煤粉加壓氣化爐操作參數對氣化特性的影響

第47卷第2期鍋爐技術(shù)VoL 47, No. 22016年3月BOILER TECHNOLOGYMar.,2016煤粉加壓氣化爐操作參數對氣化特性的影響楊震,郭琴琴,劉銀河2(1.上海鍋爐廠(chǎng)有限公司,上海200245;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西西安710049)摘要:采用基于平衡態(tài)模型的氣流床氣化爐煤氣組分預測程序,分析研究了氣化壓力、氧煤比以及蒸汽煤比等操作參數對氣化溫度、煤氣組分、碳轉化率和氣化效率的影響規律。研究結果表明:氣化壓力對氣化特性指標影響甚微,而氧煤比和蒸汽煤比的影響較為顯著(zhù)。隨氧煤比的增加,氣化溫度升高,碳轉化率升高,氣化效率先升高再降低,CO濃度先增加后降低。CH4的體積濃度可用于預測氣化溫度。在蒸汽煤比較低時(shí),提高蒸汽煤比可增加H2的濃度,提高碳轉換率和氣化效率,但進(jìn)一步提高蒸汽煤比僅會(huì )降低氣化爐內的氣化溫度,提高H2O和CO2濃度。對于所研究的煤種,合理的氧煤比應在0.7左右,合理的蒸汽煤比在0.1左右。關(guān)鍵詞:煤氣化;操作參數;氣化特性中圖分類(lèi)號:TQ546文獻標識碼:A文章編號:1672-4763(2016)02-0005-060前言熵達到最大值,自由焓達到最小值,各個(gè)反應的正反應速度等于逆反應速度。由于氣流床氣化煤粉氣化口是指煤粉在氣化爐中高溫高壓爐的操作溫度和操作壓力均較高,氣化反應速條件下與氣化劑發(fā)生化學(xué)反應,將固體可燃物轉率較快,在氣化爐爐膛內氣化過(guò)程進(jìn)行的較為化成可燃氣體的過(guò)程,它涉及到流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)徹底,接近平衡狀態(tài)。因此,平衡態(tài)模型可以很和化學(xué)反應等復雜過(guò)程。通?？梢赃x用的氣化好的應用于對氣化爐煤氣的組分進(jìn)行預測分析劑有水蒸氣、氧氣和二氧化碳?？扇細怏w成分主研究。徐越等以 SHELL煤氣化工藝為基要為CO、H2和CH4,伴生的不可燃氣體有CO2礎,采用 ASPEN軟件建立了干煤粉加壓氣流床和H2O,此外還有少量硫化物、烴類(lèi)產(chǎn)物和其他氣化過(guò)程模擬模型,對干煤粉加壓氣流床氣化微量成分工藝的性能進(jìn)行了數學(xué)模擬和性能研究。周志學(xué)者們28對氣流床氣化爐粗煤氣組分份杰12等建立了基于化學(xué)平衡的數學(xué)平衡模額煤氣產(chǎn)率隨煤種、給煤量給氧量給蒸汽量并研究證實(shí)了對于氣化溫度高達1400以及氣化爐的氣化壓力、氣化溫度等操作參數1600℃的干煤粉氣化可以應用化學(xué)平衡的方之間的關(guān)系開(kāi)展了大量研究,以得出有效的數法來(lái)簡(jiǎn)化氣化爐的數學(xué)模型學(xué)建模方法來(lái)進(jìn)行煤氣組分的預測,進(jìn)而獲得本文采用根據平衡態(tài)模型編寫(xiě)的氣流床氣氣化爐的相關(guān)技術(shù)特性指標,并指導氣化爐的化爐的煤氣組分預測程序1314,以 SHELL氣化設計與運行。氣流床氣化爐的數學(xué)模型可分為爐1實(shí)際的給料條件為計算邊界,分析了氣化平衡態(tài)模型和考慮氣化反應過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模壓力、氧煤比及蒸汽煤比對氣化溫度、煤氣組型。平衡態(tài)模型0是一種基于化學(xué)反應平衡成、碳轉化率、氣化效率等技術(shù)特性指標的原理對化學(xué)反應始末狀態(tài)進(jìn)行宏觀(guān)描述的計算影響方法。它忽略了化學(xué)反應的具體微觀(guān)過(guò)程所帶來(lái)的影響,只對反應最終達到的穩定狀態(tài)即平1煤粉加壓氣化爐的給料條件衡態(tài)進(jìn)行綜合分析?