●kg-1)(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3 . Nm-3)COCO2CH,0. 531 276.21.994 295.68266. 10.312 40.631 40.002 40.012 30.541 299.02.025 693.21267. 00.318 50. 62980. 00350. 006 40. 551 334. 92.040 289. 12270. 10.320 90.628 90.00530. 002 80.56.1 383. 52.038 583.31275. 30.319 80.62880.00770.001 10. 130.571 439.62.027 476. 33281.90.316 70.62920.010 40. 00040. 581 499.52. 012268. 66.289. 10.312 70. 62990.013 10.00020. 591 561.41.995 260. 59296. 60.30820.630 90.015 80. 601 624.91.977352. 24304. 50.303 60.632 00.018 50.611 690. 41.958943. 70312.50. 29870.63330.021 20.531256. 92.013 493. 23.263. 50.626 60.004 00.009 6.1285.92.036490. 25265. 60.322 60. 62550.00540. 00501 326.52.044 485. 85中國煤化工0. 00740.002 20. 561 377.02. 039680. 110. 00980. 00090.140. 571 433.22.027 573. 45YHCNMHG,0.012 50. 000 41 492.42.012066. 230.314 10.626 50.015 1o. 0002.1553.41.994 958. 65296. 70. 30960. 62760.017 80.601616. 01.977 1304.50.304 90.628 80.020 50. 000 1.1 680.31. 958742. 86312.60.30010.63020.023 1第2期王輔臣等:Shell粉煤氣化爐的分析與模擬205續表3rse/rac/Tou/Peqn/P(kg●kg-1) (Nm3●kg-1)C(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3●Nm- -3)H2CO2CH0. 531 243. 32. 025890. 62.261.90. 32310.622 10. 006 00.007 90.541 276.52. 042987. 36264. 70.32570.621 40. 00750. 00410. 551 319.72.046 882. 87269. 20.32560.621 20.00960.001 80.56.1 370.92.040177. 28275. 10.32320.621 60.012 00.0008.0. 150. 571 426.92.027570. 93281.8 .0.319 70.62230.014 50.000 30. 581 485.52.011 864. 10289. 10.315 50. 62320.017 20. 000 20.59.1 545.61.994 756. 97296. 70.311 00.62440.01980. 000 10. 601 607.21.976849.62.304.50.30630.62560.0224.0. 611670. 41. 9585312. 6.0.301 40. 62710.025 01 233.32.033988. 04.260. 9.0.326 70. 61780. 008 00.006 71 269. 02.047 084. 66264. 20.328 30.617 40.00970.551 313. 72.048280. 18269.00.327 50.617 50.011 70.001 61 365. 22.040474. 770.324 80.618 00.01410. 00070. 161420.72.027 368. 71281. 90.321 10.61890.016 60. 00031 478.72.011 662. 240.316 90.619 90.019 20.000 10. 591 538.01.994555. 490.312 30.62110.02170. 00010.601 598.71.976 6304. 60.307 60.622 50.024 30.611660.81. 958341.47312.60.30270.62400.02691 225. 42. 039 485. 59260.20. 329 70.61360.01020. 005 91 262.82.049 782. 17263. 90. 33050.613 50.01180.003 11 308. 32.049 177. 76268. 90. 32920.613 90.01390.00140. 561359.8.2.0405.72.54275. 00.326 30.61450.016 20.000 70. 170.571 414.92.027 266.75281.90. 32250.615 50.018 70.00031 472.12.011 460. 58289.20.318 20.61660.021 21 530.61.994354. 17296. 80.313 70.617 90.02371590. 41.976 447.59304.60.3089.0.619 40.026 21 651.51.958 140.89312. 70. 304 00.620 90. 028 7CO含量隨氧煤化的變化有-最低值,CO2 含量隨0. 54Nm*/kg~0. 56Nm3 /kg。有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤氧煤比的升高而升高。氧煤比超過(guò)0.58Nm3 /kg時(shí)，比的升高而增加。CH,含量基本趨于不變,這是反應在高溫下受混合影響的必然結果。符號說(shuō)明:由表3也可見(jiàn),蒸汽煤比每升高0.1kg/kg,氣化爐出口溫度降低約7C;有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤比E(t)一停留時(shí)間分布密度函數. 