第27卷第4期煤炭轉(zhuǎn)化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOct.2004等離子體輔助煤氣化的初步研究李明東”鄧巍巍?)鮑衛(wèi)仁3) 樊友三“》摘要采用獨立組元法對煤氣化反應(yīng)的C-H-O-S-N熱力學(xué)平衡體系進(jìn)行了計算,在此基礎(chǔ)上提出了一種等離子體炬輔助下煤兩段氣化的方案.分析結(jié)果表明,等離子體的引入可以從多個方面加快氣化反應(yīng)速度,從而可以獲得比常規(guī)煤氣化方法更高的單位容積處理能力,相對于常規(guī)煤氣化方法,該方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.關(guān)鍵詞煤,氣化,平衡體系,等離 子體中圖分類號TQ541的反應(yīng)系是包含C,H,O,S和N等多種元素的復(fù)雜0引言體系,獨立組元法是計算這種復(fù)雜化學(xué)平衡體系的隨著石油和天然氣資源的不斷減少,發(fā)展清潔有效方法. [0]根據(jù)獨立組元法的基本原理,可把一個高效的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)具有長遠(yuǎn)意義.煤氣化是實現(xiàn)煤含有c種元素的氣固平衡體系中的N個組元A,劃清潔高效轉(zhuǎn)化的重要途徑,其產(chǎn)品氣(CO+H2)不僅分為獨立組元組和導(dǎo)出組元組,其中獨立組元組由可以用作代用天然氣或者燃料氣,而且可以用作化b個氣相組元A。(g= 1,2,.,b)和c - b個固相組工合成氣.元A,(s=b+ 1,b+ 2,..c)組成,各個獨立組元的氣化溫度是影響氣化反應(yīng)速度進(jìn)而影響氣化爐化學(xué)式之間線性無關(guān);導(dǎo)出組元組由N -c個組元單位容積處理量的主要因素.在常規(guī)煤氣化方法中，A,(j=c+ 1,c + 2,... ,N)組成,每個導(dǎo)出組元的化體系的溫度靠煤自身燃燒釋放的熱量來維持,通常學(xué)式均可以按化學(xué)反應(yīng)方程式的形式表示為c個獨不超過2 000 C,因而其單位容積處理量受到自身立組元化學(xué)式的線性組合:加熱方式的限制，很難繼續(xù)提高.目前，常規(guī)煤氣化方法的單爐生產(chǎn)能力最大只能供給250 MW的2rA.(g)+ ZY.A.(s)=A.(g) (1)IGCC電站的煤氣需要量,遠(yuǎn)不能滿足大型電站或這些化學(xué)反應(yīng)方程式之間是線性無關(guān)的,其質(zhì)量作者大型合成氨裝置的需要.等離子體具有高溫、高焓用方程為:和富有活性粒子的特點,近年來在化工領(lǐng)域得到了x,= K,I[(x)p劣(2)越來越廣泛的應(yīng)用.在常規(guī)煤氣化方法的基礎(chǔ)上引式中:xI。分別為導(dǎo)出組元和氣相獨立組元的摩人熱等離子體炬作為高品位熱源,可望獲得比常規(guī)煤氣化方法高得多的單位容積處理量,是實現(xiàn)高強(qiáng)爾分?jǐn)?shù),p為體系的壓力,Kp,為反應(yīng)(1)的平衡常度氣化的新途徑. [1+0]本文在煤氣化反應(yīng)C-H-O-S-數(shù),YmavY,;分別為反應(yīng)(1)中各獨立組元的當(dāng)量系N平衡體系進(jìn)行熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)上,提出了一種數(shù).根據(jù)質(zhì)量守恒方程整理,可得到氣相獨立組元和等離子體炬輔助下煤兩段氣化的新方案,并對新方導(dǎo)出組元摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系式:案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益評估.q.(1- Ex,+ 2Exx)Cg==1煤氣化平衡體系的計算煤本身的元素構(gòu)成決定了等離子體輔助煤氣化中國煤化工(3)*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G1999022106).YHCNMHG1)博士生:2)碩士生;3)教授,清華大學(xué)工程力學(xué)系.北京10084+3)高級工程師,太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點實驗室,030024太原收稿日期:2004-07-10;修回日期:2004-08-308煤炭轉(zhuǎn)化2004年式中:qx和q,代表體系的初始組成，即假設(shè)導(dǎo)出組且元都不存在時體系中獨立組元的摩爾數(shù).根據(jù)方程CO0.1(2)和方程(3)進(jìn)行迭代運(yùn)算,即可以求得平衡體系中各組分的濃度.0.01CE本文以保德煤(元素分析數(shù)據(jù)見表1)為例,采正-MHSL用獨立組元法對不同氣化劑比例(H2O/O2)的C-H-IE-4-__ coXHorO-S-N熱力學(xué)平衡體系進(jìn)行了計算，典型計算結(jié)果見圖1和圖2.10001 5002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000表1保德煤的元素分析數(shù)據(jù)Temperature/KTable 1 Ultimate analysis of Baode coal圖2 C-H-O-S-N 熱力學(xué)平衡體系(H2O; O2=3)UltimateMass content/%Mole ratioFig.2 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumanalysissystem(H2O : O2=3)75. 