部分煤氣化爐的熱力學(xué)數學(xué)模型

第24卷第4期動(dòng)力工程Vol. 24 No. 42004年8月POWER ENGINEERINGAug. 2004文章編號:1000-6761 (2004)04- 0560-07部分煤氣化爐的熱力學(xué)數學(xué)模型余廷芳'，蔡寧生2(1.江西省電力試驗研究院,南昌330006; 2. 清華大學(xué)熱能工程系,北京100084)摘要:在考慮部分煤氣化爐操作條件、氣化劑、脫硫劑影響的基礎上,引入了部分煤氣化爐能量轉化系數(而不是碳轉化率)的概念,運用能量平衡、質(zhì)量平衡、化學(xué)平衡方程建立了通用的與爐型無(wú)關(guān)的部分氣化爐熱力學(xué)數學(xué)模型,用于預測部分氣化爐出口的煤氣成份、產(chǎn)量、熱值和所需氣化劑的量。模型計算結果與實(shí)際數據相符,滿(mǎn)足實(shí)際工程精度需要,并利用該模型計算分析了不同操作條件對部分氣化爐產(chǎn)物的影響，模型計算的煤氣成分及熱值變化與實(shí)際及理論相一致。圍14表3參7關(guān)鍵詞:動(dòng)力機械工程;部分煤氣化爐;熱力學(xué)數學(xué)模型;性能分析;煤氣成分預測中團分類(lèi)號: TK229. 8文獻標識碼: AThermodynamic Mathematical Model of Coal Partial GasifierYU Ting fang', CAI Ning-sheng(1. Jiangxi Electric Power Testing and Research Institute , Nanchang 330006 , China;2. Dept. of Thermal Engineering , Tsinghua University, BeiJing 100084, China)Abstract: In this thesis , a thermodynamic mathematical model for partial gasifier was set u with respectto the influence of operation conditions ,agent for gasification and sorbent; The conservation principle ofenergy and mass，the thermodynamic equilibrium equation of chemical reaction were used in the model es-tablishing process, this model is generic and can be used in most kind of coal partial gaifier. The percent-age of gas composition , heating values of gas and the agent for gasification needed can be predicted by thismodel, the calculated results are very close to the actual data, it is also satisfied with the need of actual en-gineering. With the model ,The performance of partial gasifier under different operation conditions werealso carried out in this paper, the calculated results are consistent with the theory analysis. Figs 14 ,tables3and refs 7. .Key words: power and mechnical engineering ;coal partial gasifier ; thermodynamic mathematical model;performance analysis; prediction of gas composition部分煤氣化爐是部分煤氣化發(fā)電系統的關(guān)鍵設化發(fā)電系統方案設計及性能計算分析影響很大。目備之一，部分氣化爐模塊模型的準確性對部分煤氣前,全氣化爐的數學(xué)模型研究較多[1.2],但多為數值模擬,針對爐型,且不適合煤氣化發(fā)電系統的計算與收稿日期:2003-08-22分析,部分氣化爐研究則很少見(jiàn)?