《煤浆浓度与有效气关系探讨》.doc

煤浆浓度与有效气成份关系探讨李发林 赵新江 庞怀兴（山东华鲁恒升化工股份有限公司 德州 253024）4摘 要 ：通过计算系统节能与有效气转换的关系，帮助大家认识煤浆浓度的变化与有效气之间的关系，并进行表格化。通过热量计算，得到各条件下气化炉中氧气的最少需要量及煤气化合成气的最高有效气成份。关键词：水煤浆浓度；有效气成份；热量；消耗氧气量水煤浆气化过程非常复杂，在日常生产中经常关注三个重要数据，即水煤浆浓度、氧气消耗量、合成气中有效气成份。本文提供的计算方法，可以比较帮助大家了解煤浆浓度变化对有效气成份和氧气消耗的影响。 C + O2 = CO2 + 395.2KJC + 0.5O2 = CO + 110.5KJ水煤浆气化炉实际就是一个热量平衡炉，放热主要是由以上两个反应完成。水煤浆气化炉有效气比较低，基本保持在80%，其中CO2的含量接近20%，与粉煤气化有效气有一定的差距。造成这些原因都是由于煤浆中携带过多的水，过多的水含量就浪费了系统热量，为了维持气化炉温度，系统只有增加更多的氧气，让碳和氧反应生成二氧化碳，放出更多的热量来维持热量平衡。为了便于计算气化炉内热量变化对于水煤浆浓度、氧气消耗量及合成气中有效气成份的影响，我们假设以实际炉子投煤量不变情况下，通过煤浆浓度变化来观察有效气变化。这些假设数据来源于水煤浆气化生产中的实际运行参数，因此通过这些数据进行推理计算，计算所得出的结论对水煤浆气化实际生产有指导意义。1.1 实际生产数据炉子直径：2800mm气化炉压力：6.0MPa气化炉温度：1250水煤浆浓度：60%（wt）水煤浆温度：50运行负荷：神华煤40m3/h水煤浆（原煤33.88吨，全水15%，相当于28.8吨干煤，制浆后为40m3）氧气消耗量：18200Nm/h生成的合成气量：62000 Nm/h 合成气气体成份：CO:45%、CO2:18%、 H2:35%、其他2%，有效气成份：（CO+H2）:80%。1.2 气化炉内的水分为两部分，一部分是水煤浆中所含的水，另一部分是激冷水。水煤浆中的水随煤的燃烧迅速气化，温度升到1250，所以认为这部分水是完全参与气化反应的；而激冷水温度只有220左右，在无催化剂条件下，反应CO + H2O = H2 + CO2 几乎不能进行，所以认为这部分水是不参与气化反应的。 1.3 为了计算简单，假设在气化炉内，我们先计算1吨水气化需要的热量。由于本文作者无相关软件精确计算，我们分别聘请了国内某知名大学教授、北京某大学博士、意大利某工程公司三家单位计算，其结果分别为：教授计算结果：每吨水需要5055000KJ热量；博士计算结果为5448660KJ；意大利公司计算为5430000KJ。1.4 气化炉内反应比较多，也比较复杂，但是无论如何反应最后达到热量平衡，特别是在高温1250左右时基本瞬间完成所有反应。下面把气化炉内所有反应进行列举从中可以得出一个重要结论。在气化炉内放热反应有： C + O2 = CO2 + 395.2 KJ/mol C + 0.5O2 = CO + 110.5 KJ/mol CO + 0.5O2 = CO2 + 284.1 KJ/mol CO + H2O = CO2 + H2 + 41.2 KJ/mol C + 2H2 = CH4 + 75.2 KJ/mol在气化炉内吸热反应有： CO2 + C = 2CO173.0 KJ/mol C + H2O = CO + H2131.9 KJ/mol C + 2H2O = CO2 + 2H290.3 KJ/mol煤浆浓度的提高意味着系统水在减少，也就是说系统减掉水就是节省了热量，热量过剩就意味着炉子温度过高，那么这时候就必须减少氧气供应，才能保证炉子温度不变，减少氧气供应就意味一氧化碳和二氧化碳之间有一个转换，也就是在缺氧条件下碳转向生成一氧化碳多一些。从反应方程式可以看出，1摩尔碳无论生成二氧化碳还是一氧化碳总的气体体积不变，只是消耗氧气不一样和放热不一样。二氧化碳放出的热量是395.2KJ，一氧化碳放热量是110.5KJ，二氧化碳放出的热量是一氧化碳的3.57倍。所以当进一步缺氧时碳自然就生成了一氧化碳，最终炉子保持热量平衡。1.5 结论 那么可以这样理解：在气化炉系统热平衡的基础上，只要系统能够节省395.2110.5=284.7KJ热量，通过减少氧气量，那么碳就没必要生成二氧化碳，只需生成一氧化碳，系统总的热量还是平衡的。所以我们用上边计算的结果，每减少一吨水节省的热量就可以将二氧化碳转换成一氧化碳的体积为：按照教授计算结果 5055000 284.7KJ 17755.53 mol 17755.53 22.4 1000 400 Nm/h 按照博士计算结果5448660 284.7KJ 19138.25 mol 19138.25 22.4 1000 428 Nm/h 按照意大利公司结果5430000 284.7KJ 19072.708 mol 19072.708 22.4 1000 427 Nm/h 计算结论：每减少一吨水节省的热量就可以将二氧化碳转换成一氧化碳的体积约为400/428/427 Nm每减少一吨水节省的热量就少消耗氧气体积为200/214/213 Nm为了结果趋势，我们采取最保守的数据，以最少计算结果（教授结果400 Nm）为依据，很快就可以将煤浆浓度变化与有效气成份之间关系列表化。