灰含量及助熔劑對氣流床粉煤氣化爐性能的影響

第31卷第20期中國電機工程學(xué)報Vol.31 No.20 Ju1.15, 20112011年7月15日Proceedings of the CSEEC2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.7文章編號: 0258-8013 (2011) 20-0007-06中圖分類(lèi)號: TK 16文獻標志碼: A學(xué)科分類(lèi)號: 470-20灰含量及助熔劑對氣流床粉煤氣化爐性能的影響孫鐘華，代正華，周志杰，于廣鎖(煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(華東理工大學(xué))，上海市 徐匯區200237)Effects of Ash Content and Flux on the Performance of Entrained-flow Pulverized Coal GasifierSUN Zhonghua, DAI Zhenghua, ZHOU Zhjie, YU Guangsuo(Key Laboratory of Coal Gasifcation of Minitry of Education (East China University of Science and Technology),Xuhui District, Shanghai 200237, China)ABSTRACT: In order to provide guidance for industrial添加助熔劑對氣化爐性能的影響,為工業(yè)氣化爐變煤種操作gasifier operations such as changing coal type, the equilibrium提供指導。研究結果表明:在相同氣化操作溫度下，隨著(zhù)灰model of entrained-flow pulverized coal gasifer was含量增加，有效氣產(chǎn)率和冷煤氣效率降低,比煤耗和比氧耗established and the effects of ash content and adding flux on相應增加。在入爐氧煤比和蒸汽煤比一定時(shí)，煤中的灰含量the performance of gasifer were investigated. The simulation波動(dòng)+1%，北宿煤氣化溫度將產(chǎn)生約+27 C的波動(dòng)，開(kāi)陽(yáng)煤results show that at the same operating temperature of gasifier,氣化溫度將產(chǎn)生約+15C的波動(dòng)。對于高灰熔點(diǎn)開(kāi)陽(yáng)煤，助the syngas productivity and cold gas eficiency decline while熔劑(CaCO,)添加量占入爐粉煤量5.4%(質(zhì)量分數)時(shí)，比煤the coal consumption and oxygen consumption increase with耗和比氧耗比未加入助熔劑時(shí)分別減少2.8%和6.9%。因此，the increase of the ash content. When the oxygen-coal ratio and工業(yè)操作中應密切注意入爐煤的灰含量波動(dòng)對氣化溫度的steam-coal ratio are constant, the change of +1% ash content in影響，相應調整氣化操作參數;對于高灰熔點(diǎn)煤，需確定適coal leads to +27C fluctuations of the gasifier temperature for宜的助熔劑添加比例,以降低氣化操作溫度,減少煤耗氧耗，Beisu coal, and +15C fluctuations of the gasifier temperature降低操作成本。