气流床气化炉煤粉部分气化特性的研究

第33卷第3期煤炭转化Vol.33 No. 32010年7月COAL CONVERSIONJul. 2010气流床气化炉煤粉部分气化特性的研究江鸿"金晶2)郝小红3)樊俊杰》刘瑞"沙永涛"宋博)摘要基于商业软件Aspen Plus,运用Gibbs自由能最小化方法建立了气流床部分气化模型,预测气化炉入口参数(空煤比、汽煤比、热损失和碳转换率)对出口合成气的影响特征,模拟结果表明,随空煤比的增大,粗煤气中有效气体成分含量先增大后减少;随汽煤比的增大,粗煤气中H2 .含量增多,有利于部分煤气化再燃;随碳转换率的增大,粗煤气中有效气体成分含量增加,但提高程度不明显,因此针对部分气化不刻意追求碳转换率.关键词部分气化,空煤比,汽煤比,碳转换率中图分类号TQ541部分气化产生的煤制气送人煤粉炉的再燃区,作为0引言气体再燃燃料还原主燃区生成的NO, ,没有气化的焦燃料分级燃烧技术不但可以使NO,的排放量炭设法随--次风送到煤粉炉的主燃区加以燃烧利用.对于煤的部分气化,当今国内外采用的主要是降低50%~80%,而且设备简单,容易实施,运行费流化床气化技术,流化床炉内反应温度一般不高于用较低，是很有发展前途的低NO,燃烧技术之一。1 000 C,气化时氧耗量比气流床低.但煤制气再燃从提高再燃区内还原NO,的效果角度考虑,气体作技术通常利用电厂煤粉炉的煤粉作为气化燃料,而为再燃燃料较为合适.但是，我国现有电厂大多以燃流化床通常不希望1 mm以下的细粉过多,否则煤为主,为了利用电厂的现有资源，通过再燃技术实出口煤气含有大量的煤粉,送人再燃区后会影响锅现NO,排放的高效控制,本研究提出了煤粉部分气炉的燃尽率,并且流化床造价较高.因此在炉型的选化煤制气再燃降低NO,排放技术.取上笔者认为选取气流床气化炉较为合理.[0目前1气流床气化炉部分气化模型的建立国内外学者关于气流床的数值模拟研究很多,周志气流床气化炉部分气化模型见图1,即将煤粉杰等田建立了基于化学平衡的数学平衡模型,表明对于温度高达1 400 C~1 600 C的煤气化过程,可PoudrdPowdered以用化学平衡的方法建立简单的数学模型,并且提出入炉氧煤比的改变达到了分配合成气热值和显热Air的结论;吴学成等[4]基于未反应碳缩核模型建立了动态数学模型,研究了气化炉入口参数对合成气成分的影响;汪洋等6利用Aspen Plus模拟了气化炉的气化过程,基于吉布斯自由能最小的原理,结合气相化学反应平衡的原则研究了操作条件对出口参数H24命。的影响; Watkinson等[6]提出的平衡模型,对产品煤气中的CO和H2含量误差在士0.1%之内,H2S和COS浓度可以准确地预测,但CO2预测值的准确性图1部分气化煤制气再 燃低NO,燃烧系统要差一些,结果还表明该模型对气流床气化炉模拟Fig.1 Schematic of partial gasification coal-gas reburning效果最好，流化床次之，而固定床由于一些不确定因low NO, combustion system●国家高新技术(863)项目(2007AA05Z340).上海市教委科研创新项目(09YZ212)和上海理工大学研究生创新基金资助项目(5408115001).1)硕士生,2)教授;3)讲师:4)博士生,上海理工大学动力学院.0003上收稿日期:2009-07-07;修回日期:2010-04-0830煤炭转化2010年素如挥发分含量组成等的存在,模拟误差较大. Liu换率来尽量提高出口粗煤气的H2体积分数.等[7]建立了气流床气化炉模型,重点从反应动力学2.1入炉空煤比对粗煤气主要成分的影响结合煤焦颗粒的大小研究了对合成气参数的影响.但是至今对于气流床气化炉部分气化的数值模拟尚气化炉内的反应实质是一个部分氧化反应,炉未见到相关报道.内的碳颗粒不完全燃烧，故通人炉内的氧碳比是- -煤粉部分气化的产物比全部气化过程的产物更个重要的参数.过大的氧碳比会造成参与燃烧的碳为复杂,其产物有半焦和粗煤气，在较低的气化温度含量过高,影响气化程度;而过于少的氧碳比会造成下还有煤焦油等,而且对于部分气化而言,当今主要气化温度过低.部分气化就属于较小的氧碳比的气采用的是流化床气化技术,其气化温度一般低于化过程.