；瘜W(xué)反應達到平衡態(tài)后,本文對 SHELL氣化爐的煤氣組分份額進(jìn)其反應產(chǎn)物的組分份額維持恒定,此時(shí)系統的行了預測計醞三姑氘爐選用煤種中國煤化工收稿日期:2015-09-10CNMHG基金項目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )科委資助(14dzl200100)作者簡(jiǎn)介:楊震(1968-),男,博士,教授級高級工程師,主要從事煤的高效清潔燃燒和氣化研究鍋爐技術(shù)第47卷的技術(shù)規格條件。表2為 SHELL氣化爐的實(shí)M—氣化爐的加煤量,kg/h。際給料條件。本文計算中選用的煤種以及氣化2)氣化效率n。又稱(chēng)冷煤氣效率,它是爐給料皆參照實(shí)際 SHELL氣化爐的給料氣化生成的煤氣的化學(xué)能與氣化用煤的化學(xué)能條件。的比值,其計算方法如式(4)所示。顯然,提高氣化爐的冷煤氣效率可以把煤中所儲蓄的化學(xué)能表1氣化爐選用煤種特性51更多地轉化成為煤氣的化學(xué)能項目數值w(Mr)/%14.00=8E×100%w(Vo)/%卩-MQge36.49u(A)/%2.00式中:V——煤氣中所含可燃氣體在標準狀態(tài)下(Cx)/%61.45的體積,m3;w(H)/%3.61Qa.g—煤氣的高位發(fā)熱量,kJ/m3;w(N,)/%0.71Qa—氣化用煤的高位發(fā)熱量,kJ/kgw(O)/%7.8—氣化爐的加煤量,kg/h(Sn)/%0.43由于煤氣中的可燃氣體只有一氧化碳、氫Qnx/(MJ→kg)-1氣、甲烷和硫化氫,所以可磨指數HGIV=(ncon2+ncH,+n2s)×224(5)變形溫度DT/℃112012640nco+12750nH,+39820ncH.+25軟化溫度ST/℃流動(dòng)溫度FT/℃1250表2額定工況氣化爐給料條件式(6)中的12640、12750、39820、25350分數溫度壓力別為CO、H2、CH4、H2S的高位發(fā)熱量,kJ/m3項目/℃/MP氧煤比是指氧氣質(zhì)量流量與干煤粉的質(zhì)量干媒粉量(含水2Wt%)1900803.5流量之比,而蒸汽煤比是指水蒸氣的質(zhì)量流量與耗氧量(純度95Wt%)146018040干煤粉的質(zhì)量流量之比。本文假設氣化過(guò)程為耗蒸汽量238絕熱過(guò)程,不考慮爐壁散熱對氣化特性的影響,輸送氮氣量1905.75干煤粉是指含水量為2Wt%的煤粉,在這個(gè)基準上計算氧煤比和蒸汽煤比。2氣化技術(shù)特性指標3結果分析本文采用氣化溫度、煤氣組分、碳轉化率和氣化效率等氣化技術(shù)特性指標來(lái)對粉煤加壓氣31氣化壓力的影響化爐的氣化特性進(jìn)行分析研究。其中碳轉換率首先,應用根據平衡態(tài)模型編寫(xiě)的氣流床氣和氣化效率的定義如下:化爐組分預測程序,分別在1MPa、2MPa、(1)碳的轉化率a。它是指煤中所含的碳元3MPa、4MPa和5MPa氣化壓力下,對 SHELL素在氣化爐中轉化成煤氣成分中含碳量的百分氣化爐煤氣組分進(jìn)行了組分預測計算,同時(shí)得到數,其計算方法如式(1)所示了氣化壓力對氣化爐內氣化溫度、碳轉換率和氣化效率等參數的影響X10%圖1給出了在額定給料量條件下,氣化爐內MCar/100主要的煤氣組分COCO2、H2、H2O和CH4的含bc12.011(2)量隨氣化壓力的變化趨勢。計算結果顯示,氣化nc nco t nco, fncH, ncos(3)爐在額定工況的給料條件下,氣化壓力對上述5式中:bc—所加煤中含有碳的物質(zhì)的量,種氣體組分V中國煤化工Co的體積kmol/h含量基本不CNMHG化,而CO2nc—粗煤氣中含有的碳元素的物質(zhì)的H2O和CH4的體積含量隨氣化壓力的升高略有量,kmol/h增大第2期楊震,等:煤粉加壓氣化爐操作參數對氣化特性的影響→CO率升高而達到100%,氣化效率先升高達到一最大值后再降低。在氧煤比較小時(shí),氣化溫度增加緩慢,而碳轉化率和氣化效率增加較快;在氧煤比較大時(shí),氣化溫度增加較快,碳轉化率到達最大值,氣化效率由最高持續下降。