焦载热气化炉的数学模型研究.pdf

第21卷 第3期煤 炭 转 化Vol121 No13 1998年7月COAL CONV ERSI ONJul11998 焦载热气化炉的数学模型研究 钊 丽 1 徐向东 2 摘 要 根据焦载热气化炉的工作特性 建立了相应的数学模型 仿真气化炉的气化过程 预 测了气化反应产物 并与相应的实验值进行对比 验证了模型的合理性与可靠性 关键词 气化 小室模型 热解 中图分类号 TQ 541 1 焦载热气化炉及其模型简介 焦载热气化燃煤联合循环是清华大学热能工程 系于1996年提出的一种新型联合循环系统 1 它是 针对当前中国现有电厂与先进国家发电水平相比效 率低 煤耗高 造成一次能源严重浪费和环境污染 而提出的 系统简图见图1 该系统全部采用国内现 有技术 目前焦载热气化炉部分在清华电厂进入中 试阶段 基本达到设计标准 图1 焦载热部分气化燃煤联合循环系统简图 1 蒸汽轮机部分 2 差速床 3 焦载热气化炉部分 4 余热锅炉 5 湿法净化系统 6 间冷 7 引风机 8 鼓风机 9 燃气轮机部分 笔者采用小室模型 2 的方法 沿床高方向将气 化炉分为若干小室 对其运行作出分析及预测 图 2为焦载热气化炉结构及气化室模型结构简图 图2 中 a 为焦载热气化炉结构简图 焦载热炉与气化 图2 焦载热气化炉结构及气化室模型结构简图 炉通过J阀及L阀相通 气化炉中的煤气化反应所 需热量由焦载热炉中的半焦通过J阀供给 反应后 的半焦通过L阀由气化炉到焦载热炉 重新开始循 环 焦载热炉上部相当于一个大的沉降室 与差速 床锅炉之间有排灰阀相通 定期排放堆积的灰渣 焦 载热炉顶部的排烟及飞灰与差速床锅炉烟道相连 在流化床式气化炉中发生以水蒸气为气化介质的水 煤气反应 产生的粗煤气经净化后通入燃气轮机燃 烧室作功 在仿真计算中 主要针对气化炉建立相应的数 学模型 模型主要特点为 1 气化室中的反应分为两部分 煤的热解及 水煤气反应过程 考虑热解挥发物的产率 组成对 气化反应的影响 认为这一过程是气化炉所产煤气 国家攀登B计划资助项目 PDB 0502 1 博士 2 教授 博士生导师 清华大学热能工程系 100084北京 收稿日期 1998203216 修改稿收到日期 1998205225 的主要来源 2 由焦载热炉而来的半焦是气化室的主要热 源 因而气化室中的物料大部分是这些半焦 在煤 的气化反应过程中同时考虑由给煤所形成的原焦及 焦载热炉而来的半焦 3 床内物料粒径分布综合考虑气化 燃烧及 磨耗的影响 非等粒径分布 4 气化反应按两相模型考虑 将整个床区分 为鼓泡区及乳化区 并考虑鼓泡大小沿床高的变化 5 认为燃烧过程及气化过程在整个气化室内 同时进行 由于固体物料的返混 全部半焦均有进 入燃烧区的机会 因而全部参与燃烧过程 燃烧区 内产生的热量全部可由物料带入气化区 6 整个床内的化学动力反应过程沿轴向分区 逐段计算 按一维模型处理 7 求解过程采用N ew ton2Raphson算法 2 两相模型的化学反应过程 在模型中 作出如下假设 1 气相物料的平衡采用两相气泡的模型 各 种组成气体在乳化相区与泡状区之间进行物质交 换 气泡相和乳化相间的物料交换在瞬间完成 2 气泡及其尾迹均作为气泡相处理 气泡相 和乳化相之间的气体交换系数是气泡尺寸的函数并 沿轴向分布 3 挥发分的释放均在乳化相内进行 上下均 匀分布 4 床内煤的热解反应非瞬时完成 挥发分释 放速率正比于固体反混速率 5 乳化相内气体流率由最小流化速度决定 6 布风板以上气泡的大小由床径和床高决 定 7 乳化相内给煤所形成的焦以及载热半焦在 整个床区内混合均匀 8 乳化相及鼓泡相内气体存在轴向扩散 在两相模型中 考虑的化学反应过程 2 3 见图 3 3 气化反应中的热解模型 计算挥发分在热解过程中的产物 主要依据 M errick 4 的模型并参考 Fett和Dersch 3 对模型所 作的修改 C H O N S及挥发分的含量可由煤 的元素分析得到 热解产物设定为 焦炭 CO H2 