华亭煤地下气化与固定床气化指标对比研究

研究探讨煤炭工程2013年第1期表1华亭煤的工业分析及元素分析结果(空气干燥基)工业分析/%元素分析/%高位发热量灰熔点容重/煤种M AyHu0S.nd/(M].kg-)/C(kg.m-3)不粘煤8.5 6.633.74.515.30.80.411971.40现场进行了空气连续法、空气蒸汽连续法、富氧蒸汽连续2气化指标及其对比法、纯氧蒸汽连续法以及空气-蒸汽两阶段等气化工艺试2.1地下气化产 气指标验[']。本文选取空气蒸汽连续法气化工艺的相关指标进行华亭煤炭地下气化项目于2010年5月至11月期间在对比研究，其气化指标见表2。表2华亭煤空气蒸汽连续法气化实验实测气化指标[1)煤气组分/%消耗指标煤气产率/蒸汽分空气消耗/蒸气消耗/煤耗/HCH,CoN2CzH4(Nm3●Nm-3) (kg. Nm-3) (kg" Nm-3)(Nm'●kg1)解率/%19.56 13.93 1.98 15.53 48.69 0.310.610.120.303.3174.712.2固定床 气化产气指标H一已分解水蒸气提供的氧量, kmol。通过综合计算法所得数据模拟固定床气化产气指标。2.2.1干馏阶段经验参数4)空气中的氮量与被气化的碳量存在下述关系。在干馏阶段计算中对应不同的煤种有不完全相同的经CO + CO2验参数，下面前8条为对应华亭煤选取的经验参数，第9条为实际测定值。式中，η只是反应碳和氮的比关系，无实际意义。1)干馏阶段，煤中50%的氧与相当量氢生成热解水。5)平衡常数方程:2)煤中30%的氧转化为CO2。Co x CO2CO,xH,=K3)煤中所含氢的35%转化为甲烷。4)转入焦油中的碳元素的质量等于煤中氢的。式中K- 平衡系数。5)煤中氮除了转入焦油中的氮外，其余均以N2析出。据条件选择。注:干馏阶段及气化阶段参数均从参考文献[3]中根6)煤中80%的硫转化为硫化氢进入煤气。7)煤中的氢，除了生成H20(热解)、CH4、CH2、由干馏阶段和气化阶段计算结果可整合,综合计算结H2S、 焦油以外，均以H2析出。果列表见表3。.8)进入的总氧量，除生成H20(热解)、CO2 和焦油表3综合计算结果列表外，均转化为CO。千馏气组分气化气组分总和9)根据实际情况，灰渣中含碳10%。/kmol2.2.2气化阶段计算020. 1230.941.063在气化阶段，碳与气化剂反应生成CO、H2、 CO2,还CO0.154 .3. 563.714有未分解的水蒸气及N2,一起进入气化煤气。列方程、解CH、0. 33425-C2H40. 047750.04775方程:以下方程中的分子式均代表物质的摩尔数。煤气组分.H20. 4781.441.9181)生成的Co和CO2量等于进入气化段的碳量。H2S0.008CO+CO2=C0. 0227.57. 5222) H2 与未分解的水蒸气之和等于气化剂中所含水量。H2O0.880.761.64H2+H20=W干煤气Vkmol14. 607式中H20- -未分解的蒸汽量, kmol;煤气产率(Nm3●kg-1)3. 272W-气化剂带 人的蒸汽量，kmol。3)气化剂中空气和水蒸气带入的氧量等于气化煤气中由表3可得固定床气化气化指标，见表4。，CO和CO2所含的氧量。2.3气化指标对比CO2+字c0= N+h由华亭煤地下气化实测煤气组分与固定床煤气化气组分可得气化指标体积比对比，如图1所示。气化100 kg煤地下式中N2-空气带人的氧量， kmol;气化与地面固定床气化煤气组分质量对比，如图2所示。1002013年第1期煤炭工程研究探讨表4固定床气化气化指标煤气组分/%消耗指标煤耗/煤气产率/蒸汽分HCH4CON2 CH(Nm' .Nm-3) (kg.Nm-) (kg . Nm-)空气消耗/蒸气消耗/(Nm)'●kg-')解率/%13.1325.422.297.28 51.50 0.330.660.120.313.2765. 