【《整体煤气化联合循环（IGCC）空气炉的性能计算研究》3400字】

整体煤气化联合循环（IGCC）空气炉的性能计算研究目录TOC\o"1-3"\h\u23857整体煤气化联合循环（IGCC）空气炉的性能计算研究 1246791.1引言 1321061.2AspenPlus模型的建立 1324161.1.1空气气化炉工作原理 1198861.1.2基于AspenPlus建立空气气化炉计算模型 256681.3计算条件及结果验证 4212011.4空气炉的性能模拟 5301611.4.1气煤比对空气气化炉性能的影响 5287101.4.2气化温度对气化炉性能的影响 71.1引言IGCC空气炉的结构多样，不同结构和流程设计会影响煤的气化结果，对煤的气化过程有一个良好的认识，可以更好的进行合适的数值计算以及模型创建，进一步剖析煤的气化过程，本章主要解释空气炉气化工作原理，以及利用AspenPlus软件进行模型的确立，以及对模型相关运行参数、结构参数的计算验证。1.2AspenPlus模型的建立1.1.1空气气化炉工作原理空气炉采用两段布置，煤粉于入口处有通过空分系统得到的氮气送入，进入温度较高的燃烧室，在此，其中一部分煤粉由于温度过高，会率先分解，这部分煤热解产物会和再循环得到的焦炭与过量空气进行反应，产生熔融灰和合成气，同时放出大量的热量，合成气的主要成分为CO、CH4、CO2、H2O、O2、N2等。图2-1空气炉的结构煤的整体气化过程是一个较为复杂的过程，在空气气化炉的内壁需要专门设立水冷壁，同时在煤的分解和接下来的进一步气化，也属于吸热反应，一定程度上会降低合成气温度，利用此种手段可以使高温合成气流出时，将流化炉的温度降低到标准温度，是随炉流出的焦炭和熔融会固化，不会沾污系统后续反应器及装置表面。1.1.2基于AspenPlus建立空气气化炉计算模型AspenPlus软件是由美国艾斯本公司开发的第三代大型化工通用流程模拟系统，这是一款规模较大、功能多样、普适性较强、兼具化工设计、动态模拟等计算的流程模拟软件[8]。经过近20年发展和进步，已经被全世界在化工、冶金、石化、煤炭、动力等各个领域的公司广泛应用。基于对空气炉结构特性以及工作原理的分析，通过过程虚拟软件AspenPlus，对空气气化炉模型进行创建并开始煤的气化流程模拟及计算。创建的AspenPlus模型如图2-2所示，在该模型中，主要包括两个过程，煤的燃烧以及煤的热解过程，由于煤的热解速度是要比逆向反应速度高很多的，煤的热解过程是一个复杂的过程，利用COMB模块可以简化整体过程，以单元素分子为出口可以保证此部分物料平衡[3,4]。图2-2基于AspenPlus的空气炉模型假定煤热解生成产生焦和CO、CO2、H2O、O2、N2等组分。反应室采用GASIFIER反应器，若要保证Gibbs自由能最小化，就要利用GASIFER反应器来保证气固相平衡。吉布斯自由能应具有最小值，即[5]在AspenPlus软件中可以对气化炉不同部分的参数和出入口组分有非常详细的计算和统计，我们通过给定各模块所需要的数据，通过其中自带的分析工具就可以得到出口处的粗煤气成分。进一步可以探究不同运行参数、结构参数下，该模型中煤气化后有效成分以及冷煤气效率等参数情况。煤的热解气化发生在高温环境中，会将物质中的能量储存起来，在得到的粗煤气中，通过这种方式将煤的能量收集起来，还可以减少有害物质的产生，同时还能获得高质量的合成气。而相比之下燃烧反应，在破坏物质原有的结构后，将释放的大部分能量以热量的方式扩散到周围。在气化炉中，煤的气化过程相对复杂，同时也是最需要重视的部分，煤与空气发生多种不同的反应，可以简单概括为以下几点：热解气化产气燃烧反应：碳的气化反应：水气置换反应：甲烷化反应：1.3计算条件及结果验证 本文首先通过过程虚拟软件AspenPlus，对空气气化炉模型进行创建并开始煤的气化流程模拟及计算，探究不同运行参数、结构参数下，该模型中煤气化后有效成分以及冷煤气效率等参数情况，比较验证模型的可行性，以及合适的运行参数及结构参数。气化用煤的煤质分析数据如表1所示(发热量28.5MJ/kg)。在常温常压的条件下,给煤量为1kg/s[5]。名称数值（%）名称数值（%）收到基水分（Mar)9.54收到基氢（Har）4.96收到基灰分（Aar）9.64收到基氧（Oar）6.84干燥无灰基挥发分（Vdaf）39.45收到基氮（Nar）1.59收到基碳（Car）74.46收到基全硫(St,ar)1.44表2-1煤质资料表由表2数据对比可知，计算得到的数据与文献中的数据稍有不同。