灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响

第31卷第20期中国电机工程学报Vol.31 No.20 Ju1.15, 20112011年7月15日Proceedings of the CSEEC2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.7文章编号: 0258-8013 (2011) 20-0007-06中图分类号: TK 16文献标志码: A学科分类号: 470-20灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响孙钟华，代正华，周志杰，于广锁(煤气化教育部重点实验室(华东理工大学)，上海市 徐汇区200237)Effects of Ash Content and Flux on the Performance of Entrained-flow Pulverized Coal GasifierSUN Zhonghua, DAI Zhenghua, ZHOU Zhjie, YU Guangsuo(Key Laboratory of Coal Gasifcation of Minitry of Education (East China University of Science and Technology),Xuhui District, Shanghai 200237, China)ABSTRACT: In order to provide guidance for industrial添加助熔剂对气化炉性能的影响,为工业气化炉变煤种操作gasifier operations such as changing coal type, the equilibrium提供指导。研究结果表明:在相同气化操作温度下，随着灰model of entrained-flow pulverized coal gasifer was含量增加，有效气产率和冷煤气效率降低,比煤耗和比氧耗established and the effects of ash content and adding flux on相应增加。在入炉氧煤比和蒸汽煤比一定时，煤中的灰含量the performance of gasifer were investigated. The simulation波动+1%，北宿煤气化温度将产生约+27 C的波动，开阳煤results show that at the same operating temperature of gasifier,气化温度将产生约+15C的波动。对于高灰熔点开阳煤，助the syngas productivity and cold gas eficiency decline while熔剂(CaCO,)添加量占入炉粉煤量5.4%(质量分数)时，比煤the coal consumption and oxygen consumption increase with耗和比氧耗比未加入助熔剂时分别减少2.8%和6.9%。因此，the increase of the ash content. When the oxygen-coal ratio and工业操作中应密切注意入炉煤的灰含量波动对气化温度的steam-coal ratio are constant, the change of +1% ash content in影响，相应调整气化操作参数;对于高灰熔点煤，需确定适coal leads to +27C fluctuations of the gasifier temperature for宜的助熔剂添加比例,以降低气化操作温度,减少煤耗氧耗，Beisu coal, and +15C fluctuations of the gasifier temperature降低操作成本。for Kaiyang coal. For high ash fusion coal (Kaiyang coal), thecoal consumption and oxygen consumption decrease 2.8% and关键词:灰分含量;助熔剂;平衡模型;气流床粉煤气化6.9% respectively by adding 5.4% (weight percent) flux0引言(CaCO3) in coal. The above simulation results indicate the煤质变动对燃烧设备的操作控制、经济消耗产effects of ash content on the gasifier temperature should beconcerned and operating parameters need be adjusted during生重要影响1-2]。