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1)金晶2)郝小紅3)樊俊杰修劉瑞1沙永濤1)宋博1摘要基于商業(yè)軟件 Aspen Plus,運用Gibs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)生的煤制氣送入煤粉爐的再燃區,作為0引言氣體再燃燃料還原主燃區生成的NO2,沒(méi)有氣化的焦燃料分級燃燒技術(shù)不但可以使NO2的排放量炭設法隨一次風(fēng)送到煤粉爐的主燃區加以燃燒利用降低50%~80%,而且設備簡(jiǎn)單,容易實(shí)施,運行費對于煤的部分氣化,當今國內外采用的主要是用較低,是很有發(fā)展前途的低NO4燃燒技術(shù)之一.流化床氣化技術(shù),流化床爐內反應溫度一般不高于1000℃,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NO2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)流化床通常不希望1mm以下的細粉過(guò)多口,否則NO2排放的高效控制,本研究提出了煤粉部分氣出口煤氣含有大量的煤粉,送入再燃區后會(huì )影響鍋爐的燃盡率,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[2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1400℃~1600℃的煤氣化過(guò)程,可以用化學(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的結論;吳學(xué)成等(基于未反應碳縮核模型建立了啡動(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的影響; Watkinson等[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F1 ematic of partial gasitication coal-gas reburning效果最好,流化床次之而固定床由于一些不確定因O combustion system中國煤化工國家高新技術(shù)(863)項目(2007AA052340)、上海市教委科研創(chuàng )新項(5408115001)HCNMHG創(chuàng )新基金資助項目碩土生;2)教授;3)講師;4)博士生,上海理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院,200093上海收稿日期:2009-07-07;修回日期:20100408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(建立了氣流床氣化爐模型,重點(diǎn)從反應動(dòng)力學(xué)結合煤焦顆粒的大小研究了對合成氣參數的影響2.1入爐空煤比對粗煤氣主要成分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,故通入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1000℃12),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.2圖3為入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240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)235程所以本研究采用商業(yè)軟件 Aspen Plus,基于吉布斯自由能最小的原理,結合氣相化學(xué)反應平衡的原則對氣流床部分氣化過(guò)程進(jìn)行模擬.圖2為氣化爐模型的物流輸入包括給煤(coal)、空氣(air)以及205水蒸氣(H2O)和氣化爐熱損失( Q loss,),輸出包括4200粗煤氣(gas)和灰(ash)圖3空煤比對粗煤氣主要成分和有效氣產(chǎn)率的影響Fig. 3 Influences of air-coal ratio on main ingredients ofsyngas and effective gas productive rateH2★—CO;▲—CO2;■—CH4;O—H2OGasifierEffective gas productive rate化出口粗煤氣參數的影響規律,模擬參數為:給煤量為10kg/h,通入水蒸氣溫度為300℃,水蒸氣量為1kg/h,氣化壓力為0.15MPa,計算時(shí)考慮將碳轉化率定為60%,而流化床部分氣化的一般高于60%1,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Fig 2 Schematic of entrained-flow gasifier model床所以其碳轉化率一般比流化床部分氣化的碳轉模擬用煤的工業(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表1煤質(zhì)分析300℃,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,oximate analysis/%,adUltimate analysis/ %,adamc加上O2的量相對不充分,所以CO的含量在此時(shí)高M(jìn)s (wk-l2.6610.2427.4773.474227.160.771.48268311500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O2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,的還原效流氣池曹玄日氫徙下面多的CO將在顆粒果要優(yōu)于Co,但比CH,差.對于煤粉部分氣化內部中國煤化工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CNMHG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煤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,H2C.、U×(Mc,+Mo+Mcn.+Mcos)體積分數減少緩慢,所以對空煤比的選取應該在(1)n(c)2.8~3.2之間式中:C是碳轉化率;U是合成氣流量;M是氣體摩爾百分比,分別代表CO2,CO,CH4和COS;分母n(C)是入爐煤中碳的摩爾含量由于計算時(shí)固定碳轉化率為60%不變,所以當空煤比增大時(shí),空氣中大量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CH4和COS362830323436的含量太少,于是Mo2+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所以CO減少,而且其體積分數減少幅度比CO2體Fig 4 Influences of air-coal ratio on cold syngasefficiency 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r— Cold syngas efficiency;●— 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n(H)+n em(H)=UX(2MH +2MHo+模擬條件:給煤量為10kg/h,通入空氣量為4MCH,+2MHs)29.5kg/h,通入水蒸氣溫度為300℃,氣化壓力為式中:n(H)是入爐煤中H的摩爾含量;nm(H)是0.15MPa,碳轉化率定為60%入爐汽煤比對粗煤入爐水蒸氣中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,CH4和H2S.由于式(2)中左邊不變,而CH4和H2S的含太少,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0。.a23"a空煤比2.95時(shí)達到峰值,這是因為在空煤比2.95Steam-enad ratio/(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℃時(shí),前者的平衡常數遠大于ingredients of syngas后者1,因此更多的C參與到前者的反應;因此在●—H2;★—CO;▲—CO;■—CH41O—H2O空煤比295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變換反應:CO+H2OCO+H2,該反應是一個(gè)可逆Xn2×X∞一→f(T反應溫度升高反應朝左邊進(jìn)行為主(,而當空煤式中:X,是指粗煤氣中CO,H2O,CO2,H2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2),所以式(3)是隨著(zhù)空煤比的增加冷煤氣效率降低,氣化溫度升高溫度土歉些部如沙興中等2認為(見(jiàn)圖4)中國煤化二致的.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YHECNMH(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)趨煤炭轉化10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#3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℃,對氣化溫度影響較小.增加汽煤比可以提高有效氣產(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)241053圖7碳轉換率對粗煤氣主要成分的影響Fig. 7 Influences of carbon conversion rate on main000.10203040.5ingredients of syngas●—H2★—CO;▲—CO2O—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 gasificationemperature and effective gas productive rategas productive rate鑒于汽煤比對H2影響較大,可以有效提高H2體積分數,但增長(cháng)趨勢漸緩,而且水蒸氣的通入會(huì )減少CO體積分數,因此筆者認為在汽煤比上選取Carbon convenion rate /%60.1~0.2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 rateO-Gasification temperature;△— effective模擬條件:給煤量為10kg/h,通入空氣量為gas productive rat29.5kg/h,水蒸氣量為1kg/h,通入水蒸氣溫度為3結論300℃,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0.15MPa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28~32.7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髙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,越不分中國煤化工魯考文CNMHG[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[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[刀.上海電力,2009,22(1):68-70[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[門(mén)煤炭轉化,2004,27(3):53-57[4]吳學(xué)成王勤輝駱仲泱等.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[門(mén)]漸江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),200410):1361-1368[5]汪洋,代正華,于遵宏運用Gbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[煤炭轉化,200427(4):27-33.[6] Watkinson A P, Lucas J P, Lim CJ. 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Fuel, 1995, 74(1): 102STUDY 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 H, volume percentages. It can help no reduction with partial gasification reburning. The results also show that the increasing of carbon conversion rate can addthe effective composition in coal gas, but the extent中國煤化工 Therefore wecan not deliberately pursue carbon conversion rate forKEY WORDS partial gasification, air-coal massCNMHGon conversionte