氣化溫度2800亠碳轉化率2600氣化效率氣化壓力/MPa還2200圖1主要煤氣組分含量隨氣化壓力的變化170012001680100碳轉化率100010氧煤比(kgkg)氣化效率圖3氧煤比對氣化溫度、碳轉化率和氣化效率的影響氣化溫度1620氣化爐內氣化溫度的高低取決于系統中放熱反應熱效應的高低和氣化室散熱的多少,由于計算氣化爐壁面按絕熱處理,所以氣化爐的氣化溫度只氣化壓力MPa取決于前者。由圖3可以看出,當氧煤比較低時(shí),圖2氣化壓力對氣化溫度碳轉化率和氣化效率的影響加入的氧氣先與單質(zhì)碳反應,但由于氧氣不足,大圖2給出了氣化壓力對碳轉化率、氣化效率量的單質(zhì)碳沒(méi)有發(fā)生反應,碳轉化率較低;隨著(zhù)氣和氣化溫度3個(gè)氣化參數的影響。由圖2可見(jiàn)化爐給氧量的增加,加入的氧氣與CO、H2反應氣化壓力對氣化爐內的碳轉換率和氣化效率的由于氧氣與后者反應的熱效應大于前者,所以隨著(zhù)影響甚微,在計算氣化壓力范圍內,氣化爐內的氣化爐給氧量的增加,當碳轉換率達到平衡以后,碳轉換率均接近于100%,氣化效率接近87%。氣化爐內氣化溫度急速上升。當氣化爐內氧煤比隨著(zhù)氣化壓力從1MPa增加到5MPa,氣化爐內約為0.7時(shí),氣化爐內碳轉換率趨于平衡,此后隨的氣化溫度1611K增大至1638K,增幅較低著(zhù)氣化爐給氧量的增加,氣化溫度急速上升。僅為27K。由此可見(jiàn),氣化壓力對氣化爐的碳轉圖4所示為氧煤比對氣化爐中主要煤氣組化率、氣化效率和氣化溫度的影響甚微分濃度的影響。因此,雖然提高氣化壓力是加快氣化反應速率,提高氣化爐氣化強度的有效手段,但是氣化壓力的改變并不能顯著(zhù)改變氣化爐的氣化溫度、50-CO30碳的轉化率和氣化效率。3.2氧煤比的影響2030在氣化爐給煤量、給蒸汽量、氣化壓力為額定工況的條件下,改變氣化爐的給氧氣量,使氧煤比在0.3~1.2之間變化,應用組分預測程序進(jìn)行計算,得到了不同氧煤比下氣化爐內的氣化氧煤比/kgkg-b)溫度、碳轉換率和氣化效率等參數變化規律。圖3所示為在額定的水蒸氣條件下,改變氧氣量,氧aH中國煤化工影CNMHG煤比對氣化溫度、碳轉化率和氣化效率的影響。由圖4可見(jiàn),在所研究的氧煤比范圍內,隨隨著(zhù)氧煤比的增加,氣化溫度持續升高,碳轉化氧煤比的增加,煤氣中CO的體積濃度先增加,到鍋爐技術(shù)第47卷達一個(gè)峰值后降低;而H2濃度則呈現逐漸下降由圖5可見(jiàn)二者在一定范圍內呈單調遞趨勢,先是緩慢下降,然后快速下降;H2O和CO2減的關(guān)系,可由測得的甲烷濃度來(lái)確定氣化溫體積濃度則與CO的變化趨勢相反,其體積濃度度。這是因為甲烷化反應為放熱反應,溫度升先降低,到達一個(gè)最小值后增加;CH4濃度呈現高,甲烷就會(huì )減少。當然,給料中水蒸氣的給持續下降趨勢,先下降速度較快直至接近于零。料量也會(huì )影響到甲烷的濃度,只需要在特定水當增加給氧量,提高氧煤比后,氣化爐中單蒸氣給料量下,不同的氧煤比下的氣化溫度與質(zhì)碳與氧氣發(fā)生反應,生成大量的CO,同時(shí)放出甲烷濃度的關(guān)系曲線(xiàn),即可由甲烷濃度查得氣反應熱提高氣化反應溫度,從而提高了水蒸氣化溫度分解反應的比例。因此,CO、H2的體積分數逐步33蒸汽煤比對合成氣組分的影響分析變大,水蒸氣的體積分數遞減。由于氣化溫度的最后,本文在氣化爐給煤量、給氧量、氣化壓提高、水蒸氣減少和H2的增加,使水煤氣反應向力不變的條件下,改變氣化爐的給蒸汽量,應用左移動(dòng),從而使CO2的含量減小。預測程序進(jìn)行計算,得到了不同蒸汽煤比條件下CO+H2O←CO2+H2(7)煤氣各組分份額的變化。同時(shí)也計算研究了蒸當單質(zhì)碳反應趨于完全時(shí),此時(shí)氣化爐內汽煤比對氣化爐內碳轉換率氣化效率氣化溫CO和H2的含量達到最大值,而CO2和H2O的度等參數的影響。含量則達到最小值。煤氣中的CO、H2與氧氣開(kāi)圖6所示為蒸汽煤比對煤氣組分含量的影始反應,生成大量CO2和H2O,同時(shí)釋放出大量響。由圖可見(jiàn),隨水蒸氣量的增加,CO濃度下的熱。