燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石的熱力計(jì)算與分析

陸泳宇，閻維平，姜平

（1 華北電力大學(xué)教育部“電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071003；2 山西國(guó)際能源集團(tuán)有限 公司，山西 太原030002）

在煤電行業(yè)，普遍存在環(huán)境污染嚴(yán)重、發(fā)電效率低等問題，即使最先進(jìn)的燃煤火力發(fā)電機(jī)組的能源利用率仍不足45%，能量損失嚴(yán)重[1]。進(jìn)一步提高發(fā)電效率面臨巨大的技術(shù)瓶頸，短期內(nèi)不可能取得突破。近年來，煤化工技術(shù)的開發(fā)在世界范圍內(nèi)取得了重大進(jìn)展，發(fā)展前景樂觀[2]。煤化工分為直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化兩類[2]，直接轉(zhuǎn)化主要是煤的液化、焦化等；間接轉(zhuǎn)化有兩種途徑，一是煤氣化后的合成氣制甲醇、二甲醚，合成氨等；二是生產(chǎn)電石乙炔[3]。將煤化工的間接轉(zhuǎn)化技術(shù)與電力生產(chǎn)相結(jié)合，以煤為原料同時(shí)產(chǎn)出電力與化工產(chǎn)品的煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，以其大幅度提高煤炭資源綜合利用率的潛在優(yōu)勢(shì)，在煤電行業(yè)受到廣泛關(guān)注[4]。然而現(xiàn)今的煤基多聯(lián)產(chǎn)大多采用甲醇與電力生產(chǎn)相結(jié)合的技術(shù)路線[5-6]，其典型裝置是IGCC-甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。而耦合電石生產(chǎn)的發(fā)電系統(tǒng)至今還未見諸文獻(xiàn)報(bào)道。

電石（CaC2）是由碳與氧化鈣反應(yīng)制得的重要化工產(chǎn)品，通常以石灰和焦炭作為反應(yīng)原料，在高溫下生成，同時(shí)副產(chǎn)CO 氣體。目前，工業(yè)上均采用電熱法生產(chǎn)電石[7]，該法耗電量大，電能的有效利用率低，僅為50%左右[3]，石灰過量嚴(yán)重，產(chǎn)生的高溫爐氣及粉塵污染環(huán)境[8]。氧熱法是利用焦炭在純氧或富氧中燃燒放熱替代電弧供熱，可明顯節(jié)約電能，但需要大量的焦炭和氧氣，且對(duì)增加的爐氣利用率不高，仍未解決爐氣能量損失與環(huán)境污染的問題。故沒有得到工業(yè)化推廣。

燃煤電站聯(lián)產(chǎn)電石系統(tǒng)，是氧熱法生產(chǎn)電石與發(fā)電技術(shù)有機(jī)整合的新型煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。將電石反應(yīng)器串接在鍋爐爐膛前，采用制粉系統(tǒng)的干燥煤粉、石灰粉與氧氣作為反應(yīng)原料，連續(xù)生產(chǎn)電石，副產(chǎn)的爐氣及攜帶未燃碳的飛灰送入爐膛放熱并燃燒。該系統(tǒng)具有原料比表面積大、反應(yīng)速率快、可回收利用爐氣和未燃碳等優(yōu)點(diǎn)[9]。在設(shè)備上，除增加石灰粉給料系統(tǒng)和空分制氧裝置外，額外改造 較小。

本文以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的電石反應(yīng)器為研究對(duì)象，從熱力學(xué)角度，對(duì)電石合成和煤粉燃燒反應(yīng)體系建立模型，并進(jìn)行熱力計(jì)算與分析，在物料平衡和熱量平衡方面得到詳盡的數(shù)據(jù)，為煤粉氧熱法生產(chǎn)電石提供理論指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象介紹

電石極易與水發(fā)生反應(yīng)，因此煤粉需先通過細(xì)粉分離器與乏氣分離，降低水分含量，再同石灰粉及氧氣一同進(jìn)入電石反應(yīng)器。電石反應(yīng)器串接在經(jīng)過改造的鍋爐爐膛前，反應(yīng)器尾部相當(dāng)于鍋爐的一個(gè)燃燒噴口。在反應(yīng)器外布置水冷壁，減少反應(yīng)器向環(huán)境的散熱，如圖1 所示。在反應(yīng)器內(nèi)部，部分煤粉中的固定碳與石灰粉中的 CaO 反應(yīng)生成CaC2，其余煤粉在氧氣中燃燒放熱，為電石合成提供所需的熱量。反應(yīng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧昂形慈继嫉娘w灰通過反應(yīng)器尾端噴口進(jìn)入爐膛燃燒放熱，而反應(yīng)產(chǎn)物CaC2、未完全反應(yīng)的原料、石灰中的灰分及煤粉的部分灰分在高溫下均將呈熔融狀態(tài)，一起排出反應(yīng)器，在外部凝結(jié)成電石。

