基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化炉性能研究

1、第37卷第11期2003年11月西安交通大学学报J OU RNAL OF XIAN J IAO TON G UN IV ERSIT YVol.3711Nov.2003基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化炉性能研究徐越,吴一宁,危师让(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安摘要:以Shell煤气化工艺为基础,利用干煤粉加压气流床气化过程模拟模型,对干煤粉加压气流床气化工艺的性能进行了数学模拟和性能研究.分析了煤气化过程中氧气和蒸汽对气化炉性能的影响,为整体煤气化联合循环(IGCC电站系统设计中气化工艺及参数的选择提供了依据.研究表明,氧气煤比和蒸汽煤比是影响气化炉出口煤气成

2、分、碳转化率和其他性能的主要因素,气化炉温度随着氧气煤比的增加而增加,随着蒸汽煤比的增加而下降;当蒸汽煤比一定时,随着氧气煤比的变化,冷煤气效率有一个最佳值,氧气煤比要比蒸汽煤比对气化炉性能的影响更为显著.关键词:干煤粉气化;气流床;气化炉;煤气化工艺中图分类号:T K546文献标识码:A文章编号:0253-987X(200311-1132-05Study on Performance of Dry Feed Entrained Flow Bed G asif ierB ased on Shell G asif ication T echnologyX u Y ue,W u Yi ni ng,

3、Wei S hi rang(School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xian710049,ChinaAbstract:Based on Shell gasification technology,mathematical simulation and performance study of dry feed entrained flow bed gasifier technology are carried out.The effects of oxygen and steam in gasificati

4、on process on gasifier performance are analyzed and so that the foundation of selecting gasification technology and parameters are provided for the design of integrated gasification combined cycle(IGCCpower system.The results show that the ratio of oxygen to coal is the main factor affecting coal ga

5、s composition at exit of gasifier,conversion rate of carbon and other performance.The gasifier temperature is increased with the ratio of oxygen to coal,but de2 creased with the ratio of steam to coal.For the constant ratio of steam to coal,there is an optimal efficiency when the ratio of oxygen to

6、coal is varied.The results aslo show that the effects of the ratio of oxygen to coal on gasifier performance are stronger than the ratio of steam to coal.K eyw ords:dry f eed gasif ication;ent rai ned f low bed;gasif ier;gasif ication technology整体煤气化联合循环(IGCC发电技术是煤洁净、高效利用的重要途径,而煤的气化技术是实现这一途径的重要基础.广泛

7、应用于化工合成和IGCC 发电的Shell和Prenflo煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化技术,目前在我国还处于研究开发阶段.这里以Shell煤气化工艺为基础,利用干煤粉加压气流床气化过程模型对干煤粉加压气流床气化工艺的性能进行数学模拟和性能研究,研究了煤气化过程中氧气和蒸汽对气化炉性能的影响.本文的研究为IGCC电站系统设计中气化工艺及参数的选择提供收稿日期:2003-05-10.作者简介:徐越(1968,男,博士生;危师让(联系人,男,教授,博士生导师.基金项目:国家“八六三”计划项目(2001AA522020.了依据.1Shell煤气化工艺模拟计算Shell煤气化工艺是一种以干煤粉进料、

8、纯氧为气化剂、液态排渣的加压气流床气化工艺,有可能成为我国第一座IGCC示范电站选取的气化方案之一.我国第一座IGCC示范电站的设计煤种有可能采用兖州煤,对该煤种在干煤粉气流床气化炉内的气化性能的研究,对未来的IGCC示范电站的系统设计是非常有必要的.煤在气化过程中,首先经过干燥系统,使煤中的水分降低到1.9%后,再送入气化炉气化.应用文献1中的气化过程模拟模型对兖州煤进行气化性能模拟计算,计算中采用的气化炉进口参数如表1所示,煤种分析参数及煤气成分计算结果如表2所示.表1气化炉的进口参数给煤量/td-12897给煤温度/80气化炉耗氧量/td-12390氧气温度/150氧气压力/MPa318

9、5氧气体积分数(O2/%95蒸汽量/td-1343蒸汽温度/300蒸汽压力/MPa4175输送氮气量/td-163氮气温度/80氮气压力/MPa4175氮气体积分数(N2/%99表2煤种分析参数与煤气成分计算结果%工业分析元素分析w(水分7130w(挥发分36154w(碳45179w(灰分10137w(C81137w(H5133w(O7183w(S4111w(N1136低热值/MJt-126680高热值/MJt-127827计算值Shell数据x(CO6215262148x(CO211321175x(H23011030155x(N221722196x(H2O21060128x(COS0110x

