（动力工程及工程热物理专业论文）常压固定床煤富氧高温气化技术数值研究.pdf

捅要 我国是一个以煤炭为基本能源的大国，煤气化技术是煤炭高效、清洁和环保的基础 技术和关键技术。本文是在淄博万丰煤气设备有限公司的常压固定床单段式煤气发生炉 的煤气化技术基础上进行研究的，针对存在的不足，提出了富氧气化技术和高温气化技 术。富氧气化技术是利用富氧水蒸气连续上吹，取代空气水蒸气气化而制取煤气的； 高温气化技术是指煤在煤气化炉内以高温空气和蒸汽为气化剂完成煤高效制气过程。对 这两种气化技术的气化过程进行了研究，并对这两种技术相结合的煤富氧高温气化过程 也进行研究，拟达到指导现场生产实践的目的。 本文对煤富氧气化过程建立了模型并进行了v b 编程计算，通过实验数据和编程结 果进行对比验证了模型的正确性，得出气化指标随氧含量的变化规律并分析其影响因 素，确定最佳氧含量是在4 5 5 5 之间；对煤高温气化过程进行了a s p e np l u s 软件模拟， 得出气化指标随空气预热温度的变化规律，分析其影响因素，确定最佳的空气温度是在 6 0 0 c 8 0 0 ；在煤高温气化建立的软件模型基础上对煤富氧高温气化过程进行了研究， 确定最佳的气化参数：氧含量是在2 5 3 0 之间，空气预热温度是7 5 0 。煤富氧高温 气化相对于煤富氧气化，最佳氧含量降低了，这是因为同时提高了空气预热温度，带入 的热量增多，无需再过多得增加氧含量；煤富氧高温气化相对于煤高温气化时，最佳空 气预热温度在煤高温气化时的最佳范围内，这是因为富氧提高得不多，影响不大。 关键词：常压固定床煤气发生炉，煤富氧气化，煤高温气化，a s p e np l u s 模拟 n u m e r i c a ls t u d yo no x y g e n e n r i c h e da n dh i g h - t e m p e r a t u r e g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fc o a li na t m o s p h e r i cf i x e db e d l in a ( p o w e r e n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i u x i n g q i a b s t r a c t c o a li st h eb a s i ce n e r g ys o u r c ei no u rc o u n t r y , a n dg a s i f i c a t i o no fc o a li sb a s i ca n dk e y t e c h n o l o g yo fu s i n gc o a le f f i c i e n t l y , c l e a n l ya n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y b a s e do nc o a l g a s i f i c a t i o no fa t m o s p h e r i cf i x e d - b e dg a s i f i e ri nz i b ow a n f e n gg a se q u i p m e n tc o ， l t d ，w ep u tf o r w a r do x y g e n - e n r i c h e da n dh i 曲一t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y a c c o r d i n g t o s h o r t c o m i n g s t h eo x y g e n - e n r i c h e dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i st ou s e o x y g e n - - e n r i c h e di ns t e a do fa i rt op r o d u c eg a s ；t h eh i s h t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i st ou s eh i 班- t e m p e r a t u r ea i rt op r o d u c eg a s w eh a v e d o n er e s e a r c ho nt h i st w ot e c h n o l o g i e s a n dac o m b i n a t i o no ft h e m ，w h i c hw i l lg u i d ep r o d u c t i o np r a c t i c e t h em o d e lo fo x y g e n e n r i c h e dg a s i f i c a t i o np r o c e s sw a se s t a b l i s h e da n di t sa c c u r a c yw a s p r o v e d p