（热能工程专业论文）气化过程对多联产系统能量利用率作用的分析.pdf

人连理1 人学硕十研究生学位论文 摘要 我国长期以来以煤炭为主要能源资源，但我l 习煤炭利用一直处于一种单一发展煤炭生 产、不注重煤炭综合利用的不合理产业布局。电力、化工和其他行业在技术工艺、没备设 施上的不足以及产品结构上的不合理，致使我国的单位产值能耗是发达国家的3 4 倍， 可见我国的煤炭利用效率低下。因此，寻求资源消耗少，能源转化率高，总体排放少的煤 炭能源利用系统对我国实现可持续发展战略是一个必然选择。 煤气、热、电三联产系统丁f 是一种能源转化率高的能源利用系统。先将煤炭部分气 化，将煤炭中的挥发份转化为煤气，在碳转化率达到一定值后，将煤部分气化的剩余产 物半焦，随循环物经返料器送入循环流化床锅炉燃烧。出锅炉产生的蒸汽可供汽轮机 发电和工业、民用用汽。评价三联产系统能量利用情况的统一标准还没有，所以本文提出 能量利用系数“柬评价气热电三联产系统的能量利用效益。另外本文还研究以下几个方 面。 ( 1 ) 本文重点分析煤的气化和锅炉燃烧部分，即气热联产过程的分析。建立气热联产 系统的热力模型和数学模型，编制气热联产系统性能分析软件。讨论了不同干馏温度下三 种不同煤的部分气化后煤气、半焦的热值和产量，煤的产气率和热解率的情况。并利用数 值模拟方法分析了气热联产系统在其余参数不变，在干馏温度不同、煤气产量不同、锅炉 负荷不同的情况下系统总能量和能量利用系数的变化情况。 ( 2 ) 在满足供热、供煤气的前提下，尽可能多发电以发挥工程的整体经济效益。根掘 热负荷值，比较了两种汽轮机组方案的热经济性，最后选择二台1 3 0 t h 煤气、热、电多 联产装置，二台c 2 5 8 8 3 0 9 8 1 型高压抽凝发电机组的装机方案。并给出了机组的具体 运行方式。 ( 3 ) 在对气热联产系统分析和为系统选择了合适的汽轮机组的前提下，完成了一整套 的煤气、热、电三联产系统。利用火用分析法，对三联产系统进行能量分析，得出系统能量 损失比较大的部分，找到能量利用的薄弱环节。并比较三联产系统和热电联产系统的火用损 率。结果表明，三联产系统的火用效率要高于热电联产系统。火用损率要低于热电联产系统， 即能量的损失少，能量手h 用情况更好。 关键词：多联产系统；能量利用系数；气化过程；机组选型；烟分析 薛永锋：气化过科对多联产系统能苗利川率作_ l j 的分析 t h ea n a l y s i so f g a s i f i c a t i o np r o c e s se f f e c to n m u l t i p r o d u c t s y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y a b s t r a c t c o a la so u rc o u n t r y sp r i m a r ye n e r g ys o u r c e sh a sa l o n gt i m e b u tu t i l i z eo f o u rc o a li ss t i l li n ar e a s o n l e s s i n d u s t r y s t r u c t u r et h a ts i m p l i f yd e v e l o pc o a lp r o d u c t i o na n dd o n tc a r ea b o u t s y n t h e t i c a l l yu t i l i z e ，i tr e s u l ti no u rc o u n t r y su n i tp r o d u c t i o nv a l u ee n e r g ys o u r c e sc o n s u m ei s t h r e e f o mt i m e so fd e v e l o p m e n tc o u n t r y i ti so b v i o u st h a to u rc o u n 廿v sc o a lu t i l i z ee f f i c i e n c yi s l o w s oi ti san e c e s s a r yc h o i c ef o ra c t u a l i z i n go u rc o u n t r yc o n t i n u i n gd e v e l o p m e n ts t r a t a g e mt o f i n de n e r g ys o u r c e su t i l i z es y s t e mw h i c hi sr e s o u r c er e s u m el o w l y ，e n e r g ys o u r c e st r a n s f o r m e f f i c i e n c yh i g h ，a n dl o s sl i t t l e g a s h e a ta n de l e c t r i c i t ym u l t i - p r o