for Kaiyang coal. For high ash fusion coal (Kaiyang coal), thecoal consumption and oxygen consumption decrease 2.8% and關(guān)鍵詞:灰分含量;助熔劑;平衡模型;氣流床粉煤氣化6.9% respectively by adding 5.4% (weight percent) flux0引言(CaCO3) in coal. The above simulation results indicate the煤質(zhì)變動(dòng)對燃燒設備的操作控制、經(jīng)濟消耗產(chǎn)effects of ash content on the gasifier temperature should beconcerned and operating parameters need be adjusted during生重要影響1-2]。對于氣流床粉煤氣化爐,更換煤種、industrial operation. Also, for high ash fusion coal, the添加助熔劑等操作將改變煤中灰分組成與含量，造operating temperature of gasifer is reduced by adding optimal成煤質(zhì)波動(dòng)?；曳纸M成決定了灰的熔融特性B)，進(jìn)content flux. Accordingly, the coal and oxygen consumption而影響氣化爐操作溫度，需適時(shí)調整氣化操作參are reduced and operating cost is decreased.數;灰分含量增加，降低了煤的熱值，增加灰渣熱KEY WORDS: ash content; flux; equilibrium model;損失，對氣化爐消耗也將產(chǎn)生影響[4。因此，研究entrained- flow pulverized coal gasification灰含量變化及助熔劑添加對粉煤氣化工藝指標的摘要:基于氣流床粉煤氣化爐的平衡模型，考察了灰含量及影響，對指導氣化爐穩定操作、優(yōu)化控制具有重要意義?；痦椖?國家重點(diǎn)基礎研究計劃項目(973計劃)(2010C227000);對于煤氣化過(guò)程的設計、評價(jià)和優(yōu)化，平衡模國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2009AA04Z159);國家自然科型較動(dòng)力學(xué)模型具有快諫和準確預測熱力學(xué)平衡學(xué)基金項目(20876048)。Tbe National Basic Rescarch Program of China (973 Program)限制的優(yōu)中國煤化工斯自由能最小化(2010CB22000); The National High Technology Research an方法研究]Y出.CNMH 6汽-煤比等參數Development of China (863 Program)(2009AA04Z159); Project Supportedby National Natural Science Foundation of China (20876048).對氣流床粉煤氣化爐工藝指標的影響; Q.Z.Ni 等[6]中國電機工程學(xué)報第31卷和A.P.Watkinson等7]基于質(zhì)量守恒、能量守恒、反2.2碳轉化率應平衡相關(guān)聯(lián)，求解多變量的非線(xiàn)性方程組，對工碳轉化率是反映氣化爐性能的重要指標，取決業(yè)Shell氣化爐操作溫度和產(chǎn)品組成進(jìn)行預測，結于煤的粒徑與反應性，爐型與噴嘴結構以及操作條果吻合良好。本文基于氣流床粉煤氣化爐的平衡模件等。對于氣流床粉煤氣化，爐內溫度1 300 C以型，來(lái)考察灰含量變化及助熔劑添加對氣流床粉煤上，氣化反應以擴散控制為主12,13]; 75%煤粉粒徑氣化爐性能的影響。小于100um,灰分對氣固之間的熱質(zhì)傳遞的影響可以忽略[14。因此，本文忽略灰分對氣流床氣化爐的1平衡模型碳轉化率的影響，為了提高參數的可靠性，本文選本文基于平衡模型7,根據氣化爐的進(jìn)口工藝取的碳轉化率來(lái)源于工業(yè)數據。