华亭煤地下气化与固定床气化指标对比研究

2013年第1期煤炭工程研究探讨华亭煤地下气化与固定床气化指标对比研究王作棠123,王建华12,张朋2,黄温钢2,辛林12,段天宏2(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州22116;3.中国矿业大学低碳能源研究院,江苏徐州221008)摘要:对比分析了空气蒸汽连续法气化工艺条件下华亭煤现场实测所得的地下气化指标与采用综合计算法模拟得到的固定床气化指标。结果表明,固定床气化所得到的高热值气体量(如CH4、CO)大于地下气化所得量,固定床气化碳进入煤气的转化效率要高于地下气碳转化效率。推测地下气化过程中,地下水参与了气化的反应,并导致地下气化所得的氢气量大于固定床气化所得量关键词:华亭煤;地下气化;固定床气化;气化指标;综合计算法中图分类号:TD841文献标识码:A文章编号:1671-0959(2013)01009904Study on Index Comparison between Underground CoalGasification in Huating Mine and Fixed Bed Coal GasificationWANG Zuo-tang23,WANG Jian-hua'2, ZHANG Peng., HUANg Wen-gang, XIN Lin, DUAN Tian-hor(1. National Key Lab of Coal Resources and Safety Mining, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221008,China2. School of Mining Engineering, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221116, China;3. Research Institute of Low Carbon Energy, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: A comparison analysis was conducted on the underground coal gasification index obtained from the site ofHuatong Mine under the air and steam continued method gasification technique and the fixed bed gasification obtained fromthe simulation with the comprehensive calculation method, the results showed that the high calorific value(such as CH4and co)obtained from the fixed bed gasification was higher than the value from underground gasification and the gasconversion rate of the fixed bed gasified carbon was higher than the carbon conversion rate of the underground gasificationBy inferenced the reaction of the gasificationand cased the hydrogen content obtained from the underground gasification was higher than the content from the fixed bedKeywords: Huating Mine; underground coal gasification; fixed bed coal gasification; index of gasification;煤炭气化是指以煤为原料,以氧气(空气、富氧或纯由经验得到。研究表明,综合计算法所得结果与实际结果氧)、水蒸气等作气化剂,在一定温度和压力下通过物理和基本吻合。基于这一结论,本文利用综合计算法所得气化化学反应将固体煤中的可燃部分转化为气体可燃物的化学指标模拟华亭煤的固定床气化指标,通过对比空气蒸汽连过程续法气化工艺条件下华亭煤的现场实测数据与固定床气化本文固定床气化指标由综合计算法计算得来,综合计指标来研究煤炭地下气化与固定床气化的差异。算法或称HH.杜勃罗霍托夫(H.H.o6 PoXoToB)法,该法将移动床气化过程分为两个阶段,即气化炉上部料层的煤质分析干馏过程和下部料层的气化过程,生成的煤气则是干馏气根据煤质化验分析资料和分类方案,华亭煤为不粘煤,和气化气的总和。干馏过程计算中,主要根据经验数据具有低灰、低硫、高活性、高挥发性的特点。华亭煤的工来确定各干馏产物的数量。气化阶段计算的有关数据也可业分析及元素分析结果见表1。收稿日期:2012-08-08HH中国煤化工基金项目:教育部科学技术研究重点项目(02019);中国矿业大学煤炭CNMHG验室资助项目SKLCRSM1OX04)作者简介:王作棠(1958-),男,福建尤溪人,中国矿业大学教授、博导,现主要研究煤炭地下气化开采。