r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o nw a s d o n ew i t hv b ，w h i c hd r e wc h a n g eo fg a s i f i c a t i o n i n d e xw i t ho x y g e nf r a c t i o na n di t si n f l u e n c i n gf a c t o rw a sa n a l y z e d , a n dt h eb e s to x y g e n f r a c t i o ns h o u l db e4 5 t o5 5 h i g h - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e dw i t h a s p e np l u s ，w h i c hc o n c l u d e dc h a n g eo fg a s i f i c a t i o ni n d e xw i t ha i rt e m p e r a t u r ea n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o rw a sa n a l y z e d , a n dt h eb e s ta i rt e m p e r a t u r es h o u l db e6 0 0 t 07 0 0 b a s e do ns o f t w a r em o d e lo fh i s h - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o n ，t h ec o m b i n e dg a s i f i c a t i o nw a s s t u d i e d , w h i c hg o tt h eb e s tg a s i f i c a t i o np a r a m e t e r s ：o x y g e nf r a c t i o ns h o u l db e2 5 t o3 0 a n da i r t e m p e r a t u r e s h o u l db e7 5 0 t h ec o m b i n e dg a s i f i c a t i o nw i t h r e s p e c t t o o x y g e n - e n r i c h e dg a s i f i c a t i o n r e d u c e st h eb e s t o x y g e nf r a c t i o n , t h i s i sb e c a u s e h i g h t e m p e r a t u r ea i rc a l lc a l t yg r e a th e a tw i t h o u ta d d i n gt o om u c ho x y g e nf r a c t i o n i tr e l a t i v e t 0l l i g h - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o ni si nt h eb e s ta i rt e m p e r a t u r er a n g e ，t h i si sb e c a u s eo x y g e n f r a c t i o nw a si n c r e a s e dal i t t l e ，w h i c hh a dt h es l i g h t e s te f f e c t k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i c 丘) 【e d b e dg a s i f i e r ；o x y g e n - e n r i c h e dg a s i f i c a t i o no fc o a l ； h i g h t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o no fc o a l ；a s p e np l u ss i m u l a t i o n 主要符号表 7 8 - - 气化效率； 仇一热效率； 既，g 一煤气热值，k j n m 3 ； 名一煤气产率，m 3 k g ； 既。一单位煤发热量，k j k g ； 矿一产物煤气体积，m 3 ； 乙一煤气温度，； c , - - 煤气比热容，k j ( n m 3 ) ； 一耗煤量，k g ； 0 一水蒸气焓值，k j k g ： 肌。一水蒸气消耗量，k g ； 圪一煤气产率，m 3 k g ； c g 一煤气中的含碳量，k g ( k g 煤) ； 矿一产物煤气体积，m 3 ； 他一耗煤量，k g ； g 一气化强度，k g ( m 2 h ) ； d 一发生炉内径，m ； 名一气化时间，h ； 矿一单炉生产能力，m 3 h ； 圪一空气比消耗量，m 3 俺； g 一煤气中氮的百分含量，； 一煤中氮的百分含量，； k 一空气消耗量，m 3 ； g 一系统g i b b s 自由能； s 一单独存在的相，如固体颗粒； 尸一相的个数； c 一组分数； z 一元素数目； m 庸一组分的原子矩阵； 玩一元素的摩尔数； q 一系统热损失 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，对煤、石油、天然气这些宝贵的化工原 料的节约特别重要。