气流床煤气化系统的热力学分析
典型气流床煤气化炉气化过程的建模
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第8期·2426·化 工 进 展典型气流床煤气化炉气化过程的建模东赫1，刘金昌1,2，解强1，党钾涛1 ，王新1（1中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083；2九州大学电子和材料应用科学系，日本 福冈春日 816-8580 ）摘要：利用Aspen Plus 、基于热力学平衡模型对GSP 煤粉气化炉、GE 水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化过程建模。
根据煤颗粒热转化的历程，将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段，利用David Merrick 模型计算热解过程，采用Beath 模型校正压力对热解过程的影响，选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应，编制Fortran 程序计算半焦裂解产物收率，最后基于Gibbs 自由能最小化方法计算气化反应。
结果表明，采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合，对GSP 煤粉气化炉、GE 水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分（CO+H 2）体积分数模拟结果的误差均不超过2%，建立模型的可靠性得到验证。
关键词：气流床气化炉；热力学平衡模型；Aspen Plus中图分类号：TQ 546 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）08–2426–06 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.19Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coalgasifiersDONG He 1，LIU Jinchang 1，2，XIE Qiang 1，DANG Jiatao 1，WANG Xin 1（1School of Chemical and Environmental Engineering ，China University of Mining and Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ；2Department of Applied Science for Electronics and Materials ，Kyushu University ，6-1 Kasuga-Koen ，Kasuga ，Fukuoka 816-8580，Japan ）Abstract ：This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSP pulverized coal gasification ，GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple-Burner gasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermal conversion procedure of fine coal particles ，the coal gasification was interpreted as consisting of four stages including pyrolysis ，volatile combustion ，char decomposition and gasification reaction. Then ，the pyrolysis stage was calculated by the David Merrick model and the effect of pressure on the coal pyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated by using Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortran program. And finally ，the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energy minimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model of gasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulated results of volume fraction of the effective gas (CO+H 2) of these three typical entrained-flow gasifiers were all less than 2%，which can validate the reliability of the coal gasification model.第一作者：东赫（1991—），女，硕士研究生。
气流床煤气化过程中的主要反应及工艺性能主要评价指标研究
气流床煤气化过程中的主要反应及工艺性能主要评价指标研究【摘要】煤气化过程是煤炭的一个热化学加工过程，它是以煤为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸汽等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。
煤气的有效气体成分、产气率、碳转化率等气化性能主要取决于煤与气化剂的种类，以及进行气化过程的工艺条件。
【关键词】煤化工；工艺条件；反应体系；有效气体；化学平衡；评价指标；综合效益0 引言气流床气化过程实际上是煤炭在高温下的热化学反应过程，涉及气化剂与煤之间的反应，以及反应产物与煤、反应产物之间的化学反应，因此，气流床煤气化反应是一个及其复杂的反应体系。
在此反应体系中，煤会发生一系列复杂的物理变化和化学变化，主要过程有粉煤的干燥、裂解，挥发分的析出、燃烧，以及煤焦、挥发分与气化剂的反应等。
这些变化主要取决于煤种，同时也受温度、压力和气化炉型式等的影响。
1 气化过程的主要反应1.1 热解过程的主要反应煤热解的化学反应异常复杂，其间反应途径甚多。
煤热解反应通常包括裂解和缩聚两大类反应。
在热解前期以裂解反应为主，而热解后期以缩聚反应为主。
一般来讲，热解反应的宏观形式为：1.1.1 裂解反应根据煤的结构特点，裂解反应大致有四类。
1）桥键断裂生成自由基。
桥键的作用在于联系煤的结构单元，在煤的结构中，主要的桥键有：- CH2 - CH2 -，- CH2 -，- CH2 -O-，-O-，-S-S-等。
它们是煤结构中最薄弱的环节，受热后很容易裂解生成自由基。
并在此后与其他产物结合，或自身相互结合。
2）脂肪侧链的裂解。
煤中的脂肪侧链受热后容易裂解，生成气态烃，如CH4，C2H6，C2H4等。
3）含氧官能团的裂解。
-OH煤中含氧官能团的稳定性顺序为：-CH>=C=O>-COOH羟基（-OH）最稳定，在高温和有氢存在时，可生成水。
碳基（=C-O）在400℃左右可裂解生成一氧化碳。
影响气流床煤气化工艺性能的主要影响分析
