煤炭地下气化过程(火用)分析.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 20 2 0 00 5 煤炭地下气化过程炯分析 粱杰，刘淑琴，杨榛，赵丽梅 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要将炯分析引入煤炭地下气化过程分析当中，建立了煤炭地下气化过程炯分析模型，研究了 煤炭地下气化系统的物料厦能量转移规律．分析了唐山刘庄煤矿地下气化过程．结果表明，其系 统综合炯效率为8 5 ．1 8 ％，外供炯效率为6 5 ．6 6 ％，不可逆过程炯损达到1 4 ．8 2 ％．与地面气化装 置相比，地下气化炉综合炯效率高于高炉和发生炉，低于焦炉，其炯损主要来自于燃烧不可逆炯 损和传热不可逆煳损． 关键词煤炭地下气化；炯分析；综舍炯效率；外供炯效率；炯损 中图分类号T Q5 4 6文献标识码A E x e r g i eA n a l y s i so fU n d e r g r o u n dC o a lG g a s i f i c a t i o nP r o c e s s L I A N GJ i e ，L I US h u q i n g ，Y A N GZ h e n ，Z H A OL i m e i S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ．B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ．C h i n a A b s t r a c t T h ee x e r g i ea n a l y s i sm o d e lo fu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n U C G p r o c e s sw a s e s t a b h s h e d ．T h em a s sa n de n e r g yc o n v e r s i o no fs p e c i a lU C Gs y s t e mw a ss t u d i e da n de v a l u a t e d ． T h ee v a l u a t i o no fU C Gp r o c e s si nL i u z h u a n gm i n es h o w st h a t1 t h eg e n e r a le x e r g i ee f f i c i e n c yo f t h eU C Gp r o c e s si sa b o u t8 5 ．1 8 ％；2 t h eo u t e r s u p p l ye x e r g i ee f f i c m n c yi s6 5 ．6 6 ％；a n d3 t h e i r r e v e r s i b l ee x e r g i el o s si s1 4 ．8 2 ％．C o m p a r e dw i t ht h eg r o u n ds u r f a c eg a s i f i c a t i o n ，t h ee x e r g m e f f i c i e n c yo fu n d e r g r o u n dg a s i f i e ri sh i g h e rt h a nt h a to fb l a s tf u r n a c ea n dg r o u n ds u r f a c eg a s i f i e rb u t 1 0 w e rt h a nt h a to fc o k eo v e n ．T h ee x e r g i e1 0 s sm a i n l yc o m e sf r o mt h ei r r e v e r s i b l el o s s e so fb o t h c o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e r ． K e yw o r d s U C G ；e x e r g i ea n a l y s i s } g e n e r a le x e r g i ee f f i c i e n c y ；o u t e r s u p p l ye x e r g i ee f f i c i e n c y ； e x e r g i e1 0 S S 煤炭地下气化过程是一种能量转换过程，对该 过程的分析与评价，通常用热力学第一定律物 料平衡和能量平衡来反映过程的物流和热流转移， 这种方法实质上只是简单地从热量守恒的数量关 系上去考察能量的利用．近年来国内外兴起的热力 学第二定律炯分析，既能客观地评价系统的能 量转移多少，又能表明系统能量质量的优劣，对不 同的过程也具有可比性[ 1 ] ，因此得到更广泛的应 用．本文将炯分析引人煤炭地下气化过程分析当 中，建立了煤炭地下气化过程炯分析模型，对唐山 刘庄煤矿地下气化过程进行评价． 