研究探讨煤炭工程2013年第1期表1华亭煤的工业分析及元素分析结果(空气干燥基)分析/%元素分析/%高位发热量灰熔点容重/煤种NSM/(M…kg-1)/℃(kg:m3)不粘煤8.56.633.779.04.515.30.80.41972气化指标及其对比现场进行了空气连续法、空气蒸汽连续法、富氧蒸汽连续法、纯氧蒸汽连续法以及空气一蒸汽两阶段等气化工艺试2.1地下气化产气指标验”。本文选取空气蒸汽连续法气化工艺的相关指标进行华亭煤炭地下气化项目于2010年5月至11月期间在对比研究,其气化指标见表2。表2华亭煤空气蒸汽连续法气化实验实测气化指标煤气组分/%消耗指标煤气产率蒸汽分H2 C0 CH, CO2 N2 C2H4空气消耗/蒸气消耗(Nm3·kg1)解率/%193.931.9815.5348.690.310.123.3174.712.2固定床气化产气指标H2已分解水蒸气提供的氧量,kmol通过综合计算法所得数据模拟固定床气化产气指标。2.2.1干馏阶段经验参数4)空气中的氮量与被气化的碳量存在下述关系。在干馏阶段计算中对应不同的煤种有不完全相同的经O 2验参数,下面前8条为对应华亭煤选取的经验参数,第9条为实际测定值。式中,η只是反应碳和氮的比关系,无实际意义。1)干馏阶段,煤中50%的氧与相当量氢生成热解水。5)平衡常数方程:2)煤中30%的氧转化为CO2。CO×C2=K3)煤中所含氢的35%转化为甲烷。4)转人焦油中的碳元素的质量等于煤中氢的。式中K—平衡系数。5)煤中氮除了转入焦油中的氮外,其余均以N2析出。注:干馏阶段及气化阶段参数均从参考文献[3]中根6)煤中80%的硫转化为硫化氢进入煤气据条件选择7)煤中的氢,除了生成H2O(热解)、CH4、C2H2、由干馏阶段和气化阶段计算结果可整合,综合计算结H2S、焦油以外,均以H2析出。果列表见表3。8)进入的总氧量,除生成H2O(热解)、CO2和焦油表3综合计算结果列表外,均转化为CO。干馏气组分气化气组分总和9)根据实际情况,灰渣中含碳10%。2.2.2气化阶段计算0.1231.063在气化阶段,碳与气化剂反应生成CO、H2、CO2,还0.1543.5有未分解的水蒸气及N2,一起进入气化煤气。列方程、解H40.33425煤气组分CH40.07750.04775方程:以下方程中的分子式均代表物质的摩尔数。0.4781.44l.9181)生成的CO和CO2量等于进入气化段的碳量。H2s0.008CO +CO2 =CN27.5222)H2与未分解的水蒸气之和等于气化剂中所含水量。H,00.880.76H2+ H20=W干煤气/kmol14.607式中H2O—未分解的蒸汽量,kmol煤气产率/(Nm3·kg-1)3.272W—气化剂带入的蒸汽量,kmol3)气化剂中空气和水蒸气带入的氧量等于气化煤气中由表3可得固定床气化气化指标,见表4。CO和CO2所含的氧量。23气化指山中国煤化工CO2+C0=N2+方H2由华亭煤某CNMHG煤气化气组分可得气化指标体积比对比,如图1所示。气化100kg煤地下式中yN2一空气带入的氧量,kmd气化与地面固定床气化煤气组分质量对比,如图2所示。2013年第1期煤炭工程研究探讨表4固定床气化气化指标煤气组分/%消耗指标煤气产率蒸汽分空气消耗蒸气消耗煤耗/H2CH4 CO, N2 C2H4(Nm3·Nm3)(kg·Nm-3)(kg·Nm-3)(Nm3·kg-1)解率/%13.1325.422.297.2851.500.336得到的H2量要小于地下气化得到的量。地下气化50一固定炉气化在C2H4的对比中可以看到,地下气化与固定床气化中C2H4的产量是比较接近的。3.2碳转化率对比由实测气化指标可以算出,气化100kg煤,煤气中含有的碳元素为而地面固定床气化100kg煤,可得到的煤气中含有的碳元素为5.13kmol。即地下气化的碳元素转化率小于固定床气化的碳元素转化率。COCHA CO2 N2 C2H424气化指标差异分析产气指标从上述对比中得知,地下气化与地面气化产气指标中图1气化指标体积比对比图差异最大的是H2、CO、CO2,从H2的对比中可以推测在地下气化过程中,地下水参与了地下气化的反应,导致地下气化地下气化H2含量大于地面气化固定床气化指标。可从地下气化氧收入与支出证实。氧收入:根据地下气化实测数据易得,100kg煤气化能得到207kmol一氧化碳与231kmol二氧化碳,而同时生成这么多的一氧化碳与二氧化碳需要3345kmol氧气。氧支出:煤中含有氧0.41kmol(由于地下气化生成焦油中所含氧太低,可以忽略其消耗的氧),气化剂中含氧H2 C0 CH4 CO2 N2 C2H4191kmo,水蒸气分解得到的氧为0.83kmol。总氧量为产气指标3. 15kmol图2气化指标质量对比图可以看出,氧元素收支不平衡,支出项比收入项多从图1与图2中可以直观地看到,无论是体积比还是0.195kmol氧,地下气化是在密闭的空间中进行的,所以这质量比(N2不参与对比),固定床气化炉气化指标中的Co部分氧很可能是通过地下水的分解来补充的比例都远大于地下气化,而地下气化的CO2产出量要远大气化过程中地下水不断流入气化炉内,吸热变成水蒸气,将影响炉内的温度场。地下气化炉中反应的稳定性与于固定床气化炉。