影响气流床煤气化工艺性能的主要影响分析【摘要】影响气流床煤气化工艺性能的主要因素有两类：其一，为生产工艺条件，其二为煤的物理化学性质。
从稳健优化与分析的角度来看则可以分为三类，其一为可以直接控制的生产操作工艺参数，其二为煤质性质，其三为煤的水分、灰分、粒度等不宜直接控制的噪声因素。
【关键词】煤化工；工艺参数；煤质性质；优化控制；反应速度；煤气质量；热稳定性0 引言对于气流床煤气化而言，氧煤比、蒸汽煤比、温度、压力等工艺条件是影响CO含量、H2含量、产气率和碳砖率等煤气化性能指标的主要工艺条件。
除此之外，气化性能评价指标还会受诸如煤的水分、灰分、粒度、煤质等多种噪声因素的影响。
各工艺参数如何影响煤气化性能，包括各评价指标的均值及其波动，是进行气流床气化工艺性能稳健优化与控制的基础。
1 可控工艺参数的影响分析1.1 气化温度T（℃）碳与水蒸气的转化反应是可逆的吸热反应，提高温度可以提高反应平衡转化率，从而提高CO和H2的平衡浓度。
从动力学的角度分析，提高温度有利于加快反应速度。
但是，气化温度并不是一个独立的条件，通常需用改变氧煤比或蒸汽煤比的方法来调节气化炉温度。
1.2 操作压力P（MPa）随着粉煤气化反应的进行，气体体积不断增加，所以从热力学分析，提高压力不利于化学平衡。
但是由于气化反应距离平衡很远，主要是反应速度控制了反应程度，提高压力能使反应物及生成物浓度增加，从而提高反应速度。
另外，提高压力也相应的提高了气化强度，气化炉产气能力增加，对工业应用而言，加压气化还可以节约压缩功耗，降低生产成本。
1.3 氧煤比O/C从粉煤部分氧化的化学方程式可知：氧的理论用量应该是氧原子数与煤中碳原子数相等。
这样使煤中的碳能全部转换成煤气中的CO。
如果氧的用量超过了这个比值，则一部分碳将发生完全氧化而生产CO2。
因此，按原子数比计，氧与碳之间的比值不超过1。
但是粉煤在气化反应时，大量的CO与H2是有下列反应产生的：C+CO=2COC+H2O=CO+H2而这两个反应的反应时间为燃烧反应时间的数百倍，因此，其反应速度比燃烧反应缓慢的多。
流化床-气流床耦合反应器中煤气化特性
ｆｏ ｉ ｅ ｒ ｔ ｄ ｒ ａ ｔ ｒ ｌ ｗ ｎｔ ｇ ａ ｅ ｅ ｃ ｏ
Ｃ ＨＥ Ｘｉｏ ｕ Ｉ Ｙａｏ ｇ 。ＦＥ Ｎ ａ ｈ ｉ，Ｊ Ａ ｌｎ ＮＧ ｉ ＡＮＧ ｔ ｎ Ｊｅ ，Ｆ Ｙｉｉ ，Ｌ ｅ ｙｎ ａ ＩＷ ｎ ｉ ｇ
（ Ｋｅ ａ ｏ ａｏ ｙ ｏ ｏ ｌ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｍｉ ｉ ｒ ｆ Ｅ ｕ ａ ｉｎａ ｄ Ｓ ａ ｘ ｙＬ ｂ ｒ ｔｒ ｆ Ｃ ａ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ， ｎｓ ｙｏ ｄ ｃ ｔ ｎ ｈ ｎ ｉ Ｓ ｅ ｔ ｏ Ｐ ｏ ｉｃ ，Ｔ ｉｕ ｎＵ ｉ ｅｓ ｙ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｔ ｉ ｕ ｎ ０ ０ ２ ， ｈ ｎ ｉ ｈ ｎ ； ｒ ｖ ｎｅ ａｙ ａ ｎｖ ｒ ｉ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｔ ａｙ ａ ３ ０ ４ Ｓ ａ ｘ ，Ｃ ｉａ
（ 原理 工 大 学 煤 科 学 与技 术 教 育 部 和 山西 省 重 点 实 验 室 ， 山西 太 原 ０ ０ ２ ； 太 ３ ０ ４ 中 国科 学 院 山西 煤 炭 化 学 研 究 所 ，山 西 太 原 ０ ０ ０ ） ３ ０ １
摘 要 ：利 用 化 工 动 力 学 软 件 ＣＨＥ Ｉ 建 立 了流 化 床一 流 床 耦 合 反 应 器 等 效 网 络 模 型 ，在 ３ ０ｒｍ 反 应 器 中 ＭＫ Ｎ 气 Ｏ ｎ 的煤 气 化 实 验 结 果 基 础 上 ，充 分 考 虑 耦合 反应 器 不 同 区 域 物 料 间 两 相 流 动 、传 质 传 热 ，对 耦 合 反 应 器 各 部 分 流 体 力 学 特 征 以及 耦 合 反 应 器 中不 同 区 域 的 化 学 反 应 进 行 了 分 析 。利 用 模 型 对 飞 灰 的碳 转 化 率 、耦 合 反 应 器 的碳 转 化 率 、耦 合 反 应 器 内温 分 布 及 物料 停 留 时 间 进 行 计 算 ，结 果 表 明 ，流 化 床 耦 合 气 流 床 反 应 器 后 ，气 流 床 可 将
二段式干煤粉气流床气化技术的模拟研究与分析
二段式干煤粉气流床气化技术的模拟研究与分析徐越1, 吴一宁1, 危师让2(1. 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049;2. 国电热工研究院, 陕西西安710032）摘要: 提出了将煤的热解模型、气固间非均相反应模型和气相间均相反应模型与ASPEN PLUS图形建模法相结合的二段式干煤粉气流床气化工艺的模拟计算方法，并对其性能进行了模拟研究与分析。
模拟研究表明，二段式干煤粉气流床气化工艺可以降低出口煤气的温度，为简化工艺过程，降低煤气冷却器的几何尺寸提供了可能。
采用该气化方式可以提高气化炉的冷煤气效率2~6个百分点。
关键词：煤气化；二段式气化工艺；气化炉；干煤粉气流床1 引言煤的气化技术是洁净煤燃烧技术的关键。
现有已商业化的干煤粉加压气化技术几乎均采用一级气化。
为使气化炉出口热煤气中的熔融态灰渣凝聚，多采用急冷的方式以实现凝渣的目的。
这一过程增加了能量损失，使干煤粉气化过程的冷煤气效率有所降低。
而采用增加辐射废锅受热面来冷却炉内煤气的方法会引起气化炉体积增大，制造成本增加，并易引起炉膛出口结渣。
为了解决这一问题，进一步提高干煤粉气化过程的冷煤气效率，提出了一种二段式干煤粉加压气化的概念[1]。
本文在干粉加压气流床气化性能模拟模型[2]基础上，提出了二段式干煤粉气流床气化过程的模拟方法，并对其性能进行了模拟研究，结果表明二段式干煤粉气流床气化技术有可能较大幅度地提高气化炉的冷煤气效率。
2 气化炉模型2.1 概述在二段式干煤粉气流床气化炉中，一段气化区，由于在富氧环境中，反应区的温度很高，煤粉加热速度极快，可以认为煤粉中的水分瞬间蒸发；同时，由于热解速度大大高于煤粉的燃烧及气化反应速度，因此将此过程进行简化处理[3,4]，只考虑起主导作用的半焦与H2、O2、CO2、H2O之间的气固间非均相反应过程，以及同时发生的气相间均相反应过程。
在二段气化区，由于在煤粉进入时只加入水蒸气，反应所需要的热量来自一段反应区的高温煤气，在缺氧的环境下，煤粉发生热解反应后的热解产物没有与氧发生氧化燃烧，只是作为气固间非均相反应中的气相部分与半焦发生反应。
气流床粉煤气化性能模拟分析
程， 但这 种 模 型相 对 比较 复 杂 ， 用 性 也 较 差 。热 通 力 学模 型 以反 应 热 力 学 为 基 础 ， 对 比较 简 单 ， 相 具
有 一定 的通 用 性 ， 对碳 转 化 率 高 、 应 接 近 平 衡 的 反 工 况预测 相 对 较 好 。张 斌 等 建 立 了处 理 固体 物 流 的气化 炉平 衡模 型 ， 煤 裂解 模 块 中考 虑碳 的不 在
摘 要 ： 于 Ａ ｐ ｎ Ｐｕ 基 ｓｅ ｌｓ工作 平 台 ， 用 Ｇ ｂ ｓ自由能最 小化 原 理 ， 气 流床 粉煤 气化 过程 运 ｉｂ 对
进 行 了数值模 拟 ， 并对 流程 算法进 行 了改进 。研 究 了氧 煤 比、 气煤 比 、 力及 粉煤 粒径 对 气 蒸 压 化炉 出 口气体 组成 、 温度 、 煤 气效 率 、 转化 率及 有 效 气产 率 的影 响 。结 果表 明 ： 拟值 和 冷 碳 模 实验值 有 良好 的相 似性 ； 煤 比对 气化进 程 的影 响 较 蒸 汽煤 比及 其 它操 作 条 件 更 为 显著 ； 氧 并
程放 大 ， 作 参 数 、 想 工பைடு நூலகம்况 大 致 确 定 等 提 供 参 考 操 理