1 原料及产品的炯计算 生产过程在完全可逆的条件下，物料经过复杂 的物理、化学变化后，各产品达到与环境完全平衡 状态时，体系所能给出的最大功称为炯 或有效 能 ，而不可逆能耗叫炯损[ 2 ] ．地下气化原料及产品 主要有三种形态的物质，即煤、混合气体和焦油． 1 ．1 固态物质煤 煤的化学拥有多种估算方法，考虑到环境反应 物和环境生成物的扩散炯实际上很难利用，因此在 计算煤的化学炯时，将其略去，并采用信泽式0 1 收稿日期。2 0 0 3 一0 9 1 l 基金项目t 国家高技木研究发展计划 8 6 3 计划 项且 2 0 0 1 A A 5 2 9 0 3 0 I 国家自然科学基金项目 2 0 2 0 7 0 1 4 作者筒介t 粱杰 1 9 6 4 一 ．男，江苏省宝应县人．中国矿业大学副教授，工学博士，从事煤炭地下气化、化学与环境工程方面的研究 万方数据 第2 期粱杰等煤炭地下气化过程焖分析 2 0 1 E x c c Q Ⅲ[ 1 ．0 0 6 4 0 ．1 5 1 9 w s ／w c 0 ．0 6 1 6 w o ／w c 十0 ．0 4 2 9 W N ／W C ] ， 式中E X c c 为煤的化学炯，J ／g ；Q o 。为煤的低位发 热量，J ／g ；W c ，M ，№，“ O J w 分别为煤中碳，氢，氧，氮 的质量分数，％．煤的物理炯计算模型可由热力学 基本关系求得 c T f下＼ E X F c ln C p l l 一等】d 丁十n V 。 户一P o ， J 』n 、』， 式中E x P c 为煤的物理炯，J I C 。为煤的定压热容， J ／ m o l K ；n 为摩尔数，m o l ；V 。为1t o o l 煤的体 积，m 3 ／t o o l ；T ，P ⋯TP 。分别为实际状态和环境状 态的温度和压力，K ．P a ． 1 ．2 混合气体气化剂和出口煤气 气化剂和出口煤气可以认为是理想气体，因 此，各组元气体以及混合物整体都遵循理想气体状 态方程．因此，混合气体的化学焖计算式为 E X c G n ≥[ ．v i E X c y D R M T o Y 。l n y 。] ， i 1 式中E x c G 为混合气体的化学炯，J ，”为摩尔数， m o l ；E X 。 M 为第i 组分实际状态下的化学媚，J ／ t o o l l Y ，为第i 组分的摩尔分率，％f R u 为通用气体 常数，R 一8 ．3 1J ／ K m 0 1 ．其余参数物理意义同 前． 图1液态物质热力学变化途径 F i g ．1C h a n g eo ft h e r m o d 炯a m i c so fl i q u i ds u b s t a n c e 1 ．4 综合炯效率 J 厢具有状态函数的特征，故对于不同的生产过 程，可以略去中间过程，只取初始和末端产品状态 进行比较．平衡模型可用图2 表示． 卧丙乎 一、爿玉型 图2 系统平衡模型 F i g ．2 M o d e ls y s t e me x e r g i eb a l a n c e 系统综合炯效率 吼，％ 表示系统能完成的炯 转移量E X 。。与投人系统的总炯量E X 。之百分 比嘲，即 巩一i E X 可。一m 1 0 0 ％1 0 0 ％． 巩一面焉。 要建立炯平衡模型，首先要弄清系统的物质流 率和能量流率，即对系统进行物料平衡及能量平衡 测试． 2 物料平衡和热平衡测试 对于实际状态下的化学焖，可由标准化学炯求 2 ．1 物料平衡 得L 4 1 E X c y D E x 8 M f 挑 T o 一2 9 8 ．1 5 ， 式中E X t ∞ 为第i 组分标准化学炯，J ／m 0 1 } 弘 为第i 组分温度修正系数，J ／ m o l K ． 物理炯E x * 可由热学关系式求得，对于理想 气体 麟* f ≯ 一孙T n R 。T 。胖d A ， 1 ．3 具有相变物质焦油 由R a n t 公式[ 5 ] ，有 E X c j 一0 ．9 7 5 Q F ， E xp 1 一＆H T o A S ， 其中，△H 和△s 由图1 热力学途径计算‘“，即 △H △．H t △．H { △。H 揠 △．H } ， 出 △研 笛l 埘格 丛} ， 式中E X c ，，E X w 分别为焦油的化学炯和物理炯， J ／g ，J ／g m o l Q 。为焦油的高位发热量，J ／g ；△H ，z x S 为焦油相变过程的焓变和熵变，J ／t o o l ，J ／ m o l K ；P ，为煤气出口处焦油的温度和分压，P a ；T s 为 相变温度，K ． 物料平衡的目的除了获得分析所需的各种物 流数据外，还要得到各种物质的自分配的汇总表， 从这个汇总表中将直接得到物料变换的全部指标． 但在分析现场平衡数据时，所遇到的最大困难是缺 乏燃烧的煤量和外来水的进入量．本文利用碳和氢 的平衡，确定燃烧的煤量和外来水量． 物料平衡测试时，可以假设1 参加气化的鼓 风完全与煤起反应，气流漏失是以煤气的形式漏 失，冷态试验可确定煤气漏失量口] } 2 灰渣中含碳 1 0 ％o ] ．根据质量守恒定律，进人系统的总物料等 于离开系统的总物料．地下气化物料平衡模型见 图3 ． 