部分煤气化炉的热力学数学模型

　第24卷第4期　2004年8月

动力工程

POWERENGINEERING

Vol.24No.4　

Aug.2004　

　　文章编号:100026761(2004)0420560207

部分煤气化炉的热力学数学模型

余廷芳1,　蔡宁生2

(1.江西省电力试验研究院,南昌330006;2.清华大学热能工程系,北京100084)

摘　要:在考虑部分煤气化炉操作条件、气化剂、脱硫剂影响的基础上,引入了部分煤气化炉能量转化系数(而不是碳转化率)的概念,运用能量平衡、质量平衡、化学平衡方程建立了通用的与炉型无关的部分气化炉热力学数学模型,用于预测部分气化炉出口的煤气成份、产量、热值和所需气化剂的量。模型计算结果与实际数据相符,满足实际工程精度需要,并利用该模型计算分析了不同操作条件对部分气化炉产物的影响,模型计算的煤气成分及热值变化与实际及理论相一致。图14表3参7

关键词:动力机械工程;部分煤气化炉;热力学数学模型;性能分析;煤气成分预测中图分类号:TK229.8　　　文献标识码:A

ThermodynamicMathematicalModelofCoalPartialGasifier

YUTing2fang,　CAINing2sheng

1

2

(1.JiangxiElectricPowerTestingandResearchInstitute,Nanchang330006,China;2.Dept.ofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,BeiJing100084,China)

Abstract:Inthisthesis,athermodynamicmathematicalmodelforpartialgasifierwassetupwithrespect

totheinfluenceofoperationconditions,agentforgasificationandsorbent;Theconservationprincipleofenergyandmass,thethermodynamicequilibriumequationofchemicalreactionwereusedinthemodeles2tablishingprocess,thismodelisgenericandcanbeusedinmostkindofcoalpartialgaifier.Thepercent2ageofgascomposition,heatingvaluesofgasandtheagentforgasificationneededcanbepredictedbythismodel,thecalculatedresultsareveryclosetotheactualdata,itisalsosatisfiedwiththeneedofactualen2gineering.Withthemodel,Theperformanceofpartialgasifierunderdifferentoperationconditionswerealsocarriedoutinthispaper,thecalculatedresultsareconsistentwiththetheoryanalysis.Figs14,tables3andrefs7.

Keywords:powerandmechnicalengineering;coalpartialgasifier;thermodynamicmathematicalmodel;

performanceanalysis;predictionofgascomposition

　　部分煤气化炉是部分煤气化发电系统的关键设备之一,部分气化炉模块模型的准确性对部分煤气

收稿日期:2003208222

基金项目:国家重点基础研究发展项目(G[1**********]3)

作者简介:余廷芳(19742),男,江西乐平人,江西省电力试验研究院工程师,现为东南大学博士生。目前,主要进行先进燃煤发电技术和火电厂热力系统经济性等方面的研究。

化发电系统方案设计及性能计算分析影响很大。目前,全气化炉的数学模型研究较多[1,2],但多为数值模拟,针对炉型,且不适合煤气化发电系统的计算与分析,部分气化炉研究则很少见。

部分气化炉产物比全气化炉更为复杂,其产物有半焦、粗煤气,在较低的操作温度下还有煤焦油等,且煤焦油和半焦的成份复杂。本文在借鉴参考文

　第4期

余廷芳,等:部分煤气化炉的热力学数学模型

・561・

献[3]建模思想的基础上,根据部分气化炉自身特点,提出了部分气化炉能量转化系数的概念,在考虑气化炉共有的规律的同时,充分考虑了操作条件、气化剂、脱硫剂等的影响,建立了通用的与炉型无关的部分气化炉热力学模型,能在已知煤种、气化剂量、能量转化系数及操作温度TE、压力PG的情况下,确定气化炉出口的煤气成份、产量、热值,模型计算结果与实测数据吻合,并就不同操作参数对部分气化炉产物的影响进行了计算分析,结果与实际相符。该模型在第二代PFBC2CC中试电站初步方案确定及性能分析中得到了较好的应用[4]。