依 据 ， 时 节 省 了大 量 的人 力 、 力 及 试 验 资 金 。 同 物 模 拟过 程一 般从稳 态 和 动态 ２种 过 程 考 虑 ， 热 力 即 学模 型 和 动 力 学模 型 。动 力学 模 型 以气 化 系 统
全国中文核心期刊 矿业类 核心期刊 （Ａ — Ｄ Ｃ ＪＣ 规范》 执行优秀期 Ｊ 刊＿
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从 而增 加煤 气 中 的有 效 成 分 ， 高 碳 的转 化 率 ； 提 另
气流床煤气化技术分析
仍占有主导地位，怎样合理使用煤炭资源成为我国煤炭资源 处理的首要问题。在煤炭利用技术中，煤气化技术作为煤炭 能源转化的基础技术，在煤炭能源使用方面占有重要的地位。
Shell 工艺技术特点如下 ： （1）原料煤适用范围较宽，煤种适应性强，如褐煤、烟煤、 无烟煤等各种煤均可使用；对煤的性质，如粒度、结焦性、灰分、 水分、硫分、氧分等含量均不敏感。 （2）气化炉为水冷壁式，基本消除频繁检修、炉内耐火 衬里更换频繁和耗费昂贵的弊端。单台气化炉产气能力大， 具有高效、大型化和长周期运行的显著特点。 （3） 具 有 较 高 的 热 效 率， 碳 转 化 率 可 高 达 99%， 原 料 煤能量回收率高，冷煤气效率可达 86%，比煤耗可达 600kg/ 1 000m3（CO+H2）， 比 氧 耗 为 365m3O2/1 000m3（CO+H2）， 粗 煤气成分中，CO+H2 的比例可达 86%[2]。 2.2 航天炉HT-L粉煤加压气化技术
可达 70%~75% ；⑥有效气成分高，干基有效气中（CO+H2）≥ 80%（φ）[1] ；⑦碳转化率高，最高可达 96%。
1.2 新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化
按照燃料在气化炉内的运动状态，煤气化工艺技术一般
新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化技术是华东理工
分为三种类型 ：移动床（也被称为固定床）、流化床和气流 大学开发的目前最先进的水煤浆气化技术之一。多喷嘴对置
GEGP 工艺 ：合成气有效气（CO+H2）≥ 76% ； 晋华炉工艺 ：合成气中有效气（CO+H2）≥ 80%[4] ； HT-L 工艺 ：合成气中有效气（CO+H2）为 86%~92%[3]。 3.4 耗煤量和耗氧量 不同气化技术的原料（煤、氧气）消耗指标（如比煤耗和 比氧耗）主要取决于原料煤的进料形式和气化炉结构，对于 GEGP 和晋华炉同属于水煤浆湿法进料，气化炉均为气流床和 单烧嘴顶喷形式，因此，其原料煤和氧气消耗量接近，比煤 耗约 610kg/km3（CO+H2），比氧耗约 390~405m3/km3（CO+H2）。 航天炉 HT-L 采用粉煤气力输送进料，省去水煤浆加压气 化技术中水气化所需负荷，降低比氧耗和比煤耗，比煤耗约 550kg/km3（CO+H2），比氧耗约 310m3/km3（CO+H2）。 3.5 对下游装置的影响 GEGP 工艺 ：气化装置出口 CO 干基含量约 52%，H2 干基 含量约 31%，由于采用全激冷流程，水气比约为 1.3~1.4，足 以满足下游变换反应对水蒸气的需要，且流程设置按耐硫中 温变换串低温变换比较顺畅。 晋华炉工艺 ：气化装置出口 CO 干基含量约 52%，H2 干 基含量约 31%，由于采用废锅 + 激冷流程，水气比可调控范 围 0.5~1.0，具体可根据下游变换对合成气水气比的要求来调 整，实现在满足下游化工合成的基础上最大限度地回收合成 气中的高品位热量。 航天炉 HT-L 工艺 ：气化装置出口合成气中 CO 高达 60%， 由于是 4.0MPaG 气化，则合成气中水气比约 0.9，基于高 CO 含量和中等比例水气比的特点，对于本项目下游合成气 H2/CO 要求，变换装置在设计和运行时需要特别注意防止超温的问 题，针对该工况，变换装置多采用多级变换炉串联工艺（双 等温、等温 + 绝热等流程），同时还需要可靠的变换炉急冷气 措施。 3.6 热量回收方法 GEGP 工艺 ：可选用激冷流程和废锅 + 激冷两种流程，其 中绝大多数采用激冷流程。 晋华炉工艺 ：可采用废锅 + 激冷流程，废锅回收的高品位 显热约相当于原料煤低温热值 15%，同时副产 10.0~12.0MPaG 高压饱和蒸汽，过热后可用于驱动空分透平。 航天炉 HT-L 工艺 ：可采用激冷流程和废锅 + 激冷流程两 种，其中绝大部分为激冷流程。 3.7 装置投资 GEGP 工艺 ：由于 GEGP 工艺烧嘴有效周期短，故需考虑 备炉。 晋华炉工艺 ：气化炉为可靠的水冷壁结构 + 组合式烧嘴， 可考虑不留备炉，减少装置投资。 HT-L 工艺 ：气化炉为可靠的水冷壁结构 + 组合式烧嘴， 可考虑不留备炉，减少装置投资。
粉煤气化机理
粉煤气化机理一、气化反应热力学粉煤加压气化炉是气流床反应器，也称之为自热式反应器，在加压无催化剂条件下，煤和氧气发生部分氧化反应，生成以CO 和H 2为有效组分的粗合成气，部分氧化反应一词是相对完全氧化而言的。
整个部分氧化反应是一个复杂的多种化学反应过程。
此反应的机理目前尚不能完全作以分析。
我们只可以大致把它分为三步进行。
第一步：裂解及挥发分燃烧。
当粉煤和氧气喷入气化炉内后，迅速被加热到高温，粉煤发生干储及热裂解，释放出焦油、酚、甲醇、树脂、甲烷等挥发分，水分变成水蒸气，粉煤变成煤焦。
由于这一区域氧气浓度高，在高温下挥发分完全燃烧，同时放出大量热量。
因此，煤气中不含有焦油、酚、高级姓:等可凝聚物。
第二步：燃烧及气化。
在这一步，煤焦一方面与剩余的氧气发生燃烧反应，生成CO 2和CO 等气体，放出热量。
另一方面，煤焦和水蒸气和CO 2发生气化反应，生成H 2和CO 。
在气相中，H 2和CO 又与残余的氧气发生燃烧反应，放出更多的热量。
第三步：气化。
此时，反应物中几乎不含有。
2。
主要是煤焦、甲烷等和水蒸气、CO 2发生气化反应，生成H 2和CO 。
其总反应可写为：C n H m +(n/2)O 2-nCO+(m/2)H 2+Q 气化炉中发生的主要反应可分为：CO+H 2O-CO 2+H 2+Q CO+3H 2-H 2O+CO 2+Q C+2H 2-CH 4+Q C+1/2O 2-CO+QC+O 2-CO 2+Q C+CO 2-2CO-Q C n H m -(n/4)CH 4+[(4m-n)/4]C-Q 气化炉内的反应相当复杂，既有气相反应，又有气-周双相反应，对于复杂物系的平衡，我们引入独立反应数的概念，只要讨论独立反应即可。
因为其他反应可通过独立反应的组合而替代。
所谓独立反应数，就是构成物系的物质数与构成物质的元素种数之差。
假定煤气化反应在气化炉出口组成达到平衡，气体中含有CO 2、CO 、H 2、。
气流床煤气化技术进展
新型多喷嘴对置气化工艺工艺流程
新型多喷嘴对置气化工艺特点
（1）采用对置式气化炉，强化传热。煤气化 碳转化率＞98%；合成气中有效成分CO+H2≥90%； 冷煤气效率约为83% （2）气化炉装置可灵活地停下一对烧嘴，另 一对烧嘴可继续工作，不必立即停车，为保压操 作和维修创造有利条件。 （3）能高效生产富氢和一氧化碳的合成气， 甲烷含量少、热值高；燃料可完全气化，不生成 冷凝副产品，气体不含焦油、酚等污染物，三废 处理简单。
3、结语
除上述两种煤气化工艺外，国内近年来还新 兴了许多其他煤气化工艺。如：非熔渣—熔渣 氧气分级煤气化工艺（清华大学）、多元料浆 气化工艺（西北化工研究院）、 HT-L 粉煤加 压气化技术（中国航天集团）。这些煤气化工 艺都具有自身的优点，但也不可避免的存在某 些缺点。各企业应根据实际情况选择最合适的 煤气化工艺
