气流床煤气化系统的热力学分析

第35卷第2期化学工程Vol. 35 No.22007年2月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Feb. 2007气流床煤气化系统的热力学分析汪洋，于广锁，代正华，梁钦锋,于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所，上海200237)摘要:在使用Aspen Plus对激冷型气流床煤气化系统进行模拟和优化的基础上,采用热力学分析方法,对气化系统进行了能量衡算和朔量衡算。计算结果表明,系统中炯损失最大的过程是化学能转变为物理能的过程。洗涤冷却室是炯损失最大的设备,拥损失占了总拥的21.2% ;其次是气化炉气化室,占到了总拥的13. 9% ,气化室的拥损失主要发生在水的汽化等过程中,这一部分拥损失占气化过程拥损失的70%左右,而氧气加热至反应温度所带来的煳损失仅占30%左右。采用佣分析方法可以更准确地揭示系统中棚损失最大的环节和过程,为改进设备、节约能源提供目标和对策。关键词:气流床煤气化;能分析;爛分析中图分类号:TQ 54文献标识码:A文章编号:1005-9954( 2007 )02-0075-04Thermodynamic analysis of entrained-flow coal gasification systemWANG Yang, YU Guang-suo , DAI Zheng hua ,LIANG Qin-feng, YU Zun-hong( Institute of Clean Coal Technology , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 ,China)Abstract : Based on the simulation and optimization results of quenching entrained-flow coal gasification process withAspen Plus，thermodynamic analysis was applied to calculate energy distribution and exergy distribution of thegasification system. The results show that the process with the maximal exergy ]oss is chemical energy transforminginto physical energy. The equipment with the maximum exergy loss is scrubbing cooling chamber, sharing 21. 2%of total input exergy ; the second is gasifier, with exergy loss sharing 13. 9%，and 70% of exergy loss in gasifierroot in vaporization of water, the temperature rise of oxygen result in the other 30%. By using exergy analysismethod, it can be more accurate and convenient to uncover the process with the maximal exergy loss so as to set uptarget and provide suggestion of equipment rebuilding and energy saving.Key words :entained-low gasification; energy analysis; exergy analysis自20世纪70年代以来,由于能源短缺,迫使人析的方法 ,对气化系统进行了能量衡算和炯量衡算,们不得不认真地研究各种运动形态能量的开发和利为提高过程效率提供理论基础。用，“炯”的概念引起人们的重视‘。此后,在基本概念(基准态)环境模型的建立、拥值计算、能级分1系统炯分析方法析等理论研究方面得到迅速发展,拥方法趋于成熟，拥的定义是:一定形式的能量或一定状态的物工程应用逐渐展开。通过对生产工艺系统的拥分质, 经过完全可逆的变化过程后(传热、传质、化学析,可以展示系统用炯状况,揭示拥损分布规律,由反应等) ,达到与环境完全平衡的状态,在这个过程此得到对系统能量和能质利用的科学评价。目前，中该能量或物质所能做的最大功称为拥，用符号E,在石化、石油、动力、冶金制冷等技术领域以及能源表示。拥概念是通过热力学第二定律揭示的,对于等管理部门,以佣方法评价和指导用能实践,已获得日量不同温度的热能,其能质差表现为拥的差”。依据益广泛的应用。.热力学中国煤化工的做功能力为本文在基于Aspen Plus对激冷型气流床煤气化系统进行模拟和优化的基础.上,首次采用热力学分TYHCNMHG(1)基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2004CB217707) ;国家高技术研究发展计划资助项目(2003AA521020) ;上海市青年科技启明星计划资助项目(03QF14013)作者简介;汪洋( 1980-) ,男,硕士研究生,研究方向为过程系统工程:于广锁,通讯联系人,E-mail: gyu@ ecusl. edu. cn。●76●化学工程2007 年第35卷第2期式(1)表示温度为T的热量Q利用卡诺机和低3气化系统的热力学分析温热源T。可做出的最大功,不同温度热能的做功能(1)物质的基准炯计算力不同,温度越高,做功能力越大,其价值也就越大，物理炯选用的基准条件为25 C、101 325 Pa。因此,热量的做功能力反映了等量、不等温热能在能此时,各类物质的物理炯为0。质上的差别,拥分析理论中称W..为热量Q具有的在计算化学炯时,除了物理条件外,还必须选定基拥,式中To为环境温度。准物质。