煤粉加压气化炉操作参数对气化特性的影响

第47卷第2期锅炉技术VoL 47, No. 22016年3月BOILER TECHNOLOGYMar.,2016煤粉加压气化炉操作参数对气化特性的影响杨震,郭琴琴,刘银河2(1.上海锅炉厂有限公司,上海200245;2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049)摘要:采用基于平衡态模型的气流床气化炉煤气组分预测程序,分析研究了气化压力、氧煤比以及蒸汽煤比等操作参数对气化温度、煤气组分、碳转化率和气化效率的影响规律。研究结果表明:气化压力对气化特性指标影响甚微,而氧煤比和蒸汽煤比的影响较为显著。随氧煤比的增加,气化温度升高,碳转化率升高,气化效率先升高再降低,CO浓度先增加后降低。CH4的体积浓度可用于预测气化温度。在蒸汽煤比较低时,提高蒸汽煤比可增加H2的浓度,提高碳转换率和气化效率,但进一步提高蒸汽煤比仅会降低气化炉内的气化温度,提高H2O和CO2浓度。对于所研究的煤种,合理的氧煤比应在0.7左右,合理的蒸汽煤比在0.1左右。关键词:煤气化;操作参数;气化特性中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:1672-4763(2016)02-0005-060前言熵达到最大值,自由焓达到最小值,各个反应的正反应速度等于逆反应速度。由于气流床气化煤粉气化口是指煤粉在气化炉中高温高压炉的操作温度和操作压力均较高,气化反应速条件下与气化剂发生化学反应,将固体可燃物转率较快,在气化炉炉膛内气化过程进行的较为化成可燃气体的过程,它涉及到流动、传热、传质彻底,接近平衡状态。因此,平衡态模型可以很和化学反应等复杂过程。通常可以选用的气化好的应用于对气化炉煤气的组分进行预测分析剂有水蒸气、氧气和二氧化碳。可燃气体成分主研究。徐越等以 SHELL煤气化工艺为基要为CO、H2和CH4,伴生的不可燃气体有CO2础,采用 ASPEN软件建立了干煤粉加压气流床和H2O,此外还有少量硫化物、烃类产物和其他气化过程模拟模型,对干煤粉加压气流床气化微量成分工艺的性能进行了数学模拟和性能研究。周志学者们28对气流床气化炉粗煤气组分份杰12等建立了基于化学平衡的数学平衡模额煤气产率随煤种、给煤量给氧量给蒸汽量并研究证实了对于气化温度高达1400以及气化炉的气化压力、气化温度等操作参数1600℃的干煤粉气化可以应用化学平衡的方之间的关系开展了大量研究,以得出有效的数法来简化气化炉的数学模型学建模方法来进行煤气组分的预测,进而获得本文采用根据平衡态模型编写的气流床气气化炉的相关技术特性指标,并指导气化炉的化炉的煤气组分预测程序1314,以 SHELL气化设计与运行。气流床气化炉的数学模型可分为炉1实际的给料条件为计算边界,分析了气化平衡态模型和考虑气化反应过程的动力学模压力、氧煤比及蒸汽煤比对气化温度、煤气组型。平衡态模型0是一种基于化学反应平衡成、碳转化率、气化效率等技术特性指标的原理对化学反应始末状态进行宏观描述的计算影响方法。它忽略了化学反应的具体微观过程所带来的影响,只对反应最终达到的稳定状态即平1煤粉加压气化炉的给料条件衡态进行综合分析。化学反应达到平衡态后,本文对 SHELL气化炉的煤气组分份额进其反应产物的组分份额维持恒定,此时系统的行了预测计酝三姑氘炉选用煤种中国煤化工收稿日期:2015-09-10CNMHG基金项目:上海市科学技术委员会科委资助(14dzl200100)作者简介:杨震(1968-),男,博士,教授级高级工程师,主要从事煤的高效清洁燃烧和气化研究锅炉技术第47卷的技术规格条件。表2为 SHELL气化炉的实M—气化炉的加煤量,kg/h。际给料条件。本文计算中选用的煤种以及气化2)气化效率n。又称冷煤气效率,它是炉给料皆参照实际 SHELL气化炉的给料气化生成的煤气的化学能与气化用煤的化学能条件。的比值,其计算方法如式(4)所示。显然,提高气化炉的冷煤气效率可以把煤中所储蓄的化学能表1气化炉选用煤种特性51更多地转化成为煤气的化学能项目数值w(Mr)/%14.00=8E×100%w(Vo)/%卩-MQge36.49u(A)/%2.00式中:V——煤气中所含可燃气体在标准状态下(Cx)/%61.45的体积,m3;w(H)/%3.61Qa.g—煤气的高位发热量,kJ/m3;w(N,)/%0.71Qa—气化用煤的高位发热量,kJ/kgw(O)/%7.8—气化炉的加煤量,kg/h(Sn)/%0.43由于煤气中的可燃气体只有一氧化碳、氢Qnx/(MJ→kg)-1气、甲烷和硫化氢,所以可磨指数HGIV=(ncon2+ncH,+n2s)×224(5)变形温度DT/℃112012640nco+12750nH,+39820ncH.+25软化温度ST/℃流动温度FT/℃1250表2额定工况气化炉给料条件式(6)中的12640、12750、39820、25350分数温度压力别为CO、H2、CH4、H2S的高位发热量,kJ/m3项目/℃/MP氧煤比是指氧气质量流量与干煤粉的质量干媒粉量(含水2Wt%)1900803.5流量之比,而蒸汽煤比是指水蒸气的质量流量与耗氧量(纯度95Wt%)146018040干煤粉的质量流量之比。