因为不追求高碳转换率,所以大多数部分气1 000 C[812] ,因此对于文献[4,7]所建立的考虑气化所采用的气化剂为空气,以此节约大规模的空分化过程动力学模型比较复杂,而且迄今为止基于气系统，节约成本. [C}图3为人炉空煤比变化对部分气流床的部分气化系统的反应动力学几乎没有,很难建立合理的数学模型来真实地反映炉内的气化过程.所以本研究采用商业软件Aspen Plus,基于吉」735.T 2.25 !布斯自由能最小的原理,结合气相化学反应平衡的-2.20-2.15原则对气流床部分气化过程进行模拟.图2为气化-2.10炉模型的物流,输人包括给煤(coal)、空气(air)以及-2.05 品2.00水蒸气(H2O)和气化炉热损失(Q loss),输出包括2.6 28 3.0 3.2 3.4 3.6粗煤气(gas)和灰(ash).Air-coal ratio图3空煤比对粗煤气主要 成分和有效气产率的影响.CeFig. 3 Influences of air-coal ratio on main ingredients ofsyngas and effective gas productive rate●- -H2;★- -CO;▲一 -CO2;■一CH;O--H2O,Gasifer0一Effective gas productive rate_Coll化出口粗煤气参数的影响规律，模拟参数为:给煤量Air+H2O为10 kg/h,通人水蒸气温度为300 C,水蒸气量为1 kg/h,气化压力为0. 15 MPa,计算时考虑将碳转Aah化率定为60%,而流化床部分气化的一般高于60%[18],但煤粉在气流床内的停留时间要小于流化图2气流床 气化炉模型物流床,所以其碳转化率一般比流化床部分气化的碳转Fig. 2 Schematie of entrained-flow gasifier model模拟用煤的工业分析和元素分析见表1,本文化率要低一些分别从气化炉人炉空气与煤质量比(简称空煤比)、随着空煤比的增加,O2的量也逐渐加大,气化温汽煤比、气化压力、气化温度的变化分析气化炉出口度升高,朱子彬等[9]认为气化炉内的燃烧气化反应参数的变化.存在一个特性温度,该温度在气化温度以下200 C~表1煤质分析300 C ,煤焦的气化反应受严重的内扩散影响，此时Table 1 Coal quality analysis化学动力学反应为主,而外扩散反应未占主导地位，Proximate salys/%/s adUlimate aysy%.adad一 5 (w.g-1) FT/C加上O2的量相对不充分,所以CO的含量在此时高MAVCH_2.66 10.24 27.47 73.47 4.227.160.771.48 26831 1500于CO2.但当空煤比超过一定值之后,O2量相对增多,CO在煤焦内孔或煤焦表面的边界层气相周围2结果与讨论与Or发生氧化反应生成CO2.因此,当煤焦周围主通过前人的研究可知,H2对于NO,的还原效流气体中O2浓度充足条件下,更多的CO将在颗粒果要优于CO,但比CH,差. [3-1]对于煤粉部分气化内部或附近边界层烧掉,所以在空煤比逐渐增大后，出口粗煤气中的CH含量极少,所以研究的主要目CO的含量会先增加后降低,CO2的含量会先减少标在于怎样选取最佳的入炉空煤比、汽煤比和碳转后增多. CO和CO2的含量变化还可以结合碳转化第3期江鸿等气流床气化炉 媒粉部分气化特性的研究率的定义式来推导:CO体积分数最大，而空煤比从2.8变化到3.0,H2Ccn =_UX (Mco, +Mco+ McH, + Moos)(1)体积分数减少缓慢,所以对空煤比的选取应该在n(C)2.8~3.2之间.式中:Com是碳转化率;U是合成气流量;M,是气体I 020摩尔百分比,i分别代表CO2 ,CO,CH和COS;分-96母n(C)是人炉煤中碳的摩尔含量.由于计算时固定42、900碳转化率为60%不变,所以当空煤比增大时,空气840中大量N2进入炉内,U肯定增大,人炉煤质量不变,则式(1)中分母的值不变,那么分子的值必然要相应减小才能保证碳转化率不变,而CH。和COS26 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6Air-cnoal mtio的含量太少,于是Mco, +Mco总量只能减少,而随着进入炉内空气中的O2增多,CO2含量必然增加，图4空煤比对气化温度和冷煤气效率的影响Fig. 