等離子體輔助煤氣化的初步研究

第27卷第4期煤炭轉化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOct.2004等離子體輔助煤氣化的初步研究李明東”鄧巍巍?)鮑衛仁3) 樊友三“》摘要采用獨立組元法對煤氣化反應的C-H-O-S-N熱力學(xué)平衡體系進(jìn)行了計算,在此基礎上提出了一種等離子體炬輔助下煤兩段氣化的方案.分析結果表明,等離子體的引入可以從多個(gè)方面加快氣化反應速度,從而可以獲得比常規煤氣化方法更高的單位容積處理能力,相對于常規煤氣化方法,該方案具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.關(guān)鍵詞煤,氣化,平衡體系,等離 子體中圖分類(lèi)號TQ541的反應系是包含C,H,O,S和N等多種元素的復雜0引言體系,獨立組元法是計算這種復雜化學(xué)平衡體系的隨著(zhù)石油和天然氣資源的不斷減少,發(fā)展清潔有效方法. [0]根據獨立組元法的基本原理,可把一個(gè)高效的煤轉化技術(shù)具有長(cháng)遠意義.煤氣化是實(shí)現煤含有c種元素的氣固平衡體系中的N個(gè)組元A,劃清潔高效轉化的重要途徑,其產(chǎn)品氣(CO+H2)不僅分為獨立組元組和導出組元組,其中獨立組元組由可以用作代用天然氣或者燃料氣,而且可以用作化b個(gè)氣相組元A。(g= 1,2,.,b)和c - b個(gè)固相組工合成氣.元A,(s=b+ 1,b+ 2,..c)組成,各個(gè)獨立組元的氣化溫度是影響氣化反應速度進(jìn)而影響氣化爐化學(xué)式之間線(xiàn)性無(wú)關(guān);導出組元組由N -c個(gè)組元單位容積處理量的主要因素.在常規煤氣化方法中，A,(j=c+ 1,c + 2,... ,N)組成,每個(gè)導出組元的化體系的溫度靠煤自身燃燒釋放的熱量來(lái)維持,通常學(xué)式均可以按化學(xué)反應方程式的形式表示為c個(gè)獨不超過(guò)2 000 C,因而其單位容積處理量受到自身立組元化學(xué)式的線(xiàn)性組合:加熱方式的限制，很難繼續提高.目前，常規煤氣化方法的單爐生產(chǎn)能力最大只能供給250 MW的2rA.(g)+ ZY.A.(s)=A.(g) (1)IGCC電站的煤氣需要量,遠不能滿(mǎn)足大型電站或這些化學(xué)反應方程式之間是線(xiàn)性無(wú)關(guān)的,其質(zhì)量作者大型合成氨裝置的需要.等離子體具有高溫、高焓用方程為:和富有活性粒子的特點(diǎn),近年來(lái)在化工領(lǐng)域得到了x,= K,I[(x)p劣(2)越來(lái)越廣泛的應用.在常規煤氣化方法的基礎上引式中:xI。分別為導出組元和氣相獨立組元的摩人熱等離子體炬作為高品位熱源,可望獲得比常規煤氣化方法高得多的單位容積處理量,是實(shí)現高強爾分數,p為體系的壓力,Kp,為反應(1)的平衡常度氣化的新途徑. [1+0]本文在煤氣化反應C-H-O-S-數,YmavY,;分別為反應(1)中各獨立組元的當量系N平衡體系進(jìn)行熱力學(xué)計算的基礎上,提出了一種數.根據質(zhì)量守恒方程整理,可得到氣相獨立組元和等離子體炬輔助下煤兩段氣化的新方案,并對新方導出組元摩爾分數之間的關(guān)系式:案進(jìn)行了經(jīng)濟和環(huán)境效益評估.q.(1- Ex,+ 2Exx)Cg==1煤氣化平衡體系的計算煤本身的元素構成決定了等離子體輔助煤氣化中國煤化工(3)*國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(G1999022106).YHCNMHG1)博士生:2)碩士生;3)教授,清華大學(xué)工程力學(xué)系.北京10084+3)高級工程師,太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗室,030024太原收稿日期:2004-07-10;修回日期:2004-08-308煤炭轉化2004年式中:qx和q,代表體系的初始組成，即假設導出組且元都不存在時(shí)體系中獨立組元的摩爾數.根據方程CO0.1(2)和方程(3)進(jìn)行迭代運算,即可以求得平衡體系中各組分的濃度.0.01CE本文以保德煤(元素分析數據見(jiàn)表1)為例,采正-MHSL用獨立組元法對不同氣化劑比例(H2O/O2)的C-H-IE-4-__ coXHorO-S-N熱力學(xué)平衡體系進(jìn)行了計算，典型計算結果見(jiàn)圖1和圖2.10001 5002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000表1保德煤的元素分析數據Temperature/KTable 1 Ultimate analysis of Baode coal圖2 C-H-O-S-N 熱力學(xué)平衡體系(H2O; O2=3)UltimateMass content/%Mole ratioFig.2 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumanalysissystem(H2O : O2=3)75. 