部分煤气化炉的热力学数学模型

第24卷第4期动力工程Vol. 24 No. 42004年8月POWER ENGINEERINGAug. 2004文章编号:1000-6761 (2004)04- 0560-07部分煤气化炉的热力学数学模型余廷芳'，蔡宁生2(1.江西省电力试验研究院,南昌330006; 2. 清华大学热能工程系,北京100084)摘要:在考虑部分煤气化炉操作条件、气化剂、脱硫剂影响的基础上,引入了部分煤气化炉能量转化系数(而不是碳转化率)的概念,运用能量平衡、质量平衡、化学平衡方程建立了通用的与炉型无关的部分气化炉热力学数学模型,用于预测部分气化炉出口的煤气成份、产量、热值和所需气化剂的量。模型计算结果与实际数据相符,满足实际工程精度需要,并利用该模型计算分析了不同操作条件对部分气化炉产物的影响，模型计算的煤气成分及热值变化与实际及理论相一致。围14表3参7关键词:动力机械工程;部分煤气化炉;热力学数学模型;性能分析;煤气成分预测中團分类号: TK229. 8文献标识码: AThermodynamic Mathematical Model of Coal Partial GasifierYU Ting fang', CAI Ning-sheng(1. Jiangxi Electric Power Testing and Research Institute , Nanchang 330006 , China;2. Dept. of Thermal Engineering , Tsinghua University, BeiJing 100084, China)Abstract: In this thesis , a thermodynamic mathematical model for partial gasifier was set u with respectto the influence of operation conditions ,agent for gasification and sorbent; The conservation principle ofenergy and mass，the thermodynamic equilibrium equation of chemical reaction were used in the model es-tablishing process, this model is generic and can be used in most kind of coal partial gaifier. The percent-age of gas composition , heating values of gas and the agent for gasification needed can be predicted by thismodel, the calculated results are very close to the actual data, it is also satisfied with the need of actual en-gineering. With the model ,The performance of partial gasifier under different operation conditions werealso carried out in this paper, the calculated results are consistent with the theory analysis. Figs 14 ,tables3and refs 7. .Key words: power and mechnical engineering ;coal partial gasifier ; thermodynamic mathematical model;performance analysis; prediction of gas composition部分煤气化炉是部分煤气化发电系统的关键设化发电系统方案设计及性能计算分析影响很大。目备之一，部分气化炉模块模型的准确性对部分煤气前,全气化炉的数学模型研究较多[1.2],但多为数值模拟,针对炉型,且不适合煤气化发电系统的计算与收稿日期:2003-08-22分析,部分气化炉研究则很少见。基金項目;国家重点基础研究发展项目(199902210533)0作者简介:余廷芳(1974-),男,江西乐平人,江西省电力试验研中国煤化工炉更为复杂,其产物兖院工程师,现为东南大学博士生。目前,主要进行先进燃煤发CN MHG温度下还有煤焦油电技术和火电厂热力系统经济性等方面的研究。等,且保焦细和半焦的成份复杂.本文在借鉴参考文第4期余廷芳,等:部分煤气化炉的热力学敷学模型●561●献[3]建模思想的基础上,根据部分气化炉自身特炭 的质量为M. =Q:/Qowc(kg),因而转人煤气中的点,提出了部分气化炉能量转化系数的概念,在考虑碳元素量为:气化炉共有的规律的同时,充分考虑了操作条件、气N0= C,- M.XC.- M.XC.