炭的质量为Mc=QcQDWC(kg),因而转入煤气中的碳元素量为:

Nc0=

12.016

g

(kmol)

由碳平衡得:

NC0=N

(XCO+XCO2+XCH4+X

cos

)(kmol)

(2

)

1　能量转化系数Qn

鉴于部分气化炉的产物的复杂性,常用的炭转化率Xc表示煤气化程度并不适合部分气化炉产物预测模型中的计算,为此我们引入部分气化炉的能量转化系数Qn概念:

Qn=1-M

c

图1　部分气化炉物流平衡图

Fig1　Materialflowbalanceofcoalpartialgasifier

2.1.2　氧元素平衡　转入煤气中的氧来源有:①入

炉煤中的Oy;②气化气(空气或氧气)中的O2(含氧

);③水蒸汽中的氧元素,但煤焦油和焦炭中率为B

也含有一定的O,因而转入煤气中氧量为:

NO20=+

32.0

QDW

(1)

　　其意义是煤气化反应中除半焦所含能量以外的所有能量占气化炉进口煤所含能量的份额。式中M

c

为1kg入炉煤在经部分气化炉后产生的半焦质量(kg);QDWC为半焦低位热值(kJkg);QDW为入炉煤低位热值(kJkg)。由上述可见:Qn更能反映部分气化炉实际能量转换的程度。

32.0

+

(kmol)

36.032

由氧平衡有:

N

O2

0=Ng(0.5XCO+0.5X

X

CO2

cos

+

(3)

+0.5XH2O)(kmol)

2　部分气化炉数学模型

部分气化炉建模目的是:在给定入炉煤种成份(Cy、Hy、Oy、Sy、Ny、Ay、Wy)及低位热值QDW(kJkg),出口焦炭成份(Cc、Hc、Nc、Oc、Sc)及低位热值

QDWC(kJkg),煤焦油成份(Ct、Ht、Ot、Nt、St),产量Mt(kgkg煤)及低位热值QDWt(kJkg),操作温度TE(℃),操作压力PG,气化剂组成,能量转化系数Qn的条件下,计算煤气量N

g

2.1.3　氢元素平衡　煤气中氢的来源有:1)煤中Hy,2)水蒸汽中含氢,因而煤气中氢总量为,由氢平

衡得:

NH20=Ng(XH2+2XCH4+XH2O+XH2S)(kmol)

(4)

2.1.4　氮元素平衡　煤气中氮的来源有:①煤中Ny;②气化空气中N2,可得

N

N2

0=

(kmol),煤气组份

SO2

(XCO、XH2、XCO2、XCH4、XN2、XH2S、XCOS、XH2O、X

)

+

28.016

(kmol)

28.016

(Vol%),气化气(空气或富氧)量M(kgkg煤),气化蒸汽量St(kgkg煤)这12个未知数,并求出煤气

由氮平衡得:NN20=Ng(XN2(kmol)

(5)

2.1.5　硫元素平衡　煤气中硫的唯一来源是煤中

热值、质量、体积。

如图1,以1kgs入炉煤为基准,假设气化过程中氧气完全被消耗掉。2.1　元素平衡

2.1.1　碳元素平衡　由能量转化系数为Qn,可知

的Sy,可得Ns0=(kmol),硫平衡得:

Ns0=N

g

32.066

SO2

×(XH2S+XCOS+X

)(kmol)(6)

2.1.6　考虑4组化学反应平衡式[3]:

残留在焦炭中的能量为Qc=(1-Qn)×QDW(kJ),焦

・562・

　　　　动　力　工　程

第24卷　

XXXX

CHHCO

XX

2

COH2O

=0.0265EXP(3956TG)

18

(7)

MgCO3CaO+H2S

gO+CO2-100MJkmol+H2O-68.49MJkmol

(kg)X1

X

3H2

HO

CO

XPG

2HO

=6.1725×10-EXP(27020TG)

(8)

