《武汉工程大学学报》 2009年07期
9-12
出版日期：2009-07-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
型煤移动床富氧连续气化系统的热力学分析
0引言我国煤炭资源丰富，绝大部分中、小氮肥、甲醇等化工企业用合成气、工业及民用燃气都是以煤为原料，采用固定层间歇式气化技术.该方法气化效率低，存在吹风气污染，而且要使用优质无烟块煤或块焦，工艺技术落后，国家限制其发展.在当前我国抓节能减排的情况下，开发先进适用的清洁的煤气化技术，提高煤炭利用率，实现国家节能减排的目标，有着十分重要的现实意义.煤气化技术主要有气流床、流化床和移动床三种工艺.固定层气化属于常压移动床煤气化工艺，以无烟块煤或焦炭为气化原料，以空气和水蒸气为气化剂，生产水煤气或半水煤气［1］.采用移动床富氧连续气化工艺后，由于没有吹风碳燃烧的损失、气体带出物减少和灰渣含碳量降低等，使碳的利用率得到提高.取消了间歇式气化的吹风阶段，减少了吹风气中硫和粉尘对环境的污染，实现了节能减排的目标，经济、环保效益显著.采用低价值粉煤成型制作型煤，代替优质块煤进行富氧连续气化，使气化原料煤的来源变得更为广泛，实现资源的综合利用.对移动床煤气化工艺系统进行热力学分析研究，主要采用热效率法和气化效率法，以分析方法对移动床煤气化工艺系统进行深入研究未见报道.1煤气化工艺优劣的评价方法一般采用热效率和气化效率这两个指标评价煤气化工艺的优劣.热效率是传统的煤气化效果分析方法，基于热力学第一定律的能量平衡.煤气化热效率是指产品煤气及回收利用的余热之和占原料煤与气化剂（空气和水蒸气）中所含热量之和的百分数，即：η热=［（Q煤气+Q回收）/（Q原煤+Q气化剂）］×100％.热效率仅从能的热量有效利用角度考察煤气化过程的优劣，忽视了热量能质的差异，不能很好地衡量煤气化的效果.煤气化效率亦称冷煤气效率，是指产品煤气中所含的燃烧热值占原料煤中所含的燃烧热值的百分数，一般多以煤气和煤的低位热值计，即：η气化=（Q煤气/Q原煤）×100％.气化效率着重从气化的角度，从原料煤中有机质化学能的有效利用程度考察煤气化过程的优劣，比热效率更能反映煤气化的效果［2］.，即有效能，是能质的度量，各种能的有用性，可以用来衡量［34］.采用效率分析方法，以煤气化过程效率来评价气化的效果，考虑了进出系统的各种能，更全面、准确.分析方法将成为未来节能分析的主要方法.对于整个气化过程，按稳定流动过程考虑，平衡方程［56］：∑EX，in= ∑EX，out +∑EX，loss，可得：气化效率ηEx=∑EX，out/∑EX，in.物流的是物理和化学之和.物流的物理，采用物流在实际状态和基准状态下的焓与熵，按 EX，phy =（H－H0）－T0 （S－S0）计算.化学EX，chem为物系处于环境温度与压力下，与环境之间进行物质交换（化学反应或浓度变化等），达到平衡时，过程所能做的最大功，可采用龟山吉田模型的方法计算.效率分析法从能质的角度出发，不仅可以明确煤气化过程的能量变化情况，还能分析找出系统中损失的分布以及各部位损失数值的大小［7］.2型煤移动床富氧连续气化技术型煤移动床富氧连续气化工艺流程如图1.图1型煤移动床富氧连续气化工艺流程图