(kmol)12.016化剂、脱硫剂等的影响,建立了通用的与炉型无关的部分气化炉热力学模型,能在已知煤种、气化剂量、由碳平衡得:能量转化系数及操作温度TE压力Pc的情况下,确Nc0= N。(Xco + Xco, + XcH, + X.a) (kmol)定气化炉出口的煤气成份、产量、热值,模型计算结2)果与实测数据吻合,并就不同操作参数对部分气化Xco. XxXcg.XcH. Xxs,Xns Xcos.HaXxonNg(bmo)煤气炉产物的影响进行了计算分析,结果与实际相符。该气化气M(kg).十焦炭Mc(kg)模型在第二代PFBC-CC中试电站初步方案确定及蒸汽S(kg)十灰渣Mnx(kg)性能分析中得到了较好的应用。+煤焦油M(kg)1能量转化系数Q,图1部分气化炉物流平衡图鉴于部分气化炉的产物的复杂性,常用的炭转Fig 1 Material flow balance of coal partial gasifier化率X。表示煤气化程度并不适合部分气化炉产物2.1.2氧元素平衡转人煤气中 的氧来源有:①人预测模型中的计算,为此我们引人部分气化炉的能炉煤中的O,;②气化气(空气或氧气)中的O{(含氧量转化系数Q.概念:率为β);③水蒸汽中的氧元素,但煤焦油和焦炭中Q,=1- M. GOWC(1)也含有一定的0,因而转入煤气中氧量为:Vo,0 :O,-M.XO.- M.XO, t其意义是煤气化反应中除半焦所含能量以外的32.0所有能量占气化炉进口煤所含能量的份额。式中M.MXE+ W. S(kmol)32. 036. 032为1kg人炉煤在经部分气化炉后产生的半焦质量由氧平衡有:(kg);Qnwc为半焦低位热值(kJ/kg);Qvw为人炉煤No,0= N。(0. 5Xco + 0. 5X.. +低位热值(kJ/kg)。由上述可见:Q.更能反映部分气Xoo + 0. 5Xng,o) (kmol)(3)化炉实际能量转换的程度。2.1.3氢元素平衡 煤气中氢的来 源有:1)煤中2部分气化炉数学模型H,2)水蒸汽中含氢，因而煤气中氢总量为,由氢平部分气化炉建模目的是:在给定入炉煤种成份衡得:(C、H,O,、S.N,、A,. W,)及低位热值Qbw(kJ/Ne20= N,(XH, + 2Xar, + Xnp + Xns) (kmol)kg),出口焦炭成份(C、H、N..O2、S.)及低位热值(4)Qowc(kJ/kg) ,煤焦油成份(Ct.Ht .Ot、Nt.St),产量2.1.4氦元素平衡 煤气中 氮的来源有:①煤中M,(kg/kg煤)及低位热值Qnw(kJ/kg),操作温度N,;②气化空气中N,可得Te(C),操作压力Pc,气化剂组成，能量转化系数Nx,0=N,- M.X N.- M,X N+28. 016Q的条件下,计算煤气量N, (kmol),煤气组份(Xco、Xx,、Xco,、Xa,、Xr,、XHs、Xcos、XH.o、Xso,)M(1- β2(kmol)(Vol%),气化气(空气或富氧)量M(kg/kg煤),气由氮平衡得:Nx,0= N,(Xn,(kmol)(5)化蒸汽量S.(kg/kg煤)这12个未知数,并求出煤气2.1.5硫元素平衡煤气中 硫的唯- -来源是煤中热值、质量、体积。的s,可得N,0= S-M.XSM.Xs,如图1,以1kg/s人炉煤为基准,假设气化过程32. 066中氧气完全被消耗掉。(kmol),硫平衡得:2.1元素平衡中国煤化工Xso,) (kmol)(6)2.1.1碳元素平衡 由能量转 化系数为Qn，可知2.1.YC NMH G":残留在焦炭中的能量为Q=(1-Q.)XQow(kJ),焦●562●动力工程第24卷Xx,Xc0. 0265 EXP (3956/TG) (7)MgCO,一→MgO+CO2- 100MJ/kmolXooXH,oCaO+H2S一→+CaS+H2O- 68.49MJ/kmolXan,XH,o: 6. 1725 X 10-1EXP (27020/TG)2.3.1加入部分气化炉 的脱硫剂的量P为:XooXPGP=3.123Y文(kg)(14)(8)Xr,sXh,o= 4. 3554 X 10~1*EXP 926281/TG)2.3.2加入 脱硫剂后对转入煤气中各元素量的影Xso.XI,PG响脱硫剂的加入对转人煤气中的C.H、O,S元素(9)量有影响,而对N元素不产生影响。(1)加入脱硫剂后N,的修正XHsXco= 0. 75134 EXP (4083/TG) (10)设未加入脱硫剂时转人煤气中的s为N,0(kmol) ,加入脱硫剂后按脱硫效率ηs固硫式中Tc=Tε+273.15(K)2.1.7由道尔顿定律得;ON, =- N,0 X 7s(kmol)(15)Xc+Xn,+Xo∞,+Xar,+Xn,+XH,s+(2)加入脱硫剂后N,的修正脱硫剂中MgCO,分解及CaCO3与H2S的反应.Xos+Xno+Xsq,=1(11)都增加了N,增加量为.2.1.8气化剂组成为:ST.M =a(12)ON.=;84.316(kmol) (16)(3)加人脱硫剂后No,修正2.2能量平衡2.2.1进入部分气化炉 的总能量为:MgCOz .CaCO,及脱硫剂中的水份使No增加Q.