煤与焦炉煤气共制合成气的理论研究

第36卷第1期煤炭转化Vol 36 No. 12013年1月COAL CONVERSIONJan.2013煤与焦炉煤气共制合成气的理论研究范岭1王巧荣?)范摘要利用物料平衡、能量平衡和化学平衡,对气化炉入口物料与出口有效气体成分间的数量关系进行了理论计算,并应用 Fluent软件对反应器内形成的温度场与出口合成气主要成分的浓度场进行了模拟,得出改变焦炉煤气和煤的比例,可直接生产出氢碳比在1.0~2.0间的合成气关键词焦炉煤气和煤的比例,有效气体成分,氢碳比中图分类号TQ546,TQ018表1山西古交煤粉成分(%,d)0引言Table 1 Component of Shanxi Gujiao coal(%,d)C焦炉煤气和煤通过不同的技术路线都可以得到17.1866.513.712.212.88化工生产所需要的粗合成气,所不同的是,以焦炉煤表2焦炉煤气主要组分的体积分数(%气为原料生产的粗合成气中,H2/CO比值一般在Table 2 Volume content of the mail componentin coke-oven gas(%)2.5~3.0之间,氢碳比偏高;以煤为原料生产的Hz CH, Co C2H. CHs COz N2 O粗煤气中,H2/CO比值一般在0.3~0.7之间,氢碳9.625.66.070.50.244.00.4比偏低.两者都不符合醇醚类化工产品所需要的cke0cmpsH2/CO比值(应在1.0~2.0之间)的要求.前者需asif Crude synthetic增加补碳或去氢工艺;后者需增加CO变换工艺.鉴叫b四巴@mp于上述原因,为了简化工艺,达到节能降耗、减少产cl品成本和降低环境污染的目的,本研究将煤的气化图1煤与焦炉煤气共制合成气系统和焦炉煤气的热解过程合二为一,用一个反应器同Fig. 1 Sketch map of producing synthetic gas时实现煤的气化和焦炉煤气的热解,达到调整出口in coal and oven-coal粗煤气组成成分的目的,一步实现从煤和焦炉煤气1.1氧气和焦炉煤气量一定时煤粉耗量与H2/CO到所需氢碳比组成的合成气比的关系1煤与焦炉煤气共制合成气的理论在加入氧气量和焦炉煤气量一定的条件下,通过改变煤粉的通入量,计算平衡煤气中各成分的变计算化及H2/CO比值本研究取通入气化炉的氧气流量为0.77m3/s,焦炉煤气量为1.35m3/s.由于水因为气化压力的变化对平衡煤气组成的影响不蒸气在不同的温度下含量不同以及惰性气体不参加大,而且高压不利于甲烷的转化2,所以本研究在计反应所以合成气中各成分组成取干煤气组成同时算中取气化压力为常压由于焦炉煤气中含有较多只列出CO,CO2,H2和H2S的含量.通过VB编程的氢气,与氧气发生反应可以生成大量的水,以维持进行计算,结果见第44页表3反应器内的温度,所以入口处不考虑水蒸气的加入由表3可知,通过改变煤粉的加入量,H2/CO原料的选用见表1和表2,系统流程见图1比可在1.0~2.0之间发生变化结果表明,煤与焦国家高技术研究发展计划(863)项目(2009AA05Z216).1)工程师,太化集团股份有限公司,030024太原;2)高级工程师晋西工业集团有限责任中国煤化工土生导师,太原理工大学电气与动力工程学院,030024太原CNMHG收稿日期:2012-0825;修回日期:2012-10-30煤炭转化2013年炉煤气共制合成气可以生产出符合下游化工产品所对其反应器内的温度场和合成气成分的浓度场进行需求的H2/CO比值的合成气模拟表3通入不同煤媒粉量时合成气成分与H2/CO比为了保证氧气和煤粉能够完全反应,经过反复Table 3 Component of synthetic gas and模拟,最后设定反应器的物料入口的喷嘴尺寸和相H,/Co for differential coal in amount对位置为:内环道是氧气通道,直径为2.4mm;中Aets.( mponent of synthetie gsh。~/环道是媒粉通道,内径为65m,外径为14m;外(kg·s-1)24.4651.4415.430.00122.10环道是焦炉煤气通道,内径为22mm,外径为54mm25.250.00502.05由于反应器是轴对称结构,所以取其一半进行模拟0.0525.9951.8614.150.00501.992.1温度场模拟结果3.560.00701.9427.3952.1513.000.00851图2为反应器内温度场的分布情况.通过温度0.1027.7352.2212.730.00951,80场内温度的分布可以了解反应器内的物理化学反应332.818.260.2100.8特征由图2可知,反应器内存在流体力学特征各异5153,15.050.28001.4240.752.590.32001.30的三个区(见图3):射流区、回流区与管流区与此0904.3852480.630.36001.21三个区相应,存在化学反应特征各异的三个区:一次1.2氧气和煤粉量一定时焦炉煤气耗量与H2/CO反应区、二次反应区和一、二次反应共存区比的关系3.09e+032.82e+03当氧气通入量为0.77m3/s,煤粉的加入量为2.55e+00.9kg/s时,通过改变焦炉煤气量所生成的合成气L.75e+03中CO,CO2,H2和H2S的体积分数及H2/CO比见48+03l21e+03表438e+02衰4通入不同的焦炉煤气时合成气成分与H2/COTable 4 Component of synthetic gas and