外热式煤热解技术与其传热模型的建立

第33卷第12期煤炭技术Vol. 33No.12.2014年12 月Coal TechnologyDec.2014doi:10. 13301/j enki. ct. 2014. 12. 113外热式煤热解技术与其传热模型的建立白建明,单小勇,葛成荫,郭龙(华电重工股份有限公司,北京100070)商要:建立了外热式煤中低温干馏炉炭化室的传热模型,充分考虑了水分迁移及煤干馏化学反应对传热的影响，模型计算结果与实际吻合良好,并且考察了装煤水分含量和装煤堆密度对传热过程的影响,分析表明随着装煤水分含量的增加及煤料堆密度的减小，炭化室传热效率降低,干馏反应完成时间加长。关键词:煤;外热式干馏炉;传热模型中图分类号:TQ 530.2文献标志码:A 文章编号:1008 - 8725(2014)12 -0320 -04Technology of External Heated Coal Pyrolysis and Establishment ofHeat Transfer ModelBAI Jian-ming,SHAN Xiao-yong,GE Cheng-yin , GUO Long( Huadian Heavy Inustries Co. ,Ltd. , Beijing 100070 ,China)Abstract : Considered the moisture nonlinear evaporation model and the reaction model of coal pyrolysis ,amathematical model was set up to simulate the heat transfer process in the furnace. It is shown that theproposed model is in good agreement with the experimental data. Then the effect of coal moisture contentand bulk density on heat transfer was studied, the results show that with the increases of coal moisturecontent and the decrease of bulk density of coal , the efficiency of the heat transfer in the furmace decrea-ses , so the pyrolysis time lengthen.Key words :coal ; external heated pyrolyzing furmace; heat transfer1煤热解技术成的煤气(CO、CH、C.H.)含量高、气质好、混有以榆林地区煤为原料进行热解对比,对比数的N2含量很少,大大降低了荒煤气鼓冷净化单元据见表1。从表I得出,内热式气体热载体热解工的负荷。生产的煤气既可供城市煤气作燃料用，艺产气量远高于其他2种工艺,但其煤气中氮气也可作为提氢的原料气或合成甲醇、合成氨的化等惰性组分含量较高,导致煤气热值较低,利用价工原料气,具有可观的经济效益,显示出巨大的值不大。以大工新法为代表，固体热载体热解工潜力。艺的煤气热值约为气体热载体技术的2倍,煤气.外热式热解炉技术目前所面临的问题是热效率中有效组分高,但以半焦作热载体,热解出的重焦不高,因此必须对热解炉中的传热进行研究,以期能油粘附在半焦表面,致使发生堵塞。外热式热解够以此为基础优化现有炉型结构或开发新炉型,形炉技术焦油产率不低于气体热载体技术,但其生成具有强竞争力的技术。(2)通过线性插值法获得的构造煤发育图与钻[4]姚军朋,司马立强， 张玉贵构造煤地球物理捌井定量判识研究[J].媒炭学报,201136(S1):94-98.孔、巷道揭露情况基本吻合,证明该方法可行性较[5]张许良，单菊萍,彭苏萍.地质测井技术划分煤体结构探析[J].高,为初步了解构造煤区域分布提供了依据。随着煤炭科学技术2009,37(12) :88 -92.钻孔样本数量的增加,精度会进-一步提高。[6]董守华.煤田测井方法和原理[ M].徐州:中国矿业大学出版社，参考文献:2012.[1]张玉贵,张子敏，曹运兴.构造煤结构与瓦斯突出[J].煤炭学报，[7]杨水国.数学地质[ M].徐州:中国矿业大学出版社.2010.[8]权双燕,曹阳.插值法的应用与研究[J].科技信息,2007(36):2007(3):281 - 284.413 -414.[2]尚锦燕,张学武，刘云娟.高瓦斯矿井掘进面瓦斯综合治理技术的研究[J].煤炭技术,2012 ,31(11):102 - 104.作者简介:王好龙(1990- ),河南安阳人，在读硕士研究生,研究[3]司中应,郁钟铭.影响煤与瓦斯突出因素的定量化分析与应用向:煤田地质煤田物探,电子信箱:wanghaolongma@ 163. com.