干煤气 水蒸气 冷凝物 带出错 图3 地下气化物料平衡模型 F i g ．3 M o d e lo tm a s sb a l a n c eo fU C G 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 1 碳平衡燃烧煤量的确定 由碳平衡可得烧煤量为 0 ．5 3 5 7 G 细 彻， 2 仇，H 。十蜘。 m 。i 东广一 m G 』 叫 c J 卅 G A 驯 C ▲ 埘 G D W C D “、 w C 。 。1 ’ 式中；m c 为烧煤量，k g ；W c m 为原料煤中含碳 量，％；G 为煤气产量，m 3 G G 。 1 _ ，m 3 ；G 。为 出口煤气产量，m 3 ；口为煤气漏失率％ ；m G J ，W c j 为焦油产量、焦油含碳量，k g ，％；m G 一 ，W c A 为灰渣量灰渣中含碳量，妇，％；m G o ，w c n 为带出物量、带出物中含碳量，k g ，％；细， 蛳，礼H ‘，蜘．为出口煤气中为一氧化碳、二氧化 碳、乙烯、甲烷的体积分数，％． 2 氢平衡外来水量的确定 由氢平衡可得到外来水进人控制体的重量为 m M w 0 ．0 0 8 0 3 6 G 竹‘ 2 ，乇2 H ‘ 2 霸c n 。 9 也s o ．0 9 w G J w H J w G D Ⅲ H D 一 叫 H M m M 加。 - - m M 。 ． 2 式中m M 。 为外来水质量。k g ；缃。，朔，s 为出口煤 气中H ，H 。S 的体积分数，％；∞ H J 为焦油中含氢 量，％；w H D 为带出物中舍氢量，％；w H u 为原 料煤中含氢量，％；m M 。 为出口水蒸汽量，k g ；m M 。 为进口水蒸汽量，k g ． 确定了难以直接测量的量以后，根据现场进出 口参数的测量值，即可进行物料平衡计算．表1 是 刘庄煤和出口煤气中焦油的元素组成，表2 和3 是 刘庄气化炉各参数现场测试结果． 表1 刘庄煤和煤气中焦油的元素组成 T a b l e1E l e m e n tc o m p o s | f l o no fL | u z h u a n g ∞矗la n dt a r 裹2 平衡测试时煤气缀成和热值 T a b l e2G a sc o m p o s i t i o na n dh e a tv a i u ei ne q u l l l b r u m 3 综合焖平衡 综合炯平衡方法是根据气化过程的实际情况 进行计算，由表3 可知，漏失煤气量为1 7 7 ．7 3 m 3 ／h ，由式 1 可得燃烧煤量为9 0 0 ．1k g ／h ，由式 2 可得外来水量2 7 4 ．5k g ／h ，由此可得到以1t 原料煤为基准的物料平衡表和热平衡表，即 表4 ，5 ． 裹d 空气连续气化时物料平衡 T a b l e4M a s sb a l a n c eI na i rg a s i f l c a U o np r o c e s s m B ／k g 襄5 空气连续气化时热平衡数据 T a b l e5H e a tb a l a n c ei na i rg a s i f i c a t i o np r o c e s s 干煤气 。c1 6 1 1 7 ．16 0 ．7 5 。P3 5 6 ．8 11 ．3 4 水蒸汽Q p2 3 5 ．5 80 ．8 9 焦油Oc 2 0 9 1 ．07 ．8 8 出 国0 - 7 6 4 0 灰渣Q8 4 4 ．0 43 ．1 8 ‘扫6 Z ．8 10 2 3 带出物酝 2 6 2 ．6 70 ．9 9 热 国0 ．6 7 0 漏失煤气啦 0 2 8 ．7 5 3 ．8 8 Q , p2 2 ．7 80 ．0 9 热损失5 5 0 7 ．8 4 2 0 ．7 6 合计 2 6 5 3 0 ．21 0 0 万方数据 第2 期 梁杰等煤炭地下气化过程炯分析 表中Q 。代表物质的化学热，表中Q P 代表物 质的物理热．根据表4 和表5 物料及能量平衡数 据，通过炯值计算和平衡模型，可得到煤炭地下气 化过程炯平衡表，见表6 ．由表6 的炯平衡数据可 知，投入系统的单位总能量为2 69 4 5 ．7M J ，完成 转移量为2 30 0 1 ．3M J ．由此可得到地下气化过程 综合炯效率为8 5 ．1 8 ％． 裹6 空气连续气化过程堋平衡 T a b l e6E x e r g i eb a l a n c ei na i rg a s i f i c a t i o np r o c e s s 在实际生产过程中，只有出口煤气化学火用和 焦油化学炯是能够被利用的，因此煤炭地下气化系 统的外供焖效率为6 5 ．6 6 ％． 表7 是地下气化过程和其他几种地面煤气制 造过程综合炯效率的比较． 衰7 几种煤榭气过程综合炯效率比较 T a b l e7C o m p a r i s o no fg e n e r a le x e r g t ee f f i c i e n c ya m o n g s e v e r a lg a sm a n u f a c t u r ef r o mc o a l 炉型综台炯效率／％ 炉型综合烟效率／“ 高炉 7 3 ．