尤其是石油的世界贮量相对较少，我国自1 9 9 3 年起，石油已开始 靠进口满足国内需求【l 】，截止2 0 1 1 年8 月原油对外依存度已飙升到5 5 2 ，能源形势十 分严峻。鉴于国内煤炭资源丰富，发展煤化工，以“煤代油”可以减轻对石油的依赖， 有利于我国石油替代能源战略的实施和能源结构的优化【2 】。 我国是一个储煤、产煤大国，是以煤炭为基本能源的大国【3 】，煤炭的利用方法和技 术对我们的经济、环境和能源有着重大影响。在煤炭的利用中，大约有4 5 1 4 的煤用于 燃烧，燃烧效率低；煤中主要成分碳，也会有硫、氮等元素，因此燃烧会产生硫化物和 氮氧化物，这些废气对环境造成严重污染，对人类身体健康也造成危害，使得酸雨和地 球温室效应等现象加剧等1 4 。此外，近几年人们的环保意识不断增强，国际油价不断上 涨。因此，我们很有必要发展具有经济效益和环境效应的洁净煤技术，煤气化技术就是 洁净煤技术中的一个重要内容【5 】。煤气化技术是指将固体煤在气化炉内与气化剂作用产 生可燃气体( 煤气) 的一个物理化学过程。 本文是针对淄博万丰煤气设备有限公司的常压固定床单段式煤气发生炉的煤气化 技术进行研究的，该公司目前采用的是煤气化技术，是利用煤与普通空气，水蒸气在炉 内反应制取煤气。这种气化技术产生的煤气中含有n 2 和c 0 2 等不可燃气体较多，这些 气体会带走大量的热量，造成能量的损失和浪费，煤气的热值也较低，燃料煤的利用不 充分，气化效率和热效率低等等。为解决存在的以上问题，我们提出在该公司的常压固 定床单段式煤气发生炉进行煤富氧气化技术和煤高温气化技术。本文打算对这两种气化 技术的气化过程进行研究，并对这两种技术相结合的煤富氧高温气化过程也进行研究， 拟达到指导现场生产实践的目的。 煤富氧气化技术，是指煤与富氧水蒸气在炉内反应制取煤气，富氧就是空气中氧 含量大于2 1 的空气( 普通空气中的氧含量约为2 1 ) 。煤高温气化技术，是指煤在煤 气化炉内以高温空气和蒸汽为气化剂完成煤高效制气过程。这两种技术使得煤的利用提 高，气化充分，气化速度加快，气化效率和气化强度增大，煤气热值提高，大大延长有 效制气时间。同时，废气排放量大大减少，有效地控制对环境的污染，是环境友好的工 艺。煤富氧气化和高温气化技术为国内的洁净煤技术提供了新的思路和方法，具有污染 第一章绪论 小、成本低、耗能少等突出优点，达到了节能环保的目的，造福于人类自己；适合我国 国情，是降低煤消耗量、残碳含量和提高煤气热值的有效途径，具有重要的现实意义及 广阔的产业化前景，具有一定的科研价值和社会价值。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外，1 9 2 5 年有人在生产水煤气的煤气发生炉上进行了焦炭的煤富氧气化实验， 直到四五十年代，美国、加拿大和德国等国家也开始将此技术应用到工业的生产实践中， 并且取得良好的效果，使得煤气发生炉的生产能力提高了4 0 6 0 ，冷煤气效率也从 6 2 提高到9 0 6 j 。二十世纪五十年代，美国在u g i 炉上做了尝试性的试验，用纯氧焦 炭进行连续气化，后来因为遇到开发天然气制氨的困难而停止试验【7 】a 在二十世纪六十 年代，西方一些发达国家和前苏联就开始研究煤富氧气化技术，经过十几年的研究和发 展后取得了不错的效果。日本也曾经进行过富氧气化的应用试验，主要是在以煤、油、 气为燃料进行燃烧或气化的装置上面进行的，经过各种富氧气化试验后达到了节能的目 的，得出如下结论【8 】：当氧含量为2 3 时可以节能1 0 2 5 ；当氧含量为2 5 时可以 节能2 0 - 4 0 ；当氧含量为2 7 时可以节能高达3 0 5 0 等。美国w o l v e r i n e 铜冶 炼厂也采用了富氧技术，他们把氧含量提高到2 9 ，试验后节约了大于3 0 的燃料。 德国在一座马蹄型蓄热炉装置上进行了氧含量为2 7 的试验，增加了5 6 2 的熔化率， 节约2 0 的燃料消耗量，而提高了1 0 0 c 的熔化温度【9 】。瑞典和英国在滚轧和铝熔炉的 实验装置上进行了2 5 2 7 氧含量的试验，提高了原设备1 7 3 9 的生产率，节约了 1 2 一2 8 的燃料 6 1 。此外，法国和捷克1 6 等其他国家均有富氧试验的报道。 二十世纪九十年代，高温空气气化技术开始兴起并发展，在能源利用领域成为了一 项高新技术 1 们。该技术是燃料煤与高温空气进行气化，具有操作简单、能耗低、气化效 率和热效率高、燃气热值高、经济效益高等特点，是一项具有推广意义和现实意义的新 气化技术，具有很大的发展前景和市场潜力。二十世纪八十年代末，日本田中良一等人 提出高温空气燃烧技术 u - t 2 】，这是一种全新概念的燃烧技术，该技术有机地结合了烟气 回收余热和低氮氧化物技术，实现极限节能和环保的双重目的。