第47卷第2期鍋爐技術(shù)Vol. 47, No. 22016年3月BOILER TECHNOLOGYMar. ，2016煤粉加壓氣化爐操作參數(shù)對氣化特性的影響楊震'，郭琴琴，劉銀河2(1.上海鍋爐廠有限公司，上海200245; 2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西西安710049)摘要:采用基于平衡態(tài)模型的氣流床氣化爐煤氣組分預(yù)測程序,分析研究了氣化壓力、氧煤比以及蒸汽煤比等操作參數(shù)對氣化溫度、煤氣組分碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:氣化壓力對氣化特性指標(biāo)影響甚微，而氧煤比和蒸汽煤比的影響較為顯著。隨氧煤比的增加,氣化溫度升高,碳轉(zhuǎn)化率升高,氣化效率先升高再降低,CO濃度先增加后降低。CH,的體積濃度可用于預(yù)測氣化溫度。在蒸汽煤比較低時(shí),提高蒸汽煤比可增加H2的濃度,提高碳轉(zhuǎn)換率和氣化效率,但進(jìn)- -步提高蒸汽煤比僅會降低氣化爐內(nèi)的氣化溫度,提高H2O和CO2濃度。對于所研究的煤種,合理的氧煤比應(yīng)在0.7左右,合理的蒸汽煤比在0.1左右。關(guān)鍵詞:煤氣化;操作參數(shù);氣化特性中圖分類號:TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672 -4763(2016)02-0005-06熵達(dá)到最大值,自由焓達(dá)到最小值,各個(gè)反應(yīng)的0前言正反應(yīng)速度等于逆反應(yīng)速度。由于氣流床氣化煤粉氣化田是指煤粉在氣化爐中高溫高壓爐的操作溫度和操作壓力均較高,氣化反應(yīng)速條件下與氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將固體可燃物轉(zhuǎn)率較快,在氣化爐爐膛內(nèi)氣化過程進(jìn)行的較為;化成可燃?xì)怏w的過程,它涉及到流動、傳熱、傳質(zhì)徹底,接近平衡狀態(tài)。因此,平衡態(tài)模型可以很和化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過程。通常可以選用的氣化好的應(yīng)用于對氣化爐煤氣的組分進(jìn)行預(yù)測分析劑有水蒸氣、氧氣和二氧化碳?？扇?xì)怏w成分主研究。徐越等[1]以SHELL煤氣化工藝為基要為CO、H2和CH,伴生的不可燃?xì)怏w有CO2礎(chǔ),采用ASPEN軟件建立了干煤粉加壓氣流床和H2O,此外還有少量硫化物、烴類產(chǎn)物和其他氣化過程模擬模型,對干煤粉加壓氣流床氣化微量成分。工藝的性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬和性能研究。周志學(xué)者們8]對氣流床氣化爐粗煤氣組分份杰[2等建立了基于化學(xué)平衡的數(shù)學(xué)平衡模型，額煤氣產(chǎn)率隨煤種、給煤量、給氧量、給蒸汽量并研究證實(shí)了對于氣化溫度高達(dá)1 400 C~以及氣化爐的氣化壓力、氣化溫度等操作參數(shù)1 600 C的干煤粉氣化可以應(yīng)用化學(xué)平衡的方之間的關(guān)系開展了大量研究,以得出有效的數(shù)法來簡化氣化爐的數(shù)學(xué)模型。學(xué)建模方法來進(jìn)行煤氣組分的預(yù)測，進(jìn)而獲得本文采用根據(jù)平衡態(tài)模型編寫的氣流床氣氣化爐的相關(guān)技術(shù)特性指標(biāo)，并指導(dǎo)氣化爐的化爐的煤氣組分預(yù)測程字序[18141,以SHELL氣化設(shè)計(jì)與運(yùn)行。氣流床氣化爐的數(shù)學(xué)模型可分為爐[15]實(shí)際的給料條件為計(jì)算邊界,分析了氣化平衡態(tài)模型和考慮氣化反應(yīng)過程的動力學(xué)模壓力、氧煤比及蒸汽煤比對氣化溫度、煤氣組型[°]。平衡態(tài)模型[10]是-種基于化學(xué)反應(yīng)平衡成、碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率等技術(shù)特性指標(biāo)的原理對化學(xué)反應(yīng)始末狀態(tài)進(jìn)行宏觀描述的計(jì)算影響。方法。它忽略了化學(xué)反應(yīng)的具體微觀過程所帶1煤粉加壓氣化爐 的給料條件來的影響,只對反應(yīng)最終達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)即平衡態(tài)進(jìn)行綜合分析。