TPRI 两段干煤粉气化工艺工艺流程
TPRI 两段干煤粉气化工艺特点 （1）气化反应温度1400～1600℃，气化压力 可达3.0～4.0MPa，碳转化率高达99%以上，煤气 中有效气体体积分数（CO+H2）高达90%以上。 （2）高温气化不产生焦油、酚等凝聚物，煤气 质量好。 （3）气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐 火砖衬里，维护少，运转周期长，无需备炉。 （4）与国外同类技术相比冷煤气效率提高 2～ 3个百分点 （5）两段式气化炉后续工艺可配套激冷流程或 废锅流程，满足不同工艺条件的要求
国外已经产业化或完成中试的气流床煤气化 技术主要有K-T气化法、 Shell气化法、Prenflo气 化法、GSP气化法、Texaco法、E-gas气化法、 Eagle气化法、国内气流床煤气化技术主要有多喷 嘴对置、TPRI 两段干煤粉气化、非熔渣-熔渣氧 气分级煤气化和多元料浆气化等。 此处着重讲解近年来国内新兴的两种典型的 气化工艺。 一：以干煤粉为原料的TPRI两段干煤粉气化 工艺； 二：以水煤浆为原料的新型多喷嘴对置气化 工艺。
煤的气化
独立反应—用独立反应来代表多个复杂反应。 独立反应数 — 反应系统中所有的物质数减去组 成这些物质的元素数。 物质数：O2，C，CO，CO2，四种 元素数：C，O 两种 独立反应数4-2=2 选（1）、（2）式为独立反应 C+O2=CO2 △H0298=－393.8KJ/mol (1) C+CO2=2CO △H0298=172.3KJ/mol (2) 由于（ 1 ）式中氧的平衡含量甚微，反应可进行 到底，故只考虑（2）式的反应。
C+O2=CO2 C+CO2=2CO
结论：
CO2
10.8
(1) (2)
温度 （ 1 ）随温度升高， CO (℃) 的平衡含量增加， CO 2 的平衡含量降低。 （2）温度高于900℃, 气 650 相中CO2含量甚少，C 与 O 2 反应的主要产物 是CO。 800 （3）通过改变反应温度 可以调节产物组成。 （ 4 ）降低压力，可提高 900 CO的平衡组成。 α - CO 2 转化成 CO 的平 1000 衡转化率.
煤气化核心问题：如何向反应系统供热 按供热方式不同分为以下三种生产方法： 1.内部蓄热法(间歇制气法) • 先将空气通入煤气炉，利用 C+O 2 =CO 2 反应放的 热提高燃料层的温度，生成的气体（吹风气）大 部分放空（成分CO2，N2，CO）。 • 然后通入蒸汽进行吸热反应，燃料层温度逐渐降 低。 • 这样间歇地通空气和蒸汽重复进行，是目前普遍 采用的补充热量的方法，也是我国多数中小型合 成氨厂的主要采用的气化方法。
为提高反应速度采取的措施：
（1）温度一定时，Ec 降低，k增加。 k=Aexp(-Ec/RT) 不同燃料的活化能Ec的大小顺序： 无烟煤>活性炭>烟煤>褐煤 反应活性： 无烟煤<活性碳<烟煤<褐煤 因此，为提高反应速度，选择低活化能的燃料。 （2）Ec一定，不同温度下反应的控制步骤不同： 动力学控制区：T升高，k增大 扩散控制区（k很大，反应很快）：反应速度取决于传 质速度，一般通过提高气速，提高气膜传质系数，从 而提高反应速度；另外，通过减小煤的粒径，提高内 扩散速率。 过渡段：受以上两种因素控制
气流床煤气化技术的现状及发展
况 下 ，采 用 纯 氧 作 为 气 化 剂 。 这 时 就 能 使 气 化 温 度 达 到 于 Ｔｅｘａｃｏ技 术 ，并 已经获 得专 利 。另外 ，我 国科技 部开 始 立项
１５００℃ 。
１．２影 响气流 床化 的主 要 因素 ①高 气化温度
在 实际 气化过程 中 ，最高 温度能 够到达 １５００℃以上 。而炉 内 中产生 的 高温 则是 由煤 粉在 纯氧 燃烧 或者 由部 分燃 烧 所释 放的热 量而保 持的 。在这 期间 ，碳粒 与水蒸 气会发 生吸热 的还 原反 应 。 因此 ，在加 煤量 的相 关 条件下 ，气化 炉 内的 温度 会受 到氧 气和水 蒸气 气化剂的加 入量而 决定 。与此 同时 ，随 着炉 内
更好 的 形成 熔渣 …。 由于气 流床 的 气化 反应 是受 动 力学控 制 ， 关政 策 ，使 得在 发 展煤 气化 技术 上得 到一 定 的发展 ，并取 得较
因而需 要选用 活性 较好 的煤 ，来进 一步提高 碳的转化率 。
好的 效果 。具 体 来说 ，就是 在气 流床 的实 际应 用 中 ，引进 多 台
形成 熔渣 。在相 关原 则上 ，大多数 煤都能 够报 审应用 气流床 气 现状 ，如果不采 取相 应措施 进行改 变 ，则会给 我 国社 会经 济 、能
化 。但是 在炉 内气化的温 度上 则要高 于煤 的灰熔 点 ，这样 能够 源和 环境协 调发展 产生严 重影 响 。在近 几年 ，我国开始 出 台相
成 立 “干 煤粉加 压气化 剂制备 合成气 新技术 ”，在 实际研 究过程 中 ，取 得一 定的 成果 。对 于这 项研 究成 果 ，有 效 的对 我 国当前 研 究空 白进行弥补 。在 中试 （耗 煤 ２０ｔ／ｄ）Ｉ艺的 指标 逐渐达 到 国 际先进水 平 ，足 以说 明我 国开 始具备 自主知识 产权 与 自身 能源 结 构相适 应的 干煤粉 气化技 术 。另外 ，在整体 煤气 化联合循 环
第8讲 煤气化反应中的热力学和动力学基础
第8讲煤气化反应中的热力学基础煤的气化是使煤与气化剂作用，进行各种化学反应，把煤炭转变为燃料用煤气或合成用煤气。
气化炉中的气化反应主要是煤中的碳与气化剂中的氧、水蒸汽、二氧化碳和氢的反应，也有碳与产物以及产物之间进行的反应。
一、煤气化的基本化学反应在气化炉内，煤炭经历了干燥、热解、气化和燃烧几个过程。
现将各个过程逐一介绍。
1、干燥湿煤（操作原料）加入气化炉后，由于煤与热气流之间的热交换，煤中的水分蒸发。
2、热解热解（pyrolysis）是煤受热后自身发生一系列物理和化学变化的复杂过程。
对此过程的命名尚未统一。
除热解这一名称外，习惯上长期应用“干馏”（carbonization）作传统名称，还有热分解（thermal decomposition）也常被采用。
炼焦过程是典型而完整的再隔绝空气条件下的煤热解例子。
由于煤是矿物质、有机大分子化合物等组成的极复杂的混合物质，受热之后所发生的变换与煤自身的化学特性、空隙结构以及热条件等密切相关。
煤炭气化过程中煤的热解有别于炼焦和煤液化过程中煤的热解行为，其主要区别在于：❶在块状或大颗粒块状存在的固定床气化过程中，热解温度较低，通常在700℃以下，按煤焦加工惯例，属低温热解（干馏）区段；❷热解过程中，床层中煤粒间有较强烈的气流流动，不同于炼焦炉中自身生成物的缓慢流动，其对煤的升温速率及热解产物的二次热分解反应影响较大；❸在粉煤气化工艺中，煤炭中水分的蒸发、煤热解以及煤粒与气化剂之间的化学反应几乎同时并存，且在短暂的时间内完成。
1)煤热解过程的物理形态变化在煤热解阶段，煤中的有机质随温度的提高而发生一系列变化，其结果为煤中的挥发分逸出，并残存半焦或焦炭。
煤的热解过程大致分为3个阶段。
◆第一阶段（从室温到350℃）从室温到热分解温度为干燥脱气阶段，煤的外形无变化。
150℃前主要为干燥阶段。
在150～200℃时，放出吸附在煤中的气体，主要为甲烷、二氧化碳和氮气。
当温度达到200℃以上时，即可发现有机质的分解。
气流床煤气化系统的热力学分析
第３ ５卷 第 ２期
２０ ０ ７年 ２月
化
学
Hale Waihona Puke 工程 Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ２ １３ ．
Ｆ ｂ ２ｏ ｅ． ０７
Ｃ Ｅ Ｃ ＬＥ Ｃ Ｎ Ｅ Ｉ Ｃ（ Ｈ Ｎ Ｈ ＭＩＡ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ Ｃ ＩＡ）
