Texaco气化炉合成气的影响因素及优化_图文.

第 34卷第 2期

2011年 4月

煤炭转化

COA L CON V ERSION

V ol. 34 N o. 2A pr. 2011

*国家高技术研究发展计划 (863 项目 (2009AA05Z216 .

1 硕士生 ;

2 教授、博士生导师 , 太原理工大学电气与动力工程学院 , 030024 太原 : : 20

Texaco 气化炉合成气的影响因素及优化

*

王艳玲 1 马素霞 2

摘要 Texaco 气化炉内发生着强烈的传热、传质过程和复杂的化学反应 , 以质量守恒、能量守恒和化学反应平衡为基础 , 建立了 Tex aco 气化炉的简化平衡模型 . 运用 Labview 软件强大的数学计算和分析功能进行编程 , 仿真研究了不同水煤浆浓度和氧煤比下合成气各组分的含量 , 仿真结果与相关实验结果吻合较好 . 以合成气有效成分 (CO+H 2 的含量为目标函数 , 对气化参数进行了优化 . 研究结果对气化炉的工业操作具有理论指导意义 .

关键词气化炉 , 平衡模型 , 优化 , 合成气 , 有效成分中图分类号 T Q54

0 引言

煤炭是我国的主要一次能源 , 其转化利用是我国经济发展的主要支柱 . 以气化为基础的煤基多联产系统及能源梯级综合利用技术是实现可持续发展的重要保障 , 并为二氧化碳减排和通向氢能经济奠定了基础 . 煤气化设备气化炉的工作性能对能源的转化利用效率有着非常重要的影响 , 本研究通过建模分析 , 研究水煤浆浓度和氧煤比对气化炉产生的粗煤气中有效成分 (CO+H 2 含量的影响及其性能最优

化 , 为气化炉的优化运行提供理论依据 .

1 平衡模型

Watkinson 等

[1]

提出平衡模型 , 结果表示该模

型对气流床气化炉的仿真效果最好 , 流化床次之 , 由于固定床存在一些不确定因素 , 其结果最差 . [2]1. 1 煤的气化过程及气化反应

Tex aco 气流床气化炉的气化温度比较高 , 碳与氧气、水蒸气、二氧化碳和氢气等进行异相反应 , 同时还会伴随着均相反应 . 其主要反应如下 .

异相反应 :

C+

f

O 22-f CO+(f

-1 CO 2(1

C+H 2O 2+CO (2 C+CO 2(3 C+2H 2

4

(4

均相反应 : CO+

2

O 22(5 H 2+2O 2

2O (6 CH 4+2O 22+2H 2O (7 CO+H 2O CO 2+H 2(8 CO+3H 2

CH 4+H 2O

(9

1. 2 气化炉平衡模型

已知气化炉工作压力 (p , 水煤浆流量 (Q 、氧煤比 ( 和水煤浆浓度 ( , 根据气

化炉内三传一反

的原理建立化学反应平衡模型 . 由于粗煤气中的 COS 和 SO 2含量很少 ,

本模型认为煤中的硫元素全部转化为 H 2S, 同样假设煤中的氮元素全部转化为 N 2, 同时为了简化模型 , 假定加入气化炉内的气化剂 (纯氧完全被消耗 , 粗煤气的成分主要由 H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2S 和 H 2O 组成 .

根据气化炉内发生的化学反应及粗煤气的组分 , 可得到质量平衡方程 :

N C =m (b +c +d =

C

12

(10

N H 2=m(a +2d +f +g =

H 2+18

(11

N O 2 =m( 2

b +

c +

2

f =O

32

+ 36

+

32

(12

N N

2

=m e =N

28

(13

N S =m g =S 32(14

式中 :a, b, c, d, e, f , g 分别代表 H 2, CO, CO 2, CH 4, N 2, H 2O 和 H 2S 在合成气中的摩尔分数 ; C C , C H , C O , C N , C S 分别为煤中元素分析的干燥基 ; m 表示

生成合成气的总摩尔质量 ; N C , N H 2 , N O

2

, N N 2

, N S

分别指将煤中 C, H , O, N, S 的含量折算成 C, H 2, O 2, N 2和 S 的摩尔质量 ; Q 代表水煤浆流量 , kg/h; 表示水煤浆浓度 ; 表示氧煤比 .

混合物的摩尔分数还满足道尔顿定理 , 故 : a +b +c +d +e +f +g =1(15 由可逆反应 (8 和可逆反应 (9 可得到其化学反应平衡常数 :

k 8= b f =0. 0265ex p(

T

(16

k 9=

b a 32 =6. 7125 10-14ex p(

T (17

式中 :p 和 T 分别代表化学反应时的压力和温度 . 根据能量守恒 , 输入气化炉内的总热量应该等于从炉中输出的总热量 , 即总输入热量等于总输出热量 . 本模型中 , 假定碳的转化率接近 100%, 故忽略未反应碳的损失 ; 煤的显热对整个能量平衡

影响比较小 , 所以不计煤的显热 ; 气化剂为纯氧 , 即气化剂的显热就是加入炉内氧气的显热 . 则能量方程可以表达为 :

煤的热值 +氧气的显热 =煤气的热值 +混合气体的焓值 +排渣损失 +散热损失(18 煤的热值采用其低位发热量 , 可用下面的公式来估算 [3]:

Q net =12807. 6+216. 6C+734. 2H -199. 7O-132. 8A -188. 3M

式中 :C, H , O, A , M 分别表示煤中元素分析干燥基成分中的碳、氢、氧与工业分析中的灰分和水分的质量分数 .

煤气热值采用下式来估算 [4]:

Q 1=12600Y CO +10779Y H 2 +35800Y CH 4 +

Y 2 S

式中 :Y CO , Y H

2

, Y CH

4

, Y H

2

S 分别代表合成气中 CO, H 2, CH 4, H 2S 的摩尔分数 .

在本模型中 , 认为所有的气体为理想气体 , 理想气体的焓值采用下式计算 :

d H =C p d T

在理想状态下 , 物质的定压比热容 C p 与温度 T 有如下的经验关系式 :