噴流床煤氣化爐模型計算結果分析與優(yōu)化

第38卷第3期.華北電力大學(xué)學(xué)報VoL. 38 ,No. 32011年5月Joumnal of North China Electric Power UniversityMay, 2011噴流床煤氣化爐模型計算結果分析與優(yōu)化劉志賓'，”，王兵樹(shù)'，張立中，趙文杰'，董子健'(1.華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京102206;2.中核集團北京中核東方控制系統工程有限公司,北京100176;3.河北電力建設監理有限責任公司,河北石家莊050021)摘要:利用所建立的氣化爐模型，對影響氣化爐出口氣體成分的入料參數進(jìn)行了詳細描述?；谀Ｐ头治隽怂罕?、氧煤比、氣化溫度、氣化壓力、煤粉粒度大小以及初始顆粒噴入速度等主要參數對最終出口氣體成分的影響。分析結果表明:氧煤比對碳轉化率的影響要大于水煤比的影響;而水煤比對最終堞氣成分組成影響更大。為獲得97%以上的碳轉化率,氧煤比應在0.8到0.9之間， 水煤比應該在0.3到0.6之間。關(guān)鍵詞:噴流床;煤氣化爐;高溫分解;燃燒;數學(xué)模型中圖分類(lèi)號: TK 229.8文獻標識碼: A文章編號: 1007 -2691 (2011) 03 -0087 -04Calculation and analysis of model for spurting bed coalgasification furnaceLIU Zhi-bin'", WANG Bing-shu' ，ZHANG Li-Zhong' ，ZHAO Wenjie' ，DONG Zzi-jian'(1. School of Control and Computer Engnering, North China Elecrie Power University, Beijing 102206, China;2. China Nuclear Control System Engineering Co. ld. , Bejing 100176, China;3. Hebei Power Construction Superision Co. Ld. , Shijiazhuang 050021 , China)Abstract: Based on the mathematical model of the Texaco gasifier, a series of calculations are carried out to analysisthe effect of different operations parameters on the performance of the gasifler, such as water/ coal mass ratio、oxygen/coal mass ratio. gasification temperature 、working pressure、coal particle size and initial coal particle velocity in thegasifier. All they have different efct on the final gas composition. Oxygen/ coal mass ratio have a strong efect on car-bon convertion; but waler/coal mass ratio on gas composition. In order to get carbon convertion 97% , Oxygen/coalmass ratio shoud be about 0. 8 ~0.9, and waler/coal mass ratio should be about 0.3 ~0.6.Key words: spurting bed; coal gasification fumace; high-temperature pyrolysis; combustion; mathemnatical model對于氣化溫度，模型計算結果顯示出在氣化)引言爐人口附近的溫度高達2500 C左右。這是由于在上部O2比較充足的地方,放熱的氧化反應進(jìn)行利用文獻[1]所建立的氣化爐模型，基于的很激烈，溫度很高，隨著(zhù)氧氣的消耗完畢，各TEXACO煤氣化爐化學(xué)反應的動(dòng)力學(xué)特性以及物反應物進(jìn)入下 部的還原區，吸熱的反應進(jìn)行的比質(zhì)的質(zhì)量平衡、能量平衡建立了穩態(tài)的數學(xué)模型。較多， 從而溫度呈下降趨勢。文獻!2的模型計算根據模型，在氣化爐入口處CO、H2和CO2來(lái)自得出相同的結論，并且指出溫度的最高點(diǎn)剛好出于煤的熱解，但在人口處由于氧氣的存在，CO是現在 02消耗完畢的那一點(diǎn)上。 這更加證明了氣化急劇下降的，從而CO2是上升的。但隨著(zhù)氧氣的爐 上部進(jìn)行的激烈的放熱反應。消耗完畢，煤焦會(huì )與CO2反應產(chǎn)生更多的CO從在宜際的生產(chǎn)過(guò)擔中氣 化爐中有限的時(shí)間而CO呈上升趨勢，根據元素平衡法CO2呈下降(本文中國煤化工空間的情況下，趨勢。各種YHC NMH G因此本論文建立的數學(xué)模型考慮了主要化學(xué)反應的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,收稿日期: 2010-11-12.