圖1 電石生產(chǎn)流程圖

2 計(jì)算方法與模型

電石反應(yīng)器內(nèi)，除發(fā)生電石合成和煤粉燃燒的吸放熱耦合反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生一系列的副反應(yīng)，在以下計(jì)算中，僅考慮上述反應(yīng)體系而忽略各種副反應(yīng)。電石合成的轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大[10]，在2400℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到97%，繼續(xù)升溫，轉(zhuǎn)化率幾乎不變。富氧燃燒的資料表明[11]，在氧氣氛圍中，煤粉的燃燒溫度足以滿足電石合成的需求。因此，將反應(yīng)溫度設(shè)定為2400℃。在此溫度下，煤粉燃燒產(chǎn)生的H2O 為過熱度極大的水蒸氣，不會(huì)與產(chǎn)物CaC2發(fā)生反應(yīng)。

2.1 物料平衡計(jì)算方法

對(duì)電石合成反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式CaO+3C —→CaC2+CO，可計(jì)算出參與反應(yīng)的CaO 和C，及生成CO 的量。進(jìn)而由石灰粉純度及煤粉中固定碳含量得到石灰粉和煤粉的耗量。對(duì)于煤粉燃燒反應(yīng)，由于煤粉是在氧氣氛圍中燃燒，因此僅極少部分煤粉未完全燃燒。根據(jù)電石反應(yīng)器是橫爐的特點(diǎn)，參照臥式液態(tài)排渣鍋爐的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為煤粉攜帶的灰分中有10%成為飛灰，隨煙氣一起進(jìn)入鍋爐爐膛，而剩余的90%煤灰形成熔渣與CaC2一起排出反應(yīng)器，成為電石中的灰渣。飛灰和灰渣中均含有未燃燒的碳，參考文獻(xiàn)[11-12]，取飛灰的含碳量為1%，灰渣的含碳量為2%。由于煤粉未完全燃燒，剩余的氧氣在反應(yīng)器內(nèi)會(huì)與CO 發(fā)生燃燒反應(yīng)。上述反應(yīng)涉及與電石合成的熱匹配問題，故需要結(jié)合物料平衡和熱平衡兩方面內(nèi)容，計(jì)算煤粉和氧氣的耗量及最終的CO 量。

2.2 熱平衡計(jì)算方法

熱平衡的計(jì)算模型如圖2 所示。其中，進(jìn)入反應(yīng)器的熱量為反應(yīng)物帶入的物理顯熱、煤粉燃燒放熱、剩余O2與CO反應(yīng)放熱；有效利用熱量為電石合成反應(yīng)吸熱和電石相變熱；排出反應(yīng)器的熱量為 電石、煙氣和飛灰?guī)С鰺帷８鶕?jù)熱量守恒，進(jìn)入反應(yīng)器的熱量等于有效利用熱量、排出反應(yīng)器的熱量及散熱損失三者之和。

圖2 熱平衡模型

2.2.1 進(jìn)入反應(yīng)器的熱量

反應(yīng)物帶入的物理顯熱計(jì)算如式（1）。

對(duì)于合成電石的煤粉，僅其中的固定碳與CaO發(fā)生反應(yīng)，而剩余成分仍可參與燃燒。煤粉燃燒放熱量的計(jì)算式如式（2）。

式中，煤粉未完全燃燒熱損失Qw的計(jì)算如 式（3）。

剩余O2與CO 反應(yīng)放熱量的計(jì)算如式（4）。

2.2.2 有效利用熱量

電石合成反應(yīng)吸熱量的計(jì)算如式（5）。

電石生成熱是在環(huán)境溫度下的值，而反應(yīng)器內(nèi)溫度為2400℃，生成的電石呈熔融狀態(tài)，需加相變熱。計(jì)算式如式（6）。

2.2.3 排出反應(yīng)器的熱量

排出反應(yīng)器的電石具有2400℃的高溫，帶出的物理顯熱計(jì)算如式（7）。

進(jìn)入爐膛的煙氣和飛灰，溫度同樣為2400℃，帶出物理顯熱的計(jì)算與上式類似。

2.2.4 散熱損失

本文參考鍋爐熱平衡計(jì)算中對(duì)散熱損失的取 值[12]，將電石反應(yīng)器的散熱損失估算為進(jìn)入反應(yīng)器熱量的3%。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果及分析