6干值炉9 1 ．o 发生炉 6 6 ．7 小焦炉 9 1 ．4 地下气化炉8 5 ．2中焦炉9 1 ．7 地下气化炉炯效率高于高炉和发生炉，低于焦 炉，这说明地下气化过程集发生炉煤气和焦炉煤气 生产过程于一体，在氧化区和还原区是发生炉煤气 的生产过程，在干馏干燥区则是焦炉煤气的生产过 程． 4 降低炯损的途径 在地下气化过程中，不可逆炯损达到1 4 ． 8 2 ％．地下气化过程的不可逆性是指由于存在着温 度差、压力差、以及炉里纵向、横向温度、压力、浓度 分布的不均匀性和系统内分子运动的湍动而引起 的有效能损失，不可逆炯损主要有以下两个方面． 1 燃烧不可逆炯损失 对于绝热燃烧过程，即燃烧热不散失，全部用 于提高煤气和灰渣温度，则燃烧过程的不可逆炯损 L w 等于煤燃烧释放的有效能E X 。和煤气、灰渣 所具有的有效能E X ，之差，其差等于系统的熵增 量△s 和温度7 1 。的乘积 L Ⅳ一E X M E X F T o ． 但实际燃烧过程是非绝热的，炯损值要大于上 述计算值．降低这一炯损有两种方法．一是预热鼓 风，提高绝热燃烧温度；二是减少气化炉的热量损 失，使燃烧过程尽量向绝对燃烧过程靠近． 2 传热不可逆炯损失 气化区燃烧热以高温气流对流、辐射和导热的 形式传给还原区和干馏干燥区，这是一个不稳定传 热过程，高温气流与反应区的温差是传热过程的推 动力，但温差越大，过程的不可逆性就越大，炯损越 高．因此可采用预热煤层和提高传热系数方法降低 传热不可逆炯损失．就连续气化过程来看，气化前 期煤层温度较低，传热炯损较大，随着气化过程的 进行，煤层被逐渐加热，传热炯损将越来越小．双火 源气化提高了反应区温度，使传热炯损降低．采用 辅助通道供风气化，形成二次扰流，可提高对流换 热系数o ] ． 从外供效率来看，炉体热损失及煤气漏所引 起的炯损值也较大，分别占1 1 ．2 4 ％和3 ．7 1 ％，为 降低这两种炯损，可选择顶、底板较完整的煤层气 化，并采用两阶段气化工艺和压抽相结合气化工 艺． 5 结论 1 将热力学第二定律煳分析引入煤炭地 下气化过程分析中，建立了煤炭地下气化过程焖分 析模型． 2 煤炭地下气化空气连续气化过程的综合焖 效率为8 5 ．1 8 ％，外供炯效率为6 5 ．6 6 ％，其有效能 转换效率大于高炉和发生炉、低于焦炉煤气的生产 过程，因此，煤炭地下气化过程是较好的能量转换 过程，是发生炉、焦炉煤气生产过程的综合过程． 3 地下气化过程不可逆炯损为1 4 ．8 2 ％，主要 来源于燃烧不可逆煳损和传热不可逆煳损，通过拥 损的分析可以看出，采用辅助通道供风气化、双火 万方数据 2 0 4 中国矿业大学学报第3 3 卷 上接第1 9 9 页 [ 7 ] W a t a n a b eS ．O k a b eY tH i r a t aK ．S i m u l t a n e o u sr e m ． o v a lo fo r g a n i cm a t e r i a l sa n dn i t r o g e nm i c r o a e r o b i c f i l m s [ J ] ．W a t e rS c iT e c h ，19 9 5 ，3 1 1 1 9 5 2 0 3 ． [ 8 ] B r o d aE ．T w ok i n d so { l i t h o t r o p h sm i s s i n gi nn a t u r e [ J ] ．ZA u gM i c r o b i o l ，1 9 7 7 1 7 4 9 1 4 9 3 ． [ 9 ] K u e n e nJG ，R o e r t s o nLA ．C o m b i n e dn i t r i f i c a n t i o n 。 d e n i t r i f i e a t i o np r o c e s s [ J ] ．E M SM i c r o b i o lR e v ，1 9 9 4 ， 1 5 2 1 0 0 1 1 7 ． [ 1 0 ] [ 1 1 ] M u l d e rAA A ，V a n d e r g r a a fLA ．A n a e r o b i ca t o m o n i u mo x i d a t i o nd i s c o v e r e di nad e n i t r i f i c a t i o n f l u i d i z e db e dr e a c t o r [ J ] ．F E M SM i c r o b i o lE c o l ， 1 9 9 5 1 6 1 7 7 1 8 3 ． Z h a n gYQ ，X uAT ，L iG ．R e s e a r c hO nd y n a m i c s d e s i g nf o ra c t i v a t e ds l u d g es y s t e m [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ．1 2 2 1 4 8 1 5 1 ． 责任编辑陈其泰 万方数据