图1中固定床气化指标中H2的体积比要大于在地下气化指标中的体积比,图2中这种关系不太明理想的温度场密切相关。两阶段煤炭地下气化工艺:第显,需要进一步的计算。由于甲烷和乙烯在煤气中的含量阶段煤层发生燃烧,放出大量的热,并积蓄在煤层中,炉较少,图1、图2中的差异也并不明显,同样需要通过计算内温度逐步上升,产生理想的温度场。第二阶段将主要发生还原反应,只有第一阶段产生足够量的热能以后,第进一步对比二阶段才能顺利进行,地下水对温度场的改变将导致在第2.3.1氢气、甲烷、乙烯质量对比通过计算可得出,气化100kg煤地下气化与地面气化二阶段过程中碳向二氧化碳、一氧化碳向二氧化碳的转变占优势,而二氧化碳向一氧化碳的转变占劣势。这也解释煤气中H2、CH4、C2H质量对比,见表5。了为什么地下气化产出的CO2量远大于固定床气化产出量。表5H2、CH4、C2H质量对比CHCH43结论地下气化5.821.291)等量的煤进行气化,地面固定床气化所得H2、CO2固定床气化3.78量要小于地中国煤化工固定床气化所得CO、CH4的CNMHG量,气化指标体从表5可得出,气化相同质量的煤,固定床气化所得积比对比中呈现相同趋势。高热值气体CH4的量大于地下气化所得量,而固定床气化(下转第104页)研究探讨煤炭工程2013年第1期结果等相关数据见表3。度以及测试结果等相关数据。6)把氧气袋中甲烷浓度配置为025%,重复步骤五的7)对以上得到的数据进行处理。对相同浓度得到的不实验操作,实验条件和操作过程与上步相同,记录炉膛温同结果取其平均数。表3测试数据3采样编号5炉膛温度/℃测试结果甲烷浓度/%0.250.250.20.250.2500.140.073测试数据分析在750℃左右时即开始被氧化,甲烷浓度逐渐降低,且在800℃左右时能被完全氧化。极低浓度甲烷在高温的条件下能够被逐渐氧化,其浓度3)进气口甲烷的浓度对甲烷的氧化率有一定影响,随逐渐降低。且极低浓度甲烷被氧化的温度,与其浓度有关,着甲烷浓度的降低,甲烷的转化率逐渐降低,甲烷浓度越低,甲烷氧化所需的温度越高。在温度一定时,该实验的成功可以为以后乏风的利用提供依据,根据人口甲烷浓度对甲烷转化有一定的影响,随着甲烷浓度的降乏风中甲烷浓度的高低来设置炉膛温度,既可以满足甲烷低,甲烷转化率逐渐降低。提高温度可以解决这一问题,因燃烧的条件,又可以减少能源的损耗。在实验过程中发现此该氧化方法可以适用于甲烷浓度波动较大的矿井通风瓦斯口处气体的流速对甲烷的氧化率有很大的影响,对此将等超低热值燃料。测试数据折线图如图2所示需进行深入的分析研究。该实验的进行为以后研究气一固混合两相燃烧提供了依据,为以后乏风的合理应用提供了浓浓浓基础和方向。影04参考文献:[]王鑫阳,杜金.浓度低于1%的矿井瓦斯氧化技术现状及0600700720740760780前景[J].煤炭技术,2008,(9):1-2.温度/t[2]王鑫阳,矿井乏风回收利用技术研究[D].阜新:辽宁工图2测试数据折线图程技术大学,2008,(06)[3]马熹焱,齐庆杰.燃用超低浓度瓦斯燃气轮机的特性研究从图2中可以看出:①随着温度的升高,气体的燃烧[打].能源与环境,2009,(2):27~28速度明显的加快,燃烧速度与温度成指数关系;②当燃烧[4]张新华.对我国煤矿瓦斯利用技术研究及探讨[冂.科技炉膛的温度维持在800℃以上时,矿井通风瓦斯可以近乎完信息,2008,(23):309全的被氧化;③当温度低于740℃时,无论通入的甲烷浓度5]陈宜亮,马晓钟,魏化兴煤矿通风瓦斯氧化技术及氧化热多高,都不发生氧化,这与甲烷的自身化学性质相符。利用方式[门].中国煤层气,2007,(4):27~30.[6]刘文革,韩甲业,赵国泉.我国矿井通风瓦斯利用潜力及经4结论济型分析[门].中国煤层气,2009,(3):3~81)极低浓度甲烷在一定温度下能够被逐渐氧化。氧化7崔荣国国内外媒层气开发利用现状[口J,国土资源情报2005,(11):22~26所需的温度与其浓度有关,一般条件下,甲烷浓度越高则氧[8]张昌建,耿林,袁常升,等.浅谈掺烧煤层气(瓦斯)燃化所需的温度越低;甲烷浓度越低,氧化所需的温度越高。煤锅炉的改造设计[J].煤炭工程,2011,(1):17-12)根据实验研究得出极低浓度甲烷在锅炉炉膛中应该(责任编辑赵巧芝)(上接第101页2)地面固定床气化碳进入煤气的转化率要高于地下气[3]寇公.煤炭气化工程(第一版)[M].北京:机械工业出化碳的转化率。版社,1992.3)推测地下气化过程中,地下水参与了反应,使反应4]黄温钢,王作棠,段天宏,等华亭煤空气、富氧及纯氧地过程中碳向二氧化碳的转变占优势,从而比固定床气化产下气化特性研究[J].洁净煤技术,2011,(3):71-78生更多的CO2。[5] WANG Zuo-tang, HUANG Wen-gang, ZHANG Pengetal. A contrast study on different agents of underground coal参考文献:[1]郭冠龙,滑怀田.浅析煤炭气化技术及发展趋势[J].陕SCIENCE中国煤化工 RNAL OF COAL181-186西煤炭,2011,(4):115-116CNMHG炭地下气化工艺的[2]陈菊枝,洪献春.煤炭气化技术[J].化学工程与装备,实验研究[J].煤炭科学技术,1996,(2):17-192011,(4):110-11l(责任编辑郭继圣)