本文假设气化过程为耗蒸汽量238绝热过程,不考虑炉壁散热对气化特性的影响,输送氮气量1905.75干煤粉是指含水量为2Wt%的煤粉,在这个基准上计算氧煤比和蒸汽煤比。2气化技术特性指标3结果分析本文采用气化温度、煤气组分、碳转化率和气化效率等气化技术特性指标来对粉煤加压气31气化压力的影响化炉的气化特性进行分析研究。其中碳转换率首先,应用根据平衡态模型编写的气流床气和气化效率的定义如下:化炉组分预测程序,分别在1MPa、2MPa、(1)碳的转化率a。它是指煤中所含的碳元3MPa、4MPa和5MPa气化压力下,对 SHELL素在气化炉中转化成煤气成分中含碳量的百分气化炉煤气组分进行了组分预测计算,同时得到数,其计算方法如式(1)所示了气化压力对气化炉内气化温度、碳转换率和气化效率等参数的影响X10%图1给出了在额定给料量条件下,气化炉内MCar/100主要的煤气组分COCO2、H2、H2O和CH4的含bc12.011(2)量随气化压力的变化趋势。计算结果显示,气化nc nco t nco, fncH, ncos(3)炉在额定工况的给料条件下,气化压力对上述5式中:bc—所加煤中含有碳的物质的量,种气体组分V中国煤化工Co的体积kmol/h含量基本不CNMHG化,而CO2nc—粗煤气中含有的碳元素的物质的H2O和CH4的体积含量随气化压力的升高略有量,kmol/h增大第2期杨震,等:煤粉加压气化炉操作参数对气化特性的影响→CO率升高而达到100%,气化效率先升高达到一最大值后再降低。在氧煤比较小时,气化温度增加缓慢,而碳转化率和气化效率增加较快;在氧煤比较大时,气化温度增加较快,碳转化率到达最大值,气化效率由最高持续下降。气化温度2800亠碳转化率2600气化效率气化压力/MPa还2200图1主要煤气组分含量随气化压力的变化170012001680100碳转化率100010氧煤比(kgkg)气化效率图3氧煤比对气化温度、碳转化率和气化效率的影响气化温度1620气化炉内气化温度的高低取决于系统中放热反应热效应的高低和气化室散热的多少,由于计算气化炉壁面按绝热处理,所以气化炉的气化温度只气化压力MPa取决于前者。由图3可以看出,当氧煤比较低时,图2气化压力对气化温度碳转化率和气化效率的影响加入的氧气先与单质碳反应,但由于氧气不足,大图2给出了气化压力对碳转化率、气化效率量的单质碳没有发生反应,碳转化率较低;随着气和气化温度3个气化参数的影响。由图2可见化炉给氧量的增加,加入的氧气与CO、H2反应气化压力对气化炉内的碳转换率和气化效率的由于氧气与后者反应的热效应大于前者,所以随着影响甚微,在计算气化压力范围内,气化炉内的气化炉给氧量的增加,当碳转换率达到平衡以后,碳转换率均接近于100%,气化效率接近87%。气化炉内气化温度急速上升。当气化炉内氧煤比随着气化压力从1MPa增加到5MPa,气化炉内约为0.7时,气化炉内碳转换率趋于平衡,此后随的气化温度1611K增大至1638K,增幅较低着气化炉给氧量的增加,气化温度急速上升。仅为27K。由此可见,气化压力对气化炉的碳转图4所示为氧煤比对气化炉中主要煤气组化率、气化效率和气化温度的影响甚微分浓度的影响。因此,虽然提高气化压力是加快气化反应速率,提高气化炉气化强度的有效手段,但是气化压力的改变并不能显著改变气化炉的气化温度、50-CO30碳的转化率和气化效率。3.2氧煤比的影响2030在气化炉给煤量、给蒸汽量、气化压力为额定工况的条件下,改变气化炉的给氧气量,使氧煤比在0.3~1.2之间变化,应用组分预测程序进行计算,得到了不同氧煤比下气化炉内的气化氧煤比/kgkg-b)温度、碳转换率和气化效率等参数变化规律。图3所示为在额定的水蒸气条件下,改变氧气量,氧aH中国煤化工影CNMHG煤比对气化温度、碳转化率和气化效率的影响。由图4可见,在所研究的氧煤比范围内,随随着氧煤比的增加,气化温度持续升高,碳转化氧煤比的增加,煤气中CO的体积浓度先增加,到锅炉技术第47卷达一个峰值后降低;而H2浓度则呈现逐渐下降由图5可见二者在一定范围内呈单调递趋势,先是缓慢下降,然后快速下降;H2O和CO2减的关系,可由测得的甲烷浓度来确定气化温体积浓度则与CO的变化趋势相反,其体积浓度度。这是因为甲烷化反应为放热反应,温度升先降低,到达一个最小值后增加;CH4浓度呈现高,甲烷就会减少。当然,给料中水蒸气的给持续下降趋势,先下降速度较快直至接近于零。料量也会影响到甲烷的浓度,只需要在特定水当增加给氧量,提高氧煤比后,气化炉中单蒸气给料量下,不同的氧煤比下的气化温度与质碳与氧气发生反应,生成大量的CO,同时放出甲烷浓度的关系曲线,即可由甲烷浓度查得气反应热提高气化反应温度,从而提高了水蒸气化温度分解反应的比例。因此,CO、H2的体积分数逐步33蒸汽煤比对合成气组分的影响分析变大,水蒸气的体积分数递减。由于气化温度的最后,本文在气化炉给煤量、给氧量、气化压提高、水蒸气减少和H2的增加,使水煤气反应向力不变的条件下,改变气化炉的给蒸汽量,应用左移动,从而使CO2的含量减小。