气 流床煤气化 系统 的热力学分析
室是炯损失最大 的设 备 ， 炯损失 占了总炯 的 ２．％ ； １２ 其次是气化炉 气化室 ， 占到了总炯 的 １．％ ， 室的炯损失 ３９ 气化
主要发生在水的汽化等过程中， 这一部分炯损失占气化过程炯损失的７％左右， ０ 而氧气加热至反应温度所带来的
炯损 失仅 占 ３％左 右。采用炯分析 方法 可以更准确地揭示 系统中炯损 失最 大的环节 和过程 ， ０ 为改进 设备 、 节约能
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｅｓｍｕ ａ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｆ ｕ ｎ ｈ ｎ ｎ ｒｉ ｅ － ｏ ｏ ｌ ａ ｉ ｃ ｔ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓｗｉ ｓｒ ｃ ： ａ ｅ ｎ ｔ ｉ ｌ ｔ ｎ ｐ ｉ ａｉ ｅ ｕ ｔ ｏ ｅ ｃ ｉ ｇｅ ｔ ｎ ｄ ｆ ｗ ｃ ａ ｓｆ ａ ｉ ｒ ｃ ｓ ｔ ｈ ｏ ｍｉ ｏ ｓ ｑ ａ ｌ ｇ ｉ ｏ ｈ Ａｓ ｅ ｌ ｓ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌｓｓ ｗ ｓ ａ ｐ ｉ ｄ ｔ ａｃ ｌｔ ｎ ｒ ｉ ｒ ｕ ｉｎ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ ｈ ｐ ｎ Ｐ ｕ ，ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ａ ａｙ ｉ ａ ｐ ｌ ｏ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｅ ｅ ｇ ｄ ｓ ｉ ｔ ｎ ｘ ｒ ｄ ｓｒ ｕ ｉ ｆ ｔ ｅ ｅ ｙ ｔｂ ｏ ｙ ｉ ｏ ｇ ｓ ｃ ｔ ｎ ｓ ｓ ｍ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｒｃ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｌ ｘ ｒ ｏ ｓ ｉ ｃ ｅ ｃ ｎ ｒ ｒ ｎ ｆ ｒ ｎ ａ ｉ ａｉ ｙ ｔ ｉ ｆ ｏ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｗｉ ｔ ｘｍａ ｅ ｇ ｌｓ ｓ ｈ ｍｉ ａ ｅ ｅｇ ｔ ｓｏｍｉ ｇ ｓ ｔ ｈ ｈ ｅ ｙ ｌ ｙ ａ ｉ ｔ ｐ ｙ ｉａ ｎ ｒ ． Ｔ ｅ ｅ ｕ ｐ ｎ ｔ ｈ ｘ ｍｕ ｅ ｅ ｇ ｏ ｓｉ ｓ ｒ ｂ ｉ ｇ ｃ ｏｉ ｇ ｃ ａ ｅ ．ｓ ａ ｎ １ ２ ｎｏ ｈ ｓ ｌｅ ｅ ｇ ｃ ｙ ｈ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｈ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｘ ｒ ｌ ｓ ｓ ｃ ｕ ｂ ｎ －ｏ ｌ ｈ ｍｂ ｒ ｈ ｒ ｇ ２ ． ％ ｗｉ ｙ ｎ ｉ ｏ ｔ ｎ ｕ ｘ ｒ ；ｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ｓ ｇ ｓｆ ｒ ｆｔ ａ ｉ ｐ ｔｅ ｅ ｇ ｏｌ ｙ ｈ ｅ ｏ ｄ ｉ ａ ｉ ｅ ，ｗｉ ｘ ｒ ｙ ｌｓ ｈ ｒ ｇ １ ． ％ ，ａ ｄ ７ ％ ｏ ｘ ｒ ｏ ｓ ｉ ａ ｉ ｅ ｉ ｔ ｅ ｅｇ ｏｓｓ ａ ｉ ３ ９ ｈ ｎ ｎ ０ ｆｅ ｅ ｇ ｌｓ ｎ ｇ ｓｆ ｒ ｙ ｉ ｒ ｏ ｎ ｖ ｐ ｒ ａｉｎ ｏ ｔ ｒ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｒ ｅ ｏ ｘ ｇ ｎ ｒ ｓ ｌ ｉ ｈ ｔ ｅ ０ ． Ｂｙ ｕ ｉ ｇ ｅ ｅｇ ｎ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｏ ｚ ｔ ｆ ｗａｅ ，ｔ ｅ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉ ｆ ｏ ｙ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ｔ ｅ ｏｈ ｒ３ ％ ｉ ｉ ｏ ｓ ｓｎ ｘ ｒ ａ ａｙ ｉ ｙ ｍｅｈ ｄ，ｉ ｃ ｎ ｂ ｒ ｃ ｕ ａｅ ａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｎ ｏ ｅ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｔ ｈ ｘ ｍａ ｘ ｒ ｏ ｓ Ｓ ｓｔ ｅ ｐ ｔｏ ｔ ａ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｃ ｒｔ ｎ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔｔ ｕ ｃ ｖ ｒ ｈ ｒｃ ｓ ｈ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｌ ｅ ｅ ｇ ｌｓ Ｏ ａ ｏ ｓ ｔ ｏ ｔ ｗｉ ｙ ｕ ｔ ｒｅ ｎ ｒ ｖｄ ｕ ｇ ｓｉｎ ｏ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｅ ｕ ｌ ｉｇ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ａ ｉｇ ａ ｇ ｔ ｄ ｐ ｏ ｉｅ ｓ ｇ ｅ ｔ ｆｅ ｕ ｐ ｎ ｂ ｉ ｎ ｎ ｎ ｒ ｓ ｖｎ ． ａ ｏ ｒ ｄ ｙ Ｋｅ ｒ ｓ ｅ ｔ ｉ ｅ － ｏ ｇ ｓ ｃ ｔ ｎ；ｅ ｅ ｇ ｎ ｌ ｓｓ ｘ ｒ ｎ ｌ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｒ ｎ ｄ ｆ ｗ ａ ｉ ａｉ ａ ｌ ｉ ｆ ｏ ｎ ｒ ａ ａｙ ｉ ；ｅ ｅ ｇ ａ ａｙ ｉ ｙ ｙ ｓ
以含碳化合物为原料的气流床气化技术的基础研究和应用
以含碳化合物为原料的气流床气化技术的基础研究和应
用
气流床气化技术是一种将含碳化合物原料转化为气体燃料的技术。
该
技术的基础研究和应用已经得到了广泛的关注和研究，其应用领域也
越来越广泛。
气流床气化技术的基础研究主要包括气化反应机理、气化反应动力学、气化反应热力学等方面。
其中，气化反应机理研究是气流床气化技术
研究的核心，它可以揭示气化反应的本质和规律，为气化反应的优化
和控制提供理论基础。
气化反应动力学研究可以探究气化反应的速率
和影响因素，为气化反应的优化和控制提供实验依据。
气化反应热力
学研究可以揭示气化反应的热力学特性，为气化反应的优化和控制提
供理论基础。
气流床气化技术的应用领域主要包括能源、化工、环保等方面。
在能
源领域，气流床气化技术可以将含碳化合物原料转化为气体燃料，如
合成气、液化石油气等，用于发电、供热等方面。
在化工领域，气流
床气化技术可以将含碳化合物原料转化为化学品原料，如甲醇、乙二
醇等，用于生产化学品。
在环保领域，气流床气化技术可以将含碳化
合物原料转化为无害物质，如二氧化碳、水等，用于减少污染物排放。
总的来说，气流床气化技术的基础研究和应用已经取得了很大的进展，其应用领域也越来越广泛。
未来，随着技术的不断发展和完善，气流
床气化技术将会在更多的领域得到应用，为人类的生产和生活带来更
多的便利和效益。