=Q1+Q2+Q3 +Q.PX,PXQ.燃料热值Qz蒸汽焓Q3燃料显热Q人炉空ANo, = 100.089+ 84.316气显热7.X N.0，PX。;(kmol)(17)2+36.032'2.2.2离 开部分气化炉的总能量为:(4)加入脱硫剂后Nq,的修正Qow=Qs +Q.+Q,+Q。+ Q, + Qo(kJ) .1)煤气化学热Q。= N,X 22.4 X Qr (k]J)脱硫剂中的水份使Nr,增加Q;粗煤气低位热值(kJ/Nm3)PX。ONH = 18.016 (kmol)(18)Q;= (X∞X 30.29 + XH,(25.8 + XcH,(85. 6+(5)脱硫化学反应而产生的化学热为:XH,s(55.9) x 418. 68 (kJ/Nm')Q。煤气焓,Q,焦炭和煤焦油化学热,Q。焦炭和Q.=-PX;x 815- PX.- 1.1871PX; x84.316 X 315-100. 089煤焦油显热,Q,灰渣显热183- N,0X η。X 68. 49(MJ)(19)2)热损失Qo= AXQow(kJ)(6)加人脱硫剂后灰渣量的修正A热损系数(%)由上面4组脱硫反应灰渣除煤中灰份外,还包满足能量平衡的关系式为:Qu =Qm .(13)括CaO、MgO,CaS及脱硫剂中的杂质,总的灰渣量2.3考虑脱硫剂 的影响Mhz为:设脱硫剂的CaCO3,MgCO,水份,杂物的质量百分含量为X,X2,X;,X,;Ca/S比为Y ,脱硫效率Mhz=A,+ 7sXN,0X72+ (100.089为n7s, 假设脱硫剂中MgCO3全以CaCO,●MgCOs7.XN,0)X56十84. 316X 40+ PX. (20)的形式存在,并设与脱硫剂反应的含硫气体均为H2S。设在部分气化炉中反应后随焦炭进人流化床(7)加人脱硫剂后的煤气量为:燃烧炉的废脱硫剂成份为CaS,CaO,MgO和杂物,M,=1+S.+M+P-Mhz-主要反应为[5]:中国煤化工r煤)(21)CaCO3●MgCO3一→CaCO3 + MgCO3 - 32M]J/kmol)及(13)中的Nc0,CaCO3一→+CaO+CO2- 183MJ/kmol.MH,CNM H S相应的修正。由方第4期余延芳,等:部分煤气化炉的热力学教学模型●563●程组(2~13)即可解出粗煤气组份(Xco,Xu,,Xco,，表1模型计算空气与试验值的对比Xxu,Xx,XnsxX.,Xxyo.x.m,).气化空气量M,水Table 1 Compariso betwen air needed calculat-ed by model and testing results蒸汽量s,和粗煤气量N,这12个变量。TR1.1 TR1.2 TR1.4 TR2.3 TR2.4 TR2.5 .3模型计算结果操作温度Tg 877C 924C 822C 979C 979C 922C作者利用上述模型对参考文献[6]中TR1. 1~操作压力Pc(kPa) 1150 1013 958 1047 1417 1458TR2.5六组数据进行了计算对比,煤种、操作参数试验值(kg/kg煤) 1.908 2.494 1.42 3.4及试验数据取自文献[6],计算得到的空气量与试验计算值(kg/kg煤) 1.874 2.360 1.55 3.56 2.45 2.12数据的比较见表1.除TR2.5误差较大外(文献中作压力为1. 42MPa,操作温度为871C ,采用白云石TR2.5试验热平衡数据偏差大),其他几组吻合很为脱硫剂,煤、煤焦油、焦炭及脱硫剂数据参见表2,好。作者还利用模型对一气化匹兹保煤的部分气化能量转化系数为0. 50186,空气量为1. 608,蒸汽量炉[进行了计算,该部分气化炉为加压气化炉,其操为0时的煤气组成(vol%)的试验值和模型计算值见表3,可见该模型具有较好的精确度。表2部分气化炉物流成份数据Table 2 Material flow composition data of coal partial gasifierC，Hy),N,SyAyW,Qowy(kJ/kg)质量(kg)入炉煤71. 92.691.26.9910. 3128980. 861.0出口焦埃93. 0561.2270.84261.5133.3610.0.032534. 830. 4437煤焦油90. 422.4. 3572.181. 0651. 97635807. 8.0. 015脱硫CaCO3:54. 4%MgCO3:43. 3%水份:0.5%惰性物:1.7%表3模型计算值与试验值的比较Table 3 Comparison between calculated results by model and testing results空气量COH2CCCH4N:+ArH2O煤气量煤气低位热(kg/kg煤)(vol%)(kg/kg煤)值(kJ/kg)试验值1. 60814.27.211.054.6756. 76.262. 125511计算值1. 5914. 367.912.15. 2555. 35.012.1274气化炉运行参 数变化对气化炉性能到最大值。而煤气成份COz随操作温度的增加而减少,CH,随Tε的升高急剧减少。