外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立

第33卷第12期煤炭技術(shù)vol 33 No. 122014年12月Coal TechnologyDe.2014doi:10.13301/ i. cnki..ct.2014.12.113外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立白建明,單小勇,葛成蔭郭龍(華電重工股份有限公司,北京100070)摘要:建立了外熱式煤中低溫干餾爐炭化室的傳熱模型,充分考慮了水分遷移及煤干餾化學(xué)反應對傳熱的影響,模型計算結果與實(shí)際吻合良好,并且考察了裝煤水分含量和裝煤堆密度對傳熱過(guò)程的影響,分析表明隨著(zhù)裝煤水分含量的增加及煤料堆密度的減小,炭化室傳熱效率降低,干餾反應完成時(shí)間加長(cháng)。關(guān)鍵詞:煤;外熱式干餾爐;傳熱模型中圖分類(lèi)號:TQ530.2文獻標志碼:A文章編號:1008-8725(2014)12-0320-0Technology of External Heated Coal Pyrolysis and Establishment ofHeat Transfer ModelBAi Jian-ming, SHAN Xiao-yong, GE Cheng-yin, GUO LongHuadian Heavy Industries Co., Ltd., Beijing 100070, China)Abstract: Considered the moisture nonlinear evaporation model and the reaction model of coal pyrolysis, amathematical model was set up to simulate the heat transfer process in the furnace. It is shown that theproposed model is in good agreement with the experimental data. Then the effect of coal moisture contentand bulk density on heat transfer was studied, the results show that with the increases of coal moisturecontent and the decrease of bulk density of coal, the efficiency of the heat transfer in the fumace decreases, so the pyrolysis time lengthenKey words: coal; external heated pyrolyzing furnace; heat transfer1煤熱解技術(shù)成的煤氣(CO、CH4、CnH)含量高、氣質(zhì)好、混有以榆林地區煤為原料進(jìn)行熱解對比,對比數的N2含量很少,大大降低了荒煤氣鼓冷凈化單元據見(jiàn)表1。從表1得出,內熱式氣體熱載體熱解工的負荷。生產(chǎn)的煤氣既可供城市煤氣作燃料用藝產(chǎn)氣量遠高于其他2種工藝,但其煤氣中氮氣也可作為提氫的原料氣或合成甲醇、合成氨的化等惰性組分含量較高,導致煤氣熱值較低,利用價(jià)工原料氣,具有可觀(guān)的經(jīng)濟效益,顯示出巨大的值不大。以大工新法為代表,固體熱載體熱解工潛力。藝的煤氣熱值約為氣體熱載體技術(shù)的2倍,煤氣外熱式熱解爐技術(shù)目前所面臨的問(wèn)題是熱效率中有效組分高,但以半焦作熱載體,熱解出的重焦不高,因此必須對熱解爐中的傳熱進(jìn)行研究,以期能油粘附在半焦表面,致使發(fā)生堵塞。外熱式熱解夠以此為基礎優(yōu)化現有爐型結構或開(kāi)發(fā)新?tīng)t型,形爐技術(shù)焦油產(chǎn)率不低于氣體熱載體技術(shù),但其生成具有強競爭力的技術(shù)。