对于气流床粉煤气化炉,更换煤种、industrial operation. Also, for high ash fusion coal, the添加助熔剂等操作将改变煤中灰分组成与含量，造operating temperature of gasifer is reduced by adding optimal成煤质波动。灰分组成决定了灰的熔融特性B)，进content flux. Accordingly, the coal and oxygen consumption而影响气化炉操作温度，需适时调整气化操作参are reduced and operating cost is decreased.数;灰分含量增加，降低了煤的热值，增加灰渣热KEY WORDS: ash content; flux; equilibrium model;损失，对气化炉消耗也将产生影响[4。因此，研究entrained- flow pulverized coal gasification灰含量变化及助熔剂添加对粉煤气化工艺指标的摘要:基于气流床粉煤气化炉的平衡模型，考察了灰含量及影响，对指导气化炉稳定操作、优化控制具有重要意义。基金项目:国家重点基础研究计划项目(973计划)(2010C227000);对于煤气化过程的设计、评价和优化，平衡模国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2009AA04Z159);国家自然科型较动力学模型具有快谏和准确预测热力学平衡学基金项目(20876048)。Tbe National Basic Rescarch Program of China (973 Program)限制的优中国煤化工斯自由能最小化(2010CB22000); The National High Technology Research an方法研究]Y出.CNMH 6汽-煤比等参数Development of China (863 Program)(2009AA04Z159); Project Supportedby National Natural Science Foundation of China (20876048).对气流床粉煤气化炉工艺指标的影响; Q.Z.Ni 等[6]中国电机工程学报第31卷和A.P.Watkinson等7]基于质量守恒、能量守恒、反2.2碳转化率应平衡相关联，求解多变量的非线性方程组，对工碳转化率是反映气化炉性能的重要指标，取决业Shell气化炉操作温度和产品组成进行预测，结于煤的粒径与反应性，炉型与喷嘴结构以及操作条果吻合良好。本文基于气流床粉煤气化炉的平衡模件等。对于气流床粉煤气化，炉内温度1 300 C以型，来考察灰含量变化及助熔剂添加对气流床粉煤上，气化反应以扩散控制为主12,13]; 75%煤粉粒径气化炉性能的影响。小于100um,灰分对气固之间的热质传递的影响可以忽略[14。因此，本文忽略灰分对气流床气化炉的1平衡模型碳转化率的影响，为了提高参数的可靠性，本文选本文基于平衡模型7,根据气化炉的进口工艺取的碳转化率来源于工业数据。条件和操作参数，建立C、H、0、N、S等5个元2.3助熔剂素平衡方程和3个化学平衡方程如式(1)- (3), 来计对于高灰熔点的煤种，一般加入助熔剂(CaCO3)算气化炉出口温度和合成气组成，合成气计算组分改变灰的熔融特性，以保证气化炉的正常运行。助包括H2、CO、CO2、H2O、N2、H2S、 COS、CH4。熔剂(CaCO3)在炉内分解为CaO和CO2,组分计入YYo,=0.026 5exp(3955)(1)物料平衡，反应热计入能量平衡。YcorH。oT。2.4灰分焓值气化炉内煤灰中的矿物质将发生分解、熔融、YcH,Yr,o=6.7125x10-18exp(27020) (2)汽化、凝聚、团聚等- 系列复杂的物理化学变化I5],Xoo器p2由于炉内为还原性气氛，认为Fe2O3 全部转化为YnsYco2: 0.751 34 exp(4083、(3FeO,计算灰分主要组成包括: SiO2、 CaO、Al2O3、YosYroFeO、MgO,其余为挥发分和微量组分暂不计入。式中: Y;为组分的摩尔分数; p为气化压力(kPa);在气化炉内灰分吸热发生的相变过程依次为固态Te为气化炉出口温度(K)。(eryst)-→熔融态(molten)-→液态(liq),计算其焓值建立能量平衡方程如式(4)所示，计算基准为高Eash如式(5)所示。位热值。气化炉采用水冷壁耐火衬里时包括副产蒸Esa= [,CrleystXT+汽焓项，耐火砖衬里时此项为零。煤的热值+水蒸气焓+氧气焓+氮气焓=AHr听(molten)+ 5 Cp(iq)d7(5)合成气热值+合成气显热+未反应碳热损失+式中: To 为煤入气化炉初始温度; T为气化炉操作灰渣热损失+副产蒸汽焓+气化炉热损失(4温度; Tq为灰熔点(FT);取实验数据; Tsol 为灰的固模型中方程组求解采用拟牛顿法。考虑到收敛化温度，由FactSage软件基于相平衡的吉布斯自由稳定性，采用分层迭代的计算方法，先在内层迭代能最小化方法计算获得。熔化焓AH.公由FactSage计算组分物料平衡方程，待收敛后转外层求解能量软件模拟计算1"]获得,混合组分的平均比热容Cp根平衡方程。