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 :
C p =A +BT +CT 2+
D T 3
式中 :C p 的单位为 4. 18J/(mo l K ; T 的单位为 K; 公式中的 A, B, C, D 的数值可在文献 [4]中查取 . 式 (10 ~式 (18 中 , 未知数为 m, a, b, c, d, e, f , g, T 共 9个 , 9个未知数对应有 9个方程 , 理论上可以求解 .
2 模型计算结果及性能优化
2. 1 计算结果
根据所建立的平衡模型 , 运用软件 Labview 进行仿真计算 . 计算程序分为两部分 :第一部分求解质量守恒方程和化学平衡方程组成的非线性方程组 (见第 33页图 1 ; 第二部分是从能量方程中求解气化温度 , 用来校核计算气化温度 (见第 33页图 2 . 输入数据采用文献 [1]中的数据 , 包括 Illinois6煤和工作压力 . 另外选取水煤浆浓度 ( =63%, 65%, 67%, 69%, 71%, 73%, 75%, 77%, 79%, 81%, 83%, 85% 和氧煤比 ( =0. 70, 0. 72, 0. 74, 0 76, 0. 78, 0. 78, 0. 80, 0. 82, 0. 84, 0. 86, 0. 88, 0 90 , 将这两个参数一一相互搭配进行仿真计算 , 得出其合成气有效成分 (CO+H 2 的含量与水煤浆浓度和氧煤比的关系 . 并采用 =67%, =0. 86的计算结果与文献 [1]进行对比来验证模型的可信度 , 结果见第 34页表 1.
由表 1可以看出 , 本研究建立的平衡模型计算出的合成气有效成分 (CO+H 2 的摩尔分数与实际值的相对误差小于 2. 5%, 与文献 [1]的相对误差小于 1. 5%.因为本文的气化温度是个未知量 , 需要通过能量平衡方程计算得到 , 在能量方程中散热损失选用了 3%(散热损失范围为 0. 3%~6%[6, 7] , 其相对误差亦小于 1. 5%, 因此可以证明本文模型的可信度 .
不同煤浆浓度和氧煤比下的合成气有效成分含量见第 34页图 3. 图 3中从低到高的曲线分别为水 , , ,
32煤炭转化 2011年
75%, 77%, 79%, 81%, 83%和 85%时 , 在不同氧煤比下得到的合成气有效成分(CO+H 2 的含量 . 由图 3可以看出 , 在水煤浆浓度不变的情况下 , 随着氧煤比的增大 , 合成气有效成分 (CO+H 2
的含量呈
图 1 求解非线性方程组的程序
Fig. 1 Block diagr am of solving no nlinear
equations
图 2 校核计算的程序
F ig. 2 Blo ck diag ram of check calculatio n
33
第 2期王艳玲等 T ex aco 气化炉合成气的影响因素及优化表 1 合成气中主要参数的对比
T able 1 Co mpar ison of the main parameters o f synthesis g as Item
Coal w ater slurry concentration/%
Oxygen coal
ratio
Component/%*
H 2CO CO 2CH 4N 2H 2O H 2S T emperature/
Actu al value 66. 670. 8629. 841. 010. 200. 30000. 80017. 101. 101589. 0Literature [1]66. 670. 8628. 942. 58. 500. 01000. 93018. 111. 011589. 0T his article 67. 00
0. 86
29. 3
43. 1
8. 57
0. 0012
0. 413
17. 60
1. 09
1565. 3
*Percent of
mol.