d u c ts y s t e mi sak i n do f1 1 i g he n e r g ys o u r c e st r a n s f o r m e f f i c i e n c ye n e r g ys o u r c e ss y s t e m f i r s ts y s t e mm a k e sc o a lp a r t i a l l yg a s i f i c a t i o n ，t h ev o l a t i l eo f c o a l t r a n s f o m lt og a s w h e nc o a lt r a n s f o r me f f i c i e n c yi ss t e a d t h e np u tt h er e m n a n tp r o d u c t i o n - s e m i c o k ei n t oc f bt ob u m t h es t e a mf r o mb o i l e rc a nu s ef o rt u r b i n et og e n e r a t ee l e c t r i c i t ya n ds u p p l y h e a t t h e r ei s n tau n i t i v ec r i t e r i o nt oe s t i m a t ee n e r g yu t i l i z es i t u a t i o no fm u l t i - p r o d u c ts y s t e m ，s o t h i sp a p e ru s et h ee n e r g ya v m l a b l ec o e f f i c i e n t ta sag u i d e l i n ef o re s t i m a t i n gam u l t i p r o d u c t s y s t e m i na d d i t i o n , t h i sp a p e ra l s os t u d i e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) t h i sp a p e re m p h a s i so na n a l y z i n gt h ep a r to fc o a lg a s i f i c a t i o na n db o i l e rb u r n i n g ，t h e a n a l y s i so fp r o c e s so fg a sa n dh e a tc o - p r o d u c t t h e r m a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rg a s a n dh e a tc o - p r o d u c ts y s t e ma r ee s t a b l i s h e d , a n das o rw a r ei se x p l o i t e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c e o f g a sa n dh e a tc o - p r o d u c ts y s t e m n ec o n d i t i o n so f o u t p u ta n dh e a tv a l u eo f g a sa n ds e m i c o k e a n dg a sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，p y r o g e n a t i o ne f f i c i e n c ya r ed i s c u s s e dc o n s i d e r i n gd i f f e r e n t p y r o g e n a t i o nt e m p e r a t u r ea n dc o a l w h e no t h e rp a r a m e t e ri sg i v e n ，谢t hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，i t a n a l y z e sg e n e r a le n e r g ya n de n e r g ya v a i l a b l ec o e f f i c i e n tc h a n g ec o n d i t i o n so fh e a ta n dg a sc o - p r o d u c ts y s t e mi nd i f f e r e n tp y r o g e n a t i o nt e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n tg a so u t p u ta n dd i f f e r