因Tε升高,有更多的影响的能量转化为煤气显热,所以煤气的热值将随TE利用所开发的气化炉模型对气化炉的参数变化的升高而减小。这说明在低温下气化有利于冷煤气作了计算分析,计算采用的数据取自表2。效率的提高。4.1 操作压力Pc对气化炉性能的影响4.3 气化炉入口蒸汽/空气比ST/M对气化炉性能图2~图4为部分气化炉操作压力变化对出口煤气各参数的影响,在计算过程中,其他参数如Q、能量转化系数Q.=0.7和Q.=0.4时,煤气热Te、ST/M.A为定值。由图可见,随Pc的增加,煤气值随 ST/M的变化分别如图8和图9所示,在能量成份CO,H2呈下降趋势,而多原子的煤气成份转化系数Q.较大(Q,=0.7)时,煤气热值随ST/MCH、CO2则随Pc的升高而增加。随Pc的升高,出的增加呈先增后减的趋势，而在Q,较小(Q.=0.4)口煤气的热值升高。时,煤气热值随ST/M的增加是一直减小的,这表4.2气化炉操作温度 Tg对气化炉性能的影响明在Q.较高时,加入一定的水蒸汽有利于煤气质量图5~图7为部分气化炉操作温度TE变化时的提中国煤化工加入将使煤气热出口煤气各参数的变化，随操作温度TE的增加,煤值下:YHCNMHG气成份CO,H2先增后减,在920C~950C之间达●564●动力工程第24卷440JNm'QwhvQwl40000,=0.436003600-| A=0.03-871 "C20-3200-4 =0.032800 400 800 1200 1600 200 200200280 80084088092096010001040Pp/kPa操作温度Tp/°C圈2媒气热值随操作压力 Po的变化图5煤气热值随操作温度 TE的变化Fig2 The relationship between heating val-Fig5 The relationship between gas heatingues of gas and operating pressurevalues and operating temperature0.180.16 r0.1g.-0.4.00.14H-871'CH2LIM-O.I4-0.03.12 Fg-0.4PG-1420kPaP 0.12 .0.104=0.03.08上:o0.0806上006540 80102020002400 28000.04.96图3煤气成份 CO、H2隨Pc的变化图6煤气成份CO,H2随TE的变化Fig 3 The relationship between gas composi-Fig6 The relationship between ges ges compo-tion CO.H2 and operating pressuresition CO, H2 and operating temperature0.16CO2.14上O2。0.10.12 H产0.080.0。0.06A-0.03t 0.08 F| 0=0.4| PG-1420kPa.06 tSTIM-O.1H4.04 t0.02.02 t000 400 800 1200 100 2002002001 CHP/kPa800840 880920960 10001040操作温度T[/°C圈4煤气成份 CH4、CO:随Po的变化图7媒气成份CH,CO2随Ts的变化Fig 4 The relationship between gas composi-Fig 7 The relationship between gas composition CHI,CO2 and op-tion CH4 ,CO: and operating pressureerating temperature煤气成份随ST/M的变化关系如图10~图11中国煤化工增加。在水蒸汽较少.所示。随ST/M的增加，由于煤气反应中CO+H2O:fYHCN MH G增加,因加氢反应= CO2+ H2,煤气成份CO将随ST/M的增加而减第4期余廷芳,等:部分煤气化炉的热力学数学模型.565.U/Nm20.16「●QntvCC0.142.-0.76200|元=871'C| PG=14201kPe患0.12元-871A=0.03| PG=1420kP60000A -0.030.08500.00...25 03005 0.40 0.450.050.0000. 0.20 025 0.30 0:55 0400ST/M圈8煤气热值随 ST/M的变化图11煤气成份CH4、CO随ST/M的变化Fig 8 The relationship between gas heating values and ST/MFig 11 The relationship between gas composi-tion CH4、CO2 and ST/M40PMmkJ/Nm2Qwlv7000Qwiv3800 I0,-0.4。| PE87120P6000-4-0.03 |3600 |5000-4000-3400I PG=1420kPa| 5u820.3000A-0.0332000.00.05 0.10 0.15 0.20025 030035 0.40.4520003%070809圈9煤气热值随ST/M的变化图12煤气热值随Q.