图 3 不同煤浆浓度和氧煤比下的合成气有效成分含量 Fig. 3 Content of synthesis gas component of the different coal w at er slur ry co ncentration and ox yg en co al r atio
=63%; =65%; =67%; =69%; =71%; =73%;
=75%; =77%; =79%;
=81%; =83%;
+ =85%
上凸曲线 , 存在一个最大值 ; 在氧煤比一定时 , 随着水煤浆浓度的升高 , 合成气有效成分 (CO+H 2 的含量是逐渐增大的 . 2. 2 气化炉性能优化
气化炉的气化性能取决于很多因素 , 其中最主要的是气化参数气化压力、水煤浆浓度、氧煤比和气化温度等 . Texaco 气化炉的气化压力范围很广 , 文献 [8]计
算了气化压力从 2. 4MPa~4. 4MPa, 其他参数不变的工况 , 结果发现气化压力对合
成气的主
要参数影响不是很大 . 所以 , 将气化压力取一定值 , p =4. 083MPa. 由于模型中的气化温度是未知量 , 随着水煤浆浓度和氧煤比的变化而变化 , 故亦不讨论气化温度的影响 .
本文气化参数的优化主要集中在水煤浆浓度和氧煤比的优化 , 优化过程中选取合成气的有效成分 (CO+H 2 的含量作为目标函数 . 优化的目的 :在其他气化参数不变的情况下 , 从水煤浆浓度 (60%
85% 和氧煤比 (0. 70 0. 90 范围内寻找合适的和 , 使合成气的有效成分 (CO+H 2 的含量达到最大 .
由图 3可看出 , 水煤浆浓度越高 , 计算出的合成气的有效成分 (CO +H 2 的含量越大 , 但水煤浆的浓度不是愈高愈好 . 过浓的水煤浆不仅影响燃烧气化 , 还影响煤浆的输送特性 , 并且水煤浆浓度还与选用的煤种有关系 . [9]本实验煤浆浓度的选取采用文献 [10]中优化得到的结果 , 水煤浆浓度 =78. 19%.由图 3可知 , 在水煤浆浓度一定时 , 随着氧煤比的增大 , 目标函数存在一个最大值 , 并且每一条曲线的最高点都在 =0. 80附近 . 本文运用 Labview 软件中的多项式拟合方法 , 将其拟合为目标函数有关氧煤比的多项式函数 , 并从中求解出最佳的氧煤比值 =0. 804899.
经过对气化参数的优化后 , 将优化后的参数输入程序中 , 计算结果见表 2.
表 2 优化结果对比
T able 2 Co mpar ison of o pt imizatio n r esults
Literatu re Comp on ent/%*H 2CO CO 2CH 4N 2H 2O H 2S H 2+CO Temperature/
L iteratu re[1]30. 1041. 0010. 000. 1500. 9316. 801. 0271. 101414L iteratu re[10]31. 4751. 576. 210. 0000. 468. 801. 1583. 041414T his article 32. 67
51. 58
6. 16
0. 037
0. 46
7. 87
1. 21
84. 25
1351
*Percent of mol.
表 2说明 , 经过计算结果比较 , 本文参数优化后的合成气有效成分的含量为 84. 25%, 明显高于文献 [1]中的 71. 1%, 也略高于文献 [10]中的 83. 04%.
3 结论
恒建立了 Tex aco 气化炉的平衡模型 . 用软件 Lab view 对模型进行了仿真计算 , 并与文献 [1]进行对比验证了模型的信赖度 .
2 通过对模型的计算 , 得出合成气的有效成分 (H 2+CO 的摩尔分数 , 在其他
参数不变时 , 摩尔 34
煤炭转化 2011年
度越大越好 , 摩尔分数还受到输送特性等因素的影响 ; 随氧煤比的增大 , 摩尔分数存在一个最大值 , 本文运用曲线拟合找出氧煤比的最佳值 = 0 804899.
3 在本实验的气化参数优化下 , 合成气的有效成分 (H 2+CO 的摩尔分数高达84. 25%, 高于文献 [1]和文献 [10]中的值 .
4 本研究的缺点是 :在寻优过程中 , 对水煤浆浓度只进行了定性分析 , 并采用了文献 [10]中给出的数值 , 而不是根据定量分析得出的 .
