德士古煤气化过程计算与分析.doc

德士古煤气化过程的计算与分析 作者/来源：左卫雄（上海焦化有限公司，上海 200241) 日期：2006-10-20 ??? [摘? 要]? 通过物料衡算，得到煤气化合成气的组成函数，从物料角度，氧气投入量越少越好。通过能量衡算，得到各条件下气化炉中氧气的最少需要量，这也是理论最少量，同时还给出了气化炉能量平衡对氧气投入量的敏感程度；并提出有关改进生产和工艺的一些建议。 ??? [关键词] 德士古；煤气化；热力学；最少氧气量；水煤浆浓度 ? 0? 引言 ??? 德士古炉煤气化过程非常复杂，生产中常常根据经验对生成状况进行调整，特别是两个重要参数的调整，即水煤浆浓度和氧气投料量，缺乏理论数据的支持。本文力图经过一些必要的简化，从理论上给出德士古炉的产品与投料的定量关系，获得了成功，该结果对实际操作具有很强的指导意义。 1? 物料衡算 1.1 数学模型 ??? 为了建立气化炉内煤的燃烧模型，对各物料状态特别是煤的组成和状态作下列简化。这些简化使得物料衡算得以进行，但不会偏离过大，这些简化之后通过计算所得的结论依然有指导意义。 ??? （1）把煤看作是碳、氢、氧三元素以及其他元素组成的混合物，其他元素都看作是惰性元素。以陕西神府煤为例，进行估算后，各元素取平均值，组成如表1。 表1 原料煤的组成 元素 C H O 其他 百分含量％ 74.0 5.0 14.0 7.0 ??? 煤中灰份按6％计，因灰分中含氧比例高，而含碳氢元素少，煤渣按11％计算，这样1吨煤实际参与气化反应的元素组成见表2。 表2? 原料煤实际参与气化反应的元素组成 元素 C H O 参与量％ 70.06 4.73 12.46 ? ??? （2）对气体做必要的简化。虽然煤浆气化为合成气的时间只有数秒，但气化炉内温度高达1400℃，在高温，中压（气化炉压力4MPa左右）情况下，所考察的5种气体，CO、CO2、H2、O2、H2O均看作理想气体。 ??? （3）因整个气化炉处于还原性气氛（主要气体为H2和CO，这两种气体均为还原性气体），可以认为气化反应后氧很少，可以忽略。 ??? （4）气化炉内的水分为两部分，一部分是水煤浆中所含的水，另一部分是激冷水。水煤浆中的水随煤的燃烧迅速气化，温度升到1400℃，所以认为这部分水是完全参与气化反应的；而激冷水温度只有200℃左右，在无催化剂条件下，反应CO＋H2O = H2+CO2几乎不能进行，所以认为这部分水是不参与气化反应的。 ??? 下面对CO＋H2O = H2+CO2这一反应在1400℃、4MPa的平衡进行计算，原始物性数据均摘自/chemistry/. 实际上，气化炉内并未达到平衡，根据多次的经验和根据我公司德士古炉出炉合成气组成的结果反向推算，平衡值取0.5比较合适，即： ??? ????????? （1） ??? 设定进料原料干煤1 t，配得水煤浆中含水a? t，相应耗氧b m3，气化反应后产生二氧化碳x1 m3，氢气x2 m3，一氧化碳x3 m3，水蒸汽x4 m3，由上面的假设可以列出下列平衡方程式： ??? 碳元素平衡 ??? 70.06×104＝（x1＋x3）×1000÷22.4×12??????? （2） ??? 氧元素平衡 ??? （12.46＋a×100×16÷18）×104＋b×1000÷22.4×32 ＝（2x1＋x3＋x4）×1000×16?????????????? （3） ??? 氢元素平衡 ??? （4.73＋a×100×2÷18）×104＝（x2＋x4）×1000÷22.4×2? （4） ??? 化学平衡 ??? （5） ??? 由（2）、（3）、（4）、（5）组成含4个未知数（x1,x2,x3,x4）4个方程式的方程组，可以得到两个解，可根据计算情况排除其中一个不合理的解。 ??? 记 ?s＝（3733.33a＋3b＋1233.96）/ 2 ??? t＝1244.44a＋2b－1133.35 ??? m＝2488.89a＋1059.52 ??? ??? x1＝t - x4??????????????????????????????????????????? ???????(6) ??? x2＝m/2 - x4???????????????????????????????????????????????? (7) ??? x3＝2441.14－1244.4a－2b + x4???????????????????????????????? (8) ??? x4＝ ?????????????????????????????????????????????????? (9) ??? 当x4＝ 时，水蒸气量太大，不合理，所以取x4＝s－n。 1.2 氧气流量对气化反应的影响 ??? 按照