同时，它也促进了高温 空气气化技术的极速发展应用，并提供了可靠的高温空气来源 1 3 - 1 5 1 。在国际上，人们在 不同的领域中向高温空气燃烧技术的方向进行研究发展，固体物料气化就是其中一个重 要的领域。日本早已在一辆平板卡车上设计出了一套小型的高温空气气化试验系统，该 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统具有操作简单、热工性能良好的特点；i g c c 发电厂采用高温空气气化后，热效率 超过了4 0 ，一些更先进的煤气化发电系统的发电效率则超过了6 0 ；高温气化的产 物煤气的热值可达到5 8 5 0k j m 3 【1 6 1 。在日本，高温空气气化技术主要应用于各种工业炉 窑、熔炼炉、电站锅炉、热处理炉和加热炉等热设备，还用于处理和转化燃料，以及处 理过程产生的各种废弃物等f 1 7 1 。在日本政府的大力帮助、支持和宣传下，日本及其周边 的一些亚洲国家也开始推广应用该项技术。整个技术主要是在发达国家进行发展和应用 的，基本上是按照英国日本美国德国意大利荷型1 刀等的顺序先后采用该项先进的高 新技术。 1 2 2 国内研究现状 在国内，目前淮南化肥厂、云南解放军化肥厂和吉林化肥厂 1 8 】，采用的是煤富氧气 化技术制取水煤气。实际上，很多工厂已经在常压固定床煤气发生炉上采用了煤富氧连 续气化技术，取得很好成果。该技术具有产量多、煤气热值高、气化强度大、气化效率 和热效率高、节能环保、经济效益高等优点0 8 。在1 9 9 2 年，成都齐益科技研究设计所 首次提出煤( 焦) 富氧连续气化及净化工艺【1 9 1 ，并进行了试验研究，验证该技术可行性， 带来了显著的经济效益和环境效益。杭州建新浮法玻璃工业有限公司【2 0 1 、抚顺特殊钢集 团有限责任公司【2 1 】也在两段式煤气发生炉装置上采用了富气气化技术，成功地取得了节 能环保、降低成本的良好效果。吉林化学工业公司于1 9 6 5 年改造了现有的固定床煤气 发生炉【2 1 1 ，因为该公司富氧比较丰富，利用这点优势，在这套煤气炉装置上进行了富氧 连续气化试验，并取得了成功。在1 9 7 5 年，淮南化工总厂也改造了一台间歇煤气发生 炉【2 2 1 ，采用了富氧连续气化技术，也取得了良好的效果。上海焦化总厂成功地改造了6 台u g i 炉1 2 ”，采用了富氧气化技术，大大提高了炉子的生产能力，满足了城市煤气的 需要，达到节能降耗目的，以较少的投资赢得了较大的利益。山西省化工设计院打算在 晋城矿务局2 0 万忱甲醇项目和山西静乐天柱山化肥有限责任公司30 30 项目中使用 富氧气化技术【2 4 1 ，目前已开展了工程设计工作。河南平顶山化肥厂、福建三明化工厂和 河南开封化肥厂都在u g i 炉上进行富氧和蒸汽连续上吹气化制取合成氨原料气【2 4 】，并 且运行很成功，这是我国对u g i 炉的改进和提高。吉林长山化肥集团长达有限公司( 原 吉林省长山化肥厂) 在2 0 0 0 年6 月因原料缺乏和经济困难等原因而停产，公司开始想办 法拯救，在2 0 0 1 年3 月开始采用固定床富氧连续气化技术2 5 1 ，经过这一系列的改造之 后，公司开始了正常的生产。在“以煤代油”的过程中，浙江巨化股份有限公司合成氨 3 第一章绪论 厂也选择了富氧气化技术【2 6 1 ，进行了反复的探索和试验，取得了成功，采用富氧后煤气 产量显著增加，煤的利用率提高，产物中污染物减少，既节约能源又保护环境。此外， 吴泾化工总厂、迁安化肥厂、黑龙江化工总厂、昆明磷肥厂动力分厂和丹阳化肥厂等也 纷纷采用了煤富氧连续气化技术【2 7 1 ，都改造得很成功。 1 9 8 6 年，汤健中申请了“煤高温气化法专利1 6 1 。该工艺把燃料煤的气化剂改为 1 0 0 0 c 1 6 0 0 的高温空气和蒸汽的混合气，其中蒸汽占气化剂总量的4 0 7 5 ，利用 蓄热式热风炉预热气化剂，由煤气发生炉生产的煤气供给热风炉作为燃料1 6 1 。煤高温气 化技术可以提高了煤气热值，大幅度降低了成本，节约了能源。目前，国内的高温空气 气化技术的研究发展还处于刚刚起步阶段，现在只有中南大学、清华大学和东北大学在 进行该项技术的研究1 6 1 。 1 3 研究内容 本课题的主要任务是通过相关文献熟悉常压固定床煤气发生炉气化工艺及设备，对 现有气化工艺深入研究和分析，对煤富氧气化过程建立了模型并进行v b 编程计算，对 煤高温气化过程进行了a s p e np l u s 软件模拟，在煤高温气化建立的软件模型基础上对煤 富氧高温气化过程进行了研究，分别对结果进行分析并找出最佳气化参数，为这三种气 化技术的工业化提供技术支持。 具体研究内容如下： 1 、掌握煤气化工艺及设备，通过查阅文献熟悉现有煤气化工艺的优缺点； 2 、对煤富氧气化过程建立了模型并进行v b 编程计算； ( 1 ) 气化过程模型建立 干馏段 在干馏段，煤中水分完全转化为水蒸气，h 、o 、n 、s 各元素完全( 不包括灰中各 元素含量) 转化到h 2 s 、n 2 、n h 3 、c o 、c 0 2 、c i - h 等气体中去。它们转化率的值根据 煤的干馏经验数据得出，由各元素转化率可以计算出干馏段生成气体的组成和量。 