e n tb o i l e rl o a d ( 2 ) p r e m i s es u p p l ye n o u g hh e a ta n dg a s ，t h es y s t e ms h o u l dg e n e r a t ea sm o r ee l e c t r i c i t ya s p o s s i b l et oe x e r th o l i s t i ce c o n o m yb e n e f i to f p r o j e c t b a s e do nh e a tl o a d ，t h ep a p e rc o m p a r e st w o p l a n st h e r m a le c o n o m i co ft u r b i n e su n i t ，a tl a s t c h o o s et w o13 0 t hh e a ta n dg a sc o p r o d u c t e q u i p m e n ta n dt w oc 2 5 8 8 3 0 9 8 1h i g hp r e s s e x t r a c t i o na n dc o a g u l a t i o ns t e a mt u r b i n e sa s e q u i p m e n tp l a n a n dc o n c r e t e l yp e r f o r mm o d eo f u n i ti sg i v e n ( 3 ) a n a l y z e dt h eg a sa n dh e a tc o - p r o d u c ts y s t e ma n dc h o o s ea p p r o p r i a t et u r b i n e su n i ta t e p r e s e n t e da n df i n i s ha s u i to fg a sh e a ta n de l e c t r i c i t ym u l t i - p r o d u c ts y s t e m w i t he x e r g ya n a l y s i s ， t h ep a p e ra n a l y z et h ee n e r g yo f m u l t i p r o d u c ts y s t e m ，a n de d u c et h es y s t e mb i gp a r to f e n e r g yl o s s ， i i 人连理1 人学硕十研究生学何论文 f i n dw e e kp a r to f e n e r g yu t i l i z e c o m p a r ee x e r g yl o s se f f i c i e n c yo f m u l t i - p r o d u c ts y s t e mw i t hh e a t e l e c t r i c i t yc o p r o d u c ts y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h ee x e r g ye f f i c i e n c yo fm u l t i p r o d u c ti s h i g h e rt h a nh e a te l e c t r i c i t yc o - p r o d u c ts y s t e m ，a n dt h ee x e r g yl o s se f f i c i e n c yi sl o w e rt h a nh e a t e l e c t r i c i t yc o - p r o d u c ts y s t e m s om u l t i p r o d u c ts y s t e mi sl e s se n e r g yl o s sa n db e t t e re n e r g yu t i l i z e k e yw o r d s ：m u l t i - p r o d u c ts y s t e m ；e n e r g ya v a f l a b i ec o e f f i c i e n t ；g a s i f i c a t i o np r o c e s s ； u n i tc h o o s e ；e x e r g ya n a l y s i s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 毖鐾 边! 兰玉 年上月4 5 7 大连理工人学硕士研究生学位论文 1 绪论 我国是世界上唯一以原煤为主的耗能大国。2 0 0 4 年一次能源消费中，煤炭占6 7 。可 以预见，在未来几十年，我国能源消耗仍将以煤炭为主。因此，寻求资源消耗少，能源转 化率高，总体排放少的煤炭能源利用系统对我国实现可持续发展战略是一个必然选择。 