煤气化 第六章 气流床
第六章气流床气化工艺气流床气化法是20世纪50年代初发展起来的新一代煤气化技术，最初代表炉型为K—T炉。
之后随着shell、Texaco等一批新型工艺的开发，气流床气化技术因其出色的生产能力和气化效率，在世界范围内得到了广泛的应用，尤其是在燃气联合循环中。
目前绝大多数IGCC电站所选的是气流床气化炉，主要炉型为Texaco、Shell、E-Gas(原Destec)以及Prenflo 等。
第一节概述表6-2 三种气化技术比较二气流床气化原理1 气化原理（1）粉煤的干燥及裂解与挥发物的燃烧气化•可以认为煤粉中的残余水分瞬间快速蒸发，同时发生快速的热分解脱除挥发分，生成半焦和气体产物（CO 、及其他碳氢化合物）。
•生成的气体产物中的可燃成分在富氧条件下，迅速与氧气发生燃烧反应，并放出大量的热，使粉煤夹带流温度急剧升高，并维持气化反应的进行。
42222CH N S H CO H 、、、、n m H C 22242222222222222222)2/()2/()2/()4/(CO O H O CH OH O H CO O CO H n mCO O m H C O H n mCO O n m H C n m n m +=+=+=++=++=++（6-1）（6-2）（6-3）（6-4）（6-5）二气流床气化原理1 气化原理（2）固体颗粒与气化剂（氧气、水蒸气）间的反应•氧与剩余焦粒发生燃烧和气化反应。
•炽热的半焦与水蒸气进行还原反应，生成CO 和。
2H CO O C CO O C 22222=+=+2222222CO H O H C CO H O H C +=++=+（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）二气流床气化原理1 气化原理（3）生成的气体与固体颗粒间的反应•高温的半焦颗粒，除与气化剂水蒸气和氧气进行气化反应外，与反应生成气也存在气化反应。
•煤中的硫，在高温还原性气体存在的条件下，与和CO 反应生成和。
粉煤加压气流床气化炉内化学平衡分析
第4期 2009年7月中 氮 肥M 2Sized N itr ogenous Fertilizer Pr ogress No 14Jul .2009粉煤加压气流床气化炉内化学平衡分析董金国(贵州开阳化工有限公司,贵州开阳 550300)[摘 要]用解析的方法,详细计算了粉煤加压气流床气化装置煤气组成与操作温度的关系,并对各种操作变量对气体成分及析炭副反应的影响做了量化分析,对我国已经引进或正要引进的干煤粉加压气化装置的操作具有一定的指导意义。
[关键词]干煤粉气化;化学平衡;煤气组成;析炭[中图分类号]T Q 546 [文献标识码]A [文章编号]1004-9932(2009)04-0004-04[收稿日期]2009202220 [修稿日期]2009204224[作者简介]董金国(1972—),男,山东枣庄人,工程师,技术部部长。
Analysis on Che m i cal Equili bri u m i n Pressuri zed Pulveri zed Coal G asi fi erDONG J inguo(Guizhou Ka iyang Che m ical Industry Co 1,L td,Ka iyang 550300,China )Abstract:The paper analyzes the relati on bet w een gas compositi on and operati on te mperature in p ressurized pulverized coal gasifier via detail calculati on 1The quantitative analysis is made t o find out effect of varieties of operati on para meter on gas contents and reacti on of carbon f or m ing,which can guide the operati on of the gasificati on p lant 1Key W ords:pulverized coal gasificati on;che m ical equilibriu m;gas compositi on;carbon for m ing 粉煤加压气流床气化技术是一种优秀的煤气化技术,和水煤浆气化技术相比,它具有更高的气化效率和有效气成分,更强的煤种适应性,更低的比氧耗和比煤耗,近年来在我国的煤化工领域得到广泛应用。
气流床气化技术的现状及对比
气流床气化技术的现状及对比1 技术简介气流床煤气化就是煤浆或煤粉和气化剂（或氧化剂）以射流的形式喷入气流床气化炉内，在均匀高温下，快速转化为有效气体的过程，炉内的高温使煤中的灰熔解，作为熔渣排出。
现代气流床气化的共同点是加压（3.0～6.5MPa）、高温、细煤粒，但在煤处理、进料形态与方式、实现混合、炉壳内衬、排渣、余热回收等技术单元存在不同，从而形成了不同风格的技术流派。
气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，其清洁、高效代表着当今煤气化技术的发展潮流。
目前最具代表性的气流床气化技术有美国的Texaco 水煤浆加压气化技术和荷兰的Shell 干煤粉加压气化技术；另外，还有与上述气流床气化技术相似的Destec 水煤浆加压两段式气化技术及Prenflo 干煤粉气化技术。
1.1 Texaco 煤气化工艺Texaco 气化炉有两种结构，一种是直接激冷式气化炉，一种为装有煤气冷却器的气化炉。
美国Texaco 公司开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60 %～65 %的水煤浆，用纯氧作气化剂，水煤浆和纯度为95 %的氧气从安装在炉顶的燃烧喷嘴喷入气化室，在高温、高压下进行气化反应，气化压力在3.0～8.5 MPa ，气化温度1 400 ℃左右，液态排渣，煤气中CO +H2 占80 %左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率为96 %～99 % ，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤种适应范围较宽，是目前较为先进的煤气化技术之一。
烧嘴是Texaco 气化工艺的关键部件，其寿命和运行状况直接决定着装置能否长周期经济运行。
烧嘴多为三通道结构，中间走煤浆，外层和内层走氧气，内层氧气通过量占总氧量的8 %～20 %。
气化炉内镶嵌耐火砖，使用寿命一般在6～18 个月，煤中灰分、烧嘴运行质量、炉内温度、开停车频度等都对耐火砖有较大的影响。
Texaco 水煤浆气化炉与1952 年开发成功的渣油气化炉相似。
煤气化过程的热力学分析
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2008年第48卷第5期2008,V o l.48,N o.5w 21http://qhx bw.chinajo 煤气化过程的热力学分析刘广建, 李 政, 黄 河, 倪维斗(清华大学热能工程系,北京100084)收稿日期:2007-08-13基金项目:国家自然科学基金重大项目(90210032);国家“九七三”重点基础研究项目(2005CB221207)作者简介:刘广建(1977—),男(汉),河南,博士研究生。
通讯联系人:李政,教授,E-mail:lz-dte@ts inghu 摘 要:为研究气化过程损失的原因和损分布,基于不可逆过程熵平衡方程将气化过程分解为反应物混合、化学反应、生成物和反应物之间热交换以及混合等子过程,分析不同操作条件下碳气化反应的能量损失。