CO、H2的含量開(kāi)始隨著(zhù)氧煤比的提高而降,而氫氣濃度略有增高并保持在一個(gè)定值,減小,CO2、H1O的含量則隨著(zhù)氧煤比的提高而H2O和CO2的濃度均有顯著(zhù)增加,CH,濃度較增大。因氣化溫度的進(jìn)一步升高致使水煤氣反低,蒸汽煤比的增加基本不改變CH的濃度。這應的平衡常數遞減,平衡向左移動(dòng)導致H2的遞是因為隨著(zhù)氣化爐內給蒸汽量的增加,水煤氣反減速率大于CO的遞減速率。相應的H12O的遞應向右移動(dòng),CO的含量減小,CO2含量的增加,增速率也大于CO2的遞增速率。H2的含量也相應增加。在高溫高壓的粉煤氣化爐里,氣化溫度對于保證爐內的反應能否正常進(jìn)行,熔渣能否順利流- CO, v%*+ CH4, v%→H2,V%H20, %F35動(dòng)非常重要。但是到目前為止,通過(guò)直接測量而30得到氣化溫度一直是個(gè)難點(diǎn),采用氣體成分分析是確定氣化溫度的一個(gè)有效方法。由上述分析可知,氧煤比對氣化溫度的影響非常顯著(zhù),對CH4的影響也呈單調變化函數,因此可以用CH4的濃度來(lái)預測氣化的溫度。圖5給出了在額定的水蒸氣條件下,改變氧氣量得到的氣化溫度與蒸汽煤比(kgkg2)甲烷濃度之間的關(guān)系圖6蒸汽煤比對煤氣組分含量的影響圖7所示為蒸汽煤比對氣化溫度、碳轉換率和氣化效率的影響。由圖7可以看出,隨著(zhù)氣化氣化溫度爐內給蒸汽量的增加,碳轉化率和氣化效率均有增加,達到并維持在最大值,同時(shí)氣化爐內氣化溫度降低,主要是由于隨著(zhù)氣化爐內給蒸汽量的1400增加,部分水蒸氣未參與氣化反應,使得這部分水蒸氣成為V山中國煤化工化爐內氣化溫度降低。CNMHG化爐內碳轉CH4體積濃度%換率和氣化效率在蒸汽煤比較小的時(shí)候增加較圖5甲烷濃度與氣化溫度的關(guān)系快;而蒸汽煤比較大的時(shí)候碳轉化率和氣化效率第2期楊震,等:媒粉加壓氣化爐操作參數對氣化特性的影響基本不受氣化爐內給蒸汽量的影響,因此從蒸汽加可增加H2的濃度,提高碳轉換率以及氣化效的利用率的角度上看,蒸汽煤比在0.1較為合率,但進(jìn)一步提高蒸汽煤比僅會(huì )降低氣化爐內的適。進(jìn)一步增加蒸汽煤比會(huì )降低氣化爐氣化溫氣化溫度,提高H2O和CO2,對煤氣化會(huì )產(chǎn)生不度、降低煤氣中CO含量,對煤氣化會(huì )帶來(lái)不利的利影響。影響。因此,氣化爐中應該選取小蒸汽煤比作為(4)對所研究的煤種,氧煤比約為0.7時(shí),煤運行參數。氣中H2和CO含量以及氣化效率均達到最大值,合理的氧煤比在0.7左右,合理的蒸汽煤比碳轉換率在0.1左右。20001900參考文獻:氣化效率[1]王同章.煤炭氣化原理與設備[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001[2]李政,王天驕,韓志明,等. Texaco煤氣化爐數學(xué)模型的研1400究—建模部分[J].動(dòng)力工程,2001(2):1161-1165氣化溫度l300+1168[3]余廷芳,蔡寧生,部分煤氣化爐的熱力學(xué)數學(xué)模型[門(mén).動(dòng)力蒸汽煤比(kgkg-1)工程,2004(4):560-566圖7蒸汽煤比對氣化溫度、碳轉換率和氣化效率的影響[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(Ⅱ)—模型預測及分析[].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2004(11):94-1004結語(yǔ)[5]陸成,張忠孝,烏曉江,等.氣化參數對氣流床粉煤氣化影響實(shí)驗研究[門(mén)].潔凈煤技術(shù),2010(2):49-53.本文應用一種基于平衡態(tài)模型編寫(xiě)的氣流[6]杜敏,郝英立.氣化劑對氣流床煤氣化爐性能的影響[冂].熱床氣化爐煤氣組分預測程序對 SHELL氣化爐的科學(xué)與技術(shù),2009(2):177-182煤氣組分進(jìn)行了預測計算,分析研究了氣化壓[7]李政,王天驕,韓志明等,Texo煤氣化爐數學(xué)模型研究力、氣化溫度、氧煤比以及蒸汽煤比等參數對氣計算結果及分析[門(mén).