；痦椖?國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展項目(199902210533)0作者簡(jiǎn)介:余廷芳(1974-),男,江西樂(lè )平人,江西省電力試驗研中國煤化工爐更為復雜,其產(chǎn)物兗院工程師,現為東南大學(xué)博士生。目前,主要進(jìn)行先進(jìn)燃煤發(fā)CN MHG溫度下還有煤焦油電技術(shù)和火電廠(chǎng)熱力系統經(jīng)濟性等方面的研究。等,且保焦細和半焦的成份復雜.本文在借鑒參考文第4期余廷芳,等:部分煤氣化爐的熱力學(xué)敷學(xué)模型●561●獻[3]建模思想的基礎上,根據部分氣化爐自身特炭 的質(zhì)量為M. =Q:/Qowc(kg),因而轉人煤氣中的點(diǎn),提出了部分氣化爐能量轉化系數的概念,在考慮碳元素量為:氣化爐共有的規律的同時(shí),充分考慮了操作條件、氣N0= C,- M.XC.- M.XC.(kmol)12.016化劑、脫硫劑等的影響,建立了通用的與爐型無(wú)關(guān)的部分氣化爐熱力學(xué)模型,能在已知煤種、氣化劑量、由碳平衡得:能量轉化系數及操作溫度TE壓力Pc的情況下,確Nc0= N。(Xco + Xco, + XcH, + X.a) (kmol)定氣化爐出口的煤氣成份、產(chǎn)量、熱值,模型計算結2)果與實(shí)測數據吻合,并就不同操作參數對部分氣化Xco. XxXcg.XcH. Xxs,Xns Xcos.HaXxonNg(bmo)煤氣爐產(chǎn)物的影響進(jìn)行了計算分析,結果與實(shí)際相符。該氣化氣M(kg).十焦炭Mc(kg)模型在第二代PFBC-CC中試電站初步方案確定及蒸汽S(kg)十灰渣Mnx(kg)性能分析中得到了較好的應用。+煤焦油M(kg)1能量轉化系數Q,圖1部分氣化爐物流平衡圖鑒于部分氣化爐的產(chǎn)物的復雜性,常用的炭轉Fig 1 Material flow balance of coal partial gasifier化率X。表示煤氣化程度并不適合部分氣化爐產(chǎn)物2.1.2氧元素平衡轉人煤氣中 的氧來(lái)源有:①人預測模型中的計算,為此我們引人部分氣化爐的能爐煤中的O,;②氣化氣(空氣或氧氣)中的O{(含氧量轉化系數Q.概念:率為β);③水蒸汽中的氧元素,但煤焦油和焦炭中Q,=1- M. GOWC(1)也含有一定的0,因而轉入煤氣中氧量為:Vo,0 :O,-M.XO.- M.XO, t其意義是煤氣化反應中除半焦所含能量以外的32.0所有能量占氣化爐進(jìn)口煤所含能量的份額。式中M.MXE+ W. S(kmol)32. 036. 032為1kg人爐煤在經(jīng)部分氣化爐后產(chǎn)生的半焦質(zhì)量由氧平衡有:(kg);Qnwc為半焦低位熱值(kJ/kg);Qvw為人爐煤No,0= N。(0. 5Xco + 0. 5X.. +低位熱值(kJ/kg)。由上述可見(jiàn):Q.更能反映部分氣Xoo + 0. 5Xng,o) (kmol)(3)化爐實(shí)際能量轉換的程度。2.1.3氫元素平衡 煤氣中氫的來(lái) 源有:1)煤中2部分氣化爐數學(xué)模型H,2)水蒸汽中含氫，因而煤氣中氫總量為,由氫平部分氣化爐建模目的是:在給定入爐煤種成份衡得:(C、H,O,、S.N,、A,. W,)及低位熱值Qbw(kJ/Ne20= N,(XH, + 2Xar, + Xnp + Xns) (kmol)kg),出口焦炭成份(C、H、N..O2、S.)及低位熱值(4)Qowc(kJ/kg) ,煤焦油成份(Ct.Ht .Ot、Nt.St),產(chǎn)量2.1.4氦元素平衡 煤氣中 氮的來(lái)源有:①煤中M,(kg/kg煤)及低位熱值Qnw(kJ/kg),操作溫度N,;②氣化空氣中N,可得Te(C),操作壓力Pc,氣化劑組成，能量轉化系數Nx,0=N,- M.X N.- M,X N+28. 016Q的條件下,計算煤氣量N, (kmol),煤氣組份(Xco、Xx,、Xco,、Xa,、Xr,、XHs、Xcos、XH.o、Xso,)M(1- β2(kmol)(Vol%),氣化氣(空氣或富氧)量M(kg/kg煤),氣由氮平衡得:Nx,0= N,(Xn,(kmol)(5)化蒸汽量S.(kg/kg煤)這12個(gè)未知數,并求出煤氣2.1.5硫元素平衡煤氣中 硫的唯- -來(lái)源是煤中熱值、質(zhì)量、體積。的s,可得N,0= S-M.XSM.Xs,如圖1,以1kg/s人爐煤為基準,假設氣化過(guò)程32. 