煤气化过程计算.pdf

煤气化过程计算 上海化 工学院葛维襄 气化过程计算的 目的在于确定用某种燃料为气化原料时所生成煤气的组成与热值 煤气的产率 气化剂的消耗量 热效率等 并为设计和选用净化及输送设备提供依据 一 发生 炉煤气与水煤气的计算 一 计算基 础 气化 过程中主要的反应是 C C O ZCO一38790 l C H 0 一一 C O H 一2 8380 2 C ZH Ze s s e CH 2 0 8 70 3 反应 1 2 是吸热反应 所需热量由下列氧化反应所提供 C O CO Z 9 7 650 4 气化过程的计算 首先是进行物料衡算 物料衡算不仅是热量衡算的基础 而且有 助于 了解气化过程中进入物质与生成物质之 间以及 它们本身相互 之间的量 的关系 这对 控制生产操作是有实际意义的 显然 以燃料与气化剂形式进入系统的碳 氢 氧 氮和硫的量必 然等于气化反应 后存在于煤气及其带出物和残留物中的量 若煤气组分为 CO CO Z H Z H ZO CH H Z S和N Z B 代表产生每立方 米 煤气的燃料量 以公斤计 M代表产生每立方米煤气的气化剂 以立方米计 C C C H H H O 氏 O S S S N N 和N 分别表示燃料 气化剂与煤气中的碳 氢 氧 硫和氮的含量 当 只考虑实际气化的燃料 则 可 以列出 各元素的物料平衡 碳平衡 B C MC 一 C 一 e Ue 2 eH 氢平衡 BH 十 MH 二 H H 十 如 2 c H礴 十 H 25 氧平衡 BO MO O 0 5 十 c 2 十o so HZ 硫平衡 B S MS S vH25 氮平衡 BN MN 二一 N NZ 气化过程的热量衡算 即 以燃料和气化剂方式进 入气化 炉反 应层 的化学热与物理热 应等于由反应层输出的热量 输出的热量包括从 还原层带出的煤气化学热和物理热以及 对外的热损失 通常热量衡算可按下式计算 B I Q 刀 M I Q D I Q D Q 式 中 I 燃料的物理热 仟卡 公斤 Q 刀 燃料的低热值 仟卡 公斤 几 气化剂的物理热 仟卡 标米 3 Q D 气化剂的低热值 仟卡 标米 3 I 1标米3煤气的物理热 仟卡 标米 3 Q D 1标米3煤气的低热值 仟卡 标米 3 Q 热损失 仟卡 热损失通常以燃料低热值的百分率来计算 即 Q B x Q x 三 1 00 当 以空气 或氧 和蒸汽为气化剂时 口哪 二 0 将以上关系代入热量衡算式中得 B 一 儡 Q 小 M Q二 热损失 劝 在 1一1 0 范围 它与气化炉 的大小以及气化强度 有 关 在常压 和 一 般负荷 15 一25 0 公斤 米 小时 时 热损失约为5一8 在加压气化或气化 强度为 50 0 一1000公斤 米 2 小时时降至1一3 I 表示燃料进入反 应层时的物理热 在逆流气化时燃料经过预热 故可取还 原层 最终温度时的热含量 而在并流气化时 燃料以室温进入反应层 故其物理热可以忽略 不计 I 为气化剂的热含量 其中不计所含水蒸汽的汽化热 由于气化反应是一个很复杂的过程 而且原料的性质 气化方法都会影 响 气 化 过 程 因此完全根据理论来进行气化过程的计算是很困难的 牛顿一脱劳斯坦法属理论计 算法之一 在目前的实际应用中通常采用综合计算法和实际数据计算法 二 综合计算法 综合计算法或称H H 杜勃罗霍托夫法 它是一种经验性的计算方法 其中某些 指标采用实际数据 在综合计算法中把气化 过程分为两个阶段 气化炉上部的干馏阶段 或称燃料预处 理阶段 和气化炉下部的真正气化阶段 生成的煤气则是气化气与干馏气的总和 1 燃料预处理阶段的计算 根据实际经验数据来确定燃料预处理阶段产物的产率与组成 一般根据以下 几个假 设进行计算 水蒸汽 干馏产物中除有吸湿水外 燃料中约5 0 的氧与当量的氢生 成热 解 水 变成煤气中的蒸汽 二氧化碳 干馏时 燃料中一部分氧转变成二氧化碳 其量随燃料种类而异 泥煤 全部氧之4 