等离子体辅助煤气化的初步研究

第27卷第4期煤炭转化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOct.2004等离子体辅助煤气化的初步研究李明东”邓巍巍?)鲍卫仁3) 樊友三“》摘要采用独立组元法对煤气化反应的C-H-O-S-N热力学平衡体系进行了计算,在此基础上提出了一种等离子体炬辅助下煤两段气化的方案.分析结果表明,等离子体的引入可以从多个方面加快气化反应速度,从而可以获得比常规煤气化方法更高的单位容积处理能力,相对于常规煤气化方法,该方案具有较好的经济效益和环境效益.关键词煤,气化,平衡体系,等离 子体中图分类号TQ541的反应系是包含C,H,O,S和N等多种元素的复杂0引言体系,独立组元法是计算这种复杂化学平衡体系的随着石油和天然气资源的不断减少,发展清洁有效方法. [0]根据独立组元法的基本原理,可把一个高效的煤转化技术具有长远意义.煤气化是实现煤含有c种元素的气固平衡体系中的N个组元A,划清洁高效转化的重要途径,其产品气(CO+H2)不仅分为独立组元组和导出组元组,其中独立组元组由可以用作代用天然气或者燃料气,而且可以用作化b个气相组元A。(g= 1,2,.,b)和c - b个固相组工合成气.元A,(s=b+ 1,b+ 2,..c)组成,各个独立组元的气化温度是影响气化反应速度进而影响气化炉化学式之间线性无关;导出组元组由N -c个组元单位容积处理量的主要因素.在常规煤气化方法中，A,(j=c+ 1,c + 2,... ,N)组成,每个导出组元的化体系的温度靠煤自身燃烧释放的热量来维持,通常学式均可以按化学反应方程式的形式表示为c个独不超过2 000 C,因而其单位容积处理量受到自身立组元化学式的线性组合:加热方式的限制，很难继续提高.目前，常规煤气化方法的单炉生产能力最大只能供给250 MW的2rA.(g)+ ZY.A.(s)=A.(g) (1)IGCC电站的煤气需要量,远不能满足大型电站或这些化学反应方程式之间是线性无关的,其质量作者大型合成氨装置的需要.等离子体具有高温、高焓用方程为:和富有活性粒子的特点,近年来在化工领域得到了x,= K,I[(x)p劣(2)越来越广泛的应用.在常规煤气化方法的基础上引式中:xI。分别为导出组元和气相独立组元的摩人热等离子体炬作为高品位热源,可望获得比常规煤气化方法高得多的单位容积处理量,是实现高强尔分数,p为体系的压力,Kp,为反应(1)的平衡常度气化的新途径. [1+0]本文在煤气化反应C-H-O-S-数,YmavY,;分别为反应(1)中各独立组元的当量系N平衡体系进行热力学计算的基础上,提出了一种数.根据质量守恒方程整理,可得到气相独立组元和等离子体炬辅助下煤两段气化的新方案,并对新方导出组元摩尔分数之间的关系式:案进行了经济和环境效益评估.q.(1- Ex,+ 2Exx)Cg==1煤气化平衡体系的计算煤本身的元素构成决定了等离子体辅助煤气化中国煤化工(3)*国家重点基础研究发展规划项目(G1999022106).YHCNMHG1)博士生:2)硕士生;3)教授,清华大学工程力学系.北京10084+3)高级工程师,太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,030024太原收稿日期:2004-07-10;修回日期:2004-08-308煤炭转化2004年式中:qx和q,代表体系的初始组成，即假设导出组且元都不存在时体系中独立组元的摩尔数.根据方程CO0.1(2)和方程(3)进行迭代运算,即可以求得平衡体系中各组分的浓度.0.01CE本文以保德煤(元素分析数据见表1)为例,采正-MHSL用独立组元法对不同气化剂比例(H2O/O2)的C-H-IE-4-__ coXHorO-S-N热力学平衡体系进行了计算，典型计算结果见图1和图2.10001 5002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000表1保德煤的元素分析数据Temperature/KTable 1 Ultimate analysis of Baode coal图2 C-H-O-S-N 热力学平衡体系(H2O; O2=3)UltimateMass content/%Mole ratioFig.2 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumanalysissystem(H2O : O2=3)75. 