動(dòng)力工程,2001(4):1316-1319化爐氣化溫度、碳轉化率、氣化效率和煤氣組分81 WATKINSON AP.CAsP.Mc. A prediction o份額等氣化技術(shù)參數的影響。通過(guò)計算分析研performance of commercial coal gasifiers [J].Fuel,1991(4):519-究主要可以得出以下幾點(diǎn)結論:[9]汪洋,代正華,于廣鎖,等.運用 Gibbs自由能最小化方法模(1)氣化壓力對氣化爐煤氣組分的影響很擬氣流床煤氣化爐[冂].煤炭轉化,2004(4):27-3小,其中H2和CO2的含量隨氣化壓力的升高略10 J SMITH WR, MISSEN RW. Chemical reaction equilibrium有減小,H2O和CO的含量隨氣化壓力的升高略nalysis: theory and algorithms[M]. A wiley-interscience有增大;氣化壓力對氣化爐的碳轉化率、氣化效publication, Krieger, 1991[11]徐越.燃煤聯(lián)合循環(huán)系統設計集成與干煤粉加壓氣化模擬率和氣化溫度的影響甚微。[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.(2)隨氧煤比的增加,氣化溫度升高,碳轉化[12]周志杰,于廣鎖,龔欣,等.整體煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)率升高,氣化效率先升高再降低存在一個(gè)最大氣化單元模擬[J].煤炭轉化,2004(3):53-57值;CO濃度先增加后降低,H2濃度先緩慢后快131YANG2,LUY, CAO Z, Study of Chemical Quench of High速下降;H2O和CO2濃度先降低后增加;CH4濃Temperature Syngas[J]. International Journal of Chemical Re-actor Engineering, 2011, 9( Article A85): 1-18.度持續下降。工程中可采用測得的CH4體積濃[14]馬娟郭琴琴曹勇輝,等.基于平衡態(tài)模型的煤氣組分預測度預測氣化溫度。方法研究[].鍋爐技術(shù),2015(1):8-12(3)煤氣中CO含量隨著(zhù)氣化爐內給蒸汽量15]焦樹(shù)建,整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GCOM].北的增加而減少,H2O和CO2含量則隨著(zhù)給蒸汽京:中國電力出版社,1996量的增加而增加;在小蒸汽煤比時(shí),蒸汽煤比增中國煤化工CNMHG鍋爐技術(shù)第47卷Effects of Operation Parameters on Dry Feed EntrainedFlow Pulverized Coal GasificationYANG Zhen, GUO Qin-qin, LIU Yin-he2(1. Shanghai Boiler Works Co, Ltd, Shanghai 200245, China;2. School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: The effects of pressure, oxygen fuel ratio and steam fuel ratio on gasification temperature, syngas components, carbon conversion and cold gas efficiency were studied using e-quilibrium model. It is shown that the effect of pressure is negligible, while the other twofactors show great effects. The