变化Fig9 The relationship between gas heating values and ST/MFig 12 The relationship between gas heating values and Q.0.240.200.220.18| PG=1420kPa元-871C| 5-871C| 所C-1420kPa0.16| A =0.030.14-0.120.12-0.100.08 |co*0.060.04t035 0.45 0.550.65 0.75 0.8s”00.01000 0.20 025 0.30 0.35 040045图13煤气成份CO.Hz随Q.的变化图10煤气成份CO,H隨ST/M的变化Fig 13 The relationship between gas compositionFig 10 The relationship between gas composi-CO,H2 and Q.tion CO,H2 and ST/M4.4能转化系数Q.变化时,气化炉各参数的变而CH增加,但随ST/M进一步加大,因H2O的增加，由甲烷化反应CO+ 3H2=CH,+H2O可知,反而中国煤化工的变化如图12~不利于CH的生成，所以,CH,随ST/M的增加呈.14月M.HCNMHG二能量转人气化反先增后减的趋势。应,而上小文,床(亚恐项期小心,因而转人煤气●566●动力工程第24卷型的计算结果与实际相符,利用模型预测的煤气主要组分和热值误差满足工程精度需要,气化炉参数变化时,模型计算的煤气成分及热值变化与实际及理论相一致,证明了模型的正确性及准确性。且该模0.08-PG=1420kPe型在部分煤气化发电系统中对选择和分析部分气化类0.06| Tε-871°CTIM-0.1炉的参数有一定的指导意义。4-0.030.040.0参考文献:0.000.350.450.550.650.750.85[1]刘向军,朴泰俊,德士古气化炉内煤气化过程的数值研究[].动力工程，2002(5).[2]李 政,等,Texaco煤气化炉数学模型的研究[].动力工程，图14 煤气咸份CH、.CO2随Q.的变化2001(2).Fig 14 The relationship between gas composition[3] Watkinson A P, LucasJP, Lim O J. A prediction of perfor-CH.CO2 and Q.mance of commercial coal gasifier[J]. Fuel, 1991 , 70(4);519~化学热增加,煤气热值增大。煤气成份H2随Q,的527.增加虽然逸出更加充分,但后期逸出的H2越来越[4]肖 军,等.第二代PFBC-CC中试电站初步方案及性能分析[]. 工程热物理学报,2002(S1).小，总的H2随Q.的增加而减小。随Q.的增加,转人[5]仲兆平,兰计香.第二代PFBC-CC脱硫静态试验研究[J].煤炭煤气的C增加,CO和CO2增加,由甲烷化反应，转化,1997(1).CH增加。然而，随Q,增加，在热损和操作温度不变[6] Van Hook J, et al. Carbon conversions measured in a second-的情况下,将有更多的能量用于还原反应,CO2反有generation PFB pilot plant carbonizer[J]. ASME, Fluidized BedCombustion. ,1993,(12):1053~1060.下降的趋势。[7] Robertson A D Bonk. Efcts of pessure on the second- genera-5结论tion PFBC-CC power plant[J]J. of Engineering for Gas Tur-bines and Power, Transaction of ASME, 1994, 116(4).345 ~针对部分煤气化发电系统方案设计和性能计算351.分析,本文开发了部分气化炉热力学数学模型,该模基于对角递归神经网络整定的PID解耦单元机组负荷控制系统刘红军，韩璞，于希宁(华北电力大学自 动化系,保定071003)摘要:针对火电厂单元机组这类具有多变量强耦合,非线性及参数时变的受控对象,提出了基于对角递归神经网络整定的PID解耦控制方法,其主要特点是能够提供一个对角递归神经网络来辩识系统模型,进而对PID控制器参敷进行整定,实现多变量解耦控制。通过对火电机组负荷控制系统的设计和仿真研究,结果表明,系统达到了动态近似解耦、静态完全解耦和无静差跟踪,同时具有响应速度快,鲁棒性好等特点。燃烧模型与切圆锅炉烟气偏差的数值研究王彦辉，徐鸿，康志忠，刘彤(华北电力大学动力系 北京102206)摘妻;详鲡分析并建立了锅炉 多相流动与燃烧模型。利用该中国煤化工温、烟速偏差进行了敷值模拟,计算蛄果和实际运行快况一致,证明了模型的可TYHCNMHG切和小切圆可以有效减小水平烟道烟温烟逮偏差;综合比较,上二次凤反切是更为可行的改造方案。