Fig.1Briquette gasification system process flowsheet用粉煤成型制作的型煤，为Ф50×46×30的扁平椭球，从气化炉（煤气发生炉）顶部贮仓按程序控制，以3～5 min的小间隔循环，由自动加料机加入气化炉内，可视为连续进料.以富氧空气和水蒸气为气化剂，经混合后连续从气化炉底进入炉内.气化剂和型煤在炉内逆流接触，型煤自上而下缓慢移动，完成预热、干馏、气化还原、氧化燃烧和灰渣冷却等过程.灰渣从气化炉底部两侧灰渣斗不停炉排出.煤气从气化炉顶排出后，经除尘、热回收和冷却洗涤，成为合格的半水煤气.当氧和碳的燃烧放热反应，与赤热碳和水蒸气气化反应及CO2的还原吸热反应达到热平衡时，气化过程便得以连续运行.通过控制富氧空气中氧的浓度，调整半水煤气中（CO+H2）/N2 比，以满足不同的下游煤气用户要求.连续气化法炉温比较稳定，平均气化温度比间歇式气化炉提高40 ℃，水蒸气分解率相应提高.高温煤气全部进入废热锅炉，余热回收效果好.蒸汽耗量下降，可实现制气工序蒸汽自给.煤气化炉制气能力比间歇式气化提高50%以上.型煤和富氧连续气化两者组合，构成技术集成创新，实现优势互补，克服不足.型煤富氧连续气化工艺与中小氮肥、甲醇装置后工序很好衔接，是原料粉煤化及间歇式煤气化技术升级换代的共性关键技术，是我国合成氨、甲醇工业依托现有设备改造切实可行的先进、适用技术［8］.第7期崔国星，等：型煤移动床富氧连续气化系统的热力学分析
武汉工程大学学报第31卷
3气化系统的热力学分析对图1所示的气化系统，通过分析法对系统进行全面和深入的分析，考察系统各能耗单元用能状况，发现进一步节能的潜力所在.3.1物质的基准计算采用定环境模型计算值，选用25 ℃、101.325 kPa为基准条件.此时，各类物质的物理为0.在计算化学时，除了物理条件外，还必须选定基准物质，以自然界广泛存在而且化学稳定性的物质作为基准物质.对气化系统的热力学分析，基于半水煤气中有效（CO＋H2）气，即以产出44.64 kmol（CO＋H2）合成气（1 000标准m3）为物料计算基准.3.2型煤的值计算型煤煤质分析如表1.表1型煤工业分析
Table 1Proximate analysis of briquette
水份M/%固定碳FCad/%挥发份Vad/%灰份Aad/%∑/%1.470.44.024.2100.0注：数值为质量分数.型煤的化学值采用朱明善给出的公式［2］计算或由龟山吉田模型的方法［9］计算.型煤值为25.405 MJ·kg-1型煤.型煤的低位热值为25.182 MJ·kg-1型煤.3.3型煤移动床富氧连续气化结果以粉煤制作成的型煤，组成如表1，在Ф3 m煤气化炉内，进行工业规模的型煤和富氧连续气化实验，气化工况参数如表2所示.表2型煤移动床富氧连续气化参数
Table 2Briquette gasification process parameter
项目参数项目参数型煤质量/kg650.6半水煤气物质
的量/kmol69.75水蒸气消耗量/kg735（CO＋H2）物
质的量/kmol44.64分解率/%64半水煤气组成废热锅炉蒸汽质量/kg380.5CO质量分数/%28夹套锅炉蒸汽质量/kg147.2H2质量分数/%36外加蒸汽质量/kg207.4CO2质量分数/%19富氧空气物质的量/kmol24.48N2质量分数/%15.7O2摩尔分数/%55.1CH4质量分数/%1.0外加质量分数98%O2
物质的量/kmol10.84H2S质量分数/%0.001空气物质的量/kmol13.64O2质量分数/%0.3气化压力/MPa0.12炉渣含碳质量分数/％10气化温度/℃1 160炉渣含碳质量/kg174.9煤气出炉温度/℃560飞灰含碳质量分数/%65煤气出废炉温度/℃140飞灰含碳质量/kg23气化强度/（kmol·m-2·h-1）53.7碳转化率/%93.1以上气化参数为在72 h的稳定工况内，每8 h采集一次数据，共9组数据平均整理而得.4结果及分析对表2工况的气化结果进行热力学分析，能量衡算和量衡算如表3~表6所示.并建立图1所示的气化系统模型，借助基于序贯模块法的稳态模拟，对型煤移动床富氧连续气化工艺进行了模拟计算配合分析讨论.从能量的优化利用出发，对分析结果进行讨论，进而指出气化系统节能降耗的途径和方向.表3气化系统进出物流能量