8215. 360. 848Baode coal(C-H-O-S-N=1 : 0. 848:16. 220.1600. 160.0. 004 : 0.021)0.74 .0. 004輔助下煤兩段氣化的方案(見(jiàn)圖3).氣化爐的出口1.860.021溫度設計為1 600 K,兩部分煤粉分別從兩段反應從圖1和圖2中可以看出:1)不論體系中氣化器人口供入氣化爐中:在氣化爐的第一段引人氧等劑H2O與O2的比例如何,體系中的主要組分都是離子體炬,建立以氧等離子體炬為中心的高溫活性CO和H2,H2和CO的比例隨著(zhù)H2O/O2的增加而區(平均溫度在3 000 K以上),同時(shí)供入一定量的增加:在溫度為1 600 K~2500K時(shí)CO與H2之和氧氣和第一部分煤粉;為了充分利用第一段高溫反含量最高;2)溫度超過(guò)1 600K系統中最主要的雜應系1600K以上的高品位能量,在高溫活性區的質(zhì)為H2S和N2,約為10~量級,其含量隨H2O/Oz出口處供入一定量的水蒸氣和第二部分煤粉.在第的值增加而降低,這是因為H2O/O2的增加會(huì )使煤Plama torch氣中含有更多的H2,使雜質(zhì)的量相對減少.Coal+ Oyen.1 tCoul+ HOg)也. CHs三E-3FME-.引”I 0010020000 2500 30003500 400 4500 5000Temperaure/K(coal網(wǎng))圖1 C-H-O-S-N 熱力學(xué)平衡體系(H2O:O2=0.01)Fig.1 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumAsh residuessystem(H2O:O2=0.01)Baode coal(C-H-O-S-N∞1 : 0. 848:0. 160; 0. 004 : 0. 021)圖3等離子體炬 輔助下煤的兩段氣化方案示意圖上述結果表明,氣化爐出口溫度取為1 600 Kig.3 Scheme for Plasma Auxiliary Two-stage CoalGasification Method就可以保證產(chǎn)物中有效成分CO和H2的高含量和二段反應器中進(jìn)行的水煤氣反應是吸熱反應,不僅雜質(zhì)的低含量,調整氣化劑的比例H2O/O2可以使煤氣中含有更多的H2.可以充分利用第-段反應器高溫反應體系1600K2等離子體炬輔助下煤的兩段氣化方案以」i60中國煤化工反應體系的溫度到|YHC N MH G氣中氫的含量,改善2.1方案的設計煤氣成分調節氣化爐第二段的長(cháng)度,可以使煤粉完根據上面的計算結果,本文提出了等離子體炬全 氣化. .第4期李明東等等離子 體輔助煤氣化的初步研究19上述方案中,第一段高溫活性區的平均溫度是離子體炬所消耗的能量只占到兩段所處理煤總熱值個(gè)重要參數,需要同時(shí)考慮等離子體炬的能耗以及的2. 3%~4.4%.耐火材料等I藝的可行性.仍以中國的保德煤為例，2.2方案的優(yōu)勢忽略其中的N和S元素,假設供入的煤粉和氣化劑完全反應生成CO和H,并不計過(guò)程中的熱損失，在第一段反應器中,煤粉在等離子體射流中快本文對上述方案的能量平衡進(jìn)行了計算.圖4給出速升溫熱解釋放出揮發(fā)分，同時(shí)會(huì )發(fā)生煤粉或殘碳了等離子體炬能耗占兩段所處理煤總熱值的比例隨與O2之間的氣化反應.等離子體炬的引人,首先使著(zhù)第一段高溫活性區平均溫度的變化關(guān)系.不難理得第一段反應體系的溫度大大提高;同時(shí)等離子體射流中高濃度的活性粒子，能在很大程度上降低氣化反應的活化能.[4]根據Arrhenius公式，如果不考慮反應活化能隨溫度的變化，當反應溫度從常規煤氣化方法的1700K 左右升高到3 000 K時(shí),煤氣化主要反應C+CO2=2CO的速度增加了1 000倍以上;另外,在快速升溫的過(guò)程中,煤粒會(huì )受到熱應2500 3000 3500 4000 4 500力以及揮發(fā)分從內部膨脹溢出壓力的雙重作用而爆Average temperature of sctin1/K裂破碎,使得殘碳氣化反應的比表面積大大增加,從而加快殘碳與O2或CO2等氣化劑之間的氣固表面圖4等離子體炬能耗比例與第一段反應速度.因此,等離子體炬的引人可以從多個(gè)方面平均溫度之間的關(guān)系加快氣化反應的速度,從而在第一段反應器中形成Fig. 4 Energy consumption ratio of plasma torchat different temperatures of stage 1一個(gè)快速氣化反應的高溫活性區;另外,等離子體系解,隨著(zhù)第一段反應器內平均溫度的升高,所需要的統熱慣性小,啟動(dòng)、停車(chē)、調節負荷極其容易迅速,負.等離子體炬能量近似呈線(xiàn)性增加.