其中CO和H2的计算数据与文献中的数据先比，含量较为高，CO2和H2O的计算数据与文献中的数据先比，含量较为低。N2的模拟值基本准确。通过多方面的考虑与分析，虚拟过程所得的计算结果与文献中得到数据间的误差对整体实验过程不会有太大影响，可以认为整个模拟过程是符合逻辑的，模型的创建及计算方法使用是没有问题的。利用吉布斯反应器对气化炉进行AspenPlus建模的研究方法可行。气体成分XB/%资料数据/%模拟值/%CO26.328.60H210.111.71CO23.11.8H2O1.81.59N256.154.7表2-2结果验证数据[7]1.4空气炉的性能模拟1.4.1气煤比对空气气化炉性能的影响气煤比是空气气化炉性能指标的重要组成部分，他主要反映了空气炉中燃料和气化剂部分进入反应室的质量比值。进入反应室的空气主要包括，为吹送煤粉进入反应室的一部分空气，以及作为主要气化剂进入反应室的空气。气煤比可以控制煤的燃烧反应和热解气化反应的比例情况，对合成气最终的成分组成，热量等级，冷煤气效率，包括整体系统的生产效率都有着至关重要的干涉。通过控制气化剂入口处进入反应器的空气质量流速，在其他条件不变的情况下，可以探究并计算过得在气煤比改变时，不同的研究条件随之改变的变化状态。图2-3气煤比对合成气温度的影响图2-4气煤比对粗煤气成分的影响图2-3中，气煤比对合成气的影响、在气煤比达到3.5的时候发生改变，这是由于在气煤比小于3.5时，随着氧气的增加，反应器中煤的气化反应逐渐增强，煤分解所吸收热量逐渐增加。但随着气煤比的增大，空气大量进入反应器，使燃烧反应增强，导致合成气温度增长加剧。随着气煤比的进一步增大，进入反应器空气量的增加，需要更多的热量加热空气，温度增加逐渐放缓[10,11]，由于气煤比进一步增大会导致氧气过量，使得放热相关反应室平衡点右移，产生热量。图2-5气煤比对合成气中有效气体含量的影响图2-6气煤比对冷煤气效率的影响通过分析图2-4中气煤比变化对粗煤气气体成分的影响情况以及图2-5中气煤比对合成其中有效气体含量的影响情况，我们可以发现，CO、H2的流量从气煤比为1.5一直变化到气煤比为3时，流量在逐渐增大，并在气煤比为3.5时达到最大值，这是因为气煤比增大，意味着空气和煤粉的质量流量比增大，进入反应器的空气含量增高，有更加充足的气化剂，会导致整体燃烧反应右移，反应程度加剧，放出更多的热量，从而导致反应器中的气化温度提升，此时，温度对热解气化反应的影响更大，所以会进一步增强煤的热解气化作用，引起更多的CO、H2气体生成，在气煤比超过3.5的时候，我们可以注意到，CO、H2的浓度逐渐降低，CO2、H2O的浓度大幅度提升，这主要是因为，气煤比进一步增大，反应器中的空气含量进一步提升，整体燃烧反应进一步右移，整体反应温度也进一步提升，同时，空气含量的提升也会导致CO、H2的燃烧反应逐渐增强，煤粉的充分燃烧和气化产物CO的燃烧都会产生CO2，气化产物H2燃烧会产生H2O，这样通过整体过程的模拟计算，以及根据反应机理的分析，我们可以得知，过低的气煤比，会使煤粉的热解气化反应不够充分，浪费了原料，过高的气煤比，会使煤粉过度反应，导致气化产物产量的降低，选择气煤比为3.5时，最适合本次设计的气化炉进行热解气化反应。通过分析图2-6气煤比变化对冷煤气效率的影响，我们可以发现，冷煤气效率是随着气煤比的逐渐升高，呈现出一种先增后减的变化趋势，这主要是因为，在气煤比小于3.5的时候，由于气化剂的含量逐渐增大，整体反应向右移，整体过程煤的气化效果在逐渐提升，煤气中的有效气体含量逐渐升高，并于气煤比达到3.5时达到最大。在气煤比超过3.5时，由于气化剂的过量输入，气化剂中的主要成分氮气会大量进入合成其中，并且会影响反应的进行效果，同时由于氧气含量的升高，煤及其气化产物的燃烧反应增强，合成其中的有效气体占比逐渐减少，从而导致整体冷煤气效率的不断降低。1.4.2气化温度对气化炉性能的影响煤的热解气化过程复杂且多样化，影响因素众多，其中温度对整体过程的反应程度，反应速度，以及反应最终产物都有着极为重要的作用，寻找并探究最适合该气化炉装置下煤热解气化反应的气化温度，对整体课题的研究至关重要。图2-7气化温度对粗煤气成分的影响图2-8气化温度对合成气低位发热量的影响