化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡態(tài)后，本文對SHELL氣化爐的煤氣組分份額進(jìn)其反應(yīng)產(chǎn)物的組分份額維持恒定,此時(shí)系統(tǒng)的行了預(yù)測計(jì)算。如表1所示為氣化爐選用煤種收稿日期:2015-09-10基金項(xiàng)目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會科委資助(14dz1200100)作者簡介:楊震(1968一,男,博上,教授級高級工程師，主要從事煤的高效清潔燃燒和氣化研究。6鍋爐技術(shù)第47卷的技術(shù)規(guī)格條件。表2為SHELL氣化爐的實(shí)M-氣化爐的加煤量,kg/h。.際給料條件。本文計(jì)算中選用的煤種以及氣化(2)氣化效率η。η又稱冷煤氣效率,它是爐給料皆參照實(shí)際SHELL氣化爐[15]的給料氣化生成的煤氣的化學(xué)能與氣化用煤的化學(xué)能條件。的比值,其計(jì)算方法如式(4)所示。顯然,提高氣化爐的冷煤氣效率可以把煤中所儲蓄的化學(xué)能表1氣化爐選用煤種特性[15]更多地轉(zhuǎn)化成為煤氣的化學(xué)能。項(xiàng)目數(shù)值: V。QX1w(M,)/%14. 00.η= MOREX 10%(4)w(Vau)/%36. 49式中:V一煤氣中所含可燃?xì)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下w(Am)/%12. 00w(..)/%61.45的體積,m3 ; .w(H.)/%3.61Qgg煤氣的高位發(fā)熱量,kJ/m';w(N.,)/%0.71Qg.c一氣化 用煤的高位發(fā)熱量,kJ/kg;w(O,)/%7.8M-氣化爐 的加煤量,kg/h。w(S,)/%0.43由于煤氣中的可燃?xì)怏w只有一氧化碳、氫Qnmn/(MJ.kg) - '23. 42氣、甲烷和硫化氫,所以可磨指數(shù)HGI56Vg=(nco+nH,十ncH, +nH,s)X22. 4(5)變形溫度DT/C1 12012 640nco+ 12 750mn, +39 820ncH, +25 350nH,s軟化溫度ST/C1 170流動溫度FT/C1 250(6)表2額定工況氣化爐給料條件[14]式(6)中的12 640、12 750、39 820、25 350分溫度壓力別為CO、H2、CH,、H2S的高位發(fā)熱量,kJ/m3。/(td)-1 /C/MPa氧煤比是指氧氣質(zhì)量流量與干煤粉的質(zhì)量干煤粉量(含水2 Wt%)1 9003.5流量之比，而蒸汽煤比是指水蒸氣的質(zhì)量流量與耗氧量(純度95 Wt%)1 4601804.干煤粉的質(zhì)量流量之比。本文假設(shè)氣化過程為耗蒸汽量238004.5絕熱過程,不考慮爐壁散熱對氣化特性的影響，.輸送氮?dú)饬?9005.75干煤粉是指含水量為2 Wt%的煤粉,在這個(gè)基準(zhǔn)上計(jì)算氧煤比和蒸汽煤比。:2氣化技術(shù)特 性指標(biāo)3結(jié)果分析本文采用氣化溫度、煤氣組分、碳轉(zhuǎn)化率和3.1氣化壓力的影響氣化效率等氣化技術(shù)特性指標(biāo)來對粉煤加壓氣化爐的氣化特性進(jìn)行分析研究。其中碳轉(zhuǎn)換率首先,應(yīng)用根據(jù)平衡態(tài)模型編寫的氣流床氣化爐組分預(yù)測程序，分別在1 MPa、2 MPa、和氣化效率的定義口如下:(1)碳的轉(zhuǎn)化率a。它是指煤中所含的碳元3MPa、4MPa和5MPa氣化壓力下,對SHELL素在氣化爐中轉(zhuǎn)化成煤氣成分中含碳量的百分氣化爐煤氣組分進(jìn)行了組分預(yù)測計(jì)算,同時(shí)得到了氣化壓力對氣化爐內(nèi)氣化溫度、碳轉(zhuǎn)換率和氣數(shù),其計(jì)算方法如式(1)所示?；实葏?shù)的影響。.a=nc X100%(1)圖1給出了在額定給料量條件下,氣化爐內(nèi)b。= MC./100(2)主要的煤氣組分CO、CO2、H2、H2O和CH,的含12.011量隨氣化壓力的變化趨勢。計(jì)算結(jié)果顯示,氣化nc=nco+ nco,十ncH,十ncos(3)爐在額定工況的給料條件下,氣化壓力對上述5式中: be所加煤中含有碳的物質(zhì)的量，種氣體組分的含量影響較小。