表1 - 1 煤中h 、o 、n 、s 各元素转化率 t a b l e l 1c o n v e r s i o nr a t eo fh 、0 、n 、si nc o a l 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气化段计算 虽然实际上在发生炉内进行的化学反应比较复杂，但为了研究方便，为了在理论上 便于分析，设制取发生炉煤气的各反应式可按盖斯定律加以综合得： 2 c + 0 2 + 3 7 6 n 2 = 2 c o + 3 7 6 n 2h = - - 2 4 6 4 m j k m 0 1 c + h 2 0 = c o + h 2h = i18 8 m j k m o l 满足热平衡时的综合方程式为： 4 0 7 c + 0 2 + 2 0 7 h 2 0 + 3 7 6 n 2 - - 4 0 7 c 0 + 2 0 7 h 2 + 3 7 6 n 2 由上式根据计量关系可由碳的量计算生成的煤气量。 ( 2 ) 气化效率和热效率的计算 焦油产量及煤和空气的显热可忽略不计，气化效率和热效率仉分别按下式计算： 驴警。 ”糕圳。 式中 r , 一气化效率；仇热效率；q 咏一煤气热值，k j n m 3 ；名一煤气产率，m 3 k g ； q 咖一单位煤发热量，k j k g ；y 一产物煤气体积，m 3 ；l 一煤气温度，。c ； c g 一煤气比热容，k j ( n m 3 ) ；他一耗煤量，k g ；i 。一水蒸气焓值，l d k g ； m 。一水蒸气消耗量，蚝。 3 、对煤高温气化过程进行了a s p e np l u s 软件模拟； 图1 - 1 基于a s p e np l u s 的煤气化模型示意图 f i g l 1 s c h e m a t i co fc a o i - g a s f i c a t i o nm o d e lb a s e do na s p e np l u s 5 第一章绪论 4 、在煤高温气化建立的软件模型基础上对煤富氧高温气化过程进行研究； 5 、对三种气化过程结果分析，找出最佳的气化参数。 表1 2 气化参数和气化指标 t a b l e l - 2g a s i f i c a t i o np a r a m e t e r sa n dg a s i f i c a t i o ni n d e x 1 4 技术路线 气化参数气化指标 空气预热温度 空气煤比 蒸汽煤比 气化温度 煤气组成 煤气热值 气化效率 热效率 碳转化率 课题研究过程中所采取的技术路线如下： ( 1 ) 技术资料准备 煤气发生炉的现场调研； 煤气发生炉气化工艺、煤富氧和煤高温气化技术研究现状资料查询； ( 2 ) 煤富氧气化过程编程计算 建立煤富氧气化过程模型； 根据模型用v b 编程； 对编程结果进行分析并找出最佳氧含量； ( 3 ) 煤高温气化过程数值模拟研究 学习a s p e np l u s 软件，利用a s p e np l u s 软件进行煤高温气化过程模拟； 研究气化参数对气化过程的影响，找出最佳空气预热温度； ( 4 ) 煤富氧气化和煤高温气化相结合的气化过程研究 利用a s p e np l u s 软件进行煤富氧高温气化过程模拟； 对模拟结果进行分析，找出最佳气化参数； 与煤富氧气化过程和煤高温气化过程结果进行比较并分析原因。 本文的创新点为： ( 1 ) 本课题针对常压固定床煤气发生炉的煤富氧气化过程建立了一种可行的模型； ( 2 ) 用a s p e np l u s 软件将煤富氧气化和煤高温气化结合的气化过程进行模拟，寻 求到最优的气化参数。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章煤气化过程研究 2 1 煤气发生炉气化过程 煤气化过程是一系列复杂的物理和化学变化过程，过程通过热量推动整个过程的正 常连续进行2 8 1 。下面简要地介绍一下煤气化过程，以图2 1 所示为例，该图为逆流式固 定床煤气发生炉的示意图，整个床层从上往下可划分为干燥区、干馏区、还原区( 气化 区) 、氧化区( 燃烧区) 和灰渣区五部分【2 9 1 。其实各个床层之间并没有明确的划分界线， 我们是为了研究的方便才将其分区的。 燃料 出口 图2 - 1 逆流式煤气化炉示意图 f i 9 2 - ls c h e m a t i co fc a o lg a s f i e rw i t hc o u n t e r - c u r r e n t 固定床煤气发生炉的炉体是圆筒形的，外边带有夹套，其内是软化水，受热产生蒸 汽提供气化反应的气化剂；炉体上部有燃料煤进口、产物煤气出口；底部装有一个旋转 的炉篦，起支承和均匀分布气化剂作用。燃料煤由加煤装置从上部燃料入口进入炉内， 气化剂由下部炉篦上的缝隙进入，经灰渣层预热和炉篦均匀分布后，与燃料煤接触进行 一系列的反应。燃料煤中的碳与气化剂中的氧气进行氧化反应，生成大量的二氧化碳和 少量的一氧化碳并放出大量的热量【2 8 1 ，该层就是氧化区；氧化区的产物和剩下的气化剂 一起上升，二氧化碳与气化剂中的水蒸汽分别与碳接触进行还原反应，生成一氧化碳和 氢气f 2 8 1 ，该层就是图中所示的还原区，煤气的质量主要取决于一氧化碳和氢气的含量， 所以还原区对整个气化过程而言是非常重要的。