通過(guò)計算固體物質(zhì)在每一小室的停留時(shí)間，可以88華北電力大學(xué)學(xué)報2011年如實(shí)反映出每個(gè)小室中進(jìn)行的化學(xué)反應隨時(shí)間的微小。變化過(guò)程。通過(guò)模型所用煤種運行數據跟文獻給文獻[3, 4]等的結論是:氧煤比變化對煤出的試驗數據比較，表明所建模型是有效的。氣成分的影響要小于水煤比的影響，比較表2和表3可看出水煤比對氣體成分的影響確實(shí)要高于1模型所用煤種及氣化爐參數氧煤比的影響。圖1和圖2分別分析了水煤比和氧煤比對碳本文所采用的氣化爐的氣化段結構尺寸為,轉化率的影響，Govind 的Texaco模型預測結果表爐膛內徑152.4 cm,高度330 cm。鑒于文獻[1]明，氧煤比變化對碳轉化率的影響作用要大于水對煤種和化學(xué)反應的模型分析，本模型采用煤粉煤比變化的影響，本文也正好證明了這點(diǎn)。顆粒直徑350 μm,顆粒初始速度400 cm/s,氣化另外還應當指出:在選擇最佳的氧煤比的同爐的工作壓力24 atm,水煤漿密度取為: 1.23 g/時(shí)還應當選擇最佳的水煤比。雖然增加水煤比會(huì )cm’。氧化劑為純氧。詳細參數參看表1。計算中增加H2和CO2的含量,但是同時(shí)也會(huì )減少CO的小室個(gè)數100?；谖墨I[1]所建模型以llinois ,含量。而且通過(guò)表2看出，隨著(zhù)水煤比的增加氣No.6煤種為例進(jìn)行分析?；癄t內固體的溫度是下降的，這是因為表1 Ilinois No. 6煤種干煤分析(1)煤焦和水蒸氣的反應是吸熱反應，會(huì )降Tab. 1 Dry fuel analysis from llinoiss No. 6 coal低氣化爐內的溫度，從而會(huì )使氣化速率減小;輸人參數數值105氧煤比/(g*g')煤的流率/(g.s")81. 18 .100水煤比/(g.g")0.314， 9s0.8氧煤比/(B.g~')0. 768 2? 90C/WL. %73. 04.改85H/WL. %5. 82N/Wt. %0.73.80.6S/Wt.%1.370.2 0.25 0.3 0.3504 0.45 0.5 0.s5 0.6 0.650/W. %.70水煤比A/WL %16. 83圍1不同氧煤比下碳轉化率C/Wt. %0. 48隨水煤比變化曲線(xiàn)煤的溫度/K .496. 33Fig. 1 Effects of stean/fuel ratio on thecarbon convertion水的溫度/K676. 33氧氣的溫度/K298水煤比/(g*g)2模型運行結果分析及優(yōu)化g 950.4 -90-2.1水煤比、 氧煤比對煤氣最終成分影響st0.3由表2可看出在其他條件不變的情況下，水30-0.煤比從0.2到0.6變化的過(guò)程中，呈上升變化的有CO2、H2、H20,呈下降變化的有CO、CH4、0.55 0.6 0.65 0.70.75 0.H2S、N2. Ts (固體溫度)。氧煤比/(g*g)由表3可看出在其他條件不變的情況下，氧中國煤化工化率隨煤比從0.6到0.8變化的過(guò)程中，呈上升變化的MYHCNMHG有CO、CO2、H20,呈下降變化的有CH.、H2S、Fig.z Ettects of oxygen/tuel ratio on theN2、Ts (固體溫度)，H2先上升再下降，變化很第3期劉志賓，等:噴流床煤氣化爐模型計算結果分析與優(yōu)化39(2)在氣化反應系統內大量的水蒸氣也會(huì )攜2.2氣化爐 內工作壓力對最終煤氣成分影響帶大量的熱量，從而較小反應溫度。因此從圖1表4標明了氣化爐內的工作壓力從24 atm增加看出最佳的水煤比應當在0.3~0.6之間。到54 atm 時(shí)氣化爐內的最終氣體成分隨工作壓力的氧煤比、水煤比都會(huì )導致甲烷、H2S、 N2的變化，由表4和圖3、圖4來(lái)看,壓力對CO、CO2、量減小;增加氧煤比會(huì )略微減少H2的含量，因為H、 H2O的影響很小，而對CH4、H,S、N2的影響水蒸氣增加了。但是甲烷受氧煤比的影響比較大，比較大，固體的溫度是降低的。一般來(lái)說(shuō)壓力增大，這是因為氧氣多了自然甲烷就少了。會(huì )使氣化反應向濃度降低的方向進(jìn)行，溫度降低會(huì )從圖2看出最佳的氧煤比為0.8以上，但是使反應向放熱方向進(jìn)行, 從而甲烷蒸汽重整反應會(huì )太高容易產(chǎn)生更多的CO2，從而降低CO的含量。向左進(jìn)行，從而CH,的量是增加的。從圖來(lái)看,水因此最佳的水煤比應該介于0.8~0.9之間。蒸氣的量是減少的， 也確實(shí)向吸熱方向進(jìn)行的。表2 llinois No. 6煤種在不同水煤比下氣化爐性能參數Tab.2 Effects of stean/ fuel ratio of llinois No. 6 coal on the major product gas composition at oxygen/fuel = 0.7682水煤比CO/CO2/H20/CH/N/ (固體溫度) T:/(gg)( Vol%)( Vol% )(Vol%) ( Vol%)0.257. 02992. 576939.751 50.313 00.208 30.22040.213 01 408.80.354.298 04.006941.252 00.53730. 18820.107 10.147 91 385. 30.452.386 44. 