4 Influences of aircoal ratio on cold syngas所以CO减少,而且其体积分数减少幅度比CO2体efficiency and gasification temperature积分数增多幅度要大.而随着空煤比的增加,更多的▼一Cold syngas eficienceg ;●一Gasification temperatureH元素和O2生成了H2O,所以粗煤气中H2体积分数减少.而由H元素守恒也可以得到相应的结2.2汽煤比对粗煤气有效成分的影响论:模拟条件:给煤量为10 kg/h,通入空气量为n(H) +nneam (H)=UX (2MH, + 2Mr,o+4McH, + 2MHs)(2)29.5 kg/h,通人水蒸气温度为300 C,气化压力为式中:n(H)是人炉煤中H的摩尔含量;ncm(H)是0.15MPa,碳转化率定为60%.人炉汽煤比对粗煤人炉水蒸气中H的摩尔含量;U是合成气流量;M气主要成分的影响规律见图5,将计算得到的CO,是气体摩尔分数，i,分别代表H2,H2O,CH,和H2S.由于式(2)中左边不变,而CH和H2S的含量太少，所以而随着进入炉内空气中的O2增多,H2O含量必然增加,所以H2减少,而且H2体积分数减;少幅度与H2O体积分数增多幅度是一致的.而随着空煤比的增加,有效气产率呈现先增后减的趋势,在空煤比2. 95时达到峰值,这是因为在空煤比2. 95Seam coal ratio/ (kg*kg')之前空气量不足,因此更多的C参与到水蒸气分解图5汽煤比对粗煤气主要成分的影响反应C+ H2O=CO+H2 ,C+2H2O=CO2 +2H2加:Fig. 5 Influences of steam-coal ratio on main剧,而在温度高于700 C时,前者的平衡常数远大于ingredients of syngas后者[20] ,因此更多的C参与到前者的反应;因此在:●一H;★-- CO;▲- -CO2;■- CH;O-- H2O空煤比2.95之前有效气产率呈上升趋势,而随着空H2O,CO2和H2四种气体成分的体积分数作数据气量的增多,更多的C生成了CO2,水蒸气分解反回归分析,发现每一组数据基本上都吻合下式:应程度减小,再结合之后气相反应为主的CO变换.(3)反应:C0+ H2O一C0+ H,该反应是一个可逆XooXXH,O反应,温度升高,反应朝左边进行为主([1],而当空煤式中:X,是指粗煤气中CO,H2O,CO2,H:成分的比增大,气化炉内温度升高(见图4),所以这些都导体积分数.结合化学反应平衡的理论,认为CO变换致H2O的含量增多而H2含量减少.空煤比在2.9反应在气化炉出口的气相反应中几乎达到平衡,而时冷煤气效率达到峰值,此时煤气热值达到最大,而化学平衡常数K值是温度的函数([],所以式(3)是随着空煤比的增加冷煤气效率降低,气化温度升高温度的函数.这与大多数学者如沙兴中等[23)认为.(见图4).CO变换反应是趋于平衡的结论是一致的.随着汽综合考虑空煤比在2.9时冷煤气效率达到峰煤比的增加,H2增长趋势逐渐变缓,由0.1增加到值，此时煤气热值达到最大，而从图3中可知此时0.15时,H2增加1.52%;而汽煤比0.2之后增长趋32煤炭转化2010年势缓慢,0.2~0.25之间H2增加0.44%;而0.25~利于将其回炉燃烧[42)由于碳转换率提高对粗煤0.3时H2只增加0.37%,因此选取汽煤比0.1~气中有 效成分H2和CO提高不是很明显，因此在0.2较为合理.保证部分气化效果下,保持相当的碳转换率即可.汽煤比每增加0. 05,气化温度下降大约6 C,对气化温度影响较小。增加汽煤比可以提高有效气4.产率,但程度很小,汽煤比从0~0.5,有效气产率才增长1.3%(见图6).760F2.41075000 :2.39Carbon convernionate1%74087 碳转换率对粗煤气主要成分的影响7352.380Fig. 7 Influences of carbon conversion rate on main7300.0 0.1.0.20.30.4 0.5ingredients of syngasSleam-coul ratio/(kg*'kg )H2;★★--- CO;▲- -COn;O--H2O图6汽煤比对气化温度和有效气产率的影响Fig.6 Influences of steam-coal ratio on gasification。