條件和操作參數，建立C、H、0、N、S等5個(gè)元2.3助熔劑素平衡方程和3個(gè)化學(xué)平衡方程如式(1)- (3), 來(lái)計對于高灰熔點(diǎn)的煤種，一般加入助熔劑(CaCO3)算氣化爐出口溫度和合成氣組成，合成氣計算組分改變灰的熔融特性，以保證氣化爐的正常運行。助包括H2、CO、CO2、H2O、N2、H2S、 COS、CH4。熔劑(CaCO3)在爐內分解為CaO和CO2,組分計入YYo,=0.026 5exp(3955)(1)物料平衡，反應熱計入能量平衡。YcorH。oT。2.4灰分焓值氣化爐內煤灰中的礦物質(zhì)將發(fā)生分解、熔融、YcH,Yr,o=6.7125x10-18exp(27020) (2)汽化、凝聚、團聚等- 系列復雜的物理化學(xué)變化I5],Xoo器p2由于爐內為還原性氣氛，認為Fe2O3 全部轉化為YnsYco2: 0.751 34 exp(4083、(3FeO,計算灰分主要組成包括: SiO2、 CaO、Al2O3、YosYroFeO、MgO,其余為揮發(fā)分和微量組分暫不計入。式中: Y;為組分的摩爾分數; p為氣化壓力(kPa);在氣化爐內灰分吸熱發(fā)生的相變過(guò)程依次為固態(tài)Te為氣化爐出口溫度(K)。(eryst)-→熔融態(tài)(molten)-→液態(tài)(liq),計算其焓值建立能量平衡方程如式(4)所示，計算基準為高Eash如式(5)所示。位熱值。氣化爐采用水冷壁耐火襯里時(shí)包括副產(chǎn)蒸Esa= [,CrleystXT+汽焓項，耐火磚襯里時(shí)此項為零。煤的熱值+水蒸氣焓+氧氣焓+氮氣焓=AHr聽(tīng)(molten)+ 5 Cp(iq)d7(5)合成氣熱值+合成氣顯熱+未反應碳熱損失+式中: To 為煤入氣化爐初始溫度; T為氣化爐操作灰渣熱損失+副產(chǎn)蒸汽焓+氣化爐熱損失(4溫度; Tq為灰熔點(diǎn)(FT);取實(shí)驗數據; Tsol 為灰的固模型中方程組求解采用擬牛頓法?？紤]到收斂化溫度，由FactSage軟件基于相平衡的吉布斯自由穩定性，采用分層迭代的計算方法，先在內層迭代能最小化方法計算獲得。熔化焓AH.公由FactSage計算組分物料平衡方程，待收斂后轉外層求解能量軟件模擬計算1"]獲得,混合組分的平均比熱容Cp根平衡方程。本文程序采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě),與Aspen據Kopp-Neumann規則采用關(guān)系式(6)估算:plus動(dòng)態(tài)銜接，便于修改模型參數以及對后續煤氣Cp =xCρl + x2Cp2 +x_Cp3+...+x,Cp+... (6)化工藝的設計與優(yōu)化。式中:x為摩爾分數;Cpr為組分的偏摩爾熱容2模型參數量"7。2.1物性參數3模擬結果驗證煤的熱值采用Boie經(jīng)驗關(guān)系式計算[0]。氣化本文采用文獻[51中氣流床粉煤氣化運行數據對爐內氣體混合物的焓值采用偏差函數法計算，即平衡模型的中國煤化工煤為北宿煤,dh°=C°dT，其中Cg=A+BT+CT2+DT',系數氣化爐采用|YHc N MH G來(lái)源于工業(yè)數A、B、C、D按文獻[11]提供數據擬合得到。據。具體模擬結果如表1所示，可知平衡模型對第20期孫鐘華等:灰含量及助熔劑對氣流床粉煤氣化爐性能的影響9表1模擬結果與工業(yè)數據對比Tab. 1 Comparison between simulation results and industry data氣化溫度/合成氣流量/合成氣組成%(干基)(體積分數)有效氣產(chǎn)率/項目C(m/h)o_HCO2CO+H(m' (CO+H2)/kg煤(干基))模擬值1305313759.0631.641.9190.702.03工況3[5]1310302860.5530.642.446.4091.191.97多噴嘴1329359559.9631.061.486.3291.022.02對置粉工況45]31349761.63 .29.562.06煤氣化爐模擬值1298274565.7728.843.630.5994.61(北宿煤)_工況 s{5]1300274365.7028.504.206094.202.01模擬值.1317239662.9829.555.750.5892.53工況6(5]1318238163.0029.236.730.6092.232.00注:本文氣體體積單位m',均為273.15 K, 101.325kPa 標準狀態(tài)下的體積。