本文程序采用Fortran语言编写,与Aspen据Kopp-Neumann规则采用关系式(6)估算:plus动态衔接，便于修改模型参数以及对后续煤气Cp =xCρl + x2Cp2 +x_Cp3+...+x,Cp+... (6)化工艺的设计与优化。式中:x为摩尔分数;Cpr为组分的偏摩尔热容2模型参数量"7。2.1物性参数3模拟结果验证煤的热值采用Boie经验关系式计算[0]。气化本文采用文献[51中气流床粉煤气化运行数据对炉内气体混合物的焓值采用偏差函数法计算，即平衡模型的中国煤化工煤为北宿煤,dh°=C°dT，其中Cg=A+BT+CT2+DT',系数气化炉采用|YHc N MH G来源于工业数A、B、C、D按文献[11]提供数据拟合得到。据。具体模拟结果如表1所示，可知平衡模型对第20期孙钟华等:灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响9表1模拟结果与工业数据对比Tab. 1 Comparison between simulation results and industry data气化温度/合成气流量/合成气组成%(干基)(体积分数)有效气产率/项目C(m/h)o_HCO2CO+H(m' (CO+H2)/kg煤(干基))模拟值1305313759.0631.641.9190.702.03工况3[5]1310302860.5530.642.446.4091.191.97多喷嘴1329359559.9631.061.486.3291.022.02对置粉工况45]31349761.63 .29.562.06煤气化炉模拟值1298274565.7728.843.630.5994.61(北宿煤)_工况 s{5]1300274365.7028.504.206094.202.01模拟值.1317239662.9829.555.750.5892.53工况6(5]1318238163.0029.236.730.6092.232.00注:本文气体体积单位m',均为273.15 K, 101.325kPa 标准状态下的体积。粉煤气化炉出口合成气组成和温度预测良好,合成量比例与灰含量和煤热值相关,开阳煤灰分含量为气主要成分CO和H2与工业数据的相对误差小27.3%时，其比例达1.94%。典型煤种的气化工艺指于3%。标如表4所示，对于神府煤和北宿煤热值高、灰分4灰分波动对气流床粉煤气化炉性能的影响含量和灰熔点低，需要补充加入一定量的水蒸气作为气化剂;对于张集煤和开阳煤灰分和灰熔点高，4.1 典型煤种的气化工艺指标比煤耗和比氧耗较高，可添加适量助熔剂降低气化采用气流床粉煤气化工艺，对中国4个典型煤操作温度，以降低煤耗氧耗。种的气化工艺指标进行模拟计算。典型煤种包括神表2中国典型煤种的煤热值及灰分焓值华(神府)、兖州(北宿)、 淮南(张集)和贵州(开阳),Tab. 2 Coal heating value and ash enthalpy of煤的热值及灰分焓值的计算数据见表2,具体煤质typical coal in China分析数据见表3。气化炉操作温度取高于灰熔点中国QharvsJ气化 灰分焓值/ 灰分热量占入炉典型煤种(MJkg)温度/C(kJ/kg)煤热量的比例/%100 C,气化炉耐火衬里采用水冷壁，气化炉热损神府煤32.401 27013390.31失取入炉煤热值的2%，碳转化率取99%。北宿煤30.751 3401 3470.42由表2可知，灰分焓值受气化温度影响较大,张集煤1 59419751.29温度越高，焓值越大。灰渣热损失占入炉煤高位热_开阳煤24.891 5201849.表3典型煤种的煤质分析数据Tab.3 Coal analysis data of typical coal in China中国典型工业分析%元素分析/%灰分分析/%灰熔点/C煤种FCourVMar_ A__ Car Haer Nar Star OarSiO2Al2O3 FezO3CaO MgO神府煤.64.535.57.6 83.3 6.0.828.818.6 12.222.31.257.642.4 9.2 81.6 5.1..9 7.6124036.3 24.6 13.012.988.311.7 19.6 92.7 4.1.4).953.7 30.43.55.0开阳煤90.99.27.3 89.5 3.4..2142049.423.8 15.7.7表4典型煤种的气化工艺指标Tab. 4 Gasification indexes of typical coal in China氧煤比/蒸汽煤比/比煤耗(kg(干基)比氟耗/气化合成气组成%(干基)冷煤气(m/t煤(kgt煤(m'(CO+H2)V1 000 m'(CO+H2))(m'/1 000 m'温度/C -效率% .