计算公式：假设干煤不变28.8吨，煤浆浓度从60%提高到K，那么减掉水重量为 M =（28.8 60%）（28.8 K）吨因为每吨水可以换来400标方有效气，所以节省热量而多得的有效气为400M，节省氧气为200M。根据我公司生产实际情况，每2080Nm有效气产一吨甲醇，甲醇按照2700元/吨（市价），氧气每方0.65元（工厂价）。将以上公式输入表格计算结果如下：（28.8吨干煤或40方煤浆为基础）煤浆浓度减掉的水（t）产生有效气（Nm/h）多生产甲醇（t）甲醇单价（元/吨）甲醇效益（元）节省氧气（Nm/h）氧气单价（元/方）氧气效益（元）总效益（元）有效气比例60%0.00 0.00 0.00 27000.00 0.00 0.650.00 0.00 80%61%0.79 314.75 0.15 2700408.58 157.38 0.65102.30 510.87 80.51%62%1.55 619.35 0.30 2700803.97 309.68 0.65201.29 1005.26 81.00%63%2.29 914.29 0.44 27001186.81 457.14 0.65297.14 1483.96 81.47%64%3.00 1200.00 0.58 27001557.69 600.00 0.65390.00 1947.69 81.94%65%3.69 1476.92 0.71 27001917.16 738.46 0.65480.00 2397.16 82.38%66%4.36 1745.45 0.84 27002265.73 872.73 0.65567.27 2833.01 82.82%67%5.01 2005.97 0.96 27002603.90 1002.99 0.65651.94 3255.84 83.24%68%5.65 2258.82 1.09 27002932.13 1129.41 0.65734.12 3666.24 83.64%69%6.26 2504.35 1.20 27003250.84 1252.17 0.65813.91 4064.75 84.04%70%6.86 2742.86 1.32 27003560.44 1371.43 0.65891.43 4451.87 84.42%71%7.44 2974.65 1.43 27003861.32 1487.32 0.65966.76 4828.08 84.80%72%8.00 3200.00 1.54 27004153.85 1600.00 0.651040.00 5193.85 85.16%73%8.55 3419.18 1.64 27004438.36 1709.59 0.651111.23 5549.59 85.51%74%9.08 3632.43 1.75 27004715.18 1816.22 0.651180.54 5895.72 85.86%75%9.60 3840.00 1.85 27004984.62 1920.00 0.651248.00 6232.62 86.19%76%10.11 4042.11 1.94 27005246.96 2021.05 0.651313.68 6560.65 86.52%77%10.60 4238.96 2.04 27005502.50 2119.48 0.651377.66 6880.16 86.84%78%11.08 4430.77 2.13 27005751.48 2215.38 0.651440.00 7191.48 87.15%79%11.54 4617.72 2.22 27005994.16 2308.86 0.651500.76 7494.92 87.45%80%12.00 4800.00 2.31 27006230.77 2400.00 0.651560.00 7790.77 87.74%81%12.44 4977.78 2.39 27006461.54 2488.89 0.651617.78 8079.32 88.03%82%12.88 5151.22 2.48 27006686.68 2575.61 0.651674.15 8360.83 88.31%83%13.30 5320.48 2.56 27006906.39 2660.24 0.651729.16 8635.55 88.58%84%13.71 5485.71 2.64 27007120.88 2742.86 0.651782.86 8903.74 88.85%85%14.12 5647.06 2.71 27007330.32 2823.53 0.651835.29 9165.61 89.11%86%14.51 5804.65 2.79 27007534.88 2902.33 0.651886.51 9421.40 89.36%通过以上表格可以清楚看出煤浆浓度的变化带来的经济效益，但是，煤浆浓度和有效气并不是线性关系，气化炉开始随着煤浆浓度提高有效气在增加，当炉内水碳比达到一定程度有效气绝对值开始下降，但是相对值在提高，这是国内很多从事气化的人员没有注意的，目前国内很少见有关谈气化炉有效气绝对值的文章，多数人只谈相对值，也就是只定性没定量，所以评判有效气不仅看相对值一定要考察绝对值。根据有关资料推算，当浓度达到80%时有效气达到最高值，也就是水碳比在0.25-0.3左右时是最佳状态。以上简单计算只是对煤浆浓度的变化和有效气之间关系进行了初步推算，还存在一定不合理性，希望大家更进一步探讨。第一作者简