煤气化模型研究及气化产物组成预测分析

的数据， 得到甲烷产率的经验关系式为： Y CH4 = － 0 ． 00001475 t + 0 ． 0235 ， （ t = 1141 ～ 1598 ℃ ） 1． 1 建模前的假设 为简化建模， 本文采用了一些简化假定， 共四条： （ 1 ） 煤中灰是惰性的， 煤气中不含高分子量的碳氢化合物 。 （ 2 ） 煤中的元素全部转入气相， N 全部转化为 N2 ， S 全部转化为 H2 S （ 3 ） O2 进入气化炉全部参加反应， 煤气中不含游离 O2 。 （ 4 ） 所有气相反应迅速达到平衡。 1． 2
F
（ 10 ） （ 11 ） （ 12 ） （ 13 ）
Od 、 H d 分别为煤中碳、 Wt% ； M C 、 MO 、 M H2 、 MS 、 M H2O 分别为 C 、O、 H2 、 S、 H2 O 的 式中： C d 、 氧、 氢含量，
（ 14 ） （ 15 ）
W t = F × （ 1 － W H2 O ） / （ F + （ N H2 O ） F ）
* 王静， 简丽 ， 张前程
（ 内蒙古自治区工业催化重点实验室； 内蒙古工业大学化工学院， 呼和浩特 010051 ） 摘要： 该文以气化反应物料平衡 、 能量平衡和化学平衡为依据， 根据文献数 据拟合了甲烷产率动力学关系式， 建立了一个适用于水煤浆气化过程的平 参考工业控制 衡模型并采用文献数据对所建模型进行验证 。在此基础上， 参数， 对褐煤水煤浆气化过程进行模拟计算， 分析了水煤浆浓度、 氧煤比和 氧气纯度等因素对气化产物组成的影响， 计算结果表明， 在本文选择的计 算条件范围内，褐煤水煤浆气化过程较适宜条件为： 水煤浆浓度为 61% ， 氧煤比为 0． 83 ， 氧气纯度为 99． 6% 。 关键词： 煤气； 水煤浆； 模型； 褐煤 中图分类号： TQ541 文献标识码： A
0
引
言
［1 ］
煤炭气化是煤炭利用的关键技术之一
， CO2 和水蒸汽为 煤气化技术以煤为原料， 采用空气、 氧气、
气化剂， 在气化炉内进行煤的气化反应， 可以生产出不同组分不同热值的煤气 。 由于水煤浆具有较好的 ［2 ］ 流动性和稳定性， 易于储存， 可雾化燃烧 ， 因此水煤浆气化技术作为一种经济高效的洁净煤技术 ， 得到 了广泛应用。
kg / h； F0 为氧气流量， kmol / h； y o 为氧气纯度， V% ； W t 为煤浆浓度， 式中： F s 为煤浆流量， 质量分数； N i ： 对应煤气组成的摩尔流量， kmol / h； M i ： 对应煤气组分的摩尔质量， kg / kmol； i： 分别代表 CO、 H2 、 CO2 、 CH4 、 H2 O 、 H2 S 、 N2 等物质； C d 为煤中碳的含量， Wt% ； X 为碳的转化率， %。 本文考虑到生产过程中需对煤的利用率提出要求 ， 因此将 C 的转化率 X 设定为 98% 。 水的质量平衡： F H2 O + W D = （ F H2 O ）
1
平衡模型
彭万旺
［13 ］ ［8 ］
的流化床煤气化试验结果表明， 甲烷来自煤热解， 而非气相合成反应。 张荣光 在循环 流化床煤气化试验结时表明， 随着温度升高， 甲烷浓度下降， 并结合试验数据， 将甲烷产率与温度进行了
3 9］ ， 6， 14］ 得到甲烷产率 Y CH4 （ m / kg 煤） 经验关系式。在本平衡模型中， 仿照文献［ 根据文献［ 统计分析，
kg / h。 的总的物质质量 F 出 ， F 进 = F S + F O × y0 × M O2 + F0 × （ 1 － y0 ） × M N2 F 出 = N i × M i + F s × W t × A + F S × W t × A + F S × W t × C d × （ 1 － X ） （ 7） （ 8）
coal
+ （ F H2 O ）
F
（ 9）
kg / h； （ F H2O ） coal 为煤中水的流量， kg / h； （ F H2O ） F 为制备 式中： F H2O 分别为煤气中 H2 O 的质量流率，
第3 期
王静等
煤气化模型研究及气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产物组成预测分析