066中氧氣完全被消耗掉。(kmol),硫平衡得:2.1元素平衡中國煤化工Xso,) (kmol)(6)2.1.1碳元素平衡 由能量轉 化系數為Qn，可知2.1.YC NMH G":殘留在焦炭中的能量為Q=(1-Q.)XQow(kJ),焦●562●動(dòng)力工程第24卷Xx,Xc0. 0265 EXP (3956/TG) (7)MgCO,一→MgO+CO2- 100MJ/kmolXooXH,oCaO+H2S一→+CaS+H2O- 68.49MJ/kmolXan,XH,o: 6. 1725 X 10-1EXP (27020/TG)2.3.1加入部分氣化爐 的脫硫劑的量P為:XooXPGP=3.123Y文(kg)(14)(8)Xr,sXh,o= 4. 3554 X 10~1*EXP 926281/TG)2.3.2加入 脫硫劑后對轉入煤氣中各元素量的影Xso.XI,PG響脫硫劑的加入對轉人煤氣中的C.H、O,S元素(9)量有影響,而對N元素不產(chǎn)生影響。(1)加入脫硫劑后N,的修正XHsXco= 0. 75134 EXP (4083/TG) (10)設未加入脫硫劑時(shí)轉人煤氣中的s為N,0(kmol) ,加入脫硫劑后按脫硫效率ηs固硫式中Tc=Tε+273.15(K)2.1.7由道爾頓定律得;ON, =- N,0 X 7s(kmol)(15)Xc+Xn,+Xo∞,+Xar,+Xn,+XH,s+(2)加入脫硫劑后N,的修正脫硫劑中MgCO,分解及CaCO3與H2S的反應.Xos+Xno+Xsq,=1(11)都增加了N,增加量為.2.1.8氣化劑組成為:ST.M =a(12)ON.=;84.316(kmol) (16)(3)加人脫硫劑后No,修正2.2能量平衡2.2.1進(jìn)入部分氣化爐 的總能量為:MgCOz .CaCO,及脫硫劑中的水份使No增加Q.=Q1+Q2+Q3 +Q.PX,PXQ.燃料熱值Qz蒸汽焓Q3燃料顯熱Q人爐空ANo, = 100.089+ 84.316氣顯熱7.X N.0，PX。;(kmol)(17)2+36.032'2.2.2離 開(kāi)部分氣化爐的總能量為:(4)加入脫硫劑后Nq,的修正Qow=Qs +Q.+Q,+Q。+ Q, + Qo(kJ) .1)煤氣化學(xué)熱Q。= N,X 22.4 X Qr (k]J)脫硫劑中的水份使Nr,增加Q;粗煤氣低位熱值(kJ/Nm3)PX。ONH = 18.016 (kmol)(18)Q;= (X∞X 30.29 + XH,(25.8 + XcH,(85. 6+(5)脫硫化學(xué)反應而產(chǎn)生的化學(xué)熱為:XH,s(55.9) x 418. 68 (kJ/Nm')Q。煤氣焓,Q,焦炭和煤焦油化學(xué)熱,Q。焦炭和Q.=-PX;x 815- PX.- 1.1871PX; x84.316 X 315-100. 089煤焦油顯熱,Q,灰渣顯熱183- N,0X η。X 68. 49(MJ)(19)2)熱損失Qo= AXQow(kJ)(6)加人脫硫劑后灰渣量的修正A熱損系數(%)由上面4組脫硫反應灰渣除煤中灰份外,還包滿(mǎn)足能量平衡的關(guān)系式為:Qu =Qm .(13)括CaO、MgO,CaS及脫硫劑中的雜質(zhì),總的灰渣量2.3考慮脫硫劑 的影響Mhz為:設脫硫劑的CaCO3,MgCO,水份,雜物的質(zhì)量百分含量為X,X2,X;,X,;Ca/S比為Y ,脫硫效率Mhz=A,+ 7sXN,0X72+ (100.089為n7s, 假設脫硫劑中MgCO3全以CaCO,●MgCOs7.XN,0)X56十84. 316X 40+ PX. (20)的形式存在,并設與脫硫劑反應的含硫氣體均為H2S。設在部分氣化爐中反應后隨焦炭進(jìn)人流化床(7)加人脫硫劑后的煤氣量為:燃燒爐的廢脫硫劑成份為CaS,CaO,MgO和雜物,M,=1+S.+M+P-Mhz-主要反應為[5]:中國煤化工r煤)(21)CaCO3●MgCO3一→CaCO3 + MgCO3 - 32M]J/kmol)及(13)中的Nc0,CaCO3一→+CaO+CO2- 183MJ/kmol.MH,CNM H S相應的修正。由方第4期余延芳,等:部分煤氣化爐的熱力學(xué)教學(xué)模型●563●程組(2~13)即可解出粗煤氣組份(Xco,Xu,,Xco,，表1模型計算空氣與試驗值的對比Xxu,Xx,XnsxX.,Xxyo.x.m,).氣化空氣量M,水Table 1 Compariso betwen air needed calculat-ed by model and testing results蒸汽量s,和粗煤氣量N,這12個(gè)變量。