Table 3Input and output enthalpy of gasification system
输入焓/GJ 输出焓/GJ 型煤16.383 5半水煤气13.278外加蒸汽0.158 9炉渣显热0.055富氧空气0.044 5飞灰显热0.014 4软水0.027 3渣、灰未燃碳1.097 4洗涤冷却水0.492 8洗涤冷却回水2.564 6散热损失0.097 4∑17.107∑17.107表4气化系统量计算
Table 4Exergy balance table for the gasification system
输入焓/GJ 输出焓/GJ 型煤16.53半水煤气11.283 6外加蒸汽0.057 17炉渣显热0.018 62富氧空气0.038 15飞灰显热0.004 86软水0.000 253渣、灰未燃碳1.140 4洗涤冷却水0.004 9洗涤冷却回水0.115 4∑16.630 4∑12.5626表5主要设备效率
Table 1Exergy efficiency of key apparatus
设备名称 入/GJ 出/GJ 效率/%煤气化炉16.770 512.529 774.71夹套锅炉0.290 40.086 529.8除尘器12.63712.124 595.94蒸汽过热器0.138 60.087 3863.0废热锅炉0.475 20.288 560.7洗气塔0.119 10.110 492.7表6气化系统损失分布
Table 6Exergy loss distribution in gasification system
/GJ 损失率/%总比/%输入16.630 4100
损
失煤气化炉4.240 8 79.325.5夹套锅炉0.203 9 3.81.23除尘器0.512 5 9.63.08蒸汽过热器0.051 250.960.31废热锅炉0.186 7 3.51.12洗气塔0.008 7 0.160.052甲烷含0.142 9 2.670.86∑损失5.346 8 10032.15输出半水煤气11.283 667.85输出＋损失16.630 41004.1气化系统进出物流能量平衡从表3可得，型煤移动床富氧连续气化的气化效率：13.278/16.383 5=81.0％.因甲烷的热值是无效的，如只计半水煤气中有效（CO＋H2），不计甲烷的热值，气化效率：77.2％.从气化效率看，型煤移动床富氧连续气化效果较好，虽低于Shell干煤粉气流床气化82％的气化效率，但远高于移动床间歇气化63％的气化效率［1］，也高于激冷型水煤浆气流床气化70％的气化效率［2］.洗气塔子系统是流程中热量损失最大的单元，其热量损耗为2.564 6－0.492 8＝2.071 8（GJ），占系统总输入热的12％，主要为洗涤冷却水移走的低位能煤气显热和未反应水蒸气潜热.4.2气化系统进出物流计算表4中半水煤气值只计（CO＋H2）有效气，不计甲烷的值.从表4可知，气化效率为11.2836/16.6304=67.8％，高于激冷型水煤浆气流床气化61.9％的效率［2］.4.3主要设备效率损失的大小，表明实际过程的热力学完善程度.损失越大，表示该过程不可逆程度大.主要设备的效率ηEx列于表5.