CH4 NH3 H2S H2O 并假定挥发分的10 以水 的形式释放出来 基于以上假设及煤的干燥无灰基 分析结果 可以列出热解反应产物的线性方程式 1000000 101429001749000 00101251011780105901112 001571000001888 00000182200 00000019410 0000001 achar aCO aH2 aCH4 aNH3 aH2S aH2O 12V P cK hK oK nK sK 011V P 图3 气化炉内化学反应过程示意图 U0 粒子表观速度 Umf 粒子终端速度 乳化相 a 给煤 热解 焦炭 挥发分 气固反应 C H2OCO H2 C 2H2CH4 2C H2 H2OCO CH4 C O22 1 CO 2 1 CO2 气气反应 2CO O22CO2 CO H2OCO2 H2 46 煤 炭 转 化 1998年 CO2 H2CO H2O 鼓泡相 b CO H2OCO2 H2 CO2 H2CO H2O CO 1 2O 2CO2 H2 1 2O 2H2O 4 气化炉内的平衡方程 整个气化室沿床高方向划分为若干小室 每个 小室作为单独的反应空间 分别考虑鼓泡相及乳化 相内的气体平衡 产物煤气组分为H2O O2 CO2 CO H2 CH4 N2 在模型中设定从焦载热炉来的载热半焦 简称 半焦 用SC表示 给煤经热解后形成的产物 称原 焦 用GC表示 在进行质量平衡计算时 按粒子不 同的尺寸分布分别计算焦炭及灰 并考虑反应过程 中炭粒子的磨耗 任一小室i各进出项示意见图4 能量平衡见图7 图4 焦炭的质量平衡 焦炭平衡 半焦平衡 m SC up i 1 m SC up i m SC down i 1 m SC down i Am SC i RSC i 0 原焦平衡 m GC up j 1 m GC up i m GC down i 1 m GC down i Am GC i BGC i RGC i 0 其中 m 为质量流率 R为参加反应的质量流率 A 为磨耗量 B为热解反应过程生成的质量流率 图5 灰流的质量平衡 灰平衡 m a up i 1 m a up i m a down i 1 m a down i K m FC i 0 其中 K为成灰系数 m FC为给煤流率 图6 煤气组分j的摩尔矢量平衡 气体平衡 N j i 1 N j i N F j i B j i R j i 0 其中 N 为摩尔流率 N F为给料加入炉中的摩尔流 率 B 为热解产物流率 R 为气化反应产物流率 j为 H2 CH4 CO CO2 O2 N2 H2 O 图7 气化室能量平衡示意图 56第3期 钊 丽等 焦载热气化炉的数学模型研究 气化室能量平衡方程 依据进入气化室能量 带出气化室能量 列出 其能量平衡方程式如下 H FC H SC H AS Q pyro Q R H gas H LC 其中 H 表示焓流 下角标FC SC A S gas LC 分别代表给煤 半焦 空气及水蒸气 煤气 去L阀 残焦 Q pyro代表热解产生的热量 Q R表示化学反应生 成的热量 以上各量的单位均为kW 5 气化炉内的流动模型 在气化炉内 按两相模型考虑床内物料的流动 因而泡状区的速度UB及空隙率 B沿床高变化 以 下所列即为模型中所用的动力学关联式 2 1 床内空速 U0 m s U0 FW 18 2214 FA 11293 T 273 At 2 最小流速速度 Umf cm s Umf dp g 33172 01040 8d 3 p g s g g 2 1 2 3317 3 气泡直径 DB cm DB DBM DBM DB0 exp 013z Dt DBM 01652At U0 Umf 014 DB0 01347At U0 Umf nd 014 4 气泡速度 UB cm s UB U0 Umf 01711gDB 5 气泡空隙率 B B U0 Umf UB 6 气体交换系数 KBE 1 s KBE 11 DB 7 固体混合速率 Wm ix g