(2)通過(guò)線(xiàn)性插值法獲得的構造煤發(fā)育圖與鉆[4】姚軍朋,司馬立強張玉責構造煤地球物理測井定量判識研究孔、巷道揭露情況基本吻合,證明該方法可行性較[J].煤炭學(xué)報,2011,36(S1):94-98.[5]張許良,單菊萍,彭蘇萍.地質(zhì)測井技術(shù)劃分煤體結構探析[J]髙,為初步了解構造煤區域分布提供了依據。隨著(zhù)煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(12):88-92.鉆孔樣本數量的增加,精度會(huì )進(jìn)一步提高。[6]董守華煤田測井方法和原理[M]徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社參考文獻:[1]張玉貴,張子敏曹運興構造煤結構與瓦斯突出[J].煤炭學(xué)報[7]楊永國數學(xué)地質(zhì)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.2007(3):281-284.[8]權雙燕,曹陽(yáng).插值法的應用與研究[冂].科技信息,2007(36):413-414.[2]尚錦燕張學(xué)武,劉云娟高瓦斯礦井據進(jìn)面瓦斯綜合治理技術(shù)的研究[J].煤炭技術(shù),2012,31(11):102-104作者簡(jiǎn)介9r)河南陽(yáng)人在讀碩士研究生,研究[3]司中應,郁鐘銘影響煤與瓦斯突出因素的定量化分析與應用方向媒田地中國煤化工m@,cmnCNMHG[].煤炭技術(shù),2012,31(12):79-81為:2014-09-02320第33卷第12期外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立——白建明,等Vol. 33 No. 12表1不同熱解工藝煤氣組分與熱值ko—j組分的反應速率常數,s1組分停熱值煤氣量T—煤層溫度,K;熱解工藝H2cH400CH02與202mM·k1/m3E—j組分的反應活化能,kJ/kg;外熱式4821942071.5645.005.51j組分在時(shí)間內的產(chǎn)量占煤質(zhì)量的氣體熱載體288812102246021.5-84百分比;固體熱載體23.52813.75525.74005118.0143組分最終的產(chǎn)率,由葛金分析數據得2炭化室傳熱模型的建立到2.1模型簡(jiǎn)述煤的熱解轉化率w為各熱解產(chǎn)物產(chǎn)率之和,即煤中低溫干餾爐結構及煤熱解反應過(guò)程十分復∑雜,使得其傳熱的數學(xué)模型無(wú)法按照實(shí)際情況建立,由于煤干餾爐連續穩定運行,因此煤料顆粒的需要作出適當的簡(jiǎn)化?，F對模型的建立作出如下假熱解反應停留時(shí)間r是煤料下降速度u的函數,由設:(1)炭化室本身結構具有對稱(chēng)性,為簡(jiǎn)化計算,于煤料勻速運動(dòng),因此u為常數,熱解反應時(shí)間r=模型將以炭化室中心截面為界,取炭化室的一半進(jìn)z/u,z為煤層高度,u4為煤料下降速度,帶入上述行模擬;(2)干餾爐處于穩定運行狀態(tài);(3)忽略壁方程可得面效應和煤顆粒返混和熱損失;(4)炭化室爐壁加E熱均勻,認為爐墻溫度均勻;(5)干餾爐運行過(guò)程中dzR7((2)體積不發(fā)生較大變化;(6)忽略煤層空隙中的對流表2熱解模型計算所需要的動(dòng)力學(xué)參數表傳熱,按等效導熱系數考慮;(7)忽略熱解產(chǎn)物的二組分E/J·mol-次裂解過(guò)程,模型示意圖見(jiàn)圖11.7×1052.16C1396122.3×10°0.253.18l5103147542.0×1017932141678531.2×10°燃燒1=常數2.3炭化室控制方程根據模型假設條件,可以得出干餾爐穩態(tài)傳熱模型的數學(xué)描述為a7Pecu(T)0(、0T式中p—煤料密度kg·m3;圖1炭化室傳熱數學(xué)模型簡(jiǎn)圖c?！葻崛?