進(jìn)入反應(yīng)器的各原料中，氧氣純度為95%，石灰粉純度為92%，且二者溫度均與環(huán)境溫度相同；而煤粉在磨煤機(jī)中經(jīng)過升溫干燥，溫度為80℃，收到基水分為1%[13]，其余成分含量及發(fā)熱量如表1 所示。

以產(chǎn)出1t CaC2為例進(jìn)行物料平衡和熱平衡的計(jì)算。表2 列出了此時(shí)原料和電能的消耗量；表3列出了電石的純度及其中各成分的含量；表4 列出了熱量的利用和回收情況。

表2、表3 顯示，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝，每生產(chǎn)1tCaC2，消耗煤粉1747.08kg，石灰粉980.50kg，氧氣1285.25m3（標(biāo)況下），空分和制粉電耗554.28kW·h，產(chǎn)出的電石純度將近66%。雖然電石純度較低，但與電熱法工藝每生產(chǎn)1t 標(biāo)準(zhǔn)電石（約0.8tCaC2）耗電3250kW·h[14]相比，電耗大幅度下降。從表4 可以看出，進(jìn)入反應(yīng)器的熱量，只有少部分被有效利用，反應(yīng)器的熱效率僅為36.33%，而副產(chǎn)的煙氣和飛灰具有2400℃的溫度，且煙氣中含有較多的CO，飛灰中攜帶未燃碳，蘊(yùn)含大量能量，將它們送入鍋爐放熱并燃燒，回收其熱能與化學(xué)能，使得能量的回收利用率達(dá)到63.86%。由上述分析可見，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝可以有效利用能量，具有顯著的節(jié)能 優(yōu)勢(shì)。

表1 煤粉的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表2 生產(chǎn)單位質(zhì)量CaC2 的物耗和能耗

表3 煤粉氧熱法產(chǎn)出的電石成分

表4 電石反應(yīng)器的熱分析

在電石生產(chǎn)過程中，為防止CaO 過量而與CaC2共熔，一般應(yīng)使煤粉進(jìn)料過量。但分析表3可知，電石中的主要雜質(zhì)為煤粉產(chǎn)生的灰渣，增大進(jìn)入反應(yīng)器的煤粉量，電石純度將會(huì)下降。因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可在本計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大煤粉進(jìn) 料量。

3.2 影響因素討論

3.2.1 氧氣純度

為提高電石純度，降低生產(chǎn)過程的物耗和電耗，采取變換反應(yīng)原料的方法。分析進(jìn)入反應(yīng)器的3 種原料，由于工業(yè)石灰中CaO 的純度普遍在92%左右，因此分別改變煤粉種類和氧氣純度，對(duì)電石反應(yīng)器重復(fù)上述計(jì)算，探討反應(yīng)物對(duì)電石生產(chǎn)產(chǎn)生的影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)空分制氧技術(shù)的水平，另外選取純度為97%和99.6%的氧氣，計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

由表5 可見，提高氧氣純度，煤粉耗量略有降低，其他各量的變化十分微小，由于氧氣純度對(duì)電石合成反應(yīng)并無直接影響，因而石灰粉耗量維持不變。氧氣純度從95%提高到99.6%，制氧電耗由原來的0.4kW·h/m3上升為0.7kW·h/m3[15]，整個(gè)生產(chǎn)過程的電耗增加 330.69kW·h。通過上述分析可知，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石系統(tǒng)并不需要高純度的氧氣，純度為95%的氧氣即可滿足生產(chǎn)要求。

3.2.2 煤粉種類

對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器的煤粉，要求其能夠快速著火并燃盡，為電石合成反應(yīng)供熱，這就決定了煤粉的揮發(fā)分含量不能過低，本工作選取大同煙煤和開灤洗中煤，這兩種煤經(jīng)磨煤機(jī)磨制干燥成煤粉后，溫度分別為95℃和80℃，水分含量均為0.5%，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表6 所示。為方便說明，將大同煙煤和開灤洗中煤稱為煤粉1、煤粉2。兩種煤粉的計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表5 不同氧氣純度的計(jì)算結(jié)果比較