(干基))CO H2 CO2 kg 煤(千基))典型煤标准煤(CO+H))06422.12中国煤化工286605301340 58.0 31.2 4.01.9681.0431594 65.1 23.7 1.71.83MYHCN MH G5079.6591520 63.0 22.1_ 2.1.56642546 .35979.30中国电机工程学报第31卷4.2煤中灰含量对粉煤气化炉性能的影响温度下，随着灰含量增加，有效气产率和冷煤气效为了研究入炉粉煤中灰含量的波动对气化炉率降低， 而比煤耗和比氧耗相应增加。运行稳定性的影响，假定进入气化炉的氧气、蒸汽和粉煤流量不变，仅考虑入炉粉煤中灰含量的波■氧煤比12 100动。对低灰量的北宿煤和高灰量的开阳煤，其干燥口有效气产率620-无灰基元素分析相同，分别计算不同灰分含量的煤2000册00-种，煤的热值按Boie公式相应换算。图1给出了不|I900同灰含量下煤的高位热值。对于北宿煤，煤中灰含80-量由5%增加到15%时，煤的高位热值(干基)从60U上nJ180032.18 MJ/kg减少到28.76 MJ/kg;对于开阳煤，煤16灰分含量/%(干基)中灰含量由21%增加到33%时，煤的高位热值(干(a)北宿煤基)从27.53 MJ/kg减少到22.49 MJ/kg.580■1氧煤比.121570口有效气产率1700用0-北宿煤-开阳煤560-夏30500550-来26直540I13002.32(b)开阳煤225228 32图2灰含量对氧煤比、 有效气产率的影响灰含量/%(干基)Fig. 2 Effect of ash content on the coal - oxygen ratio and图1灰含量对煤热值的影响syngas productivityFig. 1 Effect of ash content on coal heating value如图2(a)所示， 对北宿煤，在相同气化温度1F1340C下，随着灰含量由5%增加到15%时，氧煤比从627 m'O2/t煤(干基)降低到574 m'O2/t煤(千↓基)，而有效气产率从2066 m'(CO+H2)/t 煤(千基)降低到1 822 m2(CO+H2)/t煤(千基)，相应换算得比-o-北宿煤煤耗从484 kg煤(干基)/1 000 m3(CO+H2)增加到549 kg煤(干基)/1000 m'(CO+H2)， 比氧耗从灰分含量%(干基)304 m'O2/1 000 m'(CO+H2)增加到316 m'O2/1 000 m'图3灰含量对冷煤 气效率的影响(CO+H2)。如图2(b)所示，对开阳煤，在相同气化Fig.3 Effect of ash content on the cold gas efficiency温度1520C下，随着灰含量由21%增加到33%时,如图4所示，对于北宿煤,以氧煤比605 m'O2/t氧煤比从572 m'O/t煤(干基)降低到547 m'O>/t煤粉煤、 蒸汽煤比230kg蒸汽t粉煤(见表4中北宿煤(干基),而有效气产率从1 761 m3 (CO+H2)t煤(干基)数据)为基准，煤中灰含量由21%增加到33%时,降低到1372 m2(CO+H2)/t煤(干基),相应的比煤耗气化温度变化显著， 从1 230 C升高到1501"C; 对从567 kg煤(干基)/1000 m3 (CO+H2)增加到729 kg于开阳煤，以氧煤比559 m'O2/t粉煤、蒸汽煤比煤(干基)/1 000 m'(CO+H2)，比氧耗从325 m'O2/143 kg蒸汽/t粉煤(见表4中开阳煤数据)为基准,煤1000 m'(CO+H2)增 加到399 m'O2/1 000 m3中灰含量由21%增加到33%时,气化温度从1431 C(CO+H2)。如图3所示，对于北宿煤和开阳煤，随升高到160中国煤化工温度1230已着灰含量增加，灰渣热损失增大，有效气产率降低，低于灰熔点YHC N M H G比炉无法顺利液导致冷煤气效率相应降低。可见，在相同气化操作态排渣。 在氧煤比一定时， 灰含量的增加导致煤热.第20期孙钟华等:灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响值降低，但氧碳比增加将导致气化温度飙升。入炉650 ra比煤耗1370 主一比氧耗煤中的灰含量波动+1%，北宿煤气化温度将产生约360 8640+27 C的波动，对于开阳煤气化温度将产生约+15'C的波动。因此，工业操作中应密切注意入炉煤中的是首要虽630-50 g灰含量波动对气化温度的影响，相应调整气化操作+ 34参数，保证气化炉的正常运行。620330士6CaCO3含量%1 680田6助熔剂量对气化消耗的影响g 1520+Fig.6 Effect of fux content onthe gasifter consumption芦1360(CO+H2)。助熔剂添加量占入炉粉煤量5.4%时，比。北宿煤. -开阳煤煤耗和比氧耗比未加入助熔剂时减少2.8%和6.9%。I 200242可见，虽然加入助熔剂会提高灰分比例，但适宜的灰分含量/%(干基)助熔剂量可显著地降低气化操作温度,提高了有效.图4灰含量对气化温度的影响气产率，降低了煤耗氧耗。