[J].煤炭技术,2012 ,31(12):79 -81.责任编辑:赵勤收稿日期:2014-09 -02第33卷第12期外热式煤热解技术与其传热模型的建立-一白建明， 等Vol. 33No.12表1不同热解工艺煤气组分 与热值ko- j组分的反应速率常数,s |;组分/%值气量T.一煤层温度,K;热解工艺H2 CH,COC.H。C02N202 /MJ-kg-1m'E,- rj 组分的反应活化能,kJ/kg;外热式48.2 19.4 207 1.56.4 5.0 0.5s.530w;--j组分在T时间内的产量占煤质量的气体热载体28 8.8 12 1.0 2.2 48.6 0.2 7.5-8.4 100百分比;固体热载体 2.5 26.8 1B.7 s.s 2.7 4.0 0.s1 售18.0 14w;一-j组分最终的产率，由葛金分析数据得2炭化室传 热模型的建立到。2.1模型简述煤的热解转化率w为各热解产物产率之和,即煤中低温干馏炉结构及煤热解反应过程十分复w= S,0j。杂,使得其传热的数学模型无法按照实际情况建立，由于煤千馏炉连续稳定运行,因此煤料颗粒的需要作出适当的简化。现对模型的建立作出如下假热解反应停留时间T是煤料下降速度u的函数,由设:(1)炭化室本身结构具有对称性,为简化计算,于煤料匀速运动,因此u为常数,热解反应时间τ =模型将以炭化室中心截面为界,取炭化室的一半进z/ u,z为煤层高度,u,为煤料下降速度,带人上述行模拟;(2)干馏炉处于稳定运行状态;(3)忽略壁方程可得.面效应和煤颗粒返混和热损失;(4)炭化室炉壁加dw,热均匀,认为炉墙温度均匀;(5)干馏炉运行过程中中=hgexp(品)(w;-w)/u, (2)体积不发生较大变化;(6)忽略煤层空隙中的对流.表2热解模型计算所需要 的动力学参数表传热，按等效导热系数考虑;(7)忽略热解产物的二组分E/小. mol-1kog/s-1w.*/%次裂解过程,模型示意图见图1。CH129 5801.7x1032.16C139 612.3x 10*0.25co75 2403.1C(81 5102Tar314 7542. 0x 10”3. 8293 2142.03H2O167 851.2x104. 92地烧室1-常数2.3炭化室控制方程煤热解实化室根据模型假设条件,可以得出干馏炉稳态传热中心山模型的数学描述为p.c.u.((9)- (、.)。(、7)+0 (3))z 1式中ρ煤料密度,kg. m~;图1 炭化室传热数学模型简图c.-比热容,J.(kg.K)-;2.2煤热解动力学方程λ一煤的导热速率,W. (m●K)~;众多研究者对煤热解动力学进行了详细的研Q一 热解反应热和水蒸发潜热等内部热究,建立了总包一级动力学、活化能分布模型等多种源,W.m-。热解动力学模型。本文为简化计算,认为热解产物2.4 边界条件H2、CO、CO2、CH,、C2烃和焦油(Tar)等的生成析出炭化室顶部Iz=H =0,T = T。;炭化室底部Paz过程为平行反应，且均符合- -级反 应动力学,即可用a7Arrhenius公式描述a|z=0 =0 ;炭化室中心面O1x=0 = 0;炭化室壁dw;d=hgexp(- RH)(u;一u)(1)面处T= T。2.5 水分蒸发潜热模型的处理式中r时间,s;(1)变速冷凝蒸发一321一Vol. 33No.12外热式煤热解技术与其传热模型的建立一一白建明, 等第33卷第12期Hideyuki等人采用实验方法进行研究,根据实CO2、CH。、C2烃和焦油等是极其重要的目标产物，因验结果,将水分的蒸发按温度区间分为3个阶段:冷此需要求取煤干馏过程的反应热。本文参照Mer-凝阶段,恒速干燥阶段及减速干燥阶段T~Tz。rick所建立的计算方法,根据挥发物析出的反应热(2)水分恒温蒸发平衡,建立温度T时的热生成速率表达式该模型基于水分蒸发只发生在100 C,认为水dq+ E是(y,m,)=0(8)dt台dt分蒸发潜热在一定的温度区间内T。~T。(如100~101 C)平均分配，得到水蒸发的等效比热容为式中q一 热解反应热,J/kg;u一各组 分的生成热,J/kg; .(4)T。- T。m,-各 挥发分产物的质量分数, %。.式中H.-水 分蒸发潜热。式(8)中下标j(0~7)分别对应char.Tar及其他(3)水分蒸发非线性迁移模型6种气相产物( H2、CO、CO2、CH.、C2和H20)。.考虑到煤热解或煤焦化的复杂性,将水分蒸发在不同温度T下,Tar和气相产物的生成热划分成多个线性阶段进行研究。本文中，将外热式μ= EPIT*(9)热解炉中水分蒸发的过程分为2个阶段，即在20~100C,大量水分蒸发出，剩余的少量水分在100~式(9)中Pp由物化性质标准表计算得到,其参120 C干燥。并且,将水分蒸发潜热平均分配在各数值见表3。表3 P,计算所需 的参数值段干燥过程中。组分常数系数1,T系数2,7e设外热式热解炉炭化室内煤料/半焦在某一温CH-4 179 00022101. 