由表7 可見，改變煤粉種類，石灰粉耗量仍維持不變，但其他各量均有較大的變化。采用煤粉1作為原料時(shí)，物耗和能耗較低，而電石純度、反應(yīng)器熱效率及能量回收利用率較高。而采用煤粉2時(shí)，物耗和能耗較高，電石純度、反應(yīng)器熱效率及能量回收利用率較低。對(duì)比煤粉的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，從物料平衡角度分析，煤粉的固定碳含量高，發(fā)熱量大，灰分含量低，則與CaO 和氧氣反應(yīng)所需的煤粉量較少，相應(yīng)的氧氣耗量下降，制粉和空分電耗降低，電石純度升高。從熱平衡角度分析，上述各量的減少導(dǎo)致生成的電石量和副產(chǎn)的煙氣及飛灰量減少，最終進(jìn)入反應(yīng)器的熱量、有效利用熱量、煙氣和飛灰攜帶的能量下降，但進(jìn)入反應(yīng)器的熱量下降幅度更大。因此，反應(yīng)器的熱效率和能量回收利用率升高。故實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)選擇灰分含量低而揮發(fā)分和固定碳含量高的煤粉，對(duì)電石的生產(chǎn)較為有利。

4 結(jié) 論

針對(duì)燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝，以其中的電石反應(yīng)器為研究對(duì)象，構(gòu)建了電石合成和煤粉燃燒反應(yīng)體系的熱平衡模型，并對(duì)其進(jìn)行了物料平衡和熱平衡的計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論。

表6 兩種煤粉的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表7 不同煤粉的計(jì)算結(jié)果比較

（1）煤粉氧熱法生產(chǎn)電石工藝，每生產(chǎn)1t CaC2，消耗煤粉1747.08kg，石灰粉980.5kg，氧氣1285.25m3，耗電554.28kW·h，可產(chǎn)出純度近66%的電石。反應(yīng)器的熱效率較低，僅為36.33%；將副產(chǎn)的高溫?zé)煔夂秃形慈继嫉娘w灰送到鍋爐中放熱并燃燒，回收其熱能和化學(xué)能，使得能量的回收利用率高達(dá)63.86%，既避免了能量的損失，也解決了爐氣和飛灰直接排放污染環(huán)境的問題。

（2）提高氧氣純度，煤粉和石灰粉耗量、電石純度、反應(yīng)器熱效率和能量的回收利用率變化很小，但制氧電耗卻大幅增加。因此，氧熱法生產(chǎn)電石工藝，不需要采用高純度的氧氣，純度為95%的氧氣即可滿足生產(chǎn)要求。

（3）采用揮發(fā)分、固定碳含量高而灰分含量低的煤粉生產(chǎn)電石，生產(chǎn)過程的物耗和能耗較低，產(chǎn)出的電石純度較高，熱量的利用和回收情況也 較好。

符 號(hào) 說 明

afh——煤灰中飛灰所占的份額

ahz——煤灰中灰渣所占的份額

cdi——電石中各成分的平均比熱容，kJ/kg·℃

cfi——各反應(yīng)物的平均比熱容，kJ/kg·℃

Cfh——飛灰含碳量

Chz——灰渣含碳量

ΔHdi——電石中各成分的熔化熱，kJ/kg

ΔH298——CaC2的生成熱，kJ/mol

m——煤粉的總質(zhì)量，kg

mc——反應(yīng)掉的固定碳質(zhì)量，kg

mdi——電石中各成分的質(zhì)量，kg

mfi——各反應(yīng)物的質(zhì)量，kg

mmh——與氧氣反應(yīng)的煤粉攜帶的煤灰質(zhì)量，kg

mwc——未燃燒的碳的質(zhì)量，kg

m1——與氧氣反應(yīng)的煤粉質(zhì)量，kg

m2——合成電石的煤粉質(zhì)量，kg

n——CaC2的物質(zhì)的量，mol

Qar，net——煤粉的收到基低位發(fā)熱量，MJ/kg

Qc——碳的燃燒熱，kJ/kg

Qco——CO 的燃燒熱，kJ/kg

Qw——與氧氣反應(yīng)的煤粉的未完全燃燒熱損失，MJ

Q1——反應(yīng)物帶入的物理顯熱，MJ

Q2—— 煤粉燃燒放熱量，MJ

Q3—— O2與CO 反應(yīng)放熱量，MJ

Q4—— 電石合成反應(yīng)吸熱量，MJ

Q5，Q6—— 分別為電石相變熱，電石帶出熱量，MJ

tdi，tfi，t0—— 分別為電石溫度，各反應(yīng)物的溫度，環(huán)境溫 度，℃

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