从气化过程理论做功能力的角度,考察气化过程中放热和吸热反应对过程损失的影响。
由于耦合了吸热和放热反应,当氧碳摩尔比为0.35、水碳摩尔比为0.31时,1kg 碳气化过程损失存在局部极小值4.521M J ,对应最佳气化反应温度为1200K 。
关键词:热力学;气化;损失中图分类号:T K 01;T Q 21文献标识码:A文章编号:1000-0054(2008)05-0844-04Thermodynamic analysis of the coalgasification processLIU Gu an gj ian ,LI Zheng ,HUA NG He ,NI Weidou (Department of Thermal Engineering ,Tsinghua University ,Beij ing 100084,China )Abstract :T he entropy conservation equ ation for irreversib leprocess es was u sed to analyze the exergy destruction an d the r easons for exerg y destruction du ring solid carbon gasification.Th e process w as divided into the reactant m ixing step,chemical r eactions,h eat tran sfer,an d produ ct m ixing sub -p roces ses.Energy losses in the gasification process w ere analyzed for various operatin g conditions ,w ith the in fluence of the various exothermic and endothermic reactions on the exergy loss es stud ied bas ed on th e gas ification process theoretical w orkin g ab ility.Th e r esu lts s how that w hen coupled w ith the exotherm ic an d endothermic reactions,for 1kg solid carbon w ith a molar ratio of oxygen to carbon of 0.35and a molar ratio of s team to carbon of 0.31,the local minim um exergy los s is 4.521M J,w ith an optimum gasification temperatu re of 1200K.Key words :thermodynamics ;gasification;exergy des tr uction在整体煤气化联合循环、煤气化多联产等系统中,煤气化单元是损失最大的单元之一[1]。
气流床粉煤气化技术及其应用研究
气流床粉煤气化技术及其应用研究摘要：研究气流床工艺，对粉煤气化的工艺要点进行说明，介绍了煤粉干燥、原料输送、气化、洗涤与渣水处理工艺。
在研究中，重点明确气化工艺应用思路，通过优化水冷壁气化炉、应用一体化复合喷嘴、改造输送系统、落实节能理念，使得粉煤气化效率得以提升。
经过优化后装置性能更加稳定，且具有较高的耐腐蚀、耐高温能力，能够实现对劣质煤的清洁高效应用。
关键词：气流床；粉煤气化技术；应用现阶段，大规模、多系列气流床项目成为化工领域发展的主要方向，通过对气流床工艺技术的升级，能够满足最新发展要求，确保环保节能理念在化工生产行业中被贯彻落实。
以往单喷嘴、单一供料线路的气化工艺方案缺点明显，当系统装置出现问题后，容易出现长时间停车的问题，使得系统运行稳定性受到影响。
中安联合公司气化装置，采用SE东方炉煤气化工艺方案，通过做好装置升级，使得煤粉气化效率获得显著提升。
1气流床粉煤气化工艺说明中安联合气化装置采用SE东方炉粉煤气化工艺，具体包括磨煤及干燥、粉煤加压及输送、气化及洗涤、除渣、灰水处理及气化公用工程等单元，该装置的总体规模较大、气化系列多，因此，有关人员可在技术条件允许范围内，对气化装置进行优化。
对气化工艺进行优化配置主要遵循以下思路：一是根据功能区进行布置，坚持各区域装置功能集中原则，为管理提供便利；二是采取流程式布置方案，需要相关人员根据工艺流程与物料要求，对粉煤气化装置进行布局，以降低物料反复运输成本，使得系统中各装置的能耗得以降低[1]。
在气流床工艺优化中，中安联合气化装置重点关注制磨煤及干燥、除渣、灰水处理等工艺，通过设置5台磨煤机，对粉煤进行集中供应，同时对渣水处理单元进行优化，整合公用溢流槽设备，使得系统装置占地面积减少，降低成本支出。
该装置中的粉煤制备单元技术较为成熟，核心设备为磨煤机，原料为甲烷烃尾气，干燥处理工艺则选用热风炉高温惰性气体，通过对以上设备与工艺手段的应用，可促使煤粉的外水含量低于2%，粒度则小于200μm。
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一般情况下 ,把系统或设备中有效的输出 与 输入 的比值定义为该系统或设备的普遍 效率 , 以 ηII表示 。从表 4 和表 5 可以看到 , 效率最低的 设备是洗涤冷却室 , 损失占了总 的 21. 2% , 其 次是气化炉气化室 , 损失也占到了总 的 13. 9% 。 ( 2 ) 图形 为了深入揭示 的变化情况 , 采用图形化 分 [ 7 —8 ] 析方法 ,见图 2。图中横坐标为过程发生的焓 变 ,纵坐标为 A。A 值的计算式为 Δ ε ΔS ( 6) A = = 1 - T0 ΔH ΔH ε为过程发生所带来的 变量 ,ΔH 为过程 式中 ,Δ 发生的焓变量 ,ΔS 为过程发生所带来的熵变量 , T0 则为 分析过程中预先确定的环境温度 。当过程具 体到换热过程时 , A 值的计算式简化为
W max = Q ( 1 T0 T ) ( 1)
基金项目 : 国家重点基础研究发展计划资助项目 ( 2004CB217707) ; 国家高技术研究发展计划资助项目 ( 2003AA521020) ; 上海市青年科技 启明星计划资助项目 ( 03QF14013) 作者简介 : 汪洋 ( 1980 —) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为过程系统工程 ; 于广锁 ,通讯联系人 , E 2 mail: gsyu@ ecust . edu. cn。
自 20 世纪 70 年代以来 ,由于能源短缺 ,迫使人 们不得不认真地研究各种运动形态能量的开发和利 [1] 用 ,“ ” 的概念引起人们的重视 。此后 , 在基本 (基准态 )环境模型的建立 、 值计算 、 概念 、 能级分 析等理论研究方面得到迅速发展 , 方法趋于成熟 , 工程应用逐渐展开 。通过对生产工艺系统的 分 析 ,可以展示系统用 状况 , 揭示 损分布规律 , 由 此得到对系统能量和能质利用的科学评价 。目前 , 在石化 、 石油 、 动力 、 冶金 、 制冷等技术领域以及能源 管理部门 ,以 方法评价和指导用能实践 ,已获得日 益广泛的应用 。 本文在基于 A spen Plus对激冷型气流床煤气化 系统进行模拟和优化的基础上 , 首次采用热力学分
-1
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输入 煤 水 氧气 高温冷凝液 低温冷凝液 补水 脱盐水 淡水 总计