粉煤氣化爐出口合成氣組成和溫度預測良好,合成量比例與灰含量和煤熱值相關(guān),開(kāi)陽(yáng)煤灰分含量為氣主要成分CO和H2與工業(yè)數據的相對誤差小27.3%時(shí)，其比例達1.94%。典型煤種的氣化工藝指于3%。標如表4所示，對于神府煤和北宿煤熱值高、灰分4灰分波動(dòng)對氣流床粉煤氣化爐性能的影響含量和灰熔點(diǎn)低，需要補充加入一定量的水蒸氣作為氣化劑;對于張集煤和開(kāi)陽(yáng)煤灰分和灰熔點(diǎn)高，4.1 典型煤種的氣化工藝指標比煤耗和比氧耗較高，可添加適量助熔劑降低氣化采用氣流床粉煤氣化工藝，對中國4個(gè)典型煤操作溫度，以降低煤耗氧耗。種的氣化工藝指標進(jìn)行模擬計算。典型煤種包括神表2中國典型煤種的煤熱值及灰分焓值華(神府)、兗州(北宿)、 淮南(張集)和貴州(開(kāi)陽(yáng)),Tab. 2 Coal heating value and ash enthalpy of煤的熱值及灰分焓值的計算數據見(jiàn)表2,具體煤質(zhì)typical coal in China分析數據見(jiàn)表3。氣化爐操作溫度取高于灰熔點(diǎn)中國QharvsJ氣化 灰分焓值/ 灰分熱量占入爐典型煤種(MJkg)溫度/C(kJ/kg)煤熱量的比例/%100 C,氣化爐耐火襯里采用水冷壁，氣化爐熱損神府煤32.401 27013390.31失取入爐煤熱值的2%，碳轉化率取99%。北宿煤30.751 3401 3470.42由表2可知，灰分焓值受氣化溫度影響較大,張集煤1 59419751.29溫度越高，焓值越大?；以鼰釗p失占入爐煤高位熱_開(kāi)陽(yáng)煤24.891 5201849.表3典型煤種的煤質(zhì)分析數據Tab.3 Coal analysis data of typical coal in China中國典型工業(yè)分析%元素分析/%灰分分析/%灰熔點(diǎn)/C煤種FCourVMar_ A__ Car Haer Nar Star OarSiO2Al2O3 FezO3CaO MgO神府煤.64.535.57.6 83.3 6.0.828.818.6 12.222.31.257.642.4 9.2 81.6 5.1..9 7.6124036.3 24.6 13.012.988.311.7 19.6 92.7 4.1.4).953.7 30.43.55.0開(kāi)陽(yáng)煤90.99.27.3 89.5 3.4..2142049.423.8 15.7.7表4典型煤種的氣化工藝指標Tab. 4 Gasification indexes of typical coal in China氧煤比/蒸汽煤比/比煤耗(kg(干基)比氟耗/氣化合成氣組成%(干基)冷煤氣(m/t煤(kgt煤(m'(CO+H2)V1 000 m'(CO+H2))(m'/1 000 m'溫度/C -效率% .(干基))CO H2 CO2 kg 煤(千基))典型煤標準煤(CO+H))06422.12中國煤化工286605301340 58.0 31.2 4.01.9681.0431594 65.1 23.7 1.71.83MYHCN MH G5079.6591520 63.0 22.1_ 2.1.56642546 .35979.30中國電機工程學(xué)報第31卷4.2煤中灰含量對粉煤氣化爐性能的影響溫度下，隨著(zhù)灰含量增加，有效氣產(chǎn)率和冷煤氣效為了研究入爐粉煤中灰含量的波動(dòng)對氣化爐率降低， 而比煤耗和比氧耗相應增加。運行穩定性的影響，假定進(jìn)入氣化爐的氧氣、蒸汽和粉煤流量不變，僅考慮入爐粉煤中灰含量的波■氧煤比12 100動(dòng)。