煤气、热、电三联产系统就是一种资源消耗少，能源转化率高，总体排放少的煤炭能 源利用系统【1 。3 1 。煤的挥发份比较容易气化，待挥发份挥发完毕，剩余物质的气化难度较大 4 1 ，将煤气化过程近似用化学反应控制的缩核模型计算表明，煤全部气化所需时间是碳转 化率达到9 0 所需时间的两倍1 5 j 。若继续气化，将导致系统复杂、成本提高。正是由于煤 的完全气化存在诸多问题，人们尝试煤部分气化技术，即换一种思路，依照煤的各组成有 不同反应特性的特点，对煤炭进行分级利用。相对于完全气化，部分气化技术的气化过程 非常容易实现。完全气化的主要工作量集中在气化的后半阶段1 6 1 。而煤部分气化技术的核 心思想是针对煤中不同组分实现分级利用，将煤炭中的挥发份生产为煤气，剩下的半焦送 入锅炉燃烧，产生的热量加热锅炉给水，生成的蒸汽进入汽轮机用于发电、供热，实现煤 气、热、电三联产t t 。三联产系统对于联合循环发电或同时需要煤气和热量的工厂是较为 经济的，不仅简化了气化炉的结构，降低了投资，而且可以提高碳的利用率，减少环境污 染。通过多联产技术，可以真正实现煤炭的高效洁净利用【8 】。 多联产技术是国家点名鼓励发展的节能技术，国家能源法第三十九条明确指出 “国家鼓励发展热、电、煤气多联供技术，提高热能综合利用率：发展和推广流化床燃 烧、无烟燃烧和气化、液化等洁净煤技术，提高煤炭利用效率”。 国家计委、国家经贸委、国家科委、电力工业部四部委联合发文关于发展热电联产 的若干规定的通知【计交能( 1 9 9 8 ) 2 2 0 号】第九条明确规定“鼓励发展热、电、冷联 产技术和热、电、煤气联供技术及燃气轮机联合循环发电、供热技术，提高热能综合利用 效率”。 1 1 国内外关于三联产的研究概况 多联产综合利用技术是目前煤炭利用领域国内外研究的重点也是热点之一，很多国家 都制定了有关的研究发展计划，投入大量资金进行这方面的研究【9 】o 在代表美国2 1 世纪能 源生产领域重要研究方向的“展望2 1 ( v i s i o n2 1 ) ”计划中，以煤气化为核心的多联产系统 是其重点之一。欧共体制订了“兆卡”计划( t h e r m i cp r o g r a m ) 。欧洲s h e l l 公司提出成为 s y n g a sp a r k ( 合成气园) 的多联产系统，包含煤气化净化、燃气发电、甲醇、化肥、化学 品合成及特殊气体制各单元过程。日本新能源开发机构于1 9 9 8 年提出了以煤气化净化、 薛永锋：气化过秤对多联产系统能嚣利川率作川的分析 燃气发电和燃料电池发电、液体燃料合成为主要内容的e a g l e ( c o a le n e r g ya p p l i c a t i o n f o rg a s ，l i q u i d & e l e c t r i c i t y ) 多联产计划。 用固体热载体，不加入任何气体。以获得干馏煤气的方法在国外c 旦有先例。原西德在 p r o s p e r 建厂，处理量为1 4 8 9 h 烟煤，英国在n o r m a n b yp a r k 建厂，处理量为3 1 1 t h 褐 煤，共两台装置，前苏联共建了三个厂，处理量逐步增大，分别为8 - 3 泊，2 0 3 t l a 和1 2 5 t h 油页岩，其中1 2 5 t h 的装置建在爱沙尼亚，共有两台，每天可处理6 0 0 0 吨，现在在俄罗 斯的列宁格勒筹建年处理量达2 0 0 万吨的厂，荚困用陶瓷球作为固体热载体对煤进行干馏 取得成功。各幽所用装置的原理相同，但结构形式不同，其中d f 苏联的技术最为成熟。 国外也有一部分学者从不同方面对三联产进行研究。 x i a oj u n 【9 】等人分析了四种部分气化联合循环发电系统的热力性能，他们认为两种使用 空气循环的流化床锅炉的热力系统比两种加压流化床锅炉的热力系统的热效率低。但使用 预热蒸汽气化的循环流化床锅炉的热力系统所产生的煤气热值更高。 n 。c a i l 1 0 】等人研究了煤部分气化和流化床燃烧联合循环( p g f b c c c ) 的热过程。他 们认为p g f b c c c 拥有拥有逐步能量转化和利用的优势，而这可以获得低散热的高热效 率。他们研究了四种p g f b c c c ，两种基于压力流化床燃烧( p f b c ) ，另外两种是关于 大气流化床燃烧( a f b c ) 。 s d e 和p k n a g 】两人研究了煤部分气化加压燃烧蒸汽联合循环的热力分析。他们认 为最适宜的煤气压力比决定于静电能和全面效率的合理折中。当全面效率达到最佳的汽轮 机入口温度时有最大值。相应的部分气化给煤及加压燃烧也受静电能和全面效率的合理折 中的影响。循环电能的输出随着煤气化程度的增加而增加。 s v m a k a r y t c h e v 1 2 - 1 3 】等人对空气循环流化床锅炉给煤量为1 5 0 k g h 的煤气、电联产系 统进行热力分析，他们发现气电联产系统对煤的利用是简单、高效、环保的。煤气发生装 置的第一、第二定律效率分别为3 5 平n2 7 6 ，发电装置的第一、第二定律效率分别为 1 5 4 和1 4 6 ，整个系统的第一、第二定律效率分别为5 0 4 和4 2 2 。