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kg / h； W D 为水的分解速率， kg / h。 水煤浆所需水的流量， 煤中各主反应元素的质量平衡： F S × W t × C d × X / M C = N CO2 + N CO + N CH4 F S × W t × O d / M O + F S × （ 1 － W t ） / M H2O + F0 × y0 = 2 N CO2 + N CO + N H2O F S × W t × H d / M H2 + F s × （ 1 － W t ） / M H2O = N H2 + N H2O + 2 N CH4 + N H2S F s × W t × S d / M S = N H2 S kg / kmol。 制浆所需原煤， 水的质量平衡： F S = F + （ N H2 O ）
［3 ］ 褐煤特点是水分大， 挥发分高， 热值低， 不宜长途运输 。这些特点使其生产和利用受到限制， 随着 ， ， 世界优质煤炭资源越来越少 褐煤的开发利用已成为很多国家所共同关注的课题 所以褐煤气化也成为
褐煤洁净利用的一条很好途径
［4 ］
。
采用试验法对水煤浆气化过程进行研究无疑是最可靠的方法 ， 但它需要利用实际生产装置， 通过改 变操作条件， 测定其热效率， 以此来确定优化的操作条件。 虽然此法直观， 但通常需要消耗大量人力物
内蒙古工业大学学报 JOURNAL OF INNER MONGOLIA 第 30 卷 第3 期 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo1． 30 No． 3 2011
文章编号： 1001 － 5167 （ 2011 ） 03 － 0014 － 07
煤气化模型研究及气化产物组成预测分析
H2 、 CO2 和蒸汽， 由于假设（ 3 ） ， 因此可以认为反应式（ 2 ） 完全反应。生成的水煤气中主要含有 CO、 （ 6）
1． 3
模型的建立 （ 1 ） 质量平衡 质量平衡包含总质量平衡、 水平衡、 煤中主元素平衡， 制浆所需原煤， 水的质量平衡。其中： kg / h 和离开气化炉 总质量平衡： 进出口总物质的质量平衡包括进入气化炉的总的物质的质量 F 进 ，
作者简介： 王静（ 1986 － ） ， 女， 汉， 内蒙古工业大学化工学院化学工程与工艺专业硕士研究生。 * 通讯作者简介： 简丽（ 1958 － ） ， 女， 汉， 硕士， 教授， 内蒙古工业大学化工学院教授， 研究方向： 化学工程及工艺。
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内蒙古工业大学学报
2011 年
采用数学推导， 于是本文在煤气化平衡模型的基础上， 根据水煤浆气化原理及特点， 用三种不同方法计 算变换反应的平衡常数， 并对计算结果与实际值做了对比 ，选出最优的计算方法应用于模型中 ，还根据 文献数据拟合甲烷产率动力学经验关系式 ， 结合质量平衡、 能量平衡和化学平衡， 建立了水煤浆气化过 程的平衡模型。针对褐煤的特性， 采用联立模块法对褐煤水煤浆气化产物进行预测分析 ， 所建模型对褐 煤的洁净利用具有指导意义。
［5 ］ 力， 有时还要影响生产 。通过对煤气化过程的分析建立数学模型， 进行计算机模拟， 不仅可以减少人 力物力消耗， 而且可预测不同运行条件下煤气化产物的组成和气化过程热能利用效率 ， 为操作工况优化
调整提供依据。
［6 ］ ［7 ］ ［8 ］ 针对水煤浆气化模型的研究， 具代表性的如李政 ， 李斌 ， 刘志宾 等学者。 尽管动力学模型可 以提供反应机理和速度的基本信息 ， 但由于平衡模型可以预测反应的限度 、 指导过程设计、 评价及优化，
因而也是有价值的 ［12 ］ 翔 等人。
［9 ］
［5 ］ ［10 ］ ［11 ］ ， 如项友谦 ， 张荣光 等学者的研究。关于水煤浆平衡模型研究有侯祥松 ， 何
H2 、 CO2 和水蒸汽。最后的气体成分取决于变换反应， 由于生成的水煤气中主要含有 CO、 平衡常数 直接影响着出口气体的组成。但是这些研究者， 对化学平衡常数 K 值计算则大多采用相关经验公式或