8215. 360. 848Baode coal(C-H-O-S-N=1 : 0. 848:16. 220.1600. 160.0. 004 : 0.021)0.74 .0. 004輔助下煤兩段氣化的方案(見圖3).氣化爐的出口1.860.021溫度設(shè)計為1 600 K,兩部分煤粉分別從兩段反應(yīng)從圖1和圖2中可以看出:1)不論體系中氣化器人口供入氣化爐中:在氣化爐的第一段引人氧等劑H2O與O2的比例如何,體系中的主要組分都是離子體炬,建立以氧等離子體炬為中心的高溫活性CO和H2,H2和CO的比例隨著H2O/O2的增加而區(qū)(平均溫度在3 000 K以上),同時供入一定量的增加:在溫度為1 600 K~2500K時CO與H2之和氧氣和第一部分煤粉;為了充分利用第一段高溫反含量最高;2)溫度超過1 600K系統(tǒng)中最主要的雜應(yīng)系1600K以上的高品位能量,在高溫活性區(qū)的質(zhì)為H2S和N2,約為10~量級,其含量隨H2O/Oz出口處供入一定量的水蒸氣和第二部分煤粉.在第的值增加而降低,這是因為H2O/O2的增加會使煤Plama torch氣中含有更多的H2,使雜質(zhì)的量相對減少.Coal+ Oyen.1 tCoul+ HOg)也. CHs三E-3FME-.引”I 0010020000 2500 30003500 400 4500 5000Temperaure/K(coal網(wǎng))圖1 C-H-O-S-N 熱力學(xué)平衡體系(H2O:O2=0.01)Fig.1 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumAsh residuessystem(H2O:O2=0.01)Baode coal(C-H-O-S-N∞1 : 0. 848:0. 160; 0. 004 : 0. 021)圖3等離子體炬 輔助下煤的兩段氣化方案示意圖上述結(jié)果表明,氣化爐出口溫度取為1 600 Kig.3 Scheme for Plasma Auxiliary Two-stage CoalGasification Method就可以保證產(chǎn)物中有效成分CO和H2的高含量和二段反應(yīng)器中進(jìn)行的水煤氣反應(yīng)是吸熱反應(yīng),不僅雜質(zhì)的低含量,調(diào)整氣化劑的比例H2O/O2可以使煤氣中含有更多的H2.可以充分利用第-段反應(yīng)器高溫反應(yīng)體系1600K2等離子體炬輔助下煤的兩段氣化方案以」i60中國煤化工反應(yīng)體系的溫度到|YHC N MH G氣中氫的含量,改善2.1方案的設(shè)計煤氣成分調(diào)節(jié)氣化爐第二段的長度,可以使煤粉完根據(jù)上面的計算結(jié)果,本文提出了等離子體炬全 氣化. .第4期李明東等等離子 體輔助煤氣化的初步研究19上述方案中,第一段高溫活性區(qū)的平均溫度是離子體炬所消耗的能量只占到兩段所處理煤總熱值個重要參數(shù),需要同時考慮等離子體炬的能耗以及的2. 3%~4.4%.耐火材料等I藝的可行性.仍以中國的保德煤為例，2.2方案的優(yōu)勢忽略其中的N和S元素,假設(shè)供入的煤粉和氣化劑完全反應(yīng)生成CO和H,并不計過程中的熱損失，在第一段反應(yīng)器中,煤粉在等離子體射流中快本文對上述方案的能量平衡進(jìn)行了計算.圖4給出速升溫?zé)峤忉尫懦鰮]發(fā)分，同時會發(fā)生煤粉或殘?zhí)剂说入x子體炬能耗占兩段所處理煤總熱值的比例隨與O2之間的氣化反應(yīng).等離子體炬的引人,首先使著第一段高溫活性區(qū)平均溫度的變化關(guān)系.不難理得第一段反應(yīng)體系的溫度大大提高;同時等離子體射流中高濃度的活性粒子，能在很大程度上降低氣化反應(yīng)的活化能.[4]根據(jù)Arrhenius公式，如果不考慮反應(yīng)活化能隨溫度的變化，當(dāng)反應(yīng)溫度從常規(guī)煤氣化方法的1700K 左右升高到3 000 K時,煤氣化主要反應(yīng)C+CO2=2CO的速度增加了1 000倍以上;另外,在快速升溫的過程中,煤粒會受到熱應(yīng)2500 3000 3500 4000 4 500力以及揮發(fā)分從內(nèi)部膨脹溢出壓力的雙重作用而爆Average temperature of sctin1/K裂破碎,使得殘?zhí)細(xì)饣磻?yīng)的比表面積大大增加,從而加快殘?zhí)寂cO2或CO2等氣化劑之間的氣固表面圖4等離子體炬能耗比例與第一段反應(yīng)速度.因此,等離子體炬的引人可以從多個方面平均溫度之間的關(guān)系加快氣化反應(yīng)的速度,從而在第一段反應(yīng)器中形成Fig. 