另外， s v m a k a r y t c h e v 还对气热联产系统的环境影响进行了第二定律分析，他认为环境的影响是 随着环境效率和环境损害的指数变化而量化。其中部分的损害与系统自身有关，而很大程 度上是由于燃用高硫煤。 m x f a n g l 8 j 等人对煤气、热、电多联产系统进行了试验研究。他们通过试验发现系统 产生的煤气热值为1 0 1 4 m j n m 3 ，煤的转换率超过9 0 ，而且系统消耗低。在试验研究的 基础上，】9 9 5 年在江苏扬州热电，厂建设了一个每小时产3 5 0 0n m 3 于煤气、7 5 r o t 蒸汽的气 热联产系统，运行发现系统拥有较高效率和较好的燃料适用性。 一2 大连理j j ：大学硕士研究生学位论文 l o z z a g 1 1 4 j 比较了“洁净煤燃烧”联合循环电站中煤完全气化( i g g c ) 和和流化床锅炉 部分气化( p f b o 的热力分析。煤完全气化和部分气化相同的发电量的基础上，使用了再造 电厂能量平衡和运行预报的计算方法。而且通过完整的第二定律分析发现( p f b c l 的效率始 终比i g g c 高，所以煤部分气化联合循环发电方案是更可行的煤利用方案。 国内很多研究单位早在8 0 年代就开始提出了三联产、多联供的概念，对将煤的热 解、气化、燃烧相结合的联产技术进行探索和研究1 9 j 。近年来引进了国外先进的德士古和 壳牌气化炉如上海焦化厂的德士古气化炉等，但仍存在着一些问题。中国科学院山西煤炭 化学研究所，在国家计委、国家科技部和中国科学院的大力支持下研究开发了“灰熔聚流 化床粉煤气化”技术，目前已经完成了1 0 0 吨煤日，氧气、蒸汽鼓风制化工合成气的工业 示范装置运行，可阻烟煤、褐煤粉煤为原料，制取不同热值要求的工业燃料气和化工合成 气。 早在8 0 年代，清华大学的徐秀清、沈幼庭1 1 5 j 等人提出的以流化床热解为基础的固体 热载体煤气一蒸汽联产炉方案，介绍了循环流化床煤气一蒸汽联产炉的开发，为我国煤的 气化提供了一条煤种适应性广、投资省的有效途径。 浙江大学岑可法、骆仲泱【1 6 】等人以现有循环流化床技术为基础，负责完成了3 5 t m ， 7 5 t h ，2 2 0 1 h ，4 5 0 t h 等1 0 多个煤气、热、电多联产装置的可行性研究。研究表明，煤 气、热、电装置具有结构简单、高效、低污染、投资省、见效快等特点。技术经济分析表 明，建设三联产装置是我国目前中小城市煤气化的一条切实可行的途径。浙江大学的刘耀 鑫、方梦祥【l7 】等人比较了循环流化床热、电、气多联产技术的3 种方案。得出了水蒸气引 射再循环煤气气化是比较理想的多联产方案的结论。 王新雷、张雷等人【1 8 1 ”j 分析了热、电、煤气“三联产”工艺制气系统能量转换效率。 在实际运行中“三联产”制气系统的能量转换效率及干馏器系统的热效率比其它煤制气工 艺高。热、电、煤气“三联产”工艺在将低品质热能转化为高品质热能、大大改善环境的 同时，还具有良好的节能效果。 薛希群圆】通过固定床干馏气化方案和流化床干馏气化方案两种煤气、热、电三联产方 案的比较得出采用流化床干馏气化炉的方案比较好，因为使用流化床干馏气化方案，对于 燃用褐煤、高硫烟煤等地区，能低成本实现集中供气、供电、供煤气。 吴文渊、张子栋、赵刚【2 1 - z 3 等人建立了热载体流化床干馏炉的物料和热量平衡模型， 讨论了热载体温度、干馏温度、流化介质温度等对热载体循环率的影响。同时编制了制气 煤干馏过程和循环流化床锅炉的容量确定的计算程序，考查了干馏温度和煤种对锅炉容量 的影响。 3 一 薛永镣：气化过程对多联产系统能鼙剐删率作f l j 的分析 煤气、热、电三联产系统可以看成热电联产系统加干馏煤气发生炉，由0 热电联产：技 术发展的已经比较成熟，所以国内外许多学者把研究三联产系统的重点放在煤部分气化方 面。 向银花口4 2 1 等分析了部分气化焦的燃烧特性，考察了煤种、气化率、脱灰、不同的气 化剂等对部分气化焦燃烧特性的影响。结果表明，煤种不同，部分气化焦的燃烧特性不 同：c 0 2 气氛下气化所得焦的最大燃烧速率随着气化率的增加而减小，同时二次峰越来越 明显。向银花建立了部分气化、燃烧集成优化的经济评价模型，并通过对模型的模拟汁算 发现：采用集成技术在提高煤炭利用率的同时，也可提高经济效益；提高气化温度，可以 提高煤焦最优气化率，从而可提高总体经济效益。煤种不同，最优气化率不同，活性越高 的煤其最优气化率越大。 胡平放1 2 6 】在新型流化床粉煤气化炉中闽试验装置上进行了冷念试验和煤气热值的部分 热念试验。结果表明，炉温、煤处理量、空气预热温度及给煤口位置对煤气热值有影响，指 出适当选择这些参数有利于提高流化床部分气化煤气热值。 黄亚继鲫等人以空气和水蒸气为气化剂，在小型循环流化床上对3 种不同煤种进行了 部分煤气化试验研究。结果表明，气化过程产生的焦油很少，随着空煤比的增加，煤气中 氢、一氧化碳、甲烷的含量呈减少趋势：汽煤比的增加能加大煤气中氢、一氧化碳的含 量；气化温度是影响煤气成分的主要因素，床层高度和煤种对煤气成分也有影响，钙、 钠、钾等碱土金属化合物对煤气化具有催化作用。 