还原区的产物和剩下的气化剂继续上 升，此时这些气体含有大量的热，可以对燃料煤进行加热，使煤干馏，该层即为干馏区。 干馏区的产物和其他下边两区的产物就是产物煤气，这些气体还要继续上升，对入口的 燃料煤进行干燥，该层就是干燥区。最后，这些气体上升到炉子上部，从煤气出口排出。 燃料煤经过一系列的反应之后，不断地往下移动，到炉底时变成灰渣落在炉篦上，然后 7 第二章煤气化过程研究 经炉篦旋转进入下部的灰斗，最后通过水封盘清除出去。 炉内各区的反应如下： 干燥区：湿煤墅干煤+ h 2 0 干馏区：干煤型! o 煤气( c 0 2 、c o 、h 2 、c i - h 、h 2 0 、n h 3 、h 2 s ) + 焦油+ 焦炭快反应 气化段：c + c 0 2 = 2 c 0 1 6 2 4m j慢反应 c + h 2 0 ( g ) - c o + h 2 1 1 8 8m j 慢反应 c o + h 2 0 ( g ) = c 0 2 + h 2 + 4 3 。6m j 快反应 c + 2 h 2 0 ( g ) - c 0 2 + 2 h 2 7 5 2m j 慢反应 氧化段：c + 0 2 = c 0 2 + 4 0 8 8m j快反应 2 c + 0 2 = 2 c 0 + 2 4 6 4m j快反应 固定床煤气发生炉内燃料层的分层及其特点见表2 1 。 表2 1 固定床发生炉内各层介绍 t a b l e 2 - - 1i n t r o d u c t i o no fe a c hl a y e ri nf i x e d - b e dc o a lg a s f i e r 煤气化过程包括煤的干燥、热解( 也称干馏) 、气化三部分，煤干燥是简单的物理 过程，煤的热解( 干馏) 指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程，煤的气化则包括 非均相气一固反应和均相的气相反应两种反应类型3 0 1 。 8 ) ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 7 厶 二 厶 二 二 二 二 ( ( ( ( ( ( ( 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 煤气发生炉气化指标 2 2 1 气化指标 气化指标( 气化过程的指标) 是衡量一个煤气发生炉管理和操作水平高低的重要因 素，也决定着经济效益。气化指标主要有：煤气质量、煤气产率、气化强度、单炉生产 能力、比消耗量、碳转化率、气化效率和热效率。 ( 1 ) 煤气质量 煤气质量主要包括煤气组分组成和煤气发热量。煤气中含有c o 、i - 1 2 等为主的可燃 气体和n 2 、c 0 2 等不可燃气体。一般，当可燃气体含量高时，煤气热值就高，煤气质 量就好；反之，则煤气质量就不好。 ( 2 ) 煤气产率 煤气产率也称为气化率，指的是产物煤气量与所消耗煤量的比值。当知道煤气组分 组成时，可以根据碳平衡原理计算煤气产率，计算公式如下： 圪： 垦兰! 竺竺 ( 2 8 ) 。8 ( c 0 2 + c o + c h 4 + c 2 h 4 ) 0 5 3 6 。 式中，圪一煤气产率，m 3 瓜g ； c g 一煤气中的含碳量，k ( k g 煤) ； c o ：、c o 、c h 。、c ：h 。一煤气中含碳气体的百分含量，； 1 2 k g 2 2 4m 3 = 0 5 3 6 k g m 3 。 另外一种简单计算公式是： k = 善 协9 ， 式中，v 产物煤气体积，1 1 2 3 ； 一耗煤量，k g 。 ( 3 ) 气化强度 气化强度指的是单位时间单位截面面积所消耗的原料煤量。气化强度与煤气发生炉 的结构和煤的性质有关。计算公式如下： g ：氅( 2 - 1 0 ) z r d 2 名 9 i 生兰堂垡塾堡婴塞 式中，g 一气化强度，k g ( m 2 h ) ： 他一耗煤量，k g ； d 一发生炉内径，m ： 名一气化时间，h 。 ( 4 ) 单炉生产能力 单炉生产能力指的是单台煤气发生炉单位时间产生的煤气量。计算公式如下： 形= 互d 2 矿g (211)4 g 、_ 一 式中，形一单炉生产能力，m 3 h ： d 一发生炉内径，m ： 名一煤气产率，m 3 k g ； g 一气化强度，蚓( m 2 h ) 。 ( 5 ) 比消耗量 比消耗量指的是消耗的气化剂量与消耗的原料煤量的比值。气化剂中包括空气和水 蒸气。 根据氮平衡来计算空气消耗量，计算公式如下： 圪= 嘉( g 名一函n ) ( 2 - 1 2 ) 式中，圪空气比消耗量，m 3 k g ； g 一煤气中氮的百分含量，： 名煤气产率，m 3 k g ； 煤中氮的百分含量，： 2 8 k g 2 2 4m 3 - - 1 2 5 k g m 3 。 另外一种简单计算公式是： 式中，k 一空气消耗量，m 3 ； 镌一耗煤量，坞。 形：圣( 2 - 1 3 ) ，他 1 0 蒸汽比消耗量需要根据鼓风饱和温度来决定。表2 2 所示为常用范围内蒸汽饱和含 量表【2 9 1 。由表2 - 2 查到的水蒸气含量乘以空气比消耗量就得蒸汽比消耗量。 