s Wm ix U0 Umf Atf 1 mf s 8 磨耗速率 Ra g s Ra K U0 Umf Mb K 9111 10 8cm 2173 10 81 cm 6 计算结果及分析 基于以上模型 对清华电厂作中试研究的焦载 热气化炉进行了相应的仿真计算 试验中选用了河 北蔚县煤和山西朔州煤两种不同的煤样 其煤质分 析见表1 表1 气化用煤的元素分析及工业分析 w t ar 煤 样CHONSVPAM 蔚县煤531134153 1217301521129 20180 14187 12193 朔州煤481953172 1112501860142 10102 311013179 依据在850 实验温度下两种不同煤样的实验 值 图8和图9分别通过直方图对表1中所列两种 煤的实验值与计算值进行了比较 图10揭示了两种 煤的碳转化率随温度的变化关系 其中虚线所示为 850 下测量所得实验值 碳转化率在这里是根据元 图8 850 时蔚县煤的测量值与计算值对比 图9 850 时朔州煤的测量值与计算值对比 图10 两种煤的碳转化率随温度的变化关系 素平衡关系得到 设定为煤气中碳的流率与给煤中 碳的流率的比值 由开始模型中的假设 我们认为 焦载热气化炉内的反应过程分为热解和气化反应两 66 煤 炭 转 化 1998年 个过程 而热解反应为主要过程 由图10可知 碳的转化率曲线在920K以前增 长速度很快 此后虽有增长 但速度较热解阶段减 慢 温度达1 000K以后 变化趋于平缓 查阅相应 的文献 5 笔者认为两种煤的热解温度在650 左 右 而图中曲线的变化正与这一过程相对应 说明 碳转化过程主要发生在煤的热解阶段 计算结果很 好地反映了模型中的假设 与实验中得出的结论 两 种煤裂解转化率为32 34 基本符合 7 结 论 1 流化床式焦载热气化炉内的气化过程以煤 的热解过程为主 煤气的产生主要发生在这一阶段 2 煤气的热值及干煤气的产率随着气化温度 的升高而增大 3 由实验结论相应地验证了我们的模型 证 明由模型计算所得出的结论是可靠和合理的 符 号 说 明 FW 供入床中蒸汽量 kg s FA 供入床中空气量 kg s 气体动力粘度 g cm s dp 粒子直径 cm g 气体密度 g cm 3 s 固体密度 g cm 3 At 床的横截面积 cm 2 mf 最小流化速度下床的空隙率 f 固体混合系数01075 013 Mb 床料的重量 g 参 考 文 献 1 徐向东 钊丽 热能动力工程 1997 12 5 354 357 2 Rajan R R W en C Y A IChE Journal 1980 26 4 642 655 3 Fett F N Dersch J BM FT2Fo rderkennzeichen 0326737A 1994 4 M errick D Fuel 1983 62 534 539 5 van Heek K H M hlen H J BW K 1985 37 1 2 20 28 MATHEMATICAL MODEL RESEARCH OF COKE CARRIED HEAT GASIFIER Zhao L iand Xu Xiangdong T herm al Eng ineering D epartm ent T singhua U nviersity 100084B eijing ABSTRACT It s necessary to study on the performance and operation of coke carried2heat gasifier as w hich is the most i mportant component of the coke carried2heat coal2fired combined cycle The mathematicalmodelw as set up to si mulate the gasification process and to predict the pro