4 Energy consumption ratio of plasma torchat different temperatures of stage 1一個快速氣化反應(yīng)的高溫活性區(qū);另外,等離子體系解,隨著第一段反應(yīng)器內(nèi)平均溫度的升高,所需要的統(tǒng)熱慣性小,啟動、停車、調(diào)節(jié)負(fù)荷極其容易迅速,負(fù).等離子體炬能量近似呈線性增加.綜合考慮等離子荷調(diào)節(jié)范圍很大,而且易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化;體炬能耗的合理性和爐體耐火材料工藝的可行性，氣化溫度提高后,對煤種要求低,不產(chǎn)生焦油和第一段平均溫度可取為3 000K~3 300 K,這時等CO2”,有利于后處理;煤氣中H2含量提高,煤氣品表2兩段氣化方案與Shell 煤氣方法的比較Table 2 Comparison between two-stage method and Shell methodRaw materialElectric powerProductsMethodCal/(kg.h-1) 0Xxygen/(m3.h 1) H2O(g)/(kg.h- . added/kw CO/(m.h-1) Hz/(m°.h-7_Two-stageStage I10.600. 301.4540. 616Stage 10.3980. 39(0. 5790. 731schemeTotal1. 3980.o.39.0.302. 033 ;1. 347Shell Method 1. 3980. 8392.030. 862質(zhì)好.以保德煤為例,在表2中對上述方案和Shell位容積處理能力,同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境氣化方法的相關(guān)基本參數(shù)進(jìn)行了理論計算.按效益.依據(jù)本方案建立了相應(yīng)的實驗系統(tǒng),初步的實1. 398 kg/h的供煤量計算,兩段氣化方案相對于驗結(jié)果驗證了新方案的可行性. [1]Shell方法少耗氧0. 238 8 m2/h,而大型制氧機(jī)電耗為0.6 (kW●h)/m2~0.65 (kW●h)/m',則制氧3結(jié)論機(jī)少消耗電耗約0. 15 kW,因此等離子體實際增加的電能消耗為0.15kW.同時,在兩段氣化方案的產(chǎn)1)熱力學(xué)平衡體系的計算結(jié)果表明,氣化爐出品氣中增加了0. 485 m'/h氫氣,作為燃料燃燒時放口溫度中國煤化工證產(chǎn)物中CO和出的能量將遠(yuǎn)大于0. 15 kW.H2的YCNMHG整氣化劑的比例綜上所述，與常規(guī)煤氣化方法相比,等離子體炬H2O/O2可以使煤氣中含有更多的H2. .輔助下煤兩段氣化的新方案必然可以獲得更高的單2)提出了一種等離子體炬輔助下煤兩段氣化20煤炭轉(zhuǎn)化2004年的新方案:在第一段引入氧等離子體炬形成3 0003)理論分析表明,等離子體炬的引入可以從多K~3300K的高溫活性中心，同時供入一定量的煤個方面加快氣化反應(yīng)的速度,等離子體輔助煤氣化粉和氧氣;在第二段人口處引入一定量的水蒸氣和方案必然可以獲得比常規(guī)煤氣化方法更高的單位容第二部分煤粉,煤粉和水蒸氣之間的水煤氣反應(yīng)可積處理能力;與常規(guī)煤氣化方法相比，新方案具有較調(diào)節(jié)氣化爐出口的溫度為1600K左右好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.參考文獻(xiàn)[1] 申曙光,王 勝,龐先勇等.煤在直流電弧等離子體中的氣化.煤炭轉(zhuǎn)化,2003.26(1):45-47[2] 鮑衛(wèi)仁,關(guān)有俊,呂永康等. 等離子體煤熱解與氣化工藝的研究進(jìn)展.現(xiàn)代化工，2003,23(12),10-14[3] 邱介山,何孝軍 ,馬騰才.煤的水蒸氣等離子體氣化研究現(xiàn)狀和前最.煤炭轉(zhuǎn)化.2002 ,25(2);小-7[4] D'yakov A F ,Karpenko E L. Plasma-energy Technologies and Their Importance in Thermal Engineering. 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Analysis results show that higher output per unit volume of gasificationfurnaces can be obtained in this method than in general methods because the gasification speed ishighly inereased from several aspects under plasma conditions. In addition, this method hasadvantages in economical and environmental benefits compared with general methods.KEY WORDS coal ,gasification ,equilibrium system ,plasma中國煤化工MYHCNMHG