表2 - 2 鼓风饱和温度和水蒸气含量 t a b l e 2 - 2s a t u r a t e dt e m p e r a t u r ea n dw a t e rv a p o rc o n t e n t _ _ _ - l - l i l l _ - - l l _ - i - - - _ - _ _ - l - 一 _ 。 水蒸气含量 水蒸气含量 饱和温度( ) ， ，g n m 3 = f 饱和温度( )，。一玉0 干 g m 晷n 1 谊 气体 g m 3g 脯裔留慊 3 5 3 9 54 4 64 7 3 5 71 1 4 1 3 7 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 l 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 l 5 2 5 3 5 4 5 5 4 1 64 7 1 5 0 1 4 3 8 4 9 85 3 1 4 6 1 5 2 55 6 2 4 8 55 5 45 9 6 5 1 05 8 56 3 1 5 3 66 1 7 6 6 8 5 6 46 5 。0 7 0 8 5 9 26 8 5 7 4 9 6 2 27 2 2 7 9 3 6 5 27 6 0 8 4 0 6 8 5 8 0 08 8 8 7 1 88 4 2 9 4 0 7 5 3 8 8 59 9 5 7 8 99 3 1 1 0 5 8 2 7 9 7 81 1 1 8 8 61 0 31 1 8 9 0 7 1 0 81 2 5 9 4 9l1 31 3 2 9 9 31 1 91 4 0 1 0 4 1 2 51 4 8 1 1 91 4 4 1 2 41 5 l 1 3 0 1 5 8 1 3 5 1 6 5 1 4 1 1 7 3 1 4 7 1 8 1 1 5 41 9 0 1 6 01 9 8 1 6 72 0 7 1 7 42 1 7 1 8 12 2 6 1 8 92 3 6 1 9 72 4 7 2 0 52 5 8 2 1 32 6 9 2 2 2 2 8 1 2 3 12 9 3 2 4 0 3 0 6 2 4 93 1 9 2 5 93 3 2 1 6 6 1 7 5 1 8 6 1 9 7 2 0 8 2 2 l 2 3 4 2 4 8 2 6 3 2 8 0 2 9 7 3 1 5 3 3 5 3 5 7 3 8 0 4 0 5 4 3 2 4 6 1 4 9 3 5 2 8 5 6 6 5 6 1 0 91 3 11 5 6 7 82 6 9 3 4 66 0 8 _ l _ - - l _ - _ - _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ l _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ i - _ i 一一_ ( 6 ) 碳转化率 碳转化率指的是煤气中的含碳量占原料煤中的含碳量的百分数，反应原料煤的利用 1 l 鼹 钞 以 以 舛 ：合 的 卯 醅 钞 加 礼 记 刀 似 第二章煤气化过程研究 情况。根据碳平衡来计算，公式如下： r ：_ - 一。0 5 3 6 x ( c 0 2 + c o + c h 4 - f c 2 h 4 ) v 1 0 0 ( 2 - 1 4 ) 1 0 0 x 所 式中，c o ：、c o 、c h 。、c ：h 。一煤气中含碳气体的百分含量，； 矿一产物煤气体积，m 3 ； 一原料煤中含碳量，k g ； 1 2 k g 2 2 4m 3 - - 4 ) 5 3 6 k g m 3 。 ( 7 ) 气化效率 气化效率指的是单位质量原料煤产生的煤气的总发热量占单位质量煤发热量的百 分数。计算公式如下： 仇：q n e t , g v gx100(2-15) 叩g2 既。x l o o 式中，吼一气化效率； 既，g 一煤气热值，1 0 n m 3 ； 乓一煤气产率，m 3 k g ； 如。单位煤发热量，l o 蚝。 ( 8 ) 热效率 热效率指的是产物煤气的热量加上回收利用的热量占供给煤气发生炉的热量的百 分数。忽略煤和空气的显热、焦油产量，热效率可由以下公式计算： 吼= 筹鼍枷。 协 式中，既。暑一煤气热值，k j n m 3 ； 矿一产物煤气体积，m 3 ； c 暑一煤气比热容，k j ( n m 3 ) ； i 一煤气温度，； 既。一单位煤发热量，k j k g ； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一耗煤量，蚝； m 。一水蒸气消耗量，k g ： 一水蒸气焓值，u k g 。 2 2 2 影响因素 原料煤的物理化学性质、气化过程操作工艺条件以及发生炉的构造是影响气化指标 的主要因素2 8 1 。实际上，这三个主要因素都是相互关联的，其中一个因素定了，另外两 个选择余地就会减少。 原料煤的物理化学性质主要包括煤的反应活性、结渣性、黏结性、热稳定性、机械 强度和粒度分布等。 气化操作工艺主要包括炉内温度、炉内压力、空气和蒸汽的消耗量、加煤量、原料 煤和气化剂的消耗速度、鼓风饱和温度、生产负荷等。 发生炉的构造主要包括炉子的类型( 固定床、气流床还是流化床) 、炉子直径、炉 子高度、炉子形状等。 