预测程序进行计算,得到了不同蒸汽煤比条件下CO+H2O←CO2+H2(7)煤气各组分份额的变化。同时也计算研究了蒸当单质碳反应趋于完全时,此时气化炉内汽煤比对气化炉内碳转换率气化效率气化温CO和H2的含量达到最大值,而CO2和H2O的度等参数的影响。含量则达到最小值。煤气中的CO、H2与氧气开图6所示为蒸汽煤比对煤气组分含量的影始反应,生成大量CO2和H2O,同时释放出大量响。由图可见,随水蒸气量的增加,CO浓度下的热。CO、H2的含量开始随着氧煤比的提高而降,而氢气浓度略有增高并保持在一个定值,减小,CO2、H1O的含量则随着氧煤比的提高而H2O和CO2的浓度均有显著增加,CH,浓度较增大。因气化温度的进一步升高致使水煤气反低,蒸汽煤比的增加基本不改变CH的浓度。这应的平衡常数递减,平衡向左移动导致H2的递是因为随着气化炉内给蒸汽量的增加,水煤气反减速率大于CO的递减速率。相应的H12O的递应向右移动,CO的含量减小,CO2含量的增加,增速率也大于CO2的递增速率。H2的含量也相应增加。在高温高压的粉煤气化炉里,气化温度对于保证炉内的反应能否正常进行,熔渣能否顺利流- CO, v%*+ CH4, v%→H2,V%H20, %F35动非常重要。但是到目前为止,通过直接测量而30得到气化温度一直是个难点,采用气体成分分析是确定气化温度的一个有效方法。由上述分析可知,氧煤比对气化温度的影响非常显著,对CH4的影响也呈单调变化函数,因此可以用CH4的浓度来预测气化的温度。图5给出了在额定的水蒸气条件下,改变氧气量得到的气化温度与蒸汽煤比(kgkg2)甲烷浓度之间的关系图6蒸汽煤比对煤气组分含量的影响图7所示为蒸汽煤比对气化温度、碳转换率和气化效率的影响。由图7可以看出,随着气化气化温度炉内给蒸汽量的增加,碳转化率和气化效率均有增加,达到并维持在最大值,同时气化炉内气化温度降低,主要是由于随着气化炉内给蒸汽量的1400增加,部分水蒸气未参与气化反应,使得这部分水蒸气成为V山中国煤化工化炉内气化温度降低。CNMHG化炉内碳转CH4体积浓度%换率和气化效率在蒸汽煤比较小的时候增加较图5甲烷浓度与气化温度的关系快;而蒸汽煤比较大的时候碳转化率和气化效率第2期杨震,等:媒粉加压气化炉操作参数对气化特性的影响基本不受气化炉内给蒸汽量的影响,因此从蒸汽加可增加H2的浓度,提高碳转换率以及气化效的利用率的角度上看,蒸汽煤比在0.1较为合率,但进一步提高蒸汽煤比仅会降低气化炉内的适。进一步增加蒸汽煤比会降低气化炉气化温气化温度,提高H2O和CO2,对煤气化会产生不度、降低煤气中CO含量,对煤气化会带来不利的利影响。影响。因此,气化炉中应该选取小蒸汽煤比作为(4)对所研究的煤种,氧煤比约为0.7时,煤运行参数。气中H2和CO含量以及气化效率均达到最大值,合理的氧煤比在0.7左右,合理的蒸汽煤比碳转换率在0.1左右。20001900参考文献:气化效率[1]王同章.煤炭气化原理与设备[M].北京:机械工业出版社,2001[2]李政,王天骄,韩志明,等. 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A wiley-interscience有增大;气化压力对气化炉的碳转化率、气化效publication, Krieger, 1991[11]徐越.燃煤联合循环系统设计集成与干煤粉加压气化模拟率和气化温度的影响甚微。[M].西安:西安交通大学出版社,2003.(2)随氧煤比的增加,气化温度升高,碳转化[12]周志杰,于广锁,龚欣,等.整体煤气化燃气蒸汽联合循环率升高,气化效率先升高再降低存在一个最大气化单元模拟[J].煤炭转化,2004(3):53-57值;CO浓度先增加后降低,H2浓度先缓慢后快131YANG2,LUY, CAO Z, Study of Chemical Quench of High速下降;H2O和CO2浓度先降低后增加;CH4浓Temperature Syngas[J]. International Journal of Chemical Re-actor Engineering, 2011, 9( Article A85): 1-18.度持续下降。工程中可采用测得的CH4体积浓[14]马娟郭琴琴曹勇辉,等.基于平衡态模型的煤气组分预测度预测气化温度。方法研究[].锅炉技术,2015(1):8-12(3)煤气中CO含量随着气化炉内给蒸汽量15]焦树建,整体煤气化燃气-蒸汽联合循环(GCOM].