45得到的H,量要小于地下气化得到的量。60+地气化在CH,的对比中可以看到，地下气化与固定床气化中50个.固定炉气化CH的产量是比较接近的。服402.3.2碳转化率对比禽30由实测气化指标可以算出，气化100kg煤，煤气中含有的碳元素为4.7kmol,而地面固定床气化100kg煤，可2(得到的煤气中含有的碳元素为5.13kmol。即地下气化的碳1元素转化率小于固定床气化的碳元素转化率。CH4 CO2 N2 C2H42.4气化指标差异分析产气指标从上述对比中得知，地下气化与地面气化产气指标中围1气化指标体积比对比图差异最大的是H2、CO、CO2, 从H2的对比中可以推测，在地下气化过程中，地下水参与了地下气化的反应，导致地下气化H含量大于地面气化固定床气化指标。可从地下地下气化气化氧收入与支出证实。00 +固定炉气化氧收入:根据地下气化实测数据易得，100kg 煤气化能150-得到2.07kmol一氧化碳与2.31kmol二氧化碳，而同时生成这么多的- -氧化碳与二氧化碳需要3.345kmol氧气。氧支出:煤中含有氧0.41kmo(由于地下气化生成焦油50中所含氧太低，可以忽略其消耗的氧)，气化剂中含氧1. 91kmol,水蒸气分解得到的氧为0. 83kmol。总氧量为co CH4CO2 N2 C:H43. 15kmol。圄2气化指标质对比圈可以看出，氧元素收支不平衡，支出项比收入项多从图1与图2中可以直观地看到，无论是体积比还是0. 195kmol氧，地下气化是在密闭的空间中进行的，所以这部分氧很可能是通过地下水的分解来补充的。质量比(N,不参与对比),固定床气化炉气化指标中的co气化过程中地下水不断流入气化炉内，吸热变成水蒸比例都远大于地下气化，而地下气化的CO2产出量要远大气,将影响炉内的温度场。地下气化炉中反应的稳定性与于固定床气化炉。图1中固定床气化指标中H2的体积比要理想的温度场密切相关。两阶段煤炭地下气化工艺:第一大于在地下气化指标中的体积比，图2中这种关系不太明阶段煤层发生燃烧，放出大量的热，并积蓄在煤层中，炉显，需要进一一步的计算。由于甲烷和乙烯在煤气中的含量内温度逐步上升，产生理想的温度场0。第二阶段将主要较少，图1.图2中的差异也并不明显，同样需要通过计算发生还原反应，只有第一阶段产生足够量的热能以后，第进一步对比。二阶段才能顺利进行，地下水对温度场的改变将导致在第2.3.1氢气、 甲烷、乙烯质量对比二阶段过程中碳向二氧化碳、一氧化碳向二氧化碳的转变通过计算可得出，气化100k煤地下气化与地面气化占优势，而二氧化碳向一氧化碳的转变占劣势。这也解释煤气中H、CH、CH,质量对比，见表5。了为什么地下气化产出的CO2量远大于固定床气化产出量。表5H、CH、C2H质对比gH2CH。C2H43结论5.821.291)等量的煤进行气化，地面固定床气化所得H2、CO2固定床气化3.75. 281.33量要小于地下气化所得H2、CO2量，地面固定床气化所得co、CH,的量大于地下气化所得cO、cH量，气化指标体从表5可得出，气化相同质量的煤，固定床气化所得积比对比中呈现相同趋势。(下转第104页)高热值气体cH,的量大于地下气化所得量，而固定床气化101研究探讨煤炭工程2013年第1期结果等相关数据见表3。度以及测试结果等相关数据。6)把氧气袋中甲烷浓度配置为0. 25%，重复步骤五的7)对以上得到的数据进行处理。对相同浓度得到的不实验操作，实验条件和操作过程与上步相同，记录炉膛温同结果取其平均数。表3测试数据3采样编号23689101炉膛温度/C60065070072074075076077079000测试结果甲烷浓度/% 0.250.250.25 0. 250. 250.25 .0. 140.07 0. 020在750C左右时即开始被氧化，甲烷浓度逐渐降低，且在3测试数据分析800C左右时能被完全氧化。极低浓度甲烷在高温的条件下能够被逐渐氧化,其浓度3)进气口甲烷的浓度对甲烷的氧化率有- -定影响，随逐渐降低。