喷流床煤气化炉模型计算结果分析与优化

第38卷第3期.华北电力大学学报VoL. 38 ,No. 32011年5月Joumnal of North China Electric Power UniversityMay, 2011喷流床煤气化炉模型计算结果分析与优化刘志宾'，”，王兵树'，张立中，赵文杰'，董子健'(1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206;2.中核集团北京中核东方控制系统工程有限公司,北京100176;3.河北电力建设监理有限责任公司,河北石家庄050021)摘要:利用所建立的气化炉模型，对影响气化炉出口气体成分的入料参数进行了详细描述。基于模型分析了水煤比、氧煤比、气化温度、气化压力、煤粉粒度大小以及初始颗粒喷入速度等主要参数对最终出口气体成分的影响。分析结果表明:氧煤比对碳转化率的影响要大于水煤比的影响;而水煤比对最终堞气成分组成影响更大。为获得97%以上的碳转化率,氧煤比应在0.8到0.9之间， 水煤比应该在0.3到0.6之间。关键词:噴流床;煤气化炉;高溫分解;燃烧;数学模型中图分类号: TK 229.8文献标识码: A文章编号: 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对于气化温度，模型计算结果显示出在气化)引言炉人口附近的温度高达2500 C左右。这是由于在上部O2比较充足的地方,放热的氧化反应进行利用文献[1]所建立的气化炉模型，基于的很激烈，温度很高，随着氧气的消耗完毕，各TEXACO煤气化炉化学反应的动力学特性以及物反应物进入下 部的还原区，吸热的反应进行的比质的质量平衡、能量平衡建立了稳态的数学模型。较多， 从而温度呈下降趋势。文献!2的模型计算根据模型，在气化炉入口处CO、H2和CO2来自得出相同的结论，并且指出温度的最高点刚好出于煤的热解，但在人口处由于氧气的存在，CO是现在 02消耗完毕的那一点上。 这更加证明了气化急剧下降的，从而CO2是上升的。但随着氧气的炉 上部进行的激烈的放热反应。消耗完毕，煤焦会与CO2反应产生更多的CO从在宜际的生产过担中气 化炉中有限的时间而CO呈上升趋势，根据元素平衡法CO2呈下降(本文中国煤化工空间的情况下，趋势。各种YHC NMH G因此本论文建立的数学模型考虑了主要化学反应的动力学过程,收稿日期: 2010-11-12.通过计算固体物质在每一小室的停留时间，可以88华北电力大学学报2011年如实反映出每个小室中进行的化学反应随时间的微小。变化过程。通过模型所用煤种运行数据跟文献给文献[3, 4]等的结论是:氧煤比变化对煤出的试验数据比较，表明所建模型是有效的。气成分的影响要小于水煤比的影响，比较表2和表3可看出水煤比对气体成分的影响确实要高于1模型所用煤种及气化炉参数氧煤比的影响。图1和图2分别分析了水煤比和氧煤比对碳本文所采用的气化炉的气化段结构尺寸为,转化率的影响，Govind 的Texaco模型预测结果表炉膛内径152.4 cm,高度330 cm。鉴于文献[1]明，氧煤比变化对碳转化率的影响作用要大于水对煤种和化学反应的模型分析，本模型采用煤粉煤比变化的影响，本文也正好证明了这点。颗粒直径350 μm,颗粒初始速度400 cm/s,气化另外还应当指出:在选择最佳的氧煤比的同炉的工作压力24 atm,水煤浆密度取为: 1.23 g/时还应当选择最佳的水煤比。虽然增加水煤比会cm’。氧化剂为纯氧。详细参数参看表1。计算中增加H2和CO2的含量,但是同时也会减少CO的小室个数100。基于文献[1]所建模型以llinois ,含量。而且通过表2看出，随着水煤比的增加气No.6煤种为例进行分析。化炉内固体的温度是下降的，这是因为表1 Ilinois No. 6煤种干煤分析(1)煤焦和水蒸气的反应是吸热反应，会降Tab. 1 Dry fuel analysis from llinoiss No. 6 coal低气化炉内的温度，从而会使气化速率减小;输人参数数值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围1不同氧煤比下碳转化率C/Wt. %0. 48随水煤比变化曲线煤的温度/K .496. 33Fig. 1 Effects of stean/fuel ratio on thecarbon convertion水的温度/K676. 33氧气的温度/K298水煤比/(g*g)2模型运行结果分析及优化g 950.4 -90-2.1水煤比、 氧煤比对煤气最终成分影响st0.3由表2可看出在其他条件不变的情况下，水30-0.煤比从0.2到0.6变化的过程中，呈上升变化的有CO2、H2、H20,呈下降变化的有CO、CH4、0.55 0.6 0.65 0.70.75 0.H2S、N2. Ts (固体温度)。氧煤比/(g*g)由表3可看出在其他条件不变的情况下，氧中国煤化工化率随煤比从0.6到0.8变化的过程中，呈上升变化的MYHCNMHG有CO、CO2、H20,呈下降变化的有CH.、H2S、Fig.z Ettects of oxygen/tuel ratio on theN2、Ts (固体温度)，H2先上升再下降，变化很第3期刘志宾，等:喷流床煤气化炉模型计算结果分析与优化39(2)在气化反应系统内大量的水蒸气也会携2.2气化炉 内工作压力对最终煤气成分影响带大量的热量，从而较小反应温度。