H2和CO的體積kmol/h;含量基本不隨氣化壓力的變化而變化，而CO2、n粗煤氣中含有的碳元素的物質(zhì)的H2O和CH的體積含量隨氣化壓力的升高略有量,kmol/h。增大。第2期楊震,等:煤粉加壓氣化爐操作參數(shù)對氣化特性的影響10率升高而達(dá)到100%，氣化效率先升高達(dá)到一最大值后再降低。在氧煤比較小時(shí),氣化溫度增加緩慢,而碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率增加較快;在氧煤十CH4比較大時(shí),氣化溫度增加較快，碳轉(zhuǎn)化率到達(dá)最大值，氣化效率由最高持續(xù)下降。203000 ]t氣化溫度2 8001+碳轉(zhuǎn)化率2600-。氣化效率90點(diǎn)24001氣化壓力MPa2200.80圖1主要煤氣組分 含量隨氣化壓力的變化20007018001600t1700-14001200 A00I000.碳轉(zhuǎn)化率)20.40.60.81.0 1.2氧煤比(kgkg-)1660氣化效率0善圖3氧煤比對氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率的影響P 1640-氣化溫度70起1 62060↓氣化爐內(nèi)氣化溫度的高低取決于系統(tǒng)中放熱反應(yīng)熱效應(yīng)的高低和氣化室散熱的多少,由于計(jì)算1 60050氣化爐壁面按絕熱處理，所以氣化爐的氣化溫度只氣化壓力/MPa取決于前者。由圖3可以看出，當(dāng)氧煤比較低時(shí)，.圖2氣化壓力對氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率的影響加人的氧氣先與單質(zhì)碳反應(yīng),但由于氧氣不足,大圖2給出了氣化壓力對碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率:量的單質(zhì)碳沒有發(fā)生反應(yīng),碳轉(zhuǎn)化率較低;隨著氣和氣化溫度3個(gè)氣化參數(shù)的影響。由圖2可見，化爐給氧量的增加，加入的氧氣與CO.H2反應(yīng)。氣化壓力對氣化爐內(nèi)的碳轉(zhuǎn)換率和氣化效率的由于氧氣與后者反應(yīng)的熱效應(yīng)大于前者,所以隨著影響甚微,在計(jì)算氣化壓力范圍內(nèi),氣化爐內(nèi)的氣化爐給氧量的增加，當(dāng)碳轉(zhuǎn)換率達(dá)到平衡以后，碳轉(zhuǎn)換率均接近于100%，氣化效率接近87%。氣化爐內(nèi)氣化溫度急速上升。當(dāng)氣化爐內(nèi)氧煤比隨著氣化壓力從1 MPa增加到5 MPa,氣化爐內(nèi)約為0.7時(shí),氣化爐內(nèi)碳轉(zhuǎn)換率趨于平衡,此后隨的氣化溫度1 611 K增大至1 638 K,增幅較低，著氣化爐給氧量的增加,氣化溫度急速上升。僅為27K。由此可見,氣化壓力對氣化爐的碳轉(zhuǎn):圖4所示為氧煤比對氣化爐中主要煤氣組分濃度的影響。化率、氣化效率和氣化溫度的影響甚微。因此,雖然提高氣化壓力是加快氣化反應(yīng)速70 140率,提高氣化爐氣化強(qiáng)度的有效手段,但是氣化壓力的改變并不能顯著改變氣化爐的氣化溫度、碳的轉(zhuǎn)化率和氣化效率。士CO23.2氧煤比的影響t CH4世3> H,O在氣化爐給煤量、給蒸汽量、氣化壓力為額定工況的條件下，改變氣化爐的給氧氣量,使氧10 t煤比在0.3~1.2之間變化，應(yīng)用組分預(yù)測程序≤進(jìn)行計(jì)算,得到了不同氧煤比下氣化爐內(nèi)的氣化0.2).40.6.80 1.2氧煤比/(kgkg-)溫度、碳轉(zhuǎn)換率和氣化效率等參數(shù)變化規(guī)律。圖圖4氧煤比對煤氣組分濃度的影響3所示為在額定的水蒸氣條件下,改變氧氣量,氧煤比對氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率的影響。由圖4可見，在所研究的氧煤比范圍內(nèi)，隨隨著氧煤比的增加,氣化溫度持續(xù)升高，碳轉(zhuǎn)化氧煤比的增加,煤氣中CO的體積濃度先增加,到鍋爐技術(shù)第47卷達(dá)一個(gè)峰值后降低;而H2濃度則呈現(xiàn)逐漸下降由圖5可見二者在一定范圍內(nèi)呈單調(diào)遞趨勢,先是緩慢下降,然后快速下降;H2O和CO2減的關(guān)系,可由測得的甲烷濃度來確定氣化溫體積濃度則與CO的變化趨勢相反，其體積濃度度。這是因?yàn)榧淄榛磻?yīng)為放熱反應(yīng),溫度升先降低,到達(dá)一個(gè)最小值后增加;CH濃度呈現(xiàn)高,甲烷就會減少。