北的增加而减少,H2O和CO2含量则随着给蒸汽京:中国电力出版社,1996量的增加而增加;在小蒸汽煤比时,蒸汽煤比增中国煤化工CNMHG锅炉技术第47卷Effects of Operation Parameters on Dry Feed EntrainedFlow Pulverized Coal GasificationYANG Zhen, GUO Qin-qin, LIU Yin-he2(1. Shanghai Boiler Works Co, Ltd, Shanghai 200245, China;2. School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: The effects of pressure, oxygen fuel ratio and steam fuel ratio on gasification temperature, syngas components, carbon conversion and cold gas efficiency were studied using e-quilibrium model. It is shown that the effect of pressure is negligible, while the other twofactors show great effects. The gasification temperature and carbon conversion rise with theincrease of oxygen fuel ratio, while the cold gas efficiency and the concentration of co increase first and then decrease with the increase of oxygen. The CH, concentration can be usedto predict the gasification temperature At low steam fuel ratio, the H2 concentration, carbonconversion and cold gas efficiency increase with the increase of steam input, however furtherincrease of steam will result in the low gasification temperature and high concentration ofH2O and CO2. The optimized oxygen fuel ratio and steam fuel ratio are 0. 7 and 0. 1, respec-tively for the given coalKey words: coal gasification; operating parameters; gasification characteristics(上接第4页)参考文献:出版社,1993[1][苏]锅炉机组热力计算标准方法[M.北京:机械工业出版4]王正林,刘明,陈连贵精通 MATLABLM].3版北京:电社,1976子工业出版社,[2]许圣华.烟气物性的直接计算方法[J.苏州丝绸工学院学[5]沈维道,童钩耕工程热力学[M.4版.北京:高等教育出报,1999,19(3):32-36版社,2007[3]解海龙.锅炉计算机辅助计算及设计[M].北京:水利电力The Digital Calculation of the Flue Gas Thermal Conductivityfor boiler thermodynamic calculationWAN Cong, WANG En-lu, XUXu, MAO Jin-da, LI Kai( Institute of Thermal Energy Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, ChilAbstract: Based on the digital computing requirement in the boiler design and improvementprocess, a group formula for calculating the actual flue gas thermal conductivity, kinematicviscosity and Prandtl number were given by the linear regression and interpolation methodscorresponding on the table data of the standard flue gas and the correction coefficient curvescompared with the standard flue gas. These formulas could be used in the digital design andimprovement process with sufficient accuracy and velocity.中国煤化工Key words: thermodynamic calculation; actual flue gas theHCNMHGformula