因此从图1表4标明了气化炉内的工作压力从24 atm增加看出最佳的水煤比应当在0.3~0.6之间。到54 atm 时气化炉内的最终气体成分随工作压力的氧煤比、水煤比都会导致甲烷、H2S、 N2的变化，由表4和图3、图4来看,压力对CO、CO2、量减小;增加氧煤比会略微减少H2的含量，因为H、 H2O的影响很小，而对CH4、H,S、N2的影响水蒸气增加了。但是甲烷受氧煤比的影响比较大，比较大，固体的温度是降低的。一般来说压力增大，这是因为氧气多了自然甲烷就少了。会使气化反应向浓度降低的方向进行，温度降低会从图2看出最佳的氧煤比为0.8以上，但是使反应向放热方向进行, 从而甲烷蒸汽重整反应会太高容易产生更多的CO2，从而降低CO的含量。向左进行，从而CH,的量是增加的。从图来看,水因此最佳的水煤比应该介于0.8~0.9之间。蒸气的量是减少的， 也确实向吸热方向进行的。表2 llinois No. 6煤种在不同水煤比下气化炉性能参数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/ (固体温度) 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煤种在不同氧煤比下气化炉性能参数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/ (固体温度) 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煤种在不同气化压力下气化炉性能参数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气化压力/ C0/C02/CH,/H2S/N2/ (固体温度) 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中国煤化工1 375.05455.104 33. 001 441. 52240.4192MHCNMHG1 378.99华北电力大学学报2011年6022VS:co300(cm/s)VsI:500(cm/)H2. VSI:_. 70(m))国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颗粒半径/cm气化压力/(atm)围5颗粒半径和初 始颗粒速度对碳转化率的影响Fig.5 Efects of fuel paticle size and inlet图3 气化压力对煤气成分的影响velocity on the carbon convertionFig 3 Effects of total pressure on the major煤粉颗粒大小、气化剂流量和颗粒的初始速度等product gas composition主要参数对最终成分构成的的影响。得出:氧煤0.25 [比在碳的转化率方面起着重要的作用，为获得CH497%以上的碳转化率，氧煤比应在0.8到0.9之间，水煤比应该在0.3到0.6之间。增加水煤比! 0.15N2会增加H2和CO2的含量，但是会减小CO的含量,H2S一增加水煤比会增加CO的含量。水煤比对最终气体成分的影响比氧煤比起得作用大。增大气化压0.00-768186/g)0.314(8/g)力对气体成分是有利的，会使H2, CO有所增加，CO2有所减小。颗粒大小对碳的转化率起着重要气化压力(atm)的作用，小的颗粒有利于碳转化率的提高。图4气化压力对煤气成分的影响参考文献:Fig.4 Effects of total pressure on the major[1] 刘志宾，赵文杰，唐昕,等.喷流床煤气化炉的建模[J]. 热力发电，2009, (2):9-12.2.3颗粒半 径和初始速度对碳转化率的影响[2] LucasJP, Lim CJ, Watkinson A P. A non-isothermal通过图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) 不变的情况下，固体颗粒初始速度分683 - 694.别在300 cm/s、500 cm/s、 700 cm/s 的情况下，[3] Wen C Y, Chaung T z. Entrainment coal gasification碳转化率随颗粒半径的变化曲线图。modelling [ J]. Industrial and Engineeing Chemistry ,颗粒越大，初始速度越大，碳的转化率就越.1979, 18 (4): 684 - 695.低，这很明显，颗粒越大，初始速度越大使得颗.4] Govind R, Shah J, Modeling and simulation of an en-粒在容器内停留时间越短，从而转化率就越低。trained flow coal gasifier [J], A.1. Ch. E, 1984, 30,(7): 79-91.3结论作者简介:刘志宾(1980-) 男，博士研究生，研究方向为本文详细分析了水煤比、氧煤比、工作压力、仿真技术与系统建模。中国煤化工YHCNMHG