當(dāng)然，給料中水蒸氣的給持續(xù)下降趨勢,先下降速度較快直至接近于零。料量也會影響到甲烷的濃度,只需要在特定水當(dāng)增加給氧量，提高氧煤比后,氣化爐中單蒸氣給料量下,不同的氧煤比下的氣化溫度與質(zhì)碳與氧氣發(fā)生反應(yīng),生成大量的CO,同時(shí)放出甲烷濃度的關(guān)系曲線，即可由甲烷濃度查得氣反應(yīng)熱,提高氣化反應(yīng)溫度,從而提高了水蒸氣化溫度。分解反應(yīng)的比例。因此,CO、H2的體積分?jǐn)?shù)逐步3.3蒸汽煤比對合成氣組分的影響分析變大,水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)遞減。由于氣化溫度的最后,本文在氣化爐給煤量、給氧量、氣化壓提高、水蒸氣減少和H2的增加,使水煤氣反應(yīng)向力不變的條件下，改變氣化爐的給蒸汽量,應(yīng)用左移動,從而使CO2的含量減小。預(yù)測程序進(jìn)行計(jì)算,得到了不同蒸汽煤比條件下:CO+ H2O→CO2+H2(7)煤氣各組分份額的變化。同時(shí)也計(jì)算研究了蒸當(dāng)單質(zhì)碳反應(yīng)趨于完全時(shí),此時(shí)氣化爐內(nèi)汽煤比對氣化爐內(nèi)碳轉(zhuǎn)換率、氣化效率、氣化溫，CO和H2的含量達(dá)到最大值,而CO2和H2O的度等參數(shù)的影響。含量則達(dá)到最小值。煤氣中的CO、H2與氧氣開圖6所示為蒸汽煤比對煤氣組分含量的影始反應(yīng),生成大量CO2和H2O,同時(shí)釋放出大量響。由圖可見，隨水蒸氣量的增加,CO濃度下的熱。CO、H2的含量開始隨著氧煤比的提高而降,而氫氣濃度略有增高并保持在一個(gè)定值，減小,CO2、H2O的含量則隨著氧煤比的提高而H2O和CO2的濃度均有顯著增加,CH濃度較增大。因氣化溫度的進(jìn)一步升高,致使水煤氣反低,蒸汽煤比的增加基本不改變CH,的濃度。這應(yīng)的平衡常數(shù)遞減,平衡向左移動,導(dǎo)致H2的遞是因?yàn)殡S著氣化爐內(nèi)給蒸汽量的增加,水煤氣反減速率大于CO的遞減速率。相應(yīng)的,H2O的遞應(yīng)向右移動,CO的含量減小,CO2含量的增加，H2的含量也相應(yīng)增加。增速率也大于CO2的遞增速率。在高溫高壓的粉煤氣化爐里,氣化溫度對于70r40保證爐內(nèi)的反應(yīng)能否正常進(jìn)行,熔渣能否順利流上Hvg -0H.Ov%動非常重要。但是到目前為止,通過直接測量而. C0O3.v%得到氣化溫度一直是個(gè)難點(diǎn),采用氣體成分分析茶40是確定氣化溫度的一個(gè)有效方法。由上述分析20 830可知,氧煤比對氣化溫度的影響非常顯著,對CH的影響也呈單調(diào)變化函數(shù),因此可以用CH。10的濃度來預(yù)測氣化的溫度。圖5給出了在額定的水蒸氣條件下,改變氧氣量得到的氣化溫度與;0.00.0.4 0.6 0.8蒸汽煤比/(kg-kg-)甲烷濃度之間的關(guān)系。圖6蒸汽煤比對煤氣組分含量的影響2 400圖7所示為蒸汽煤比對氣化溫度、碳轉(zhuǎn)換率2200和氣化效率的影響。由圖7可以看出,隨著氣化益2000爐內(nèi)給蒸汽量的增加,碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率均有女氣化溫度草1800增加,達(dá)到并維持在最大值，同時(shí)氣化爐內(nèi)氣化1600.溫度降低,主要是由于隨著氣化爐內(nèi)給蒸汽量的1 400增加,部分水蒸氣未參與氣化反應(yīng)，使得這部分1200水蒸氣成為煤氣的冷卻介質(zhì),致使氣化爐內(nèi)氣化1000溫度降低。此外由圖7可以得出,氣化爐內(nèi)碳轉(zhuǎn)CH4體積濃度/%換率和氣化效率在蒸汽煤比較小的時(shí)候增加較圖5甲烷濃度與氣化溫度的關(guān)系快;而蒸汽煤比較大的時(shí)候碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率第2期楊震,等:煤粉加壓氣化爐操作參數(shù)對氣化特性的影響9基本不受氣化爐內(nèi)給蒸汽量的影響，因此從蒸汽加可增加H2的濃度,提高碳轉(zhuǎn)換率以及氣化效的利用率的角度上看,蒸汽煤比在0.1較為合率,但進(jìn)一一步提高蒸汽煤比僅會降低氣化爐內(nèi)的適。進(jìn)一步增加蒸汽煤比會降低氣化爐氣化溫氣化溫度,提高H2O和CO2,對煤氣化會產(chǎn)生不度、降低煤氣中CO含量,對煤氣化會帶來不利的利影響。