840--23-22temperature and efective gas productive rate-2.1●-Gasification temperaturelO-- Efective80+2.1gas productive rate419鉴于汽煤比对H2影响较大,可以有效提高H2三760体积分数,但增长趋势渐缓，而且水蒸气的通入会减7405052545658&少CO体积分数,因此笔者认为在汽煤比上选取Carthon coovernion rate/%0.1~0.2较为合理，既增加了H2体积分数又不会图8碳转换率对气化温度和有效气产率的影响很大程度影响冷煤气效率.Fig.8 Influences of carbon conversion rate on gasification2.3碳转 化率对粗煤气主要成分的影响temperature and effective gas productive rate0- -Gsification temperature;O 一Efective模拟条件:给煤量为10 kg/h,通人空气量为29.5 kg/h,水蒸气量为1 kg/h,通人水蒸气温度为3结论300 C,从模拟计算上来说相当于煤量增加,即空煤比减少,气化压力为0. 15 MPa.碳转化率对粗煤气.1)随空煤比的增大,粗煤气中有效气体成分含主要成分、气化温度和有效气产率的影响规律见图.量减少,导致冷煤气效率下降,建议取2.8~3.2.7和图8.由图8可知,随着碳转换率升高,气化温度2)随汽煤比的增大,粗煤气中H2含量增多,有下降,CO变换反应平衡点右移,所以H2和CO含利于部分煤气化再燃;而控制较低的气化温度有利量增加,CO2和H2O的含量有所减少.所以碳转换于H2含量增多,建议选取0.1~0.2.率增加有利于部分煤气化再燃,但是实际碳转化率3)随碳转换率的增大,粗煤气中有效气体成分提高是由增加气化炉内燃烧份额和较长的(煤在炉含量增加,但提高程度不明显,而且会增加初投资，内停留)时间决定的.从第2.1节可知,增加气化炉降低余下煤焦燃尽率.因此保证一定的碳转换率即内燃烧份额必然提高空煤比,这对粗煤气有效成分可,不必过多追求.的提高不利;依靠提高炉内停留时间来提高碳转换4)对粗煤气中四种主要气体成分的数据回归率会增加气化炉的高度,提高气化炉初投资,而且随分析后,认为Co变换反应是决定该四种气体含量着碳转换率升高,余下煤焦平均燃烧速率越小,越不分布的主要反应.参考文献[1]许世森,张东亮 ,任永强.大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社，2005.第3期江鸿等气流床气化炉煤粉部分气化特性的研究33[2] 江鸿,金晶,刘瑞等.部分气化煤制气再燃低NO,燃烧技术气化方案探讨[J].上海电力200922(1);6870.0[3] 周志杰,于广锁,龚 欣等.整体煤气化燃气蒸汽联合循环气化单元模拟[J].煤炭转化,004,27(3)153-57.[4]吴学成,王 勤辉，骆种快等.气化参数影响气流床煤气化的模型研究( 1):模型建立及验证[J]浙江大学学报(工学版)2004(10);1361-1368.5] 任弹,代正华,于遵宏.运用Gibbs自由能最小化方法模撒气流床煤气化炉[J].煤嫫转化,2004.27(4) :27-33.6] Weatkinson A P,LucasJ P,Lim CJ. 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The results also show that the increasing of carbon conversion rate can addthe effective composition in coal gas, but the extent of increasing is not obvious. Therefore wecan not deliberately pursue carbon conversion rate for partial gasification.KEY WORDSpartial gasification, air-coal mass ratio, steam-coal ratio, carbon conversionrate