TR1.1 TR1.2 TR1.4 TR2.3 TR2.4 TR2.5 .3模型計算結果操作溫度Tg 877C 924C 822C 979C 979C 922C作者利用上述模型對參考文獻[6]中TR1. 1~操作壓力Pc(kPa) 1150 1013 958 1047 1417 1458TR2.5六組數據進(jìn)行了計算對比,煤種、操作參數試驗值(kg/kg煤) 1.908 2.494 1.42 3.4及試驗數據取自文獻[6],計算得到的空氣量與試驗計算值(kg/kg煤) 1.874 2.360 1.55 3.56 2.45 2.12數據的比較見(jiàn)表1.除TR2.5誤差較大外(文獻中作壓力為1. 42MPa,操作溫度為871C ,采用白云石TR2.5試驗熱平衡數據偏差大),其他幾組吻合很為脫硫劑,煤、煤焦油、焦炭及脫硫劑數據參見(jiàn)表2,好。作者還利用模型對一氣化匹茲保煤的部分氣化能量轉化系數為0. 50186,空氣量為1. 608,蒸汽量爐[進(jìn)行了計算,該部分氣化爐為加壓氣化爐,其操為0時(shí)的煤氣組成(vol%)的試驗值和模型計算值見(jiàn)表3,可見(jiàn)該模型具有較好的精確度。表2部分氣化爐物流成份數據Table 2 Material flow composition data of coal partial gasifierC，Hy),N,SyAyW,Qowy(kJ/kg)質(zhì)量(kg)入爐煤71. 92.691.26.9910. 3128980. 861.0出口焦埃93. 0561.2270.84261.5133.3610.0.032534. 830. 4437煤焦油90. 422.4. 3572.181. 0651. 97635807. 8.0. 015脫硫CaCO3:54. 4%MgCO3:43. 3%水份:0.5%惰性物:1.7%表3模型計算值與試驗值的比較Table 3 Comparison between calculated results by model and testing results空氣量COH2CCCH4N:+ArH2O煤氣量煤氣低位熱(kg/kg煤)(vol%)(kg/kg煤)值(kJ/kg)試驗值1. 60814.27.211.054.6756. 76.262. 125511計算值1. 5914. 367.912.15. 2555. 35.012.1274氣化爐運行參 數變化對氣化爐性能到最大值。而煤氣成份COz隨操作溫度的增加而減少,CH,隨Tε的升高急劇減少。因Tε升高,有更多的影響的能量轉化為煤氣顯熱,所以煤氣的熱值將隨TE利用所開(kāi)發(fā)的氣化爐模型對氣化爐的參數變化的升高而減小。這說(shuō)明在低溫下氣化有利于冷煤氣作了計算分析,計算采用的數據取自表2。效率的提高。4.1 操作壓力Pc對氣化爐性能的影響4.3 氣化爐入口蒸汽/空氣比ST/M對氣化爐性能圖2~圖4為部分氣化爐操作壓力變化對出口煤氣各參數的影響,在計算過(guò)程中,其他參數如Q、能量轉化系數Q.=0.7和Q.=0.4時(shí),煤氣熱Te、ST/M.A為定值。由圖可見(jiàn),隨Pc的增加,煤氣值隨 ST/M的變化分別如圖8和圖9所示,在能量成份CO,H2呈下降趨勢,而多原子的煤氣成份轉化系數Q.較大(Q,=0.7)時(shí),煤氣熱值隨ST/MCH、CO2則隨Pc的升高而增加。隨Pc的升高,出的增加呈先增后減的趨勢，而在Q,較小(Q.=0.4)口煤氣的熱值升高。時(shí),煤氣熱值隨ST/M的增加是一直減小的,這表4.2氣化爐操作溫度 Tg對氣化爐性能的影響明在Q.較高時(shí),加入一定的水蒸汽有利于煤氣質(zhì)量圖5~圖7為部分氣化爐操作溫度TE變化時(shí)的提中國煤化工加入將使煤氣熱出口煤氣各參數的變化，隨操作溫度TE的增加,煤值下:YHCNMHG氣成份CO,H2先增后減,在920C~950C之間達●564●動(dòng)力工程第24卷440JNm'QwhvQwl40000,=0.436003600-| A=0.03-871 "C20-3200-4 =0.032800 400 800 1200 1600 200 200200280 80084088092096010001040Pp/kPa操作溫度Tp/°C圈2媒氣熱值隨操作壓力 Po的變化圖5煤氣熱值隨操作溫度 TE的變化Fig2 The relationship between heating val-Fig5 The relationship between gas heatingues of gas and operating pressurevalues and operating temperature0.180.16 r0.1g.