對低灰量的北宿煤和高灰量的開(kāi)陽(yáng)煤，其干燥口有效氣產(chǎn)率620-無(wú)灰基元素分析相同，分別計算不同灰分含量的煤2000冊00-種，煤的熱值按Boie公式相應換算。圖1給出了不|I900同灰含量下煤的高位熱值。對于北宿煤，煤中灰含80-量由5%增加到15%時(shí)，煤的高位熱值(干基)從60U上nJ180032.18 MJ/kg減少到28.76 MJ/kg;對于開(kāi)陽(yáng)煤，煤16灰分含量/%(干基)中灰含量由21%增加到33%時(shí)，煤的高位熱值(干(a)北宿煤基)從27.53 MJ/kg減少到22.49 MJ/kg.580■1氧煤比.121570口有效氣產(chǎn)率1700用0-北宿煤-開(kāi)陽(yáng)煤560-夏30500550-來(lái)26直540I13002.32(b)開(kāi)陽(yáng)煤225228 32圖2灰含量對氧煤比、 有效氣產(chǎn)率的影響灰含量/%(干基)Fig. 2 Effect of ash content on the coal - oxygen ratio and圖1灰含量對煤熱值的影響syngas productivityFig. 1 Effect of ash content on coal heating value如圖2(a)所示， 對北宿煤，在相同氣化溫度1F1340C下，隨著(zhù)灰含量由5%增加到15%時(shí)，氧煤比從627 m'O2/t煤(干基)降低到574 m'O2/t煤(千↓基)，而有效氣產(chǎn)率從2066 m'(CO+H2)/t 煤(千基)降低到1 822 m2(CO+H2)/t煤(千基)，相應換算得比-o-北宿煤煤耗從484 kg煤(干基)/1 000 m3(CO+H2)增加到549 kg煤(干基)/1000 m'(CO+H2)， 比氧耗從灰分含量%(干基)304 m'O2/1 000 m'(CO+H2)增加到316 m'O2/1 000 m'圖3灰含量對冷煤 氣效率的影響(CO+H2)。如圖2(b)所示，對開(kāi)陽(yáng)煤，在相同氣化Fig.3 Effect of ash content on the cold gas efficiency溫度1520C下，隨著(zhù)灰含量由21%增加到33%時(shí),如圖4所示，對于北宿煤,以氧煤比605 m'O2/t氧煤比從572 m'O/t煤(干基)降低到547 m'O>/t煤粉煤、 蒸汽煤比230kg蒸汽t粉煤(見(jiàn)表4中北宿煤(干基),而有效氣產(chǎn)率從1 761 m3 (CO+H2)t煤(干基)數據)為基準，煤中灰含量由21%增加到33%時(shí),降低到1372 m2(CO+H2)/t煤(干基),相應的比煤耗氣化溫度變化顯著(zhù)， 從1 230 C升高到1501"C; 對從567 kg煤(干基)/1000 m3 (CO+H2)增加到729 kg于開(kāi)陽(yáng)煤，以氧煤比559 m'O2/t粉煤、蒸汽煤比煤(干基)/1 000 m'(CO+H2)，比氧耗從325 m'O2/143 kg蒸汽/t粉煤(見(jiàn)表4中開(kāi)陽(yáng)煤數據)為基準,煤1000 m'(CO+H2)增 加到399 m'O2/1 000 m3中灰含量由21%增加到33%時(shí),氣化溫度從1431 C(CO+H2)。如圖3所示，對于北宿煤和開(kāi)陽(yáng)煤，隨升高到160中國煤化工溫度1230已著(zhù)灰含量增加，灰渣熱損失增大，有效氣產(chǎn)率降低，低于灰熔點(diǎn)YHC N M H G比爐無(wú)法順利液導致冷煤氣效率相應降低?？梢?jiàn)，在相同氣化操作態(tài)排渣。 在氧煤比一定時(shí)， 灰含量的增加導致煤熱.第20期孫鐘華等:灰含量及助熔劑對氣流床粉煤氣化爐性能的影響值降低，但氧碳比增加將導致氣化溫度飆升。入爐650 ra比煤耗1370 主一比氧耗煤中的灰含量波動(dòng)+1%，北宿煤氣化溫度將產(chǎn)生約360 8640+27 C的波動(dòng)，對于開(kāi)陽(yáng)煤氣化溫度將產(chǎn)生約+15'C的波動(dòng)。因此，工業(yè)操作中應密切注意入爐煤中的是首要雖630-50 g灰含量波動(dòng)對氣化溫度的影響，相應調整氣化操作+ 34參數，保證氣化爐的正常運行。