朱子彬等对烟煤快速加氢热解产物进行研究油和水，半焦中残留挥发分。他们发现 在氢气氛中快速热解生成半焦中的挥发分低于氮气氛，残留挥发分的多少是衡量快速热解 反应程度的标志。加氢热解后生成半焦的堆密度仅为原煤的l 3 5 ，活性半焦直接加氢反应 生成甲烷是引起半焦密度减小的主要原因之一。轻质烃产率与焦油生成量有关，焦油加氢 二次反应是轻质烃生成的主要途径。氢气氛中热解生成的水多于氮气氛，气相中氢与煤中 氧的结合是水生成的主要过程。 国内外很多学者对煤部分气化后的固体产物半焦的燃烧机理进行研究。 b c y o n 9 1 2 9 等人使用热重分析法对褐煤半焦的燃烧速率进行了研究，认为在不同的反 应温度下半焦的燃烧方式不同，因此活化能也不尽相同。他们认为在温度高于7 0 0 k 的情 况下燃烧受氧扩散控制，而在低于7 0 0 k 时燃烧受化学动力学控制，活化能大大增加。 j e h u s t a r d l 3 0 等人利用甲烷燃烧加热倒吹管式炉对半焦的燃烧速率进行了测量。他们 使用粒径为9 0 3 6 0um 的半焦粒子进行实验，发现其实际燃烧速率远远小于扩散控制的 燃烧速率，半焦粒径越小，两者差别越明显。他们同时对半焦密度和粒径与燃尽度的关系 进行了研究，发现在燃烧过程中，半焦密度与粒径均不同程度地减小。 4 一 大连理1 大学硕士研究生学位论文 a b a y l i n g 、o s e n n e c a 【3 1 1 ”j 等人利用电加热倒吹管式炉研究了粉状半焦的动力学参 数。发现在燃烧过程中随半焦粒径增大，其颗粒温度与载流气体温度差距越来越大。对于 大粒径半焦，其温度可以比气体温度高出几百度。 傅维标【3 3 】等人认为，煤焦的表面反应活化能e 与煤种无关，而只取决于温度；但其反 应频率因子k n 与煤种有密切关系。在此基础上，他们给出了一种确定煤焦燃烧反应动力学 参数的新方法。依据他们给出的计算方法，只要知道煤的工业分析基参数，即可算出1 ( 1 值。此外，他们还认为1 ( 0 不仅与煤种有关，而还与煤焦的燃烧状态有关，并给出了它们之 间的定量关系。另外，傅维标俐等研究了煤焦的还原气化问题。他们认为，煤焦的比表面 积越大，其气化反应速率越大。 沈胜强【3 5 等人对单颗半焦粒子着火与燃烧过程进行了研究，测定了几种尺寸的半焦粒 子在不同环境温度下的着火温度、着火滞燃期、燃烬时间和燃烧过程中的粒子温度等参数 的变化，并给出了描述半焦粒子的燃烧模型。他们在实验中发现随着半焦粒子直径的增 大，其着火温度有所降低，而滞燃期明显延长，半焦粒子的燃尽时间与粒子直径呈近似线性 增长的关系。当外界温度较高时，半焦粒子的燃尽时间相应缩短。另外，半焦粒子温度的 变化取决于粒子燃烧产生的热量和粒子与周围环境交换的热量之差。在整个燃烧过程中， 半焦粒子的温度大致呈上升一大致稳定一下降的趋势。 刘鑫p 6 】等人建立了半焦的球对称粒子团燃烧的准稳态模型，对粒子团的燃烧速率和粒 子温度进行了半分析一半数值求解。他们定义了组燃烧数g 认为随着组燃烧数g 的增 大，粒子温度降低，并且火焰位置将逐渐远离粒子团表面，如果不同粒径的g 值相同，那 么小粒径粒子团的温度将高于大粒径粒子团的温度。同时，粒子团的燃烧速率、粒子温度 与燃烧处于冻结流或平衡流状态无关。 赵宗彬吲等选用9 5 0 下热解制得的半焦，在适应固定床反应器上在常压、4 0 0 。c 9 5 0 温度范围内考察了其还原n o 的反应性，研究了煤中矿物质对n p 一半焦还原反应的 机理和反应动力学特性。他们发现：煤中的矿物质一般对n 口一半焦反应有催化作用，作 用大小与含量、组成有关，含惰性组分高的矿物质对n d 一半焦反应有抑制作用；半焦还 原n o 反应存在着明显的双温区现象，低温、高温反应机理不同，反应的活化能值有较大 的差异。 盛宏至 3 8 - 4 0 l 等人研究t n 用不同煤种在不同温度下制备的半焦的性质差异与各组分含 量的变化趋势。他们认为随着加热温度的上升，半焦中的挥发份百分含量均呈持续下降趋 势，而固定碳和灰分则呈上升趋势，烟煤所制半焦的这一趋势比无烟煤所制半焦更为显 著。在较高的温度区间内部分挥发份会热解或发生燃烧反应而转变为固定碳，因此较高气 化温度下得到的半焦中固定碳绝对含量大于较低气化温度下得到的半焦。7 5 0 | 。c 至08 5 0 。c 为 5 薛永锋：气化过程对多联。系统能艟利j h 率作_ l j 的分析 煤部分气化技术较理想的气化温度，煤气产率大，气化代价低。更高的温度对提高煤气产 率作用不明显。 】2 三联产技术的多种方案 1 2 1 气化炉不同的两种三联产技术方案 目前国内三联产方案中的燃烧炉基本i - 都是采用循环流化床锅炉，利用循环流化床高 温循环物料来提供气化热源，气化炉则分别采用了固定床和流化床二种方案”“。 