比氧耗,Nm/Nm3的升高而增加。比氧耗和蒸汽分解率隨蒸汽煤比的有效氣產(chǎn)率,Nm3/kg升高而下降;H2和CO2含量隨蒸汽煤比的增加而升oue-- 氧碳比,Nm2/kg高,CO和CH4含量隨蒸汽煤比的增加而降低。蒸汽煤比,kg/kgRv-煤脫揮發(fā)分速率,kg/(kg.s)4.結論Rc-殘炭反應速率,kg/(kg.s)蒸汽分解率,%(1)基于Shell粉煤氣化爐內流體流動(dòng)特征,對平均停留時(shí)間,steri-生成殘炭的臨界停留時(shí)間,s.Shell粉煤氣化過(guò)程進(jìn)行了分析,建立了氣化爐的數To; 氣化忙出口溫庶學(xué)模型。對粉煤氣化爐的模擬結果表明,計算值和實(shí)中國煤化工驗值吻合良好。CNMH G(2)研究了工藝條件對Shell粉煤氣化爐氣化Yτ-殘炭量占煤中總有效成分量的分率結果的影響。結果表明,有效氣產(chǎn)率隨氧煤比的變化(下轉第216頁(yè))有一最佳值,隨蒸汽煤比不同,對應的氧煤比在216華東理工大學(xué)學(xué)報第29卷水層用60mL乙醚分兩次萃取,合并的乙醚層用的活潑性,反應必須在- 70 °C進(jìn)行,否則主要產(chǎn)物Na,CO,溶液洗滌3次,以除去醋酸，然后用無(wú)水將是3-溴噻吩在2-位的偶聯(lián)物，因先生成的3- 噻吩Na2SO,干燥,蒸餾除去乙醚,得到18g 3-(3-噻吩甲鋰和3-溴噻吩在2-位偶聯(lián)速度快于n-丁基鋰和3-酮)噻吩粗產(chǎn)物,m.p.76 °C~80°C,產(chǎn)率93%。用溴噻吩的置換反應[8]。作者在3-噻吩鋰、3-噻吩醛的甲醇重結晶精制，得到針狀晶體產(chǎn)物16g,m. p.制備中,曾控制溫度高于一50 °C,結果產(chǎn)物的紅外72 °C~73 °C(文獻值72 °C~73 °C)[6]。紅外光譜主光譜顯示,噻吩2- 醛的1 673cm- '特征峰明顯,噻吩要吸收峰3100cm-'(w),2 920cm -1(s),2850cm ~ 13-醛1 691cm-l峰很小，說(shuō)明主要產(chǎn)物為2-位取代(s), 1 670cm-1 (m), 780cm-1 (m)。H-NMR噻吩。同樣,制備雙噻吩叔醇也應在一70 °C進(jìn)行。(CDCl:)δH:7.38(5,5'-H),7. 60(4,4'-H),8. 01(2,2'-H)。文獻值分別為7. 36,7. 59,7. 99[7]。.參考文獻:2討論[1] Rrohlich J. Subs tituted heterocyclic compounds by selectivecontrol of halogen. dance reactions[J]. Prog Heterocyel Chem，1994.6:1-35.在目標產(chǎn)物3-(3- 噻吩甲酮)噻吩(1)的合成過(guò)[2] Gunattunga S R, Jones G W, Kalaji M, et al. Synthesis and程中,3-溴噻吩是關(guān)鍵的一個(gè)重要中間體。為了制備characterisation of low band gap polymers [J ]. Synthetic純的3-溴噻吩,本工藝路線(xiàn)采取了噻吩先溴化生成多溴化噻吩,再去掉兩個(gè)a-溴的兩步反應法。這是.[3] Ferraris J P, Lambert T L. Narrow bandgap polymers[J]. J由噻吩分子的特殊結構決定的。噻吩的親電取代反Chem Soc Chem Commun,1991.(18):1 268-1 270.[4] Gronowitz s, Eriksson B. On the reactions of cyanothiophenes應首先發(fā)生在a位,當兩個(gè)a位都被占據后,取代反with organolithium[J]. Arkiv Kemi，1963,21:335-341.應才在β位發(fā)生,因此用一般的取代反應不能得到[5] 陳壽山,張正之,王序昆,等.金屬有機化合物合成手冊[M].北純的3-取代噻吩衍生物。去a-溴的方法主要有格利京:化學(xué)工業(yè)出版社，1986.雅反應(夾帶法)[8],鹵素-有機鋰置換法'8],Zn/醋酸[6] David R C. Handbook of Chemistry and Physics，73rd[M ].US: CRC Press, 1991.法9。夾帶法需要大量的溴乙烷,溶劑乙醚需無(wú)水處理;置換法需先制備得到n-丁基鋰,需無(wú)水無(wú)氧操[7] Rois B，Lambert R. Confromational analysis of organiccarbonyl componds[J]. J Chem Soc Perkin Trans 1，1989，作。本文采用Zn/醋酸法,該法反應條件溫和,且前(11):1 741-1 784.一步溴化反應生成的四溴噻吩副產(chǎn)物也能轉化為[8] Gronowitz S. Substituent effects in thiophenes with particular3-溴噻吩,產(chǎn)率大于60%,這樣在制備2,3,5-三溴regard to 3-substituted compounds[J]. Arkiv Kemi,1959, 13:噻吩時(shí)可用過(guò)量的溴反應,提高溴化反應的產(chǎn)率。295-315.[9] Gronowitz S. New syntheses of 3 -bromothiophene and 3, 4-3-噻吩鋰(5)的制備也很關(guān)鍵,它由3-溴噻吩和dibromothi ophene[J]. Acta Chem Scand, 1959, 13: 1 045-n-丁基鋰發(fā)生鹵素-金屬置換反應而制得。由于a-H1 046.(上接第205頁(yè))[2] 王輔臣.射流攜帶床氣化過(guò)程研究[D].上海:華東理工大學(xué)，1995. .[3] 王輔臣,吳韜,于建國,等.射流攜帶床氣化爐內宏觀(guān)混合過(guò)程研究1I1.過(guò)程分析與模擬[J].化工學(xué)報, 1997.48(3):[1]劉海峰.應用小波分析研究射流與撞擊流的相干結構[D].上336- 346.海:華東理工大學(xué),1999.中國煤化工MYHCNMH G .