到目前为止,在分析理论中,选定水空气等用佣定义不同温度、压力物质的能质差别，即让在自然界广泛存在而且化学稳定性很好的物质作为基具有参数H、S的流体经历可逆过程通过某一物系，准物质,可以确保所有物质的化学拥不出现负值。在此过程中,对外做功W与环境交换热量Q最终达(2)煤的炯值计算到与环境平衡。流体经历这样的过程对外做出的对整个气流床煤气化系统的热力学分析均基于功,即称为具有参数H、S流体的拥。根据热力学第1 kg 北宿煤(干基) ,煤质分析见表 1。一定律得国H=H。+W+Q(2)表1工业分析和元素 分析(质量分数)由于过程可逆,得Table 1 Industrial analysis and element analysis %Q=T。(S-S)(3)工业分析元素分析所以MFC。V.jA.JCHNs0A小E(p,T)=W=H-Ho-T。(S-Sq)7. 2051.0429.50 12.26 69.274.56 1.28 3.6 8.08 13.21对于具体物流,只要计算出H,H,S,S。即可计算出物流的炯值。此外，可以证明,对于微元变化过煤的拥值由朱明善41给出的公式计算:程,利用式(1)和式(4)计算压力不变(热量佣计算e。= 34215.87[C] +21.97[N] + 116702.76[H] +没有考虑压力变化)条件下的dE, ,其计算结果是一18 260.357[S]-13 278.593[0]-致的，说明了二式在理论上是统- -的。298. 15 x0.71768 ma +0.6276[0] x{32 729.8[C] +141 791.11[H]-2多喷嘴对置煤 气化系统简介17 723.842[0] + 16019.49[S] }(5)激冷型气流床煤气化系统包括4个主要部分，式中,m,表示每kg干煤中所含灰分的质量。即气化炉(气化室和洗涤冷却室)、水洗塔、蒸发热水塔和闪蒸系统。- -定浓度的水煤浆与氧气通过对4计算结果及分析置喷嘴送人气化炉中进行气化燃烧,气化产生的粗基于Aspen Plus对气流床煤气化工艺流程进行煤气经洗涤冷却室洗涤冷却,进人水洗塔进行初步了模拟及优化'5- 6] ,应用热力学分析方法,对气化系.净化得到合成气;气化炉内产生的渣通过锁斗排出统进行了能量衡算和炯量衡算,系统进出物流的能系统,渣水和水洗塔的黑水通人蒸发热水塔进行废量和炯量见表2和表3。水处理;蒸发热水塔出来的黑水进人闪蒸系统除去大部分的酸气,闪蒸得到的水除去细灰后循环使用,表2气化系统进出物流能量 计算见图1。Table2 In and out energy calculation of gasification system高温冷凝液氧气合成气输入焓/(WJ.h")输出焓/(k.h")_煤、酸气煤26 030.00合成气.18 206.63水化低温冷凝液97. 151 761.49租合成飞路|202. 2719.5901。其他气体1.53冷即室渣水器中国煤化工，130. 20TYHC NMH G讲519. 14循环灰水渣脱盐水40. 3290.44图1 气流床煤气化系统流程淡水30. 80热量损失147.35 ;Fig. 1 Entrained-low coal gasifcation systen总计27 903. 6820 876.37汪洋等气流床煤气化系统的热力学分析.77●表3气化系统进出物流煸量计算一般情况下,把系统或设备中有效的输出炯与Table3 In and out exergy calculation of gasifcation system输人拥的比值定义为该系统或设备的普遍拥效率,输入烟(kJ.h)输出佣/(kJ.h-')以nm表示。从表4和表5可以看到,拥效率最低的煤25 945.15合成气16 052.27设备是洗涤冷却室,炯损失占了总炯的21.2%,其水2.12渣5.23次是气化炉气化室,炯损失也占到了总佣的13.9%。氧气111.98酸气18. 62(2)图形炯高温冷凝液188. 38其他气体1.51低温冷凝液67.53灰水6.76为了深人揭示佣的变化情况,采用图形化佣分补水0. 19滤饼1.13析方法!7-8],见图2。图中横坐标为过程发生的焓脱盐水0.37循环灰水1.19.变,纵坐标为A。A值的计算式为淡水0.12热量损失112.91总计26315. 8416 199. 63A=AH=1-T。H(6)式中,Os为过程发生所带来的拥变量,AH为过程(1)佣效率发生的焓变量,aS为过程发生所带来的熵变量,T。炯损失的大小,可以表示实际过程的不可逆程度。则为拥分析过程中预先确定的环境温度。当过程具炯损失越大,该过程将越偏离相应的可逆过程,因而可体 到换热过程时,A值的计算式简化为用炯损失的大小来衡量某一具体过 程的热力学完善程A=1--7)度。但由于拥损失是一个绝对量,它无法比较不同工作条件下各个过程或各类热工设备中的炯利用程度,式中,T为过程中热源的放热温度或工质的吸热温为此在拥分析中广泛地使用拥效率的概念。主要设备度,此时A值即为以热源温度或受热工质温度计算的炯效率列于表4,表5为气化系统的拥损失分布。的卡诺循环效率。当任何能量过程发生时,都会同时存在能量的表4主要设备煳效率释放侧( energy donor) 和能量的接受侧( energy ac-Table4 Exergy eficiency of key apparatusceptor)。以换热过程为例,热源是能量的释放侧,而输人佣输出佣受热工质则是能量的接受侧。热量由热源传递给工/(k.kg") /(kJ●kg~")质,其过程发生的驱动力是热源与工质之间的温度气化炉26059. 1022 390.5485.9差异,体现在A值上则是以放热温度计算的A.与以洗涤冷却室23 247. 1617 675. 8176.0吸热温度计算的A.之间的差值。假设过程的换热昆合器17 257.3117 028.1198.7量为dH,按照传统热力学推导换热过程的爛损失可旋风分离器17 028.1116 683.0798.0以表示为水洗塔17 080. 6416 96s.9199.3蒸发热水塔602.59495. 8782.3Oe=T。xAS=T。