1 2 1 l 固定床干馏气化方案 煤气 化炉 幽1 1 定床干馏气化方案 f i g 1 1f i x e db e d g a s i f i c a t i o nb o i l e r 煤气 料 幽1 2 流化床干馏气化方案 f i g 1 2f l u i db e dg a s i f i c a t i o nb o i l e r 气化炉采用固定床不需额外鼓风，高温物料和煤从气化炉上部进入混合后在炉内干馏 气化，所产煤气从上部排出，半焦和循环物料则从下部排出送入燃烧炉，该方案结构简 单，运行操作方便，但关键必须解决好煤和高温物料混合均匀性。否则，局部煤的堆积受 热会引起结渣，影响系统的正常运行，可采用双螺旋绞笼回转窑，以及机械搅拌、播散的方 法使煤和狄混合均匀( 如图1 1 所示) 。此外，出于固定床裂解速度慢，煤气难逸出，应采用 机械搅拌等方法将煤气导出，但这些机械部件在高温f 运行可靠性包括变形、磨损、冷却 等问题要仔细考虑。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 2 流化床干馏气化方案 气化炉为流化床( 图1 2 ) ，采用煤气或蒸汽鼓风，由于流化床混合均匀、加热速度快、 煤气产量高、焦油少，此外产生煤气能及时被鼓风带出，因此避免了固定床方案中难解决 的煤灰混合和煤气导出等问题。但它需要高压气源，此外流化气体在炉内吸热后，又在尾 部被冷却。因此，会形成一定的热损失。 1 2 2 流化介质不同的多种三联产方案 多联产技术主要用于在热电联产基础上产生中热值煤气，因此对流化气化介质要求较 高。根据所选取流化气化介质的不同，多联产技术主要有再循环煤气热解、水蒸汽气化、 水蒸汽引射再循环煤气气化3 种方案【”。 1 2 2 1 再循环煤气热解方案( 方案1 ) 图1 3 再循环煤气热解方案 f i g 1 3c a r b o n i z a t i o np r o j e c tw i t hr e c y c l eg a s 再循环煤气热解方案基本工艺流程如图1 _ 3 所示。煤在气化炉内热解，产生的煤气经 除尘净化后，一部分输出，另一部分送入流化床气化炉作为流化介质；气化炉中半焦及放 热后的循环灰通过返料装置进入循环流化床锅炉，半焦在锅炉内燃烧，加热锅炉给水产生 蒸汽，用于发电、供热；气化炉内热解反应所需热量由流化床锅炉循环热灰提供。理论上 认为高温再循环煤气是理想的流化介质，它不需进行额# l - d r l 热就可达到很高温度，送入流 化床中可提高热利用率，但这一过程要用到高温煤气压缩机，这样就使其在技术上很难实 现。因此本方案中流化介质采用的是低温净化后的再循环煤气。 7 薛永锋：气化过样对多联产系统能量利埘率作埘的分析 1 2 2 2 水蒸气气化方案( 方案2 ) 图1 4 给出r 水蒸汽气化方案基本工艺流程，其与方案l 类似，只是方案2 中采用来 自汽轮机的过热蒸汽作为气化刺和流化介质来强化热解、气化过程，这样可以得到更多的 轻质组分。 幽1 4 水蒸气气化方案 f i g 1 4g a s i f i c a t i o np r o j e c tw i t hv a p o r 12 2 3 水蒸汽引射再循环煤气气化方案( 方案3 ) 幽1 ，5 水蒸汽引射再循环煤气气化方案 f i g 1 5g a s i f i c a t i o np r o j e c tw i t hv a p o ra 1 1 dr e c y c l eg a s 方案l 和方案2 各有优点，方案3 则集两者所长，采用来自汽轮机的过热蒸汽引射再 循环煤气作为流化介质，其工艺流程如图1 5 所示。 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 通过分析比较得出以下结论： ( 1 ) 再循环煤气热解方案产生的煤气热值较高，但煤气产量小，辅机能耗较大。 ( 2 ) 采用水蒸汽作为流化气化介质，煤气产量得到提高，辅机能耗减小，不过相对于方 案1 ，系统热效率降低。 ( 3 ) 水蒸汽引射再循环煤气气化集水蒸汽气化、再循环煤气热解两方案所长，既增加 了煤气产量，又降低了辅机能耗，提高了系统热效率，而且通过调整气化剂中两种介质的 比例，可得到比较经济的运行工况。因此，水蒸气引射再循环煤气气化是比较理想的多联 产气化方案。 1 3 本文的主要工作和研究内容 ( 1 ) 建立了煤气热电三联产系统热力系统模型和气热联产系统数学模型，计算了在所给 气热联产系统中不同干馏温度下三种典型煤种在煤部分气化后煤气、半焦的产量和热值及 热解率和产气率。并提出利用能量利用系数来评价气热联产系统。计算此气热联产系统 在不同产汽量，不同干馏温度，不同锅炉负荷量，产热值在6 0 0 0 k j m 3 以上的煤气，剩余 半焦和部分补煤保证1 3 0 t h 锅炉( c f b l 3 0 9 8 1 5 4 0 ) 出力情况下的总给煤量及能量利用系 数。并分析它们之间的规律性变化。 ( 2 ) 根据给定热负荷值，在满足供热、供煤气的前提下，结合现有高压参数相关汽轮机 产品的抽汽量和进汽量，选择两个汽机热电机组方案。通过热经济性分析比较，为煤气、 热、电三联供系统选择合适的汽轮机型。 ( 3 ) 利用娴平衡分析法，对一套煤气、热、电三联产系统进行火甩分析。