8215. 360. 848Baode coal(C-H-O-S-N=1 : 0. 848:16. 220.1600. 160.0. 004 : 0.021)0.74 .0. 004辅助下煤两段气化的方案(见图3).气化炉的出口1.860.021温度设计为1 600 K,两部分煤粉分别从两段反应从图1和图2中可以看出:1)不论体系中气化器人口供入气化炉中:在气化炉的第一段引人氧等剂H2O与O2的比例如何,体系中的主要组分都是离子体炬,建立以氧等离子体炬为中心的高温活性CO和H2,H2和CO的比例随着H2O/O2的增加而区(平均温度在3 000 K以上),同时供入一定量的增加:在温度为1 600 K~2500K时CO与H2之和氧气和第一部分煤粉;为了充分利用第一段高温反含量最高;2)温度超过1 600K系统中最主要的杂应系1600K以上的高品位能量,在高温活性区的质为H2S和N2,约为10~量级,其含量随H2O/Oz出口处供入一定量的水蒸气和第二部分煤粉.在第的值增加而降低,这是因为H2O/O2的增加会使煤Plama torch气中含有更多的H2,使杂质的量相对减少.Coal+ Oyen.1 tCoul+ HOg)也. CHs三E-3FME-.引”I 0010020000 2500 30003500 400 4500 5000Temperaure/K(coal网)图1 C-H-O-S-N 热力学平衡体系(H2O:O2=0.01)Fig.1 C-H-O-S-N thermodynamic equilibriumAsh residuessystem(H2O:O2=0.01)Baode coal(C-H-O-S-N∞1 : 0. 848:0. 160; 0. 004 : 0. 021)图3等离子体炬 辅助下煤的两段气化方案示意图上述结果表明,气化炉出口温度取为1 600 Kig.3 Scheme for Plasma Auxiliary Two-stage CoalGasification Method就可以保证产物中有效成分CO和H2的高含量和二段反应器中进行的水煤气反应是吸热反应,不仅杂质的低含量,调整气化剂的比例H2O/O2可以使煤气中含有更多的H2.可以充分利用第-段反应器高温反应体系1600K2等离子体炬辅助下煤的两段气化方案以」i60中国煤化工反应体系的温度到|YHC N MH G气中氢的含量,改善2.1方案的设计煤气成分调节气化炉第二段的长度,可以使煤粉完根据上面的计算结果,本文提出了等离子体炬全 气化. .第4期李明东等等离子 体辅助煤气化的初步研究19上述方案中,第一段高温活性区的平均温度是离子体炬所消耗的能量只占到两段所处理煤总热值个重要参数,需要同时考虑等离子体炬的能耗以及的2. 3%~4.4%.耐火材料等I艺的可行性.仍以中国的保德煤为例，2.2方案的优势忽略其中的N和S元素,假设供入的煤粉和气化剂完全反应生成CO和H,并不计过程中的热损失，在第一段反应器中,煤粉在等离子体射流中快本文对上述方案的能量平衡进行了计算.图4给出速升温热解释放出挥发分，同时会发生煤粉或残碳了等离子体炬能耗占两段所处理煤总热值的比例随与O2之间的气化反应.等离子体炬的引人,首先使着第一段高温活性区平均温度的变化关系.不难理得第一段反应体系的温度大大提高;同时等离子体射流中高浓度的活性粒子，能在很大程度上降低气化反应的活化能.[4]根据Arrhenius公式，如果不考虑反应活化能随温度的变化，当反应温度从常规煤气化方法的1700K 左右升高到3 000 K时,煤气化主要反应C+CO2=2CO的速度增加了1 000倍以上;另外,在快速升温的过程中,煤粒会受到热应2500 3000 3500 4000 4 500力以及挥发分从内部膨胀溢出压力的双重作用而爆Average temperature of sctin1/K裂破碎,使得残碳气化反应的比表面积大大增加,从而加快残碳与O2或CO2等气化剂之间的气固表面图4等离子体炬能耗比例与第一段反应速度.因此,等离子体炬的引人可以从多个方面平均温度之间的关系加快气化反应的速度,从而在第一段反应器中形成Fig. 4 Energy consumption ratio of plasma torchat different temperatures of stage 1一个快速气化反应的高温活性区;另外,等离子体系解,随着第一段反应器内平均温度的升高,所需要的统热惯性小,启动、停车、调节负荷极其容易迅速,负.