2 3 本章小结 本章主要是根据所阅读的文献和书籍，对煤气化过程作了简单的介绍。经过这些介 绍，得到如下结论： ( 1 ) 煤气化过程是一系列复杂的物理化学变化过程，只能用语言定性地描述过程， 不能很准确地定量地描述。为了进行定量研究，我们有必要对过程进行相应的简化。我 们将整个煤气发生炉从上往下划分为干燥区、干馏区、还原区( 气化区) 、氧化区( 燃 烧区) 和灰渣区五部分2 9 1 。同时，我们将煤气化过程简单分为煤干燥、煤热解( 也称煤 干馏) 、煤气化三部分。我们还需要知道各个分区的主要气化反应。以上内容的掌握与 研究是为下文的新气化技术的研究做铺垫。 ( 2 ) 了解了煤气化过程，还需要对过程进行评价，评价指标主要有：煤气质量、 煤气产率、气化强度、单炉生产能力、比消耗量、碳转化率、气化效率和热效率。影响 这些指标的因素主要有：原料煤的物理化学性质、气化过程操作工艺条件以及发生炉的 构造。 1 3 第三章煤富氧气化过程数值计算 第三章煤富氧气化过程数值计算 本章的主要内容是对常压固定床煤气发生炉的煤富氧气化过程进行建模和编程计 算，根据气化参数和操作条件，得出气化指标的变化趋势，找出最佳氧含量，提高气化 过程效率，达到整个过程最优化的目的。同时也为现场煤富氧气化的实践提供必要的参 数和有效的指导。 3 1 富氧气化可行性分析 3 1 1 富氧气化可行性定性分析 从理论上讲，富氧气化使得氧含量增多，煤与氧气的接触面积增加，使气化反应更 加充分，减少鼓风机迸风量，加快气化反应进行，提高氧化层温度，促进有效气体的生 产，使得煤气热值也相应提高。用富氧代替普通空气生产煤气，节能又增产，如用氧含 量为2 3 2 5 的富氧空气制出的发生炉煤气的性能与普通空气条件下制出的煤气相比 见表3 1 。由表3 - 1 可知，在煤气发生炉中采用富氧空气代替普通空气作气化剂，不仅 具有明显的节能效益，降低了灰中碳含量，提高了气化强度，而且还能使用质量较差的 煤作原料，例如燃点较高的煤、弱粘结性的烟煤等。 采用富氧气化技术，使煤气中的含氮量降低，也就降低了炉窑中产生的废气量，减 少了由废气带走的热量，提高了煤气炉窑的能量利用率。即： q 节= a t c 咏 表3 - 1 富氧对煤气性能影响 t a b l e 3 1i n f l u e n c eo fr i c h - o x y g e no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a s 气化过程中的气化区是主要的部分，分为燃烧层和还原层。燃烧层是不可逆的放热 反应，反应速度快而且处于扩散控制状态。气流速度影响着燃烧层的反应速度，当气流 速度加快时，相应地反应速度也变大，反应放出的热量就会越多，产生的二氧化碳也多。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 还原层是可逆的吸热反应，反应速度慢而且处于化学动力区。还原层就是利用燃烧层放 出的热量将这些二氧化碳还原成一氧化碳，同时将水蒸气还原成氢气，这样来制造发生 炉煤气。 还原层的反应是可逆的，当燃烧层放出的热量越多时，还原层的反应就向正反应方 向进行，因此还原产生的一氧化碳和氢气也就越多，煤气中有效气体增多其热值就升高。 但是并不是热量越多越好，整个气化过程有个最佳的反应温度t 。当气化温度比t 大时， 说明燃烧层放出的热量过多，燃烧层的反应速度是很快的，放出了很多的热量，但是还 原层的反应速度很慢，来不及吸收这些热量，这样剩余的热量就白白浪费了，此时煤气 中的二氧化碳含量增加，煤气热值降低，煤气质量下降，气化效率和热效率也下降；当 气化温度比t 小时，说明燃烧层放出的热量过少，燃烧层的反应速度比较慢，放出了的 热量也较少，达不到还原层吸热反应的需要，这样产生的一氧化碳和氢气就较少，有效 气体变少，煤气热值降低，煤气质量下降，气化效率和热效率也下降；只有当气化温度 等于t 时，燃烧层放出的热量正好达到还原层吸热反应的需要，这样产生的一氧化碳和 氢气就较多，有效气体变多，煤气热值增大，煤气质量上升，气化效率和热效率达到最 大值，这是最理想化的状态，但是实际操作中很难掌控和达到这种状态。 采用富氧气化的同时也会带来很多问题。燃烧层是放热反应，该层的温度会随着氧 含量的增大而增大，温度升高则促进了还原层二氧化碳和水蒸气的还原反应，产生较多 的一氧化碳和氢气。但是当该层温度超过燃料灰熔点时，就会形成炉渣，占用炉膛流通 面积，堵塞通道，严重的会破坏发生炉的正常运行。炉渣中含有未燃尽的燃料，因此也 损失了部分燃料。此外，气化剂的分布也不均匀，造成偏炉现象，严重的会使煤气燃烧， 造成煤气发生炉爆炸。温度过高对煤气发生炉要求也会变高，生产的含硫含氮污染物增 多，煤气温度和灰渣温度都会升高，余热回收难度变大。 基于以上情况，可以采取如下措施解决： ( 1 ) 适当增加蒸汽量或二氧化碳，降低反应温度。水蒸气和二氧化碳均与碳发生 还原反应，吸收热量，这样会降低气化温度。但是过多地增加水蒸气或二氧化碳会使煤 气质量下降。定量研究指出：当水蒸汽消耗量增加到超过每千克碳0 6 千克时，煤气的 热值开始显著下斛2 9 1 。因此，不要过多增加蒸汽量。水蒸汽加入量的多少从鼓风的饱和 温度上反映出来