10、(CH401050103x(H2S11111117x(Ar0178冷煤气效率/%81148113碳转化率/%99159915从表2所示的计算结果来看,应用文献1中的气化过程模拟模型所得到的数据与Shell提供的数据2相近.这也证明了文献1中的气化过程模型能够比较准确地模拟Shell气化工艺.2氧气煤比和蒸汽煤比对气化性能的影响分析在干煤粉气化过程中,进入气化炉的氧气量和蒸汽量是控制气化炉反应过程的重要操作条件,因此对其进行研究十分必要.2.1对煤气成分的影响图1图4所示的是氧气煤比和蒸汽煤比变化对气化炉出口煤气主要成分的影响情况.在煤气成分中,CO和H2是煤气中的2种最主要的成分,这2种成分之

11、和所占煤气的比例也是考核气化炉性能的重要指标之一.图1和图2分别表示氧气煤比和蒸汽煤比对煤气中CO和H2含量的影响.从图1可以看到,煤气中CO的含量随着氧气煤比的增加,先呈上升趋势,在达到最高值后,开始下降.这是由于在氧气煤比比较低的条件下,煤气中CO的生成占主要部分,而随着碳转化率达到最高值后,如果继续提高氧气煤比,煤气中的CO就会转变成CO2,这时煤气中的CO含量就下降.从图1也可以看到蒸汽煤比的变化对CO的影响.随着蒸汽煤比的增加,气化炉出口的煤气中CO含量呈下降趋势.这是因为在气化过程中与水蒸气相关的反应均为吸热反应,随着蒸汽煤比的增加,降低了反应的温度,使气化反应的速度减慢,从而使C

12、O的含量降低,同时由于水蒸气含量的增加,也会使CO含量降低.从图2可以看到,在气化炉出口的煤气成分中, H2含量随氧气煤比增加呈比较明显的先上升后下降的趋势.这是由于在氧气煤比比较低的条件下,随着氧气煤比的增加,加快了半焦的反应速度以及气相燃烧反应的速度,使反应温度提高.随着反应温度的提高,半焦与水蒸气反应的速度加快,H2的含量增加.当氧气煤比达到某一定值时,H2与O2反应占优,如果继续提高氧气煤比,H2的含量则降低.在图2中还可以看到,在氧气煤比一定的条件下,蒸汽煤比增加,煤气中H2的含量变化分成2种趋势.在氧气煤比比较低的时候,H2的含量随蒸汽煤比的增加而降低,当氧气煤比达到一定值后,H2

13、的含量随蒸汽煤比的增加而略有增加.这是由于在氧气煤比比较低的条件下,由于反应温度较低,而增加蒸汽煤比会进一步降低反应温度,这就使气化反应速度变慢,3311第11期徐越,等:基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化炉性能研究H2的含量降低,这时反应的温度在气化过程中占主导作用.当氧气煤比达到一定值时,气化反应温度比较高,气化反应的速度也比较快,而蒸汽煤比的增加虽然降低了反应温度,但增大了蒸汽的含量.这两者的综合作用,维持了煤气中H2含量的略微增加的趋势.图3所示的是CH4含量与氧气煤比和蒸汽煤比的关系.从图中可以看到,在氧气煤比比较低的时候,由于反应温度较低,碳转化率比较低,煤在气化过程中

14、主要发生热解反应.此时,煤气主要来自煤中的挥发分,CH4的含量比较高.蒸汽煤比的增加可以提高水蒸气的含量,加快半焦和水蒸气反应的速度,增加H2的含量,提高CH4的含量.随着氧气煤比的增加,反应温度升高,CH4分解反应速度提高,CH4含量降低,此时,由于温度因素占主导作用,蒸汽煤比增加对CH4提高不起作用.从图4中CO2含量与氧气煤比和蒸汽煤比的关系可以看到,随着蒸汽煤比的增加,煤气中CO2的含量增加,在蒸汽煤比一定的条件下,CO2的含量随着氧气煤比的增加,先减少,后增加.图1氧气煤比与蒸汽煤比对CO含量的影响图2氧气煤比与蒸汽煤比对H2含量的影响图3氧气煤比与蒸汽煤比对CH4含量的影响图4氧气

15、煤比与蒸汽煤比对CO2含量的影响2.2对碳转化率的影响图5所示的是氧气煤比和蒸汽煤比对煤气化过程中碳转化率的影响.从图中可以看到,在相同的蒸汽煤比的条件下,当氧气煤比增加时碳转化率相应增加.这是由于氧气含量的增加加快了半焦中碳燃烧以及气化反应的速度,提高了气固相反应的温度,相应地提高了碳转化率.在相同的氧气煤比条件下,提高蒸汽煤比,碳转化率也有所增加.这是由于水蒸气含量的增加,促进了半焦与水蒸气反应的速度,从而提高了碳转化率.因此,提高蒸汽煤比可以降低煤气化过程的氧气耗量.另外,从图5中也可以看到,氧气煤比对碳转化率的影响要大于蒸汽煤比对碳转化率的影响.这是由于氧气与半焦发生燃烧和气化反应是放