0 褐煤 2 0 一2 5 烟煤 无烟煤或焦炭 1 0 甲烷 燃料中一部分氢能变为甲烷 泥煤 1 5一2 0 褐煤 2 5 烟煤 35 无烟煤 2 0 乙烯 燃料中约3一5 的氢与当量的碳生成乙烯 焦油 按杜勃罗霍托夫的假定 燃料中含有多少重量的氢 即有多少重量的碳 转入焦油中 在实际 生产中 同一燃料的焦油产率随气化炉 的结构与操作条件的不 同而有很大的 变化 氮 燃料中所有的氮都转入煤气 燃料中2 0 的硫进入灰渣 8 0 的硫与当量的氢成为硫化氢而进入煤气 氢 除了生成热解水 甲烷 乙烯 焦油 和硫化氢外 燃料 中剩余的氢都以游 离状态转入干馏煤气中 一氧化碳 除了生成热解水 二氧化碳 焦油外 燃料中剩余的氧与当量的碳 以一氧化碳形式转入煤气中 带出物 在计算时应考虑到自气化炉中被煤气流带出的小颗粒燃料 当气化用 燃料中含粉末不多 约1 0 时 带出物约占燃料重量的1一3 灰渣含碳 灰渣含碳是灰渣 重量的 5一1 0 气化的碳 除生成干馏产物以及灰和带出物损失外 其余的碳都用于真正 的气 化过程 根据以上假设和燃料的元素分析可以求出预 处理阶段 的气体量和气体成分 由此 而 可算出转入真正气化过程的元素量 2 气化过程的计算 在气化过程中生成了C O CO Z H Z H Z O和N Z 的混合气体 煤气 各组分的 含量可以通过解下列方程式而求得 碳平衡 进入气化层的燃料中 1 公斤分子碳生成 1 公斤分 子 CO 或 CO Z 所以 C O CO Z e s C 公斤分子 氢平衡 1公斤分子水蒸汽分解时生成1 公斤分子氢 所以 H 十H O未一 W公斤分 子 式中万 气化剂中水蒸汽的数量 公斤分 子 H O未 未分解的水蒸汽 氧平衡 生成C O与CO Z 的氧的数量 由空气中的氧与水蒸汽分 解 而得 所 以 器 N Z 夸一c o Z 十 粤 公斤 Z c o 十 c o 一 理井 H 1 吕8 式中 器 N Z 一 空气中的氧 警 蒸汽中的氧 平衡常数关系式 二 Co o H O 丈 一 二二 二一一二二 一 七U 2 h Z 在实际 生产中 K值范围为1 7一3 0 因为在气化炉中过程 不能达到平衡 为了防止 结渣要送入过量 的水蒸汽 和水蒸汽及空气中的氧进行化学作用的碳量与空气中的氮量之间存在着下列 关 系 C O C O 一 下百一 一 刀 根据实际数据 空气鼓风时 刀 0 5一0 5 2 蒸汽 空气鼓风时 刀 0 6 0一0 6 3 有时也可用气化炉 的热量衡算来代替该关系式 此时要规定煤气出口温度 解上述五个方程式 可以求得气化层生成的煤气组成 水煤气气化过 程 的计算是将吹风阶段和制气阶段分 开进行的 认为所有燃料都在该 阶段消耗掉 在确定了煤气的组成与产率后 每一阶段分别制定热量衡算 根据吹风阶段积聚在 燃料层中的热量与制气阶段所需热量之比 可以确定生产水煤气所用燃料量及吹风阶段 所用燃料量的实际 比例 然后可 制定气化炉整个过程的物料平衡与热量平衡 在计算时根据实际数据 假定煤气中C O Z 与CO的 比例 在吹风阶段 以焦为原料 CO 一 二 J L CO 确 一 户 CO 时 彩书 票 3 一 3 5 以无烟煤为原料时 岑碧 1 6一2 饥在制气阶段 布二 毛 寻二 CO 一 一 伪 了 酬朋 z切 J 一 书 C O 一 一 J一 J 7 CO Z 4一8 用焦时该比例通常比用无烟煤时为高 又假定制气阶段的水蒸汽分解率为5 0 左右 三 实际数据计算法 实际数据计算法是以实测煤气组成为依据的计算法 为此采用此法计算时 首先要 将气化用煤进行试烧 以获得准确的煤气组成分析数据 因此 此法 虽是目前常用的计算 方法 但也有其局 限性 计算步骤 1 收集和取定基本数据 燃料的元素分析和热值 干煤气组成 出口煤气中水汽含量或蒸汽分解率 带出物的数量及其组成 灰渣 的组成 气化炉进出口物料温度 2 基本数据计算 一般以10 0 公斤入炉燃料为基准 带出物中各元素量 