且极低浓度甲烷被氧化的温度，与其浓度有关，着甲烷浓度的降低，甲烷的转化率逐渐降低，甲烷浓度越低，甲烷氧化所需的温度越高。在温度- -定时,该实验的成功可以为以后乏风的利用提供依据，根据人口甲烷浓度对甲烷转化有- -定的影响，随着甲烷浓度的降乏风中甲烷浓度的高低来设置炉膛温度，既可以满足甲烷低，甲烷转化率逐渐降低。提高温度可以解决这一问题，因燃烧的条件，又可以减少能源的损耗。在实验过程中发现此该氧化方法可以适用于甲烷浓度波动较大的矿井通风瓦斯人口处气体的流速对甲烷的氧化率有很大的影响，对此将等超低热值燃料。测试数据折线图如图2所示。需进行深入的分析研究。该实验的进行为以后研究气-固混合两相燃烧提供了依据，为以后乏风的合理应用提供了甘浓度0.75%基础和方向。0.6-+浓度0.5%0.4t浓度0.25%参考文献:0.21] 王鑫阳，杜金浓度低于1%的矿井瓦斯氧化技术现状及600700 720740 760 780 800 820前景[J].煤炭技术，2008， (9): 1-2.温度/C2] 王鑫阳.矿井乏风回收利用技术研究[D]. 阜新:辽宁工图2测试数据折线图程技术大学，2008, (06).3]马熹焱，齐庆杰燃用超低浓度瓦斯燃气轮机的特性研究从图2中可以看出:①随着温度的升高，气体的燃烧[J]. 能源与环境，2009， (2): 27-28.速度明显的加快，燃烧速度与温度成指数关系;②当燃烧[4] 张新华对我国煤矿瓦斯利用技术研究及探讨[J]. 科技炉膛的温度维持在800C以上时，矿井通风瓦斯可以近乎完信息，2008， (23): 309.全的被氧化;③当温度低于740C时,无论通人的甲烷浓度5] 陈宜亮，马晓钟，魏化兴.煤矿通风瓦斯氧化技术及氧化热多高，都不发生氧化，这与甲烷的自身化学性质相符。利用方式[J].中国煤层气，2007, (4): 27 -~30.6] 刘文革，韩甲业，赵国泉.我国矿井通风瓦斯利用潜力及经4结论济型分析[J].中国煤层气, 2009， (3): 3~8.1)极低浓度甲烷在- -定温度下能够被逐渐氧化。氧化7] 崔荣国.国内外煤层气开发利用现状[J]. 国土资源情报,2005，(11): 22 ~26.所需的温度与其浓度有关，一般条件下，甲烷浓度越高则氧[8]张昌建， 耿林，袁常升，等.浅谈掺烧煤层气(瓦斯)燃化所需的温度越低;甲烷浓度越低，氧化所需的温度越高。煤锅炉的改造设计[J].煤炭工程, 2011, (1): 17-19.2)根据实验研究得出极低浓度甲烷在锅炉炉膛中应该(责任编辑赵巧芝)(上接第101页)2)地面固定床气化碳进人煤气的转化率要高于地下气[3] 寇 公媒炭气化工程(第-版) [M].北京:机械工业出化碳的转化率。版社, 1992.3)推测地下气化过程中，地下水参与了反应，使反应4] 黄温钢，王作棠，段天宏，等.华亭煤空气、富氧及纯氧地过程中碳向二氧化碳的转变占优势，从而比固定床气化产[5]下气化特性研究[J].洁净煤技术，2011, (3); 71~78.生更多的CO2。WANG Zuo - lang, HUANG Wen - gang, ZHANG Peng,etal A contrast study on diferent agents of underground coalgaification at Huating Coal Mine [J]. JOURNAL OF COAL[1] 郭冠龙，滑怀田.浅析煤炭气化技术及发展趋势[J].陕SCIENCE & ENGINEERING, 2011, (17): 181 ~ 186.西煤炭，2011, (4): 115-116.[6]汪滨，梁洁长通道大断面两阶段煤炭地下气化工艺的[2]陈菊枝，洪献春.煤炭气化技术[J].化学工程与装备，实验研究[J].煤炭科学技术，1996， (2): 17-19.2011, (4): 10~111.(责任编辑郭继圣)104