从表5可知，夹套锅炉吸收高位能热，产出低位能蒸汽，效率很低.废热锅炉和蒸汽过热器由于传热温差大，所以效率低.煤气化炉存在渣、灰未燃碳高，水蒸气分解率低等效率不高.4.4气化系统损失分布从表6可知，在煤气化流程中，煤气化炉子系统的损失最大，占损失总量的79.3％.由于飞灰是从炉顶随煤气流带出，损失根源在煤气化炉，若加上除尘器的飞灰未燃碳损失9.6％，则占损失总量的88.9％.所以改善煤气化炉气化条件，是提高气化效率的关键.甲烷含占损失总量的2.67％.因此，应提高气化温度，降低半水煤气中甲烷含量.在洗气塔子系统，冷却水带走大量低位热能，虽然量大，但其不高，回收价值低.4.5提高气化系统利用率的措施
4.5.1优化氧汽摩尔比控制氧和碳的燃烧放热反应，与赤热碳和水蒸气气化反应及CO2的还原反应吸热之间热平衡决定氧汽摩尔比n（O2）/n（H2O）.氧汽摩尔比高，燃烧放热多，气化温度提高，有利于水蒸气分解.表2工况的氧汽摩尔比为0.33，从水蒸气分解率为64％知，气化反应中水蒸气过量大，虽可避免因型煤灰熔点不高，出现结焦，但对提高煤气化效率不利.图2为模拟计算的预测结果.如采取措施，维持气化层在较好的条件下，控制气化温度比灰熔点t2低80 ℃，适度增加氧汽摩尔比，提高气化温度，相应提高水蒸气分解率，减少水蒸气消耗，能提高煤气化效率.
图2氧气蒸汽摩尔比对气化的影响
Fig.2Effect of n（O2）/n（H2O） on gasification exergy4.5.2减少对炉内高位能热量的吸收措施气化实验和模拟计算表明：a.饱和蒸汽过热后入炉，可减少蒸汽在过热时对炉内高位能热量的吸收，将饱和蒸汽过热到300 ℃后入炉，可减少吸热量占炉内热量1.7％，提高煤气化炉效率1.1％. b.另外，富氧空气预热到300 ℃后入炉，可减少吸热量占炉内热量1.3％，提高煤气化炉效率0.87％. c.夹套锅炉用来降低煤气化炉炉壁温度，保护炉壁，避免熔融炉渣挂在炉壁.夹套锅炉吸热量占炉内热量2.3％，全部是炉内高位能热量，效率很低，因此应采取阻止传热措施，减少吸热量. d.型煤如未干燥入炉，含水量约10％，在炉内部分吸收出炉煤气余热使水汽化，部分吸收炉内热量，将导致气化效率下降0.5％，而干燥的型煤冷热强度及热稳定性都得到提高，对气化有利.因此应尽可能采用型煤干燥后入炉.
4.5.3降低出炉煤气的温度出炉煤气温度高，使产物及未反应物将带走更多的显热，导致气化效率下降.如图3所示，出气温度从300 ℃升高到600 ℃，将多带走5.3％的炉内热量，导致效率下降3.16％.而效率随出气温度升高呈加速下降.降低煤气出炉温度可采取增加炭层高度和笔者单位的专有技术措施等，使炉内气化层稳定在中部，避免上移，即可降低出气温度. 图3煤气出炉温度对气化的影响
Fig.3Effect of exit temperature on gasification exergy5结语a. 提出采用效率分析方法，考察、评价移动床煤气化过程的气化效果，考虑了进出气化系统的各种能及能质，比热效率和气化效率更全面、准确.b. 型煤移动床富氧连续气化工艺，采用低价值粉煤，消除了吹风气的污染，与中、小氮肥、甲醇装置现有后工序设备易于衔接，是间歇式固定层煤气化升级换代技术，符合我国国情的先进、适用技术.c. 分析了型煤移动床富氧连续气化的效率和损失状况.气化效率为67.8％，高于水煤浆气流床气化效率.从气化效率看，型煤移动床富氧连续气化效果较好，具有很好的发展前景.d. 提高气化温度，控制适宜的氧汽摩尔比，富氧空气预热、蒸汽过热、型煤干燥后入炉，稳定气化层，降低煤气出炉温度等措施，能提高气化系统效率.