·(kg·K);2.2煤熱解動(dòng)力學(xué)方程A——煤的導熱速率,W·(m·K);眾多研究者對煤熱解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳細的研Q—熱解反應熱和水蒸發(fā)潛熱等內部熱究,建立了總包一級動(dòng)力學(xué)、活化能分布模型等多種源,W·m3。熱解動(dòng)力學(xué)模型。本文為簡(jiǎn)化計算,認為熱解產(chǎn)物24邊界條件H2、COCO2、CH4、C2烴和焦油(Tar)等的生成析出炭化室頂部1z=H=0,T=7;炭化室底部過(guò)程為平行反應,且均符合一級反應動(dòng)力學(xué),即可用Arrhenius公式描述dr ho exp)(Vz0÷0;炭化室中心面1,=0;炭化室壁面處T=TH2.5水分中國煤化工式中r時(shí)間,s;CNMHG-321Ⅴol.33No.12外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立——一白建明,等第33卷第12期Hideyuki等人采用實(shí)驗方法進(jìn)行研究,根據實(shí)CO2、CH4、C2烴和焦油等是極其重要的日標產(chǎn)物,因驗結果,將水分的蒸發(fā)按溫度區間分為3個(gè)階段冷此需要求取煤干餾過(guò)程的反應熱。本文參照Mer凝階段,恒速干燥階段及減速干燥階段T2-73。rick所建立的計算方法,根據揮發(fā)物析出的反應熱(2)水分恒溫蒸發(fā)平衡,建立溫度T時(shí)的熱生成速率表達式該模型基于水分蒸發(fā)只發(fā)生在100℃,認為水da 5d+d(m)=0(8)分蒸發(fā)潛熱在一定的溫度區間內T。T(如100101℃)平均分配,得到水蒸發(fā)的等效比熱容為式中q—熱解反應熱,J/kg;H各組分的生成熱,J/kg;m各揮發(fā)分產(chǎn)物的質(zhì)量分數,%式中H一水分蒸發(fā)潛熱式(8)中下標j(0-7)分別對應char、Tar及其他(3)水分蒸發(fā)非線(xiàn)性遷移模型6種氣相產(chǎn)物(H2、COCO2、CH4、C2和H2O)?？紤]到煤熱解或煤焦化的復雜性,將水分蒸發(fā)在不同溫度T下,Tar和氣相產(chǎn)物的生成熱劃分成多個(gè)線(xiàn)性階段進(jìn)行研究。本文中,將外熱式=(9)熱解爐中水分蒸發(fā)的過(guò)程分為2個(gè)階段,即在20100℃,大量水分蒸發(fā)出,剩余的少量水分在100式(9)中P由物化性質(zhì)標準表計算得到其參120℃干燥。并且,將水分蒸發(fā)潛熱平均分配在各數值見(jiàn)表3。段干燥過(guò)程中。表3P計算所需的參數值設外熱式熱解爐炭化室內煤料/半焦在某一溫組分常數系數1,T系數2,7C-417900022101.56度區間[t1,t2]內的水分蒸發(fā)量為m,則在此區間內286600019201.46煤料/半焦所需要吸收的蒸發(fā)潛熱為0.11Q=H,mHz14250式中R1o水分遷移隨煤層高度的變化率。H, 01348000l8100.33由于炭化室內煤料/半焦的升溫過(guò)程并不是線(xiàn)對于焦炭的生成熱性的,水分蒸發(fā)過(guò)程也表現為非線(xiàn)性遷移過(guò)程。0=Hqy;+△h(10)Ro的數學(xué)表達式式中H25℃時(shí)半焦的燃燒熱,J/kgdTum1(100-70),T?！?00℃q—元素C、H、O、N、S在25℃時(shí)分別對RH應的燃燒熱,J/kg(見(jiàn)表4)Lum2/(120-100),100℃120cy——半焦中C、H、O、N、S元素的質(zhì)量分數式中m1、m2第一、第二溫度區間內的水分蒸表4各元素的燃燒熱值發(fā)量,m1約占總水分蒸發(fā)質(zhì)量的元素q×10°/J·kg32.76141.7709.2685%-95%,m2約占總水分蒸發(fā)量的5%~15%。25℃時(shí)半焦的燃燒熱為使計算結果更加接近實(shí)際情況,本文采用水H分蒸發(fā)非線(xiàn)性遷移模型作為水分蒸發(fā)潛熱的處理方式中A燃燒熱系數具體見(jiàn)表5。法。上述公式即為模型的數學(xué)描述式。