四噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化系統(tǒng)的能量衡算與析

陳海英

（兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277527）

0 前言

煤氣化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一百多年的歷史，最初我國煤化工企業(yè)主要靠引進(jìn)國外煤氣化技術(shù)?！熬盼濉逼陂g，華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠等單位合作承擔(dān)了國家科技部重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)課題 “多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目[1]，完成日處理22 t煤中試裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行?！笆濉逼陂g，兗礦集團(tuán)日處理煤1150 t多噴嘴水煤漿氣化成功投入運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最大處理能力的氣化爐?！笆晃濉逼陂g，2000 t級(jí)多噴嘴氣化爐相繼建成投產(chǎn)，截至2016年底，已經(jīng)有21家用戶57臺(tái)氣化爐投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)成功推廣應(yīng)用[2]。

1 氣化爐工藝流程

圖1是氣化爐系統(tǒng)流程示意圖。該系統(tǒng)是多噴嘴對(duì)置式氣流床水煤漿加壓氣化的激冷流程。由空分車間送來的4.90 MPa氧氣與高壓煤漿泵送來的4.12 MPa的水煤漿在噴嘴內(nèi)一并霧化并噴入氣化爐內(nèi)，在溫度高達(dá)1350℃ 左右、壓力4.0 MPa的條件下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成含有效氣（CO+H2）80%以上的合成氣，合成氣由爐底部進(jìn)入激冷室被洗滌水激冷，使合成氣飽和，再依次進(jìn)入文丘里洗滌分離器和最終洗滌塔洗滌煤粉后，進(jìn)入后工序。

2 氣化爐計(jì)算依據(jù)說明

本文所用的物理量的名稱和符號(hào)：

H—焓，J；

T—熱力學(xué)溫度，K；

Cp，m—摩爾定壓熱容，J/mol·K。

在運(yùn)行的D#氣化爐為四噴嘴水煤漿加壓氣化爐，其日耗煤量約1000 t。采樣期煤炭配比為神木煤與北宿煤為1∶1，水煤漿的煤漿濃度為（62.62+62.36）/2＝62.49%， 煤 的 低 熱 值 △hf為25.78 MJ/kg，灰分（Aad）為 8.09%。

氣化爐系統(tǒng)物流量測定數(shù)據(jù)：

圖1 氣化爐系統(tǒng)流程示意圖[3]Fig.1 flow diagram for gasifier

表1 氣化爐系統(tǒng)物流量測定數(shù)據(jù)表Table.1 Volume flow measurements of Gasification system

表2 氣化爐系統(tǒng)溫度壓力測定數(shù)據(jù)表Table.2 Temperatureand pressure measurements of Gasification system

表3 氣化用煤的元素分析Table.3 The elemental analysis of coal for Gasification

表4 氣化用煤的工業(yè)分析Table.4 The proximate analysis of coal for Gasification

3 環(huán)境基準(zhǔn)數(shù)據(jù)說明

計(jì)算采樣期為4月27日至6月26日的氣化爐運(yùn)行情況，所在地區(qū) （北緯 35.06°東經(jīng)117.09°）的環(huán)境溫度 T。 為 293.15 K（20 ℃）。 取環(huán)境溫度T=298 K、壓力p0=0.101325 MPa，以單位時(shí)間每小時(shí)作為的計(jì)算基準(zhǔn)。

4 氣化爐的平衡和效率

在氣化爐單元，經(jīng)過預(yù)處理的水煤漿和氣化劑一起進(jìn)入氣化爐進(jìn)行高溫不完全燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生粗煤氣，其主要成分是 CO、H2、CO2、H2O、Ar、N2和H2S。

4.1 進(jìn)系統(tǒng)的物流計(jì)算[4]

ex，f＝1423.079[C]+21.97[N]-25088.31[H]+4445.29[O]+8984.93[S]-298.15×0.71768×MA+△hf＝26.228 kJ/kg

（上式中MA代表1 kg煤炭的灰分質(zhì)量）

式中：

補(bǔ)水（尿素冷凝液 90 ℃，5 m3）的為158 MJ/h：

4.2 出系統(tǒng)的物流計(jì)算

由 H2、CO、N2、CO2、Ar、H2S、H2O 組成。燃?xì)獾挠晌锢砗突瘜W(xué)組成[13]。

查飽和水及飽和蒸汽表知：214.9℃的飽和蒸汽壓力p＝2.101 MPa，根據(jù)氣體分容定律p1/p2＝v1/v2，psyngas，d/p ＝ vsyngas，d/v 得合成氣干基氣量：

表5 合成氣各組分的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)和溫度修正系數(shù)表Table 5 Standard chemical exerg and Temperature correction coefficient for Synthetic gas components

表5 合成氣各組分的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)和溫度修正系數(shù)表Table 5 Standard chemical exerg and Temperature correction coefficient for Synthetic gas components

?

vsyngas，d＝（pgas，d/p） ×v ＝（3.66 -2.101）/3.66 ×212161＝90371 Nm3/h

氣化爐氣化過程的壓力為4.0 MPa，氣化溫度為1503 K（1230℃），經(jīng)過洗滌后合成氣溫度為485 K（212℃）。假設(shè)氣體比熱容Cp隨溫度變化的關(guān)系為Cp＝A+BT+CT2+DT3，查文獻(xiàn)給出的各氣體組分Cp的常數(shù)值A(chǔ)、B、C、D，可求出各氣體組分的平均比熱容為[15]：

CpCO ＝30.2019 J/mol·K，CpCO2＝44.8955 J/mol·K，CpH2＝29.0765 J/mol·K，CpN2＝29.9350 J/mol·K， CpAr＝20.786 J/mol·K， CpH2S＝36.8395 J/mol·K， CpH2O＝35.3363 J/mol·K。

混合氣體的比熱容等于各純組份的比熱容乘以摩爾分?jǐn)?shù)后的加和，所以合成氣的比熱容為

把 Cp，syngas＝32.5106 J/mol·K 帶入

esyngas，ph，t＝1465 J/mol

查飽和水及飽和蒸汽表知20℃時(shí)水的焓值ho＝83.84 kJ/kg，Sl＝0.2963 kJ/kg ，214.9 ℃的飽和蒸汽焓值 h＝2799.615 kJ/kg，Sg＝6.3200 kJ/kg，壓力 p＝2.101 MPa。

根據(jù)氣體分容定律 p1/p2＝v1/v2，pst/p ＝ vst/v得

氣化渣的可燃物含量為21.57%，所以，Ex渣=2.123×3048=6470 MJ/kg

Ex渣＝1.890×3353＝ 6336 MJ/kg

4.2.5 酸性氣的

表6 氣化酸性氣化學(xué)成分Table 6 Chemical constitution of sour gas for Gasification

依照合成氣熱容比的計(jì)算可計(jì)算得

Ex，酸性氣＝336/22.4×14.565 ＝219 MJ/h

根據(jù)以上4.1及4.2計(jì)算得表7、表8：

表7 氣化系統(tǒng)進(jìn)出物流能量計(jì)算Table7 In and Out energy calculation of Gasification system

表8 氣化系統(tǒng)進(jìn)出物 量計(jì)算Table 8 In and Out exergy calculation of Gasification system

4.4 熱效率分析

（1）普通熱效率

（2）煤氣轉(zhuǎn)換熱效率

5 結(jié)論與分析