xAHx((宁一六)) =△HxAA101 274.9191 239.3190.1(8)将上述变化量替换为微分量,则表5气化系统炯损失分布SHTable5 Exergy loss distibution of gasification systemAε=0AxdH(9)佣/(kJ.kg-)比率/%此公式的含义为:图示炯分析中的热源A值变总输人26 315.84100.0.化曲线与吸热工质的A值变化曲线之间所夹的面3668. 56积即为此换热过程带来的炯损失。洗涤冷却室5571. 3421.2图2为在一定氧化反应放热量的情况下,气化混合器229.20.9煳损失旋风分离器345.04.1.3炉内吸中国煤化工的变化线，包括氧水洗塔.114.730.4气的加MHCNMHG上可以看出,气化106.72炉的煽顶天按及生仕小烁永T所含有的水气化、其他27.98蒸发过热至气化温度的过程中,这一部分炯损失占输出61.0气化过程炯损失的70%左右,而氧气加热至反应温烟损失+输出26 315. 84100.0度所带来的炯损失仅占30%左右。●78●化学工程2007 年第35卷第2期法,采用拥分析方法可以更准确地揭示系统中拥损失最大的环节和过程,为改进设备、节约能源提供目0.标和对策。0.602H20参考文献:[1]官 克勤,项新耀.拥传递的研究现状与发展方向[J].热科学与技术,2002,1(2):177- -180.1 0002 0003 0004 000[2]张永 贵.准拥与热力过程炯变量计算方法[J].节能技AH(kJ.kg)术,2004 ,22(20) :20- -21图2气化过程A-Q 曲线[3] 严家骚.工程热力学[M].第3版.北京:高等教育出版Fig.2 Gasification process A-Q curve社2000.[4]朱明善. 能量系统的拥分析[ M].北京:清华大学出版5结论社,1988.基于Aspen Plus 对气流床煤气化系统进行了模[5] 汪洋,代正华,于广锁,等.运用Gibbs自由能最小化方拟和优化,采用热力学分析方法,对气化系统进行了法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化,2004,27(4):能量衡算和炯量衡算。计算结果表明,炯效率最低27-33.的设备是洗涤冷却室,拥损失占了总炯的21.2% ,其[6]王辅臣,刘海峰,龚欣.等水煤浆气化系统数学模拟[J].燃料化学学报,2001 ,29(1):33- 38.次是气化炉气化室,占到了总炯的13. 9%。利用高[7] 刘泽龙，金红光,高林,等.水煤浆与干粉给料方式两温合成气所含的CO2 ,H2O与煤进行气化反应,即采种ICCC系统的佣分析[J].工程热物理学报,2003 ,24用化学热回收式方法回收高温合成气的显热,将大(1):1-4.大减少洗涤冷却室的佣损失。采用废锅形式的气流[8] Hongguang Jin, Masaru Ishida. Graphical exergy analysis床气化炉也可以适当减少拥损失。of complex cycles [J]. Energy, 1993, 18 (6):615-炯分析计算方法是一种先进的热经济分析方625.[上接第74 页]1998,10(1): 63-73.[1] 《化工百科全书》编委会.树脂与塑料●《化工百科全 [7] Wang N, Li B Q. The study situation and development书》专业卷[ M].北京:化学工业出版社,2003.1 665- -trend of ultrasonic catalyst reaction[ J]. Acta Chemistry,I 670.1999.57(5): 26- -32.[2]哈成勇 ,袁金伦,李静.中国紫胶树脂基本组成的研究[8] Inze H, Michae! H. Optimization of ulrasonic iradiation[J].分析化学，1999 .27(2):178- 181.as an advanced oxidation technology[J]. Environ Sci[3]周铁生,周露 ,杨祖武紫胶桐酸的制备[P].中国专Technology, 1997 ,31(87) :2237--2243.利:921045166. 1993-04-14.[9]Ranu B I, Saha M, Bhar s. Surface mediated solid phase[4] Sukumar Maiti, Safikur Rahman. Aplication of shellareaction. Part 9: A convenient procedure for aldol reac-in polymers[J]. Macromol Chem Phys, 1986 , 26(6):tion of ketene silyl acetals with aldehydes on the solid441- 445.phase of alumina[J]. Synth Commun, 1997 ,27(18):[5. ] Sontaya Limmatvapirat, Chutima Limmatvapirat , Manee3065- 3 071.Luangtana-anan, et al. Modification of physicochemical[10] LiJT, LiLJ, LiTS, et al. Ultrasound promoted syn-and mechanical properties of shellac by partial hydrolysis-disustituted hydantoins[J]. International Jourmal of Pharmaceutics , 2004 ,278中国煤化工(4) :41-49.3(6) :298- 300.[6] LiB H, Chen F H, Xie Q Y. The application of ultra-[11],CYH.CN.MHG舌构光谱鉴定[M].北sound in organic synthesis[J]. Chemistry Development,京:科学出版社,2003. 8- -50.