16、热过程,使气固相反应温度升高,反应速度加快,而蒸汽与半焦反应是吸热过程,使气固相反应温度下降,抑制反应的速度.由于提高氧气煤比和蒸汽煤比都会增加气化炉的运行成本,这就需要在系统设计时对此进行优化.4311西安交通大学学报第37卷图5氧气煤比与蒸汽煤比对碳转化率的影响2.3对煤气热值的影响在蒸汽煤比和氧气煤比比较低的条件下,气化炉内的反应温度较低,煤的碳转化率较低,煤处于干馏热分解状态,煤气中的可燃成分主要是CH4和H2,CO的含量较低,相应地煤气热值比较高.随着氧气煤比的提高,燃烧反应和气化反应占主导作用,气化炉内的反应温度提高,煤气中的主要成分是CO和H2,CH4含量减少,相应的煤气热值的变

17、化比较平稳.如果继续提高氧气煤比,气化炉内的氧气过量,煤气中的CO2和H2O含量增加,煤气热值降低.从图6中可以看到,煤气的热值先随氧气煤比的增加而降低,然后保持比较平稳,如果继续提高氧气煤比,则煤气的热值降低,而蒸汽煤比提高,煤气的热值降低.图6氧气煤比与蒸汽煤比对煤气热值的影响2.4对煤气温度的影响煤气温度随着氧气煤比的增加而增加,随着蒸汽煤比的增加而降低.这是由于氧气煤比的提高促进了半焦的燃烧和气化反应,随着反应的进行,放出的热量越多,气化炉内的温度也越高,煤气的温度就越高.当蒸汽煤比增加时,半焦与蒸汽反应会吸收大量的热,使气化炉内的温度下降.因此,可以通过调节蒸汽煤比来控制气化炉内煤气

18、的温度.图7给出了氧气煤比和蒸汽煤比对煤气温度影响的关系曲线.2.5对冷煤气效率的影响冷煤气效率是反映IGCC电站中气化炉设备性能的重要指标,它的高低直接影响整个IGCC电站系统的效率.图8给出的是氧气煤比与蒸汽煤比对冷煤气效率影响的关系曲线.由图可见,当蒸汽煤比一定时,冷煤气效率一开始是随氧气煤比的增加而增加,直至最大值.之后,随氧气煤比的增加冷煤气效率就下降了.对于同样的氧气煤比,随着蒸汽煤比的增加,冷煤气效率是增加的.有趣的是,较小的蒸汽煤比所对应的冷煤气效率与氧气煤比关系曲线的下降段正好位于较大蒸汽煤比所对应曲线的下降段上.这就表明,当蒸汽煤比一定时,随着氧气煤比的增加,碳转化率提高,

19、在煤气的有效成分增加,因而冷煤气效率就提高.在氧气煤比达到一定值后,过量图7氧气煤比与蒸汽煤比对煤气温度的影响图8氧气煤比与蒸汽煤比对冷煤气效率的影响5311第11期徐越,等:基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化炉性能研究的氧气会使燃烧反应的速度增加,煤气中的无效成分CO2和H2O含量提高,冷煤气效率随之下降.在低氧气煤比的条件下,提高蒸汽煤比可以提高冷煤气效率.在高氧气煤比的条件下则影响不大.这是由于在低氧气煤比的条件下,提高蒸汽煤比有利于提高碳转化率,相应地提高冷煤气效率,而在高氧气煤比条件下,碳转化率的变化主要由氧气煤比控制,蒸汽煤比的影响不明显.3系统设计中气化炉参数的选择气

20、化炉参数的选择首先要满足气化炉液态排渣的需要,气化炉内的温度一般高于煤灰熔点200以上,以保证熔渣的流动性,在此基础上确定氧气煤比和蒸汽煤比的选择范围.其次,在氧气煤比和蒸汽煤比的选择范围内,保证碳转化率满足设计要求.最后,根据冷煤气效率的最高点,选择最佳的氧气煤比和蒸汽煤比参数.根据上面的气化性能的计算分析,就可以对系统设计中气化炉的参数进行选择.从上面的分析也可以表明,在以兖州煤为设计煤种时,表1所示的Shell气化炉的参数选择是合适的.4结论(1氧气煤比和蒸汽煤比是影响气化炉出口煤气成分、碳转化率和其他性能的主要因素,而氧气煤比所起的作用比蒸汽煤比大得多.气化炉温度随着氧气煤比的增加而增

21、加,随着蒸汽煤比的增加而下降.(2当蒸汽煤比一定时,随着氧气煤比的变化,冷煤气效率有一个最佳值.这主要与气化炉出口煤气中H2、CO的含量有关.在以兖州煤为气化煤种时,冷煤气效率的最佳值为8114%.(3通过对气化炉性能的分析,可以表明在以兖州煤为设计煤种时,Shell气化炉的参数选择是合理的.参考文献:1徐越,吴一宁,危师让.基于Aspen Plus平台的干粉加压气流床气化性能模拟J.西安交通大学学报,2003,37(7:692694.2徐越.干煤粉加压气化模拟研究R.煤粉加压气化评价装置研制及煤粉气化特性研究技术报告之六,TPRI/T8-RA-006-2002.西安:国电热工研究院, 2002.(编辑王焕雪(上接