H2/CO3.25e+033.00e+03for differential coke-oven gas in amountAmout of coke-ovenComponent of synthetic gas /%gas/(m3·s-1)H22.25e58.9416.3621.200.940.302.00e+0358.0725.8312.510.770.443E3033.397.6952.2439.304.840.560.150-0349.4243.933.060.480.901.25e+0346.9247.601.890.431.011.00e40300.1020.304050.6070844.7650.551.442.9253.030.500.341.231.641.3255.070.0710.311.33图2反应器内温度场分布情况结果表明,当没有加入焦炉煤气时,在给定的煤Fig 2 Temperature distribution in reactor粉和氧气量下所生成的合成气中CO含量严重偏高,H2/CO比值为0.3.随着焦炉煤气加入量的增加,H2/CO比值上升.2反应器内温度场与各主要成分的浓度场的数值模拟由上述计算结果可知,在同一反应器内煤焦炉煤气氧气联合气化通过改变进料条件,可以直接生图3反应器内区域模型产出H2/CO比在1.0~2.0之间的合成气.下面采用Fig.中国煤化工 on zonesFLUENT软件3,在入口氧气流量为0.77m3/s,焦CNMHGreaction and炉煤气流量为1.35m3/s,煤粉流量为0.9kg/s下secondary reaction zone; 3---Secondary reaction zone第1期范岭等煤与焦炉煤气共制合成气的理论研究45在反应器中的化学反应根据其特征可分为两反应器内反应物与生成物各成分的变化见图类:可燃组分的燃烧反应,为一次反应;燃烧产物与由图4可知,一次反应结束后接着就是二次反应,甲烷的转化反应,为二次反应射流区主要以燃料的即沿反应器轴线方向约100mm处开始,C和CO2燃烧反应为主,为一次反应区视混合情况而定迅速减少,同时,CO和H2及H2O增加到最大次反应区有可能延伸到管流区.管流区中的反应以由图2可知,沿反应器轴线方向大约100mm~次反应为主,为二次反应区;回流区为一、二次反250mm处,燃烧反应剧烈,反应温度较高,最高达应共存区.3100K.在这一区间由于反应器内温度较高,有部22反应器内反应区的特征及各成分的浓度分布分甲烷发生了析碳反应,所以反应器内碳含量突然增加(见图4b).一次反应区结束的标志是氧气消耗燃烧反应是一次反应区的主要特征氧气煤粉殆尽,随后进入二次反应区,一次反应区的产物和焦炉煤气进入反应器后,接受来自火焰和炉壁的H2O,CO2,H2,CO与CH4在二次反应区进行转化辐射热,温度迅速升高,内环道射出的氧气与中环道反应,还有少量CH裂解形成的碳黑在二次反应区喷出的煤粉发生燃烧反应,由于H2的扩散速度较中被气化.二次反应区内的反应有快,外环道喷出的焦炉煤气中的H2也参与了燃C+CO2=2CO(4)烧反应故一次反应区的主要燃烧反应为CtH20=co+hC+O2=COCH,+H20=C0+3H2(6)2H2+O2=2H2O(2)CH,+CO2=2H,+2CO2CO+O2=2C0(3)CO+H2=CO+H2O(8)l.D0e+002.25e-10900e0l200e-13.50e01百700e0181756-1050e-10250e012.00e-013.00e0750e-12.00e015.00e-11100e-01000c+0000.10203040.5060708010203040506070.80000000.1020.3040.5060708Position/mPosition /m2.25e-10500e0I300e0200e-104.50e0181,75e-10s2501.50e-101.25e10150e01750e-111.00e-0250011250e-115002500e+0200.1020.3040.50607080.00e+000.10.20.30405060.70.800.1020.3040506070.8osition/mPosition /m图4反应器内O2,C,H2O,CO2,H2和CO的分布情况g 4 Distribution of Oz, C, H2O, CO2, H2 and CO in reactorOz::c-H2O;d-CO2ie---H2:f---CO在回流区进行的反应可能是式(1)~式(8)的任何反应,其反应主要取决于喷嘴结构、射流区与回流3结论区的混合状况如果氧气被卷吸进回流区,则必发生将煤的气化和焦炉煤气的热解过程合二为式(1)~式(3)和甲烷的燃烧反应;在二次反应区进用一个反应器,同时实现煤的气化和焦炉煤气的热行的反应在回流区都会进行解,一步实现从煤和焦炉煤气到所需氢碳比组成的由于回流的存在,强化了反应器内各物质的混合成气通过理论计算和数值模拟,初步得出改变焦合效果.在一般情况下,该区较多地进行着吸热反炉煤气和煤的比例,可直接生产出氢碳比在1.0应,故温度较低,这对保护喷嘴非常有利.2.0的合成气中国煤化工CNMHG46煤炭转化2013年参考文献[1]贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版社,2004[2]王艳玲,马素霞. Texaco气化炉合成气的影响因素及优化[门.