由灰平衡计算灰渣数量及灰渣中各元素量 燃料气化后进入煤气中各元素的量 3 煤气产量 空气消耗量 煤气中水分含量的计算 由碳平衡计算煤气产量 由氮平衡计算空气消耗量 由氢平衡计算煤气中水分 含量 4 气化效率和热效率的计算 气化效率 煤气产率 x 煤气热值 燃料热值 x 10 0 热效率 二煤气产率 火 煤气热值 十 产生蒸汽的热含量 十 焦油及其他 产品热值 燃料热值 十 气化剂的热含量 j乙 叨毛 写 1 沼 个寸了 成架胜1 Q Z 燃料物理热 Q 3 气化剂 的热含量 出项 Q 煤气的热值 Q 煤气 的物理热 Q 煤气中水分的热含量 口 焦油带出的化学热 Q 焦油带出的物理热 Q 带出物的化学热 Q 带出物的物理热 Q孟 灰渣的化学热 Q导 灰渣的物理热 口 热损失 所以热量衡算式为 Q Q Z Q Q Q二 Q Q Q Q Q Q孟 Q二 Q 在水煤气计算中需将吹风阶段与制气阶段 分开来算 在吹风阶段用热量衡算计算蓄 积在燃料层中的热量 Q 和吹风效率 Q Q Q Q 3 一 Q Q Q二 Q二 Q Q Q Q二 Q 二 Q 其中O Q Q 分别表示 吹风阶段各项热量 对于有夹套锅炉 的气化炉 在 常压和一般负荷条件下热损失 约为燃料热值的7一8 在制气阶段用热量衡算计算从燃料层中得到的热量 Q 礴 Q Q Q Q 二 Q Q Q Q Q二 Q 二 Q 一 Q Q Z Q 3 其中Q Q 二 一 Q 分别表 示制气阶段各项热量 由吹风和制气阶段 的热量 衡算 计算燃料用于吹风和制气的百分率 设二为用于制 水煤气的燃料百分率 戈 Q4 100 一戈 Q Q Q Q 火100 而吹风燃料百分率为 Q 4 Q Q 二 义10 0 然后 计算总过程效率 并作总过程的物料衡算与热量衡算 在半水煤气计算时 尚需进行配气计算 根据需要的氢氮比计算配入水煤气中的吹风气量 计算半水煤气的实际组成 配气量的计算可以这样进行 取半水煤气中 CO H Z N 二 3 2 1 然后根据 吹风气和水煤气 制气阶段加氮后也可称半水煤气 中 C O 十H Z 与N Z 的比例进 行 计算 设吹风气中C O H Z 二 N Z b 水煤气中CO 十H Z二 c N 二 d 1标米 水 煤气中需配 入的吹风气量为丫标米 则 ax 十c 3 2 d十b丫 3 Zb一 a e一 3 Z d 由于水煤气中加入了 吹风气 所以10 0公斤燃料实际可制得的半水煤气量增加 同 时实际 的煤气组成发生相应 的改变 需进行校 正 根据配入水煤气中的吹风气量进行空气吹净阶段的时间核算 比较配入水煤气中的 吹风气量占总吹风气量的百分数与吹净气量占吹风气总量的百分数 若两者接近 即表 示每循环中吹净时所回收的气量即为配入的吹风气量 所取吹净时间百分 比是合适的 通常吹净时的风量为吹风时的6 0 吹净气量占吹风气总量的百分数可按时间分配进行 计算 四 发生炉煤气计算举例 综合计算法 已知数据 进行气化的无烟煤组 成 C 二7 8 59 H 二 1 6 9 O 二 1 9 5 N Z 0 8 5 S 二1 40 操作基 操作基的热值 Q 6891仟卡 公斤 灰分含量 A 1 1 5 2 操作燃料中的水分牙 二4 0 0 带出物占加入燃料的 2 计算 整个计算以10 0公斤操作燃料为基准 除带出物外参加气化过程的燃料的元素组成 公斤分子 如下 1 燃料预处理阶段的计算 应 用杜勃罗霍托夫经验系数确定水蒸汽量与干馏产物量 水蒸汽 假设燃料中5 0 氧转变为热解水 加入气化炉量带 出 物参加反 应 78 5 9 1 6 9 1 95 1 57 0 0 3 0 0 4 0 8 5 1 4 0 4 0 0 11 5 2 0 02 0 0 3 0 0 8 0 2 3 77 02 12二6 4 2公斤分子 1 66 2 0 8 3公斤分子 1 91 32二0 0 6公斤分子 0 83 28二0 03公斤分子 1 37 3 2 0 04公斤分。