亓幸時(shí)應的檔熱玉數2.6煤干餾化學(xué)反應熱的處理中國煤化對于煤中低溫干餾過(guò)程,其揮發(fā)產(chǎn)物H2、CO、A;×10CNMHG322第33卷第12期外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立—一白建明,等Vol 33 No. 12原煤及半焦的焓值的變化量堆密度的減小,也就是進(jìn)煤粒度的增大同樣降低了Mh=∑(y,)f(T)(12)炭化室的傳熱效率,但過(guò)大的煤料堆密度使得孔隙率變小,不利于揮發(fā)物的析出過(guò)程,因此,需要綜合f(T)=R3(9330(8)-136慮選擇最適宜的進(jìn)煤粒度分布。(13)g0(x)=1/(exp(x)-1采用上述模型能準確地計算煤干餾過(guò)程的反應熱。因此煤料因發(fā)生熱解反應所吸收的熱量~蘭之Q=HR.z(15)數本分圓式中H—熱解化學(xué)反應熱,J/kg;R.-—揮發(fā)產(chǎn)物產(chǎn)率隨煤層高度的變化率。3模型驗證及結果討論圖3不同裝煤水含量對炭化室中心面溫度分布的本文根據某中試裝置的操作及工藝參數,應用上文建立的數學(xué)模型進(jìn)行求解?；竟r為入爐煤料25℃,煤含水8%,煤料堆密度800kg/m3,炭化段高度6m,煤層下降速度0.5m/h,熱解時(shí)間12h。應用本文所建立的模型對炭化室中心面溫度進(jìn)學(xué)二行了計算,溫度隨煤層高度的變化情況如圖2所示。煤料堠光度740k煤料堆度800kgm從圖2中可以看出,對于干餾爐穩態(tài)運行過(guò)程,計算值與實(shí)際值能很好的吻合,說(shuō)明本模型能比較真實(shí)煤層高度的反應干餾爐的實(shí)際生產(chǎn)情況,可以很好地預測炭圖4不同堆密度對炭化室中心面溫度分布的影化室內煤料的溫度變化規律。4結語(yǔ)1)傳熱模型的計算值與實(shí)際值吻合較好,驗證了本文建立的數學(xué)模型的合理性,對外熱式煤中低溫干餾爐的設計和校核提供了理論基礎;(2)隨著(zhù)裝煤水分含量的增加以及煤料堆密度的減小,炭化室傳熱效率降低,干餾時(shí)間加長(cháng)。參考文獻煤層高度m[1]尚建選,馬寶岐,張秋民,等.低階煤分質(zhì)轉化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)[M]圖2炭化室中心面計算溫度和實(shí)際值對比北京:煤炭工業(yè)出版社,2013對于炭化室傳熱過(guò)程,裝煤含水量及煤料粒徑[2]司俊龍溫治,劉訓良.基于水分蒸發(fā)非線(xiàn)性遷移的炭化室傳熱模型[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2007,41(10):1746-1749.對炭化室溫度分布有重要的影響,其中煤料粒徑分[3]郭樹(shù)才,羅長(cháng)齊,張代佳,等褐煤固體熱載體干餾新技術(shù)工業(yè)性布直接反應在煤料堆密度上。應用本文建立的模實(shí)驗[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,1995,35(1):46-50型,改變初值,對裝煤水分含量及煤料堆密度的影響[4〕梁鵬,曲旋,田原宇,等移動(dòng)床粉煤干餾爐一維數學(xué)模型的建立進(jìn)行了分析,分析結果如圖3和圖4所示。[J].山東科技大學(xué)學(xué)報,2009,28(6):79-84從圖3和圖4中可以看出,不同裝煤水分含量5鄒志毅燒結水分遷移數學(xué)模型及計算機仿真[J,燒結球及煤料堆密度條件下,炭化室中心面溫度的變化規1994,(2):1-7律是一致的。隨著(zhù)裝煤水分含量的增高,降低了炭作者簡(jiǎn)介:白建明(1970-),寧夏中衛人,高級工程師,研究方向為煤化工化室的傳熱效率,使得炭化室中心面溫度降低,延長(cháng)中國煤化工子信箱: baiji@chec. com了干餾完成的時(shí)間,對實(shí)際操作過(guò)程是不利的;煤料CNMHG責性:動(dòng)以確口期:2014-07-14323