56度区间[4,2]内的水分蒸发量为m,则在此区间内C-2866 0001 9201.46煤料/半焦所需要吸收的蒸发潜热为-3971 0001 0200.11CO2- 8964 0009000.22Q=H_m(5)Tar-1936 0001 3901.83m = Rgaz/u,(6)H2014 2500.53H20-1 348 0001 8100.33式中Rno一 -水分迁移随煤层高度的变化率。由于炭化室内煤料/半焦的升温过程并不是线对于焦炭的生成热性的,水分蒸发过程也表现为非线性迁移过程。Ho =H- 2φS:+ Sh(10)Ro的数学表达式式中H一- -25 C时半焦的燃烧热,J/kg;(dT。iu,m/(100-79),T。≤100Cφ:一-元素C、H、0、N、S在25 C时分别对应的燃烧热,J/kg(见表4);Rrou.m2/(120- 100) ,100C 120 Cy;一半焦中C、H、O、N、S元素的质量分数,%。表4各元素的燃烧热值式中m、m一 第一第二温度区间内的水分蒸发量,m;约占总水分蒸发质量的元素HNsφ:x10/J.kg" 32.76 141.7785% ~95% ,m2约占总水分蒸发25C时半焦的燃烧热量的5% ~15%。为使计算结果更加接近实际情况,本文采用水H= 2λy(11)分蒸发非线性迁移模型作为水分蒸发潜热的处理方式中λ,一 燃烧热系数 ,具体见表5。法。上述公式即为模型的数学描述式。表5各元素对应的燃烧热 系数2.6 煤干馏化学反应热的处理对于煤中低温千馏过程,其挥发产物H2、CO、入; x10633.62 141.93 - 14.539.42 _第33卷第12期外热式煤热解技术与其传热模型的建立- - - -白建明,等Vol, 33No.12原煤及半焦的焓值的变化量堆密度的减小,也就是进煤粒度的增大同样降低了Sh = 2(y/u,)f(T)(12)炭化室的传热效率,但过大的煤料堆密度使得孔隙率变小,不利于挥发物的析出过程，因此,需要综合f(T) = R(3808o(380)+ 30(800)-0 156)考虑选择最适宜的进煤粒度分布。800(13)700go(z) = 1/(exp(z) -1)(14)600500采用上述模型能准确地计算煤干馏过程的反应热。因此煤料因发生热解反应所吸收的热量40300Q = H.R,z(15)装炉煤水分1232110_。一装炉煤水分8%]式中H.-- 热解化学反应热 ,J/kg;R-挥发产物产率随煤层 高度的变化率。3模型验证及 结果讨论图3不同装煤水含 对炭化室中心面温度分布的本文根据某中试装置的操作及工艺参数,应用上文建立的数学模型进行求解。基本工况为入炉煤料25C,煤含水8%,煤料堆密度800kg/m',炭化段高度6 m,煤层下降速度0.5 m/h,热解时间12 h。30应用本文所建立的模型对炭化室中心面温度进煤料堆密度740kgm?}行了计算,温度随煤层高度的变化情况如图2所示。煤料堆电俊800kgim'从图2中可以看出,对于干馏炉稳态运行过程,计算之了一↓5古值与实际值能很好的吻合,说明本模型能比较真实煤层高度m的反应干馏炉的实际生产情况,可以很好地预测炭图4不同堆密 度对炭化室中心面温度分布的影响化室内煤料的温度变化规律。4结语(1)传热模型的计算值与实际值吻合较好,验证了本文建立的数学模型的合理性,对外热式煤中低温干馏炉的设计和校核提供了理论基础;400(2)随着装煤水分含量的增加以及煤料堆密度庭1的减小，炭化室传热效率降低，干馏时间加长。参考文献:煌层高度m[1]尚建选,马宝岐,张秋民，等.低阶煤分质转化多联产技术[ M].图2炭化室 中心面计算温度和实际值对比北京:煤炭工业出版社,2013.对于炭化室传热过程,装煤含水量及煤料粒径[2]司俊龙,温治,刘训良.基于水分蒸发非线性迁移的炭化室传热模型[J].浙江大学学报,2007 ,41(10): 1 746-1 749.对炭化室温度分布有重要的影响,其中煤料粒径分[3]郫树才,罗长齐,张代佳，等.褐煤固体热载体干馏新技术工业性布直接反应在煤料堆密度上。应用本文建立的模实验[J].大连理工大学学报,1995 ,35(1):46 -50.型,改变初值,对装煤水分含量及煤料堆密度的影响[4]梁鹏,曲旋，田原宇,等.移动床粉煤干馏炉-维数学模型的建立进行了分析,分析结果如图3和图4所示。[J].山东科技大学学报,2009 ,28(6): 79 -84.从图3和图4中可以看出,不同装煤水分含量[5]邹志毅.烧结水分迁移数学模型及计算机仿真[J]烧结球团，1994,(2): 1-7.及煤料堆密度条件下,炭化室中心面温度的变化规律是--致的。随着装煤水分含量的增高,降低了炭作者简介:白建明(1970-),宁夏中卫人,高级工程师，研究化室的传热效率,使得炭化室中心面温度降低，延长方向为煤化工工程及煤炭清洁高效利用技术,电子信箱: baijm@chec. com. en, .了干馏完成的时间,对实际操作过程是不利的;煤料责任编辑:赵勤收稿日期:2014-07-14-323-