等离子体炬能量近似呈线性增加.综合考虑等离子荷调节范围很大,而且易于实现生产过程的自动化;体炬能耗的合理性和炉体耐火材料工艺的可行性，气化温度提高后,对煤种要求低,不产生焦油和第一段平均温度可取为3 000K~3 300 K,这时等CO2”,有利于后处理;煤气中H2含量提高,煤气品表2两段气化方案与Shell 煤气方法的比较Table 2 Comparison between two-stage method and Shell methodRaw materialElectric powerProductsMethodCal/(kg.h-1) 0Xxygen/(m3.h 1) H2O(g)/(kg.h- . added/kw CO/(m.h-1) Hz/(m°.h-7_Two-stageStage I10.600. 301.4540. 616Stage 10.3980. 39(0. 5790. 731schemeTotal1. 3980.o.39.0.302. 033 ;1. 347Shell Method 1. 3980. 8392.030. 862质好.以保德煤为例,在表2中对上述方案和Shell位容积处理能力,同时具有较好的经济效益和环境气化方法的相关基本参数进行了理论计算.按效益.依据本方案建立了相应的实验系统,初步的实1. 398 kg/h的供煤量计算,两段气化方案相对于验结果验证了新方案的可行性. [1]Shell方法少耗氧0. 238 8 m2/h,而大型制氧机电耗为0.6 (kW●h)/m2~0.65 (kW●h)/m',则制氧3结论机少消耗电耗约0. 15 kW,因此等离子体实际增加的电能消耗为0.15kW.同时,在两段气化方案的产1)热力学平衡体系的计算结果表明,气化炉出品气中增加了0. 485 m'/h氢气,作为燃料燃烧时放口温度中国煤化工证产物中CO和出的能量将远大于0. 15 kW.H2的YCNMHG整气化剂的比例综上所述，与常规煤气化方法相比,等离子体炬H2O/O2可以使煤气中含有更多的H2. .辅助下煤两段气化的新方案必然可以获得更高的单2)提出了一种等离子体炬辅助下煤两段气化20煤炭转化2004年的新方案:在第一段引入氧等离子体炬形成3 0003)理论分析表明,等离子体炬的引入可以从多K~3300K的高温活性中心，同时供入一定量的煤个方面加快气化反应的速度,等离子体辅助煤气化粉和氧气;在第二段人口处引入一定量的水蒸气和方案必然可以获得比常规煤气化方法更高的单位容第二部分煤粉,煤粉和水蒸气之间的水煤气反应可积处理能力;与常规煤气化方法相比，新方案具有较调节气化炉出口的温度为1600K左右好的经济效益和环境效益.参考文献[1] 申曙光,王 胜,庞先勇等.煤在直流电弧等离子体中的气化.煤炭转化,2003.26(1):45-47[2] 鲍卫仁,关有俊,吕永康等. 等离子体煤热解与气化工艺的研究进展.现代化工，2003,23(12),10-14[3] 邱介山,何孝军 ,马腾才.煤的水蒸气等离子体气化研究现状和前最.煤炭转化.2002 ,25(2);小-7[4] D'yakov A F ,Karpenko E L. Plasma-energy Technologies and Their Importance in Thermal Engineering. Thermal Engineer-ing,1998.45:467-472[5] Halinenko R A.Kuznekor A P,Levitsky A et al. Pulverized Coal Plasma Gasification. Plasma Chemistry and Plasma Proce-ssing.1993.13;141-167[6] Ivan B G,Boris I M. 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In addition, this method hasadvantages in economical and environmental benefits compared with general methods.KEY WORDS coal ,gasification ,equilibrium system ,plasma中国煤化工MYHCNMHG