对于不同煤种，灰熔点Fig.4 Efect of ash content on随助熔剂添加量的变化趋势不同，最低灰熔点所对the gasifier temperature应助熔剂添加量需要由实验确定。4.3助熔剂量对气化炉性能 的影响对于高灰熔点的煤种，助熔剂(CaCO3)的加入5结论调节气化炉操作温度，改变灰分组成，提高灰分比本文基于气流床粉煤气化炉的平衡模型，考察例，也将影响气化炉的性能。本文以开阳煤为例, .了灰分波动对气流床粉煤气化炉性能的影响，为工来考察不同助熔剂量下气化炉性能和消耗规律，以业气化炉变煤种操作提供指导，具体结论如下:指导实际气化炉操作。气化炉操作温度取高于灰熔1)灰渣热损失占入炉煤高位热量比例与灰含点100C。由实验测得，不同比例的助熔剂量量和煤热值相关，开阳煤灰分含量为27.3%时，其(CaCO3)占入炉粉煤量0%- 9%(质量分数)对应的灰比例达1.94%。 对于神府煤和北宿煤热值高、灰分和灰熔点低，需要补充加入- -定 量的水蒸气作为气熔点(FT)变化如图5所示。图6给出了开阳煤助熔剂加入量对气化消耗的化剂;对于张集煤和开阳煤灰分和灰熔点高，比煤影响。助熔剂量占入炉粉煤量的比例为0%时，比耗和比氧耗较高，可添加适量助熔剂降低气化操作煤耗为642 kg煤(千基)/1 000 m'(CO+H2),比氧温度，以降低煤耗氧耗。2)在相同气化操作温度下，随着灰含量增加，.耗为359 m'O2/1 000 m'(CO+H2);助熔剂量占入炉有效气产率和冷煤气效率相应降低，比煤耗和比氧粉煤量的比例为5.4%时，比煤耗为624 kg煤(干耗相应增加。在入炉氧煤比和蒸汽煤比一定时，煤基)/1 000 m'(CO+H2),比氧耗为334 m'O2/1 000 m3中的灰含量波动+1%，对北宿煤气化温度将产生约+27 "C的波动,对开阳煤气化温度将产生约+15 C的1400波动。实际操作中应密切注意入炉煤中的灰含量波动，相应调整气化操作参数，防止气化温度的过高用1300或过低，保证气化炉正常运行。3)对于高灰熔点开阳煤，助熔剂添加量占入1200t炉粉煤量f 1%/时4惜打和山匆哲比未加入助熔剂中国煤化工助熔剂量(CaCO)/%时减少2的助熔剂(CaCO3)图5助熔剂量对灰熔点的影响加入量可UHCNMH Gy提高了有效气Fig. 5 Efect of flux content on ash fusion temperature产率，降低了煤耗氧耗。但对于不同煤种，灰熔点12中国电机工程学报.第31卷_随助熔剂添加量的变化趋势不同，最低灰熔点所对model of coal gasification in a circulating fluidized应助熔剂添加量需要由实验确定。bed[]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(18): 80-85(inChinese).现有平衡模型对碳转化率预测不够准确，可结[10]陈文敏.煤的发热量和计算公式[M].北京:煤炭工业合工程数据和实验数据，总结不同炉型、不同煤质出版社，1989: 181.下碳转化率的预测公式，将其引入平衡模型中，对Chen Wenmin. Coal heating value and calculation模拟结果进行工业数据验证，来提高平衡模型的适formulas[M]. Coal Industry Press, 1989(in Chinese).[1] Daubert T E, Danner R P. Physical and thermo-dynamic用性。properties of pure chemicals[M]. Washington: Hemisphere参考文献Publishing Corporation，1989.[1] 仇韬，丁艳军，孔亮，等. CFB锅炉动态特性与负荷[12]乌晓江，张忠孝，朴桂林，等.高灰熔点煤高温下煤焦CO2/水蒸气气化反应特性的实验研究[J].中国电机工程和煤质的关系研究[].中国电机工程学报，2007,学报，2007, 27(32): 24-28.27(32): 46-51.Wu Xiaojiang， Zhang Zhongxiao， Piao Guilin, etQiu Tao, Ding Yanjun, Kong Liang, et al. Research ofal。Experimental study on gasification reactionrelationship between CFBB dynamic behavior and powercharacteristics of Chinese high ash fusion temperature coaland coal quality []. Proceedings of the CSEE, 2007,with CO2 and steam at elevated temperature27(32): 46-51 (in Chinese). .[0]. 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