620330士6CaCO3含量%1 680田6助熔劑量對氣化消耗的影響g 1520+Fig.6 Effect of fux content onthe gasifter consumption蘆1360(CO+H2)。助熔劑添加量占入爐粉煤量5.4%時(shí)，比。北宿煤. -開(kāi)陽(yáng)煤煤耗和比氧耗比未加入助熔劑時(shí)減少2.8%和6.9%。I 200242可見(jiàn)，雖然加入助熔劑會(huì )提高灰分比例，但適宜的灰分含量/%(干基)助熔劑量可顯著(zhù)地降低氣化操作溫度,提高了有效.圖4灰含量對氣化溫度的影響氣產(chǎn)率，降低了煤耗氧耗。對于不同煤種，灰熔點(diǎn)Fig.4 Efect of ash content on隨助熔劑添加量的變化趨勢不同，最低灰熔點(diǎn)所對the gasifier temperature應助熔劑添加量需要由實(shí)驗確定。4.3助熔劑量對氣化爐性能 的影響對于高灰熔點(diǎn)的煤種，助熔劑(CaCO3)的加入5結論調節氣化爐操作溫度，改變灰分組成，提高灰分比本文基于氣流床粉煤氣化爐的平衡模型，考察例，也將影響氣化爐的性能。本文以開(kāi)陽(yáng)煤為例, .了灰分波動(dòng)對氣流床粉煤氣化爐性能的影響，為工來(lái)考察不同助熔劑量下氣化爐性能和消耗規律，以業(yè)氣化爐變煤種操作提供指導，具體結論如下:指導實(shí)際氣化爐操作。氣化爐操作溫度取高于灰熔1)灰渣熱損失占入爐煤高位熱量比例與灰含點(diǎn)100C。由實(shí)驗測得，不同比例的助熔劑量量和煤熱值相關(guān)，開(kāi)陽(yáng)煤灰分含量為27.3%時(shí)，其(CaCO3)占入爐粉煤量0%- 9%(質(zhì)量分數)對應的灰比例達1.94%。 對于神府煤和北宿煤熱值高、灰分和灰熔點(diǎn)低，需要補充加入- -定 量的水蒸氣作為氣熔點(diǎn)(FT)變化如圖5所示。圖6給出了開(kāi)陽(yáng)煤助熔劑加入量對氣化消耗的化劑;對于張集煤和開(kāi)陽(yáng)煤灰分和灰熔點(diǎn)高，比煤影響。助熔劑量占入爐粉煤量的比例為0%時(shí)，比耗和比氧耗較高，可添加適量助熔劑降低氣化操作煤耗為642 kg煤(千基)/1 000 m'(CO+H2),比氧溫度，以降低煤耗氧耗。2)在相同氣化操作溫度下，隨著(zhù)灰含量增加，.耗為359 m'O2/1 000 m'(CO+H2);助熔劑量占入爐有效氣產(chǎn)率和冷煤氣效率相應降低，比煤耗和比氧粉煤量的比例為5.4%時(shí)，比煤耗為624 kg煤(干耗相應增加。在入爐氧煤比和蒸汽煤比一定時(shí)，煤基)/1 000 m'(CO+H2),比氧耗為334 m'O2/1 000 m3中的灰含量波動(dòng)+1%，對北宿煤氣化溫度將產(chǎn)生約+27 "C的波動(dòng),對開(kāi)陽(yáng)煤氣化溫度將產(chǎn)生約+15 C的1400波動(dòng)。實(shí)際操作中應密切注意入爐煤中的灰含量波動(dòng)，相應調整氣化操作參數，防止氣化溫度的過(guò)高用1300或過(guò)低，保證氣化爐正常運行。3)對于高灰熔點(diǎn)開(kāi)陽(yáng)煤，助熔劑添加量占入1200t爐粉煤量f 1%/時(shí)4惜打和山匆哲比未加入助熔劑中國煤化工助熔劑量(CaCO)/%時(shí)減少2的助熔劑(CaCO3)圖5助熔劑量對灰熔點(diǎn)的影響加入量可UHCNMH Gy提高了有效氣Fig. 5 Efect of flux content on ash fusion temperature產(chǎn)率，降低了煤耗氧耗。但對于不同煤種，灰熔點(diǎn)12中國電機工程學(xué)報.第31卷_隨助熔劑添加量的變化趨勢不同，最低灰熔點(diǎn)所對model of coal gasification in a circulating fluidized應助熔劑添加量需要由實(shí)驗確定。bed[]. 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