-0.4.00.14H-871'CH2LIM-O.I4-0.03.12 Fg-0.4PG-1420kPaP 0.12 .0.104=0.03.08上:o0.0806上006540 80102020002400 28000.04.96圖3煤氣成份 CO、H2隨Pc的變化圖6煤氣成份CO,H2隨TE的變化Fig 3 The relationship between gas composi-Fig6 The relationship between ges ges compo-tion CO.H2 and operating pressuresition CO, H2 and operating temperature0.16CO2.14上O2。0.10.12 H產(chǎn)0.080.0。0.06A-0.03t 0.08 F| 0=0.4| PG-1420kPa.06 tSTIM-O.1H4.04 t0.02.02 t000 400 800 1200 100 2002002001 CHP/kPa800840 880920960 10001040操作溫度T[/°C圈4煤氣成份 CH4、CO:隨Po的變化圖7媒氣成份CH,CO2隨Ts的變化Fig 4 The relationship between gas composi-Fig 7 The relationship between gas composition CHI,CO2 and op-tion CH4 ,CO: and operating pressureerating temperature煤氣成份隨ST/M的變化關(guān)系如圖10~圖11中國煤化工增加。在水蒸汽較少.所示。隨ST/M的增加，由于煤氣反應中CO+H2O:fYHCN MH G增加,因加氫反應= CO2+ H2,煤氣成份CO將隨ST/M的增加而減第4期余廷芳,等:部分煤氣化爐的熱力學(xué)數學(xué)模型.565.U/Nm20.16「●QntvCC0.142.-0.76200|元=871'C| PG=14201kPe患0.12元-871A=0.03| PG=1420kP60000A -0.030.08500.00...25 03005 0.40 0.450.050.0000. 0.20 025 0.30 0:55 0400ST/M圈8煤氣熱值隨 ST/M的變化圖11煤氣成份CH4、CO隨ST/M的變化Fig 8 The relationship between gas heating values and ST/MFig 11 The relationship between gas composi-tion CH4、CO2 and ST/M40PMmkJ/Nm2Qwlv7000Qwiv3800 I0,-0.4。| PE87120P6000-4-0.03 |3600 |5000-4000-3400I PG=1420kPa| 5u820.3000A-0.0332000.00.05 0.10 0.15 0.20025 030035 0.40.4520003%070809圈9煤氣熱值隨ST/M的變化圖12煤氣熱值隨Q.變化Fig9 The relationship between gas heating values and ST/MFig 12 The relationship between gas heating values and Q.0.240.200.220.18| PG=1420kPa元-871C| 5-871C| 所C-1420kPa0.16| A =0.030.14-0.120.12-0.100.08 |co*0.060.04t035 0.45 0.550.65 0.75 0.8s”00.01000 0.20 025 0.30 0.35 040045圖13煤氣成份CO.Hz隨Q.的變化圖10煤氣成份CO,H隨ST/M的變化Fig 13 The relationship between gas compositionFig 10 The relationship between gas composi-CO,H2 and Q.tion CO,H2 and ST/M4.4能轉化系數Q.變化時(shí),氣化爐各參數的變而CH增加,但隨ST/M進(jìn)一步加大,因H2O的增加，由甲烷化反應CO+ 3H2=CH,+H2O可知,反而中國煤化工的變化如圖12~不利于CH的生成，所以,CH,隨ST/M的增加呈.14月M.HCNMHG二能量轉人氣化反先增后減的趨勢。