三塔式循環(huán)流化床中鼓泡流化床半焦水蒸氣-氧氣氣化過程評價*

魏 健 張忠林 劉葉剛 陳東良 楊景軒 郝曉剛

(1.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，030024 太原；2.上海電氣集團國控環(huán)球工程有限公司，030001 太原)

0 引 言

“雙碳”目標(biāo)的提出將加速我國能源向安全、清潔、高效、低碳方面轉(zhuǎn)變，我國富煤缺油少氣的能源資源稟賦和我國的巨大需求決定了改變能源結(jié)構(gòu)很難一蹴而就?！笆奈濉逼陂g，大力發(fā)展新能源的同時煤炭在我國一次能源消費中的占比預(yù)計仍在55%左右[1-3]。當(dāng)前，煤炭的分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)煤炭的低碳化清潔高效轉(zhuǎn)化利用這一目標(biāo)的一項重要舉措[4-5]。

為實現(xiàn)煤炭的分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化，GUAN et al[6]提出一種新的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)——高密度三塔式循環(huán)流化床(TBCFB)熱解氣化技術(shù)，通過下行床(熱解器)、鼓泡流化床(氣化器)和提升管(燃燒器)耦合實現(xiàn)煤炭的分級轉(zhuǎn)化，提高煤炭利用效率。將熱解和氣化過程分開有利于煤中組分的分質(zhì)分離和能量的高效利用，半焦載熱顆粒在系統(tǒng)中循環(huán)，將熱量從提升管帶到下行床中用于煤的熱解，剩余熱量傳遞到鼓泡流化床中用于半焦氣化。半焦氣化是一個重要的環(huán)節(jié)，且流化床氣化無需塊煤，混合、傳熱傳質(zhì)快，研究氣化操作條件來獲取具有高附加值的合成氣對實現(xiàn)煤炭的高效、清潔、資源化、低碳化利用意義重大[7-13]。

1 實驗部分

圖1 鼓泡流化床半焦氣化實驗裝置Fig.1 Diagram of experimental equipment for semi-coke gasification in bubbling fluidized bed

表1 半焦的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of semi-coke

半焦氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)見表2。將主反應(yīng)器溫度固定在800 ℃，半焦進料率固定為0.40 g/min，分別在不同水蒸氣與半焦質(zhì)量比、氧氣當(dāng)量比和催化劑下進行實驗。在氧氣當(dāng)量比設(shè)為0時，調(diào)節(jié)水蒸氣流量，按水蒸氣與半焦質(zhì)量比為0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，2.1分別通入主反應(yīng)器中進行實驗。在水蒸氣與半焦質(zhì)量比設(shè)為1.5時，氧氣當(dāng)量比分別設(shè)置為0.20，0.25，0.30，0.35，0.40進行實驗。在水蒸氣與半焦質(zhì)量比固定為1.5，氧氣當(dāng)量比為0.30時，分別對通過浸漬法負(fù)載10%Na2CO3、負(fù)載10%K2CO3和負(fù)載5%K2CO3-5%Na2CO3的半焦進行氣化實驗。

表2 半焦氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)Table 2 Main reactions in gasification of semi-coke

2 氣化系統(tǒng)的分析

1) 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下運行；

2) 勢能和動能可以忽略不計；

3) 參考狀態(tài)(基準(zhǔn)態(tài))為T0=298.15 K，p0=101 325 Pa；

4) 氣化后殘留的灰渣可忽略不計；

5) 合成氣被認(rèn)為是理想氣體。

圖2 半焦氣化器的流Fig.2 Exergy flow of semi-coke gasifier

Exin=Exout+I

(1)

2.2 氣體的

Ex=Exki+Expo+Exph+Exch

(2)

Ex=Exph+Exch

(3)

Exph=n[(h-h0)-T0(s-s0)]

(4)

式中：n為氣體的摩爾流率，kmol/s；h和h0分別為氣體在工況下和環(huán)境狀態(tài)下的比焓，kJ/kmol；s和s0分別為氣體在工況下和環(huán)境狀態(tài)下的比熵，kJ/(kmol·K)。

理想氣體的比焓差(h-h0)可以通過式(5)計算

(5)

理想氣體的比熵差(s-s0)可表示為：

(6)

式中：cp為氣體定壓比熱容，kJ/(kmol·K)，可以通過經(jīng)驗公式求?。?/p>

cp=a+bT+cT2+dT3

(7)

式中：a,b,c,d為定壓比熱容系數(shù)，取值見表3[29]。

表3 氣體定壓比熱容系數(shù)Table 3 Coefficients of constant pressure specific heat capacity of some gases

(8)

式中：ni為成分氣體i的摩爾數(shù)，kmol。

(9)

表4 氣體標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)(25 ℃，101 325 Pa)Table 4 Standard chemical exergy of some gases (25 ℃，101 325 Pa)

表4 氣體標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)(25 ℃，101 325 Pa)Table 4 Standard chemical exergy of some gases (25 ℃，101 325 Pa)

GasExch/(kJ·kmol-1)O23970H2O(g)9500H2236100CO275100CO219870CH4831650

2.3 熱量

(10)

但當(dāng)氣化溫度保持恒定時，式(10)可表示為：

(11)

式中：T0和T分別為環(huán)境溫度(取298 K)和狀態(tài)溫度，K；Q為加熱量，kJ。

2.4 半焦的

Exsemi-coke=βmQL,semi-coke

(12)

式中：m為質(zhì)量流量，kg/s；QL,semi-coke為半焦的低位熱值，MJ/kg；β為關(guān)聯(lián)因子，可通過式(13)計算。

(13)

式中：xC，xH，xO和xN分別為半焦元素分析中C，H，O和N的摩爾分?jǐn)?shù)。

2.5 目的效率

(14)

3 結(jié)果與討論

3.1 水蒸氣與半焦質(zhì)量比對合成氣值分布的影響

圖3 不同水蒸氣與半焦質(zhì)量比下合成氣值的分布Fig.3 Exergy distribution of syngas under different mass ratios of steam to semi-coke

表5 不同水蒸氣與半焦質(zhì)量比下半焦氣化反應(yīng)合成氣各組分產(chǎn)量及碳轉(zhuǎn)化率Table 5 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different mass ratios of steam to semi-coke

3.2 水蒸氣與半焦質(zhì)量比對合成氣目的效率的影響

圖4 不同水蒸氣與半焦質(zhì)量比下合成氣的目的效率Fig.4 Target exergy efficiency of syngas under different mass ratios of steam to semi-coke

3.3 氧氣當(dāng)量比對合成氣值分布的影響

圖5 不同氧氣當(dāng)量比下合成氣的值分布Fig.5 Exergy distribution of syngas under different oxygen equivalence ratios

表6 不同氧氣當(dāng)量比下半焦氣化反應(yīng)合成氣各組分產(chǎn)量及碳轉(zhuǎn)化率Table 6 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different oxygen equivalence ratios

3.4 氧氣當(dāng)量比對合成氣目的效率的影響

圖6 不同氧氣當(dāng)量比下合成氣的目的效率Fig.6 Target exergy efficiency of syngas under different oxygen equivalence ratios

3.5 催化劑對合成氣值分布的影響

圖7 不同催化劑下合成氣的值分布Fig.7 Exergy distribution of syngas under different catalysts

表7 不同催化劑下半焦氣化反應(yīng)合成氣各組分產(chǎn)量及碳轉(zhuǎn)化率Table 7 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different catalysts

3.6 催化劑對合成氣效率的影響

圖8 不同催化劑下合成氣的目的效率Fig.8 Target exergy efficiency of syngas under different catalysts

4 結(jié) 論