煤炭转化,2011,34(2):31-35[3]韩占忠,王敬,兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2005[4]王辅臣,于建国,龚欣等射流携带床气化炉内宏观混合过程研究(Ⅲ):过程分析与模拟[J].化工学报,1997(3):336-345[5]张华伟,赵炜,张永发半焦在富含甲烷气体转化制备合成气中的作用[刀.煤炭转化,2005,28(1):40-42THEORY STUDY ON SYNGAS GENERATION WITHCOAL AND COKE-OⅤ EN GASFan Ling Wang Qiaorong"and Fan Jiang(Taiyuan Chemical industry Group Corporation Limited, 030024 Taiyuan;Jinri Industries Group Cor poration Limited, 030027 Taiyuan;* Electric and Power Energineering Institute, Taiyuanniversity of Technology, 030024 TaiyuanabSTRaCt The numerical relationship between the gasifier entrance material and the ex-port effective gas compositions is computed theoretically using the principle of material balanceenergy balance and chemical equilibrium. In this paper, the Fluent software is used to simulatethe temperature field formed in the gasifier and the concentration field of the export syngas,maincomponents. We get first step conclusion that the syngas with the hydrogen carbon ratio in therange of 1.0-2.0 can be produced directly when changing the proportion of the coke-oven gas andcoaKEY WORDS proportion of coke-oven gas and coal, effective gas composition, ratio of hydrogen and carbon(上接第42页)STUDY ON KINETICS OF CHAR-CO, GASIFICATIONGu Jing Wu Shiyong Wu Youqing*and Gao Jinsheng( Guangzhou Haosheng Engineering Company Limited, 526000 Guangzhou;*School ofResource and Environmental Engineering, East China University ofScience and Technology, 200237 Shanghai)AbSTRACt The hypothesis, which is the dynamics control areas of the coal gasification, ofrandom pore model was improved, and the carbon conversion rate(X)and reaction time (t)by amodified random pore model (MRPM) of the high temperature coal char gasification/CO2 conversion reaction was described as X=1-exp[-kt(a+bkt +k222)]. During 950 C-1 400C. gasification temperature, the apparent activation energies of the Huainan slow and rapid pyrolysis coalchars-CO2 gasification were calculated by MRPM which respectively is 121. 99 kJ/ mol-153 75 kJ/mol and 88. 57 kJ/mol-121 39 kJ/mol. The results show that the effect of mRPM is better thanthat of random pore model and shrinking core model, it can well reflect the kinetic behavior ofchar gasification characteristics, and the model is suitable for simulation the gasification of differ-ent coal chars中国煤化工KEY WORDS coal char, elevated temperature, gasificatHCNMHGre model