计算系统各个主 要设备的火用效率，从而衡量装置系统的技术完善程度，找到装置的薄弱环节，确定节能指 标。并通过煤气、热、电三联产系统和热电联产系统的火甩损率的比较，分析哪种系统的能 量利用情况更好。 一9 一 薛永锋：气化过程对多联产系统能蕈利川率作的分析 2 三联产系统的理论模型 2 1 本文采用的三联产系统基本工作原理及特点 供 烟气 f 豳2 1 煤气、热、电多联产装置简幽 f i g 2 1g a sh e a t a n d e l e c t r i c i t y c o - p r o d u c e e q u i p m e n t 本文所研究的三联产装置工作原理见图2 1 。气化室为常压流化床，用水蒸汽和再循 环煤气作气化剂，运行温度为7 5 0 8 0 0 。c ，0 - 8 m m 煤经绞笼给入气化室，首先受热裂 解，析出高热值挥发份，半焦中部分碳和气化剂反应成水煤气，气化吸热由燃烧室的高温 循环物料来提供，气化后半焦随循环物经返料器送入燃烧室燃尽。 锅炉为循环流化床锅炉，空气鼓j x l ，运行温度为9 0 0 9 5 0 。c ，燃用气化室柬得半焦和 部分给煤，产生水蒸气和加热从气化炉来的低温循环物料变成高温物料，经炉膛出口的高 温分离器分离后经返料器再送至气化室提供气化吸热。 从气化炉出来的高温煤气送到高温裂解器使焦油完全裂解，热煤气经出口两级旋风分 离器除尘后，再经高温过热器、锅炉初级省煤器、煤气热交换器加热后变成净煤气，送至 煤气储罐，部分煤气经加压风机加压气体热交换器加热后送回气化炉作流化气体用。从燃 烧室出来的高温烟气经烟气冷却器冷却，除尘器除尘后，经引j x l 机烟囱排入大气。由燃烧 炉产生的蒸汽口t 供汽轮机发电和工业、民用用汽。煤的气化和燃烧采用流化床，如此产生 的煤灰具有良好的活性，可以作为水泥掺合料。 一l o 大连理：r 大学硕士研究生学位论文 上述多联产工艺，综合了燃料热解、气化和燃烧过程，工艺独特。其主要特点有： ( 1 ) 采用循环流化床固体载体技术，装置产生的煤气热值较高，可达8 1 2 m j n m j 以 上，c o 含量低，满足国家有关名用煤气规定，不需特殊的制氧设备和c o 转换工艺。和 同类民用煤气气化炉相比，工艺简单，投资省，运行成本低。 ( 2 ) 采用循环流化床燃烧技术，气化后半焦直接用作锅炉燃料，送燃烧室燃尽，产汽 发电，使燃料中气体和固体成份都得到合理的充分利用。因此，装置燃料利用率较高。 f 3 ) 该工艺对煤粒度也没有特殊的要求，只是采用普通循环床所需的煤粒度，这就避 免了现有煤气化工艺对煤种和煤粒度有严格的限制的缺点。因此，装置的燃料适应性广。 ( 4 ) 本工艺可实现灰渣综合利用，经循环流化床燃烧后灰渣具有很高活性，可作为水 泥掺合料。 ( 5 ) 利用循环流化床高效脱硫、脱硝特点可实现较低的污染物排放。因此，多联产技 术实现了煤的各种成份的合理的有效清洁利用，完全满足国家煤洁净利用要求。 ( 6 1 本工艺分项技术成熟可靠，多联产装置实际是将循环流化床锅炉和流化床气化炉 有机结合，而这两项技术都是很成熟的，从而保证了技术可靠性。 ( 7 ) 采用炉内焦油催化裂解和高温氧化技术使裂解煤气中的焦油基本完全裂解，保证 了煤气系统运行的可靠陛。 2 2 气热联产系统分析模型 三联产系统可以看作热电联产系统前加一个部分气化炉，而关于热电联产的研究已有 很多，本文对热电联产部分将不做分析，重点分析煤的气化和锅炉燃烧部分，即气热联产 过程的分析。 2 2 1 气热联产系统热力系统模型 气热联产装置是将循环流化床锅炉和流化床气化炉紧密结合，实现在一套系统中煤 气、热力的联合生产。 气热联产装置工作原理见图2 2 。气化炉为流化床气化炉，用水蒸汽或再循环煤气作 气化剂，o - s t o r e 煤块在流化床气化炉中受热裂解，析出高热值挥发份，半焦中部分碳和气 化剂反应生成水煤气，气化吸热由循环流化床锅炉的高温循环物料提供，气化后的半焦随 循环物经返料器送入循环流化床锅炉燃烧。由锅炉产生的蒸汽可供汽轮机发电和工业、民 用用汽。循环流化床锅炉由空气鼓风，燃用气化炉来的半焦和部分给煤，产生水蒸气和加 热从气化炉来的循环物料，经炉膛出口的高温分离器分离后，再经返料器送回流化床气化 炉。 一1 1 薛永锋：气化过科对多联产系统能量利_ l f j 率作_ l j 的分析 再循环煤气 剀2 2 气热璇产系统装置简幽 f i g 2 2s i m p l yf i g u r eo f c o m b i n e dh e a ta n dg a ss y s t e me q u i p m e n t 气 从流化床气化炉出柬的高温煤气送到高温裂解器使焦油完全裂解，热煤气经出口两级 旋风分离器除尘后，再经高温过热器、锅炉初级省煤器、煤气热交换器冷却后变成净煤 气，送至煤气储罐，部分煤气经加压j x 【机加压、气体热交换器加热后送回气化炉作流化气 体用。 2 2 2 气热联产系统数学模型 式( 2 ，1 ) 确定不同干馏温度下制气煤的热解率阻l 耻1 2 吧广2 一p ( 高等) ( 2 1 ) 式中，为制气煤的可燃基挥发分，玎) 为干馏温度，t o ( ) 为制气煤初始温度