参考文献
[1] Watkinson A P, Lucas L P, Lim C J . A Prediction of Performance of Commercial Coal Gasifiers[J]. Fuel, 1991, 70(4:519 527. [2] 江鸿 , 金晶 , 郝小红等 . 气流床气化炉煤粉部分气化特性的研究 [J]. 煤炭转化 , 2010, 33(3 :29 33.
[3] 陈文敏 . 煤的发热量和计算公式 [M ]. 北京 :煤炭工业出版社 , 1993.
[4] 刘述祖 . 硅酸盐热工基础 [M ]. 武汉 :武汉工业大学出版社 , 1998:169 174.
[5] 童景山 . 流体的热物理性质 [M ]. 北京 :中国石化出版社 , 1996:347 360.
[6] Ni Q, Williams A. A S imulation S tu dy on the Performance of an Entrained flow Coal Gasifier[J]. Fuel, 1995, 71:102 105. [7] Yosh ida H , Kiyono F, T ajim a H e t al . T w o stage Equilibrium M odel for a Coal Gasifier to Pr edict th e Accurate Carbon in H y drogen Production[J]. Fuel, 2008, 87:2186 2193.
[8] 何翔 , 金晶 , 张忠孝等 . 水煤浆气化炉入口参数对出口合成气的影响 [J]. 工程与技术 , 2009(1 :74 77.
[9] 袁善录 , 戴爱军 . 配煤对灰熔点和煤成浆性能的影响 [J ]. 煤炭转化 , 2008, 31(1 :30 32.
[10] 杨晟刚 , 张彦 , 赵冬斌等 . 水煤浆气化炉参数优化 [C] 自动化理论、技术与应用 . 中国自动化学会第 20届青年学术会议 . 北京 , 2005.
INFLUENCING FACTORS AND OPTIMIZATION O F SYNTHES IS GAS FOR TEXACO GASIFIER
W ang Yanling and Ma Suxia
(I nstitute of E lectr ical and Pow er E ngineer ing , T aiy uan Univer sity
of Technology , 030024T aiy uan
ABSTRAC T Intensive heat transfer, m ass transfer and com plex chemical reactions have been occurred in T exaco g asifier. In this paper, based on mass balance, energy balance and chemical equilibrium, a simplified mathematical m odel has been established for Texaco g asifier, and using the pow erful Labview so ftw are, the effect of coal water slurry concentration and oxygen coal ratio on the content of each sy nthesis g as co mponent ar e simulated, the sim ulation results agree w ell with the ex perimental results, and also taking the content of the effective ing redient (CO+H 2 of syn thesis gas as an objective functio n, the gasification parameters are optimized. This study pro vide technical support for the optimization oper ation o f industr ial Tex aco gasifier.
KEY WORDS gasifier, equilibrium model, optimization, synthesis gas, effective ingredients (上接第 16页
ABSTRAC T The influence of the inferior coals with NaClO 4, MnO 2, or BaCO
3on the characteris tics of coal combustio n w as inv estig ated by therm o g ravimetric(T G analy sis. T he results indica ted that the catalysts can enhance the release of volatile matters of the coals, further more, the ig nitio n and burnout characteristics of the co al w ith cataly sts ar e improv ed to som e ex tent, on w hich the catalytic activity of the catalysts are in the order of NaClO 4>BaCO 3>MnO 2and BaCO 3> MnO 2>NaClO
4respectively. Simultaneously, the cataly sts can increase the quantity o f heat re leasing of the co al. The functio n principle of the catalysts to the inferior coals is that the catalysts can promo te the release of volatile matters and the co ntact of ox yg en and co
ke, thus, the ig nition temperature o f the coal is decreased and the process of coal combustio n is accelerated.
KEY W ORDS catalyst, infer io r coal, catalytic combustio n, ther mo gravimetric analy sis, cement industr y 35
第 2期王艳玲等 T ex aco 气化炉合成气的影响因素及优化。