應,而上小文,床(亞恐項期小心,因而轉人煤氣●566●動(dòng)力工程第24卷型的計算結果與實(shí)際相符,利用模型預測的煤氣主要組分和熱值誤差滿(mǎn)足工程精度需要,氣化爐參數變化時(shí),模型計算的煤氣成分及熱值變化與實(shí)際及理論相一致,證明了模型的正確性及準確性。且該模0.08-PG=1420kPe型在部分煤氣化發(fā)電系統中對選擇和分析部分氣化類(lèi)0.06| Tε-871°CTIM-0.1爐的參數有一定的指導意義。4-0.030.040.0參考文獻:0.000.350.450.550.650.750.85[1]劉向軍,樸泰俊,德士古氣化爐內煤氣化過(guò)程的數值研究[].動(dòng)力工程，2002(5).[2]李 政,等,Texaco煤氣化爐數學(xué)模型的研究[].動(dòng)力工程，圖14 煤氣咸份CH、.CO2隨Q.的變化2001(2).Fig 14 The relationship between gas composition[3] Watkinson A P, LucasJP, Lim O J. A prediction of perfor-CH.CO2 and Q.mance of commercial coal gasifier[J]. Fuel, 1991 , 70(4);519~化學(xué)熱增加,煤氣熱值增大。煤氣成份H2隨Q,的527.增加雖然逸出更加充分,但后期逸出的H2越來(lái)越[4]肖 軍,等.第二代PFBC-CC中試電站初步方案及性能分析[]. 工程熱物理學(xué)報,2002(S1).小，總的H2隨Q.的增加而減小。隨Q.的增加,轉人[5]仲兆平,蘭計香.第二代PFBC-CC脫硫靜態(tài)試驗研究[J].煤炭煤氣的C增加,CO和CO2增加,由甲烷化反應，轉化,1997(1).CH增加。然而，隨Q,增加，在熱損和操作溫度不變[6] Van Hook J, et al. Carbon conversions measured in a second-的情況下,將有更多的能量用于還原反應,CO2反有g(shù)eneration PFB pilot plant carbonizer[J]. ASME, Fluidized BedCombustion. ,1993,(12):1053~1060.下降的趨勢。[7] Robertson A D Bonk. Efcts of pessure on the second- genera-5結論tion PFBC-CC power plant[J]J. of Engineering for Gas Tur-bines and Power, Transaction of ASME, 1994, 116(4).345 ~針對部分煤氣化發(fā)電系統方案設計和性能計算351.分析,本文開(kāi)發(fā)了部分氣化爐熱力學(xué)數學(xué)模型,該?；趯沁f歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )整定的PID解耦單元機組負荷控制系統劉紅軍，韓璞，于希寧(華北電力大學(xué)自 動(dòng)化系,保定071003)摘要:針對火電廠(chǎng)單元機組這類(lèi)具有多變量強耦合,非線(xiàn)性及參數時(shí)變的受控對象,提出了基于對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )整定的PID解耦控制方法,其主要特點(diǎn)是能夠提供一個(gè)對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)辯識系統模型,進(jìn)而對PID控制器參敷進(jìn)行整定,實(shí)現多變量解耦控制。通過(guò)對火電機組負荷控制系統的設計和仿真研究,結果表明,系統達到了動(dòng)態(tài)近似解耦、靜態(tài)完全解耦和無(wú)靜差跟蹤,同時(shí)具有響應速度快,魯棒性好等特點(diǎn)。燃燒模型與切圓鍋爐煙氣偏差的數值研究王彥輝，徐鴻，康志忠，劉彤(華北電力大學(xué)動(dòng)力系 北京102206)摘妻;詳鱺分析并建立了鍋爐 多相流動(dòng)與燃燒模型。利用該中國煤化工溫、煙速偏差進(jìn)行了敷值模擬,計算蛄果和實(shí)際運行快況一致,證明了模型的可TYHCNMHG切和小切圓可以有效減小水平煙道煙溫煙逮偏差;綜合比較,上二次鳳反切是更為可行的改造方案。