为保证煤气化过程碳的回收率， 实际生产中通常将气化反应温度控制在 1400℃ 下进行。 由于实际 ［15 ］ 。 在本文 气化过程反应比较复杂， 反应平衡温度与气化温度都有一定温距 ， 计算中采用温距为 330℃ 式（ 18 ） 平衡常数大于 300 ， 可认为正反进行得几乎完全， 最后出气化炉的煤气组成受 计算的温度范围内， （ 19 ） ， ， （ 19 ） 。 式 制约 因此 平衡常数采用 式计算 平衡常数 K2 不仅是温度的函数， 而且同时也随着总压力而变化。 计算平衡常数 K2 有三种不同的方法： 15］ ①文献［ 平衡常数 K2 的计算公式来计算： 3348 lgk = － 5 ． 957 × lgT + 1 ． 86 × 10 － 3 × T － 1 ． 095 × 10 － 7 × T2 + 11 ． 79 T 9］ ②参考文献［ 采用经验公式计算反应的平衡常数 K2 ： k = 0 ． 0265 exp（ 3550 ） t + 273
原煤的含水量小， 配成相同浓度的水煤浆所需原煤就少， 由于褐煤的含水量较大， 配成相同浓度的 水煤浆要比其他煤种耗煤量要高 。 （ 2 ） 热量平衡 热量平衡是进出口物质的总热量的平衡 。 进口总热量包括： 水煤浆中煤的燃烧热和物理热， 水煤浆中水的显热， 氧气带入的物理热。 F S × W t × Q 煤 + F S × W t × C p煤 × t 入 + F S × （ 1 － W t ） × M H2O × C P 水 × t 入1 + F0 × y0 × M O2 × Cp 氧 × t 入2 + F0 × （ 1 － y0 ） × M N2 × Cp 氮 × t 入2 （ 16 ） kJ / kg， C p水 、 C p氧 、 C p氮 分别煤、 式中： Q 煤 为干煤的高位发热量， 由煤质分析数据获得； C p煤 、 水、 氧气和 kJ / （ kg·℃ ） ； t 入1 、 t 入2 分别为水煤浆， ℃ ； M O2 、 M N2 、 M H2O 分为别 O2 、 N2 、 H2 O 氮气的比热， 氧气的入口温度， kg / kmol。 摩尔质量， 出口总热量包括： 粗煤气的化学热和物理热， 残碳燃烧热值和显热， 灰分的显热， 水蒸气的显热和潜 ， 。 热 散热损失 N i × M i × Q i × Cp i × t 出 + F S × W t × C d × （ 1 － X ） × Q c + F S × W t × C d × （ 1 － X ） × C p碳 × t 出 + N i × M i × Cp i × t 出 + N i × M i × h i + ΔH + F S × W t × A × C p灰 × t 出 + 22 ． 414 × N i × Q i （ 17 ） H2 、 CO2 、 CH4 、 H2 O 、 H2 S 和 N2 比热， kJ / （ kg ·℃ ） ； Mi： 煤气组分 CO、 H2 、 式中： C pi ： 煤气组分 CO、 CO2 、 CH4 、 H2 O 、 H2 S 和 N2 的摩尔质量， kg / kmol； Q C ： 残炭的燃烧热值， kJ / kg 或 kJ / m3 （ 标） ； C p碳 ， C p灰 分别 kJ / （ kg ·℃ ） ； hi： 基准温度下水的蒸发潜热， kJ / kg； t 出 ： 物质的出口温度， ℃ ； △H 为残炭和灰的比热容， kJ / h， 为散热损失， 本文定为总热量的 1% 。 （ 3 ） 化学平衡 K1 = N CO 2 / N CO2 K2 = （ N CO2 ·N H2 ） / （ N H2O ·N CO ） （ 18 ） （ 19 ）
（ 1）
煤气化基本反应的确定 H、 O、 S ） ； 反应组分有八种 （ 即 CO、 CO2 、 H2 、 O2 、 在煤气化反应体系中， 主反应元素有四种 （ 即 C 、 H2 O 、 H2 S 、 C、 S2 ） ； 根据化学反应体系相律方程， 独立反应数为 4 个： C + O2 = CO2 C + H2 O = H2 + CO C + CO2 = 2 CO S + H2 = H2 S （ 4 ） 式导出［15］， 最后气体取决于变换反应， 变换反应式（ 6 ） 可以由（ 3 ） 、 CO + H2 O = CO2 + H2 （ 5） ， （ 6） 。 因此简化成式（ 4 ） ， （ 2） （ 3） （ 4） （ 5）