744642.53850.714 80.173 70.0519 0. 104 91 376. 90.549.861 76. 338943. 54551. 029 30.15330.0255 0.075 01 359.60.647.47617. 937544.38511. 38790. 134 20.0126 0.054 51 344. 1表3 Ilinois No. 6煤種在不同氧煤比下氣化爐性能參數Tab.3 Efects of oxygen/fuel ratio of llinois No. 6 coal on the major product gas composition at stean/fuel =0.314氧煤比/C0/H2/CH。/H,S/N2/ (固體溫度) T/52.051 93.397741. 22670. 43622. 91700.2195 0. 18721 399. 60.753.690 53. 369 041. 563 90. 458 21.138 70.1070 0. 13091 390. 90.854.41894.351 840.932 30. 58930.13040.0535 0.113 11 384.5表4 llinois No. 6煤種在不同氣化壓力下氣化爐性能參數Tab.4 Effects of tolal pressure of llinois No. 6 coal on the major productgas composition at oxygen/fuel =0. 7682, steam/fuel =0.314氣化壓力/ C0/C02/CH,/H2S/N2/ (固體溫度) T。/( atm)( Voi% )2453. 86054.238 241.31080.57440.175 60.2133 0. 201 61 382.83454.55573.5022.41. 504 10.48060.17310.1056 0. 159 31 380.0/1454.751 73. 340641. 52620.4579中國煤化工1 375.05455.104 33. 001 441. 52240.4192MHCNMHG1 378.99華北電力大學(xué)學(xué)報2011年6022VS:co300(cm/s)VsI:500(cm/)H2. VSI:_. 70(m))國30氧煤比:84-水煤比0314(B)2(8)0.76818)10- 0.314(g/B)CO22-0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 0.022 0.023202530354045"505s顆粒半徑/cm氣化壓力/(atm)圍5顆粒半徑和初 始顆粒速度對碳轉化率的影響Fig.5 Efects of fuel paticle size and inlet圖3 氣化壓力對煤氣成分的影響velocity on the carbon convertionFig 3 Effects of total pressure on the major煤粉顆粒大小、氣化劑流量和顆粒的初始速度等product gas composition主要參數對最終成分構成的的影響。得出:氧煤0.25 [比在碳的轉化率方面起著(zhù)重要的作用，為獲得CH497%以上的碳轉化率，氧煤比應在0.8到0.9之間，水煤比應該在0.3到0.6之間。增加水煤比! 0.15N2會(huì )增加H2和CO2的含量，但是會(huì )減小CO的含量,H2S一增加水煤比會(huì )增加CO的含量。水煤比對最終氣體成分的影響比氧煤比起得作用大。增大氣化壓0.00-768186/g)0.314(8/g)力對氣體成分是有利的，會(huì )使H2, CO有所增加，CO2有所減小。顆粒大小對碳的轉化率起著(zhù)重要氣化壓力(atm)的作用，小的顆粒有利于碳轉化率的提高。圖4氣化壓力對煤氣成分的影響參考文獻:Fig.4 Effects of total pressure on the major[1] 劉志賓，趙文杰，唐昕,等.噴流床煤氣化爐的建模[J]. 熱力發(fā)電，2009, (2):9-12.2.3顆粒半 徑和初始速度對碳轉化率的影響[2] LucasJP, Lim CJ, Watkinson A P. A non-isothermal通過(guò)圖5可看出在氧煤比(0.768 2)、水煤model of a spouted bed gasifier [J]. Fuel, 1998, 77;比(0.314) 不變的情況下，固體顆粒初始速度分683 - 694.別在300 cm/s、500 cm/s、 700 cm/s 的情況下，[3] Wen C Y, Chaung T z. Entrainment coal gasification碳轉化率隨顆粒半徑的變化曲線(xiàn)圖。modelling [ J]. Industrial and Engineeing Chemistry ,顆粒越大，初始速度越大，碳的轉化率就越.1979, 18 (4): 684 - 695.低，這很明顯，顆粒越大，初始速度越大使得顆.4] Govind R, Shah J, Modeling and simulation of an en-粒在容器內停留時(shí)間越短，從而轉化率就越低。trained flow coal gasifier [J], A.1. Ch. E, 1984, 30,(7): 79-91.3結論作者簡(jiǎn)介:劉志賓(1980-) 男，博士研究生，研究方向為本文詳細分析了水煤比、氧煤比、工作壓力、仿真技術(shù)與系統建模。中國煤化工YHCNMHG