影響。因此,氣化爐中應(yīng)該選取小蒸汽煤比作為(4)對所研究的煤種,氧煤比約為0.7時(shí),煤運(yùn)行參數(shù)。氣中H2和CO含量以及氣化效率均達(dá)到最大值,合理的氧煤比在0.7左右,合理的蒸汽煤比2100r 105碳轉(zhuǎn)換率在0.1左右。20001001 900參考文獻(xiàn):18001 700氣化效率90吉[1]王同章.煤炭氣化原理與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版; 160085中社,2001.1500[2]李政，王天驕，韓志明,等. 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International Journal of Chemical Re-速下降;H2O和CO2濃度先降低后增加;CH濃actor Engineering, 2011, 9 (Article A85): 1-18.度持續(xù)下降。工程中可采用測得的CH,體積濃[14]馬娟,郭琴琴,曹勇輝,等.基于平衡態(tài)模型的煤氣組分預(yù)測度預(yù)測氣化溫度。方法研究[J].鍋爐技術(shù)，2015(1):8-12.(3)煤氣中CO含量隨著氣化爐內(nèi)給蒸汽量[15]焦樹建.整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GCC)[M].北的增加而減少,H2O和CO2含量則隨著給蒸汽京:中國電力出版社，1996.量的增加而增加;在小蒸汽煤比時(shí),蒸汽煤比增0鍋爐技術(shù)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 tem-perature, 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 in-crease first and then decrease with the increase of oxygen. The CHs 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 are0.7 and 0.1, respec-tively for the given coal.Key words: coal gasification; operating parameters; gasification characteristics(上接第4頁)參考文獻(xiàn):出版社,1993.[1] [蘇]鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版[4]王正林，劉明,陳連貴.精通MATLAB[M]. 3版.北京:電社,1976.子工業(yè)出版社，2013.[2]許圣華.煙氣物性的直接計(jì)算方法[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)[5]沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M]. 4版.北京:高等教育出報(bào)，1999，19(3); 32-36.版社，2007.[3]解海龍.鍋爐計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算及設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力The Digital Calculation of the Flue Gas Thermal Conductivityfor Boiler Thermodynamic CalculationWAN Cong，WANG En-lu，XU Xu，MAO Jin-da，LI Kai(Institute of Thermal Energy Engineering ,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240，China)Abstract: 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 methods,corresponding 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.Key words: thermodynamic calculation; actual flue gas thermal conductivity;formula