綜合考慮等離子荷調節范圍很大,而且易于實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化;體炬能耗的合理性和爐體耐火材料工藝的可行性，氣化溫度提高后,對煤種要求低,不產(chǎn)生焦油和第一段平均溫度可取為3 000K~3 300 K,這時(shí)等CO2”,有利于后處理;煤氣中H2含量提高,煤氣品表2兩段氣化方案與Shell 煤氣方法的比較Table 2 Comparison between two-stage method and Shell methodRaw materialElectric powerProductsMethodCal/(kg.h-1) 0Xxygen/(m3.h 1) H2O(g)/(kg.h- . added/kw CO/(m.h-1) Hz/(m°.h-7_Two-stageStage I10.600. 301.4540. 616Stage 10.3980. 39(0. 5790. 731schemeTotal1. 3980.o.39.0.302. 033 ;1. 347Shell Method 1. 3980. 8392.030. 862質(zhì)好.以保德煤為例,在表2中對上述方案和Shell位容積處理能力,同時(shí)具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境氣化方法的相關(guān)基本參數進(jìn)行了理論計算.按效益.依據本方案建立了相應的實(shí)驗系統,初步的實(shí)1. 398 kg/h的供煤量計算,兩段氣化方案相對于驗結果驗證了新方案的可行性. [1]Shell方法少耗氧0. 238 8 m2/h,而大型制氧機電耗為0.6 (kW●h)/m2~0.65 (kW●h)/m',則制氧3結論機少消耗電耗約0. 15 kW,因此等離子體實(shí)際增加的電能消耗為0.15kW.同時(shí),在兩段氣化方案的產(chǎn)1)熱力學(xué)平衡體系的計算結果表明,氣化爐出品氣中增加了0. 485 m'/h氫氣,作為燃料燃燒時(shí)放口溫度中國煤化工證產(chǎn)物中CO和出的能量將遠大于0. 15 kW.H2的YCNMHG整氣化劑的比例綜上所述，與常規煤氣化方法相比,等離子體炬H2O/O2可以使煤氣中含有更多的H2. .輔助下煤兩段氣化的新方案必然可以獲得更高的單2)提出了一種等離子體炬輔助下煤兩段氣化20煤炭轉化2004年的新方案:在第一段引入氧等離子體炬形成3 0003)理論分析表明,等離子體炬的引入可以從多K~3300K的高溫活性中心，同時(shí)供入一定量的煤個(gè)方面加快氣化反應的速度,等離子體輔助煤氣化粉和氧氣;在第二段人口處引入一定量的水蒸氣和方案必然可以獲得比常規煤氣化方法更高的單位容第二部分煤粉,煤粉和水蒸氣之間的水煤氣反應可積處理能力;與常規煤氣化方法相比，新方案具有較調節氣化爐出口的溫度為1600K左右好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.參考文獻[1] 申曙光,王 勝,龐先勇等.煤在直流電弧等離子體中的氣化.煤炭轉化,2003.26(1):45-47[2] 鮑衛仁,關(guān)有俊,呂永康等. 等離子體煤熱解與氣化工藝的研究進(jìn)展.現代化工，2003,23(12),10-14[3] 邱介山,何孝軍 ,馬騰才.煤的水蒸氣等離子體氣化研究現狀和前最.煤炭轉化.2002 ,25(2);小-7[4] D'yakov A F ,Karpenko E L. Plasma-energy Technologies and Their Importance in Thermal Engineering. Thermal Engineer-ing,1998.45:467-472[5] Halinenko R A.Kuznekor A P,Levitsky A et al. Pulverized Coal Plasma Gasification. 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Analysis results show that higher output per unit volume of gasificationfurnaces can be obtained in this method than in general methods because the gasification speed ishighly inereased from several aspects under plasma conditions. In addition, this method hasadvantages in economical and environmental benefits compared with general methods.KEY WORDS coal ,gasification ,equilibrium system ,plasma中國煤化工MYHCNMHG