)
输出 合成气 渣 酸气 其他气体 灰水 滤饼 循环灰水 热量损失 总计
/ ( kJ ・h 5. 23 18. 62 1. 51 6. 76 1. 13 1. 19 112. 91
-1
)
25 945. 15
16 052. 27
图 1 气流床煤气化系统流程
Fig . 1 Entrained2flow coal gasification system
输出焓 / ( kJ ・h - 1 ) 合成气 渣 酸气 其他气体 灰水 滤饼 循环灰水 热量损失 总计
18 206. 63 1 761. 49 19. 59 1. 53 130. 20 519. 14 90. 44 147. 35 20 876. 37
析的方法 ,对气化系统进行了能量衡算和 为提高过程效率提供理论基础 。
1 系统 分析方法
量衡算 ,
的定义是 : 一定形式的能量或一定状态的物 质 , 经过完全可逆的变化过程后 (传热 、 传质 、 化学 反应等 ) , 达到与环境完全平衡的状态 , 在这个过程 中该能量或物质所能做的最大功称为 , 用符号 Ex 表示 。 概念是通过热力学第二定律揭示的 , 对于等 [2 ] 量不同温度的热能 , 其能质差表现为 的差 。依据 热力学第二定律 , 一定温度热能 Q 的做功能力为
26 030. 00 97. 15 202. 27 891. 25 593. 94 17. 93 40. 32 30. 80 27 903. 68
淡水 总计
汪 洋等 气流床煤气化系统的热力学分析 表 3 气化系统进出物流 量计算
Table 3 In and out exergy calculation of gasification system / ( kJ ・h 2. 12 111. 98 188. 38 67. 53 0. 19 0. 37 0. 12 26 315. 84
(华东理工大学 洁净煤技术研究所 , 上海 200237)
摘要 : 在使用 A spen Plus对激冷型气流床煤气化系统进行模拟和优化的基础上 ,采用热力学分析方法 ,对气化系统 进行了能量衡算和 室是 量衡算 。计算结果表明 ,系统中 损失占了总 损失最大的过程是化学能转变为物理能的过程 。洗涤冷却 的 13. 9% ,气化室的 损失 损失的 70%左右 ,而氧气加热至反应温度所带来的 损失最大的环节和过程 ,为改进设备 、 节约能 损失最大的设备 , 的 21. 2% ; 其次是气化炉气化室 ,占到了总 损失占气化过程
・76・
化学工程 2007 年第 35 卷第 2 期
式 ( 1 ) 表示温度为 T 的热量 Q 利用卡诺机和低 温热源 T0 可做出的最大功 , 不同温度热能的做功能 力不同 , 温度越高 , 做功能力越大 , 其价值也就越大 , 因此 , 热量的做功能力反映了等量 、 不等温热能在能 质上的差别 , 分析理论中称 W m ax为热量 Q 具有的 , 式中 T0 为环境温度 。 用 定义不同温度 、 压力物质的能质差别 , 即让 具有参数 H、 S 的流体经历可逆过程通过某一物系 , 在此过程中 , 对外做功 W 与环境交换热量 Q 最终达 到与环境平衡 。流体经历这样的过程对外做出的 功 , 即称为具有参数 H、 S 流体的 。根据热力学第 [3 ] 一定律得 ( 2) H = H0 +W + Q 由于过程可逆 , 得
表 1 工业分析和元素分析 (质量分数 )
Table 1 Industrial analysis and element analysis % FCad
所以
Ex ( p, T ) =W = H - H0 - T0 ( S - S0 ) ( 4)
M
工业分析 V ad
元素分析
A ad C H N S O A sh
8 [ C ] + 141 791. 11 [ H ] ( 5)
17 723. 842 [O ] + 16 019. 49 [ S ] }
式中 , m A 表示每 kg干煤中所含灰分的质量 。
4 计算结果及分析
基于 A spen Plus对气流床煤气化工艺流程进行 了模拟及优化
[ 5 —6 ]
,应用热力学分析方法 ,对气化系
Therm odynam ic ana lysis of en tra in ed2flow coa l ga sif ica tion system
W ANG Yang, Y U Guang 2suo, DA I Zheng 2hua, L IANG Q i n 2feng, Y U Zun 2hong ( Institute of C lean Coal Technology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China ) Abstract: B ased on the sim ulation and op tim ization results of quenching entrained 2flow coal gasification p rocess w ith A spen Plus, ther modynam ic analysis was app lied to calculate energy distribution and exergy distribution of the gasification system. The results show that the p rocess w ith the maxim al exergy loss is chem ical energy transfor m ing into physical energy . The equipment w ith the maxim um exergy loss is scrubbing2cooling chamber, sharing 21. 2% of total input exergy; the second is gasifier, w ith exergy loss sharing 13. 9% , and 70% of exergy loss in gasifier root in vaporization of water, the temperature rise of oxygen result in the other 30%. By using exergy analysis method, it can be more accurate and convenient to uncover the p rocess w ith the maxim al exergy loss so as to set up target and p rovide suggestion of equipment rebuilding and energy saving . Key words: entrained 2flow gasification; energy analysis; exergy analysis
主要发生在水的汽化等过程中 ,这一部分 损失仅占 30%左右 。采用 源提供目标和对策 。 关键词 : 气流床煤气化 ; 能分析 ; 分析
分析方法可以更准确地揭示系统中
中图分类号 : TQ 54 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 2 9954 ( 2007 ) 02 2 0075 2 04
2 多喷嘴对置煤气化系统简介
煤的 值由朱明善
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给出的公式计算 :
ec = 34 215. 87 [ C ] + 21. 97 [N ] + 116 702. 76 [ H ] +