gasification temperature and carbon conversion rise with theincrease of oxygen fuel ratio, while the cold gas efficiency and the concentration of co increase first and then decrease with the increase of oxygen. The CH, concentration can be usedto predict the gasification temperature At low steam fuel ratio, the H2 concentration, carbonconversion and cold gas efficiency increase with the increase of steam input, however furtherincrease of steam will result in the low gasification temperature and high concentration ofH2O and CO2. The optimized oxygen fuel ratio and steam fuel ratio are 0. 7 and 0. 1, respec-tively for the given coalKey words: coal gasification; operating parameters; gasification characteristics(上接第4頁(yè))參考文獻:出版社,1993[1][蘇]鍋爐機組熱力計算標準方法[M.北京:機械工業(yè)出版4]王正林,劉明,陳連貴精通 MATLABLM].3版北京:電社,1976子工業(yè)出版社,[2]許圣華.煙氣物性的直接計算方法[J.蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)[5]沈維道,童鉤耕工程熱力學(xué)[M.4版.北京:高等教育出報,1999,19(3):32-36版社,2007[3]解海龍.鍋爐計算機輔助計算及設計[M].北京:水利電力The Digital Calculation of the Flue Gas Thermal Conductivityfor boiler thermodynamic calculationWAN Cong, WANG En-lu, XUXu, MAO Jin-da, LI Kai( Institute of Thermal Energy Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, ChilAbstract: Based on the digital computing requirement in the boiler design and improvementprocess, a group formula for calculating the actual flue gas thermal conductivity, kinematicviscosity and Prandtl number were given by the linear regression and interpolation methodscorresponding on the table data of the standard flue gas and the correction coefficient curvescompared with the standard flue gas. These formulas could be used in the digital design andimprovement process with sufficient accuracy and velocity.中國煤化工Key words: thermodynamic calculation; actual flue gas theHCNMHGformula