2.3.1　加入部分气化炉的脱硫剂的量P为:

P=3.123Y

(14)

XX

HS

X

2.3.2　加入脱硫剂后对转入煤气中各元素量的影

=4.3554×10

-10

SO2

X

3H2

PG

EXP926281TG)

(9)

响　脱硫剂的加入对转入煤气中的C、H、O,S元素量有影响,而对N元素不产生影响。

(1)加入脱硫剂后Ns的修正

设未加入脱硫剂时转入煤气中的S为Ns0(kmol),加入脱硫剂后按脱硫效率GS固硫

$Ns=-Ns0×GS(kmol)

　　(2)加入脱硫剂后Nc的修正

(15)

XX

HSCOS

XX

COH2O

=0.75134EXP(4083TG)(10)

式中TG=TE+273.15(K)2.1.7　由道尔顿定律得:

X

CO

+XH2+XCO2+XCH4+XN2+XH2S+

X

COS

+XH2O+X

AM

SO2

=1(11)

脱硫剂中MgCO3分解及CaCO3与H2S的反应都增加了Nc,增加量为

2.1.8　气化剂组成为:

(12)

$Nc=

100.089

+

O2

84.316

(kmol)(16)

2.2　能量平衡

2.2.1　进入部分气化炉的总能量为:

Qin=Q1+Q2+Q3+Q4

　　(3)加入脱硫剂后N修正

MgCO3、CaCO3及脱硫剂中的水份使NO2增加

　　Q1燃料热值Q2蒸汽焓Q3燃料显热Q4入炉空

气显热

2.2.2　离开部分气化炉的总能量为:

Qout=Q5+Q6+Q7+Q8+Q9+Q10(kJ)　　1)煤气化学热Q5=Ng×22.4×Qf(kJ)

3

Qf粗煤气低位热值(kJNm)

Qf=(XCO×30.29+XH2(25.8+XCH4(85.6+

X

H2S

$N

O2

=

100.089

+

84.316

+

(17)

(kmol)+

236.032

　　(4)加入脱硫剂后N

H2

的修正增加(kmol)

(18)

脱硫剂中的水份使N

$N

H2

H2

=

18.016

(55.9)×418.68(kJNm3)

　　(5)脱硫化学反应而产生的化学热为:

Qs=-　　Q6煤气焓,Q7焦炭和煤焦油化学热,Q8焦炭和煤焦油显热,Q9灰渣显热

2)热损失Q10=A×QDW(kJ)

A热损系数(%)

84.316

×315-

×

100.089

(19)

183-Ns0×G.49(MJ)s×68

　　(6)加入脱硫剂后灰渣量的修正

由上面4组脱硫反应灰渣除煤中灰份外,还包括CaO、MgO,CaS及脱硫剂中的杂质,总的灰渣量

Mhz为:Mhz=A

y

(13)满足能量平衡的关系式为:Qout=Qin

2.3　考虑脱硫剂的影响

设脱硫剂的CaCO3,MgCO3,水份,杂物的质量

百分含量为X1,X2,X3,X4;CaS比为Y,脱硫效率为GS,假设脱硫剂中MgCO3全以CaCO3・MgCO3的形式存在,并设与脱硫剂反应的含硫气体均为H2S。设在部分气化炉中反应后随焦炭进入流化床燃烧炉的废脱硫剂成份为CaS,CaO,MgO和杂物,主要反应为[5]:CaCO3・MgCO3

CaCO3

3+MgCO3-32MJkmol+CO2-183MJkmol

(+GS×Ns0×72+

100.089

4

-(20)

Gs×Ns0)×56+

84.316

×40+PX

　　(7)加入脱硫剂后的煤气量为:

M

g

=1+St+M+P-Mhz-Mc-Mt(kgkg煤)

(21)

　　考虑脱硫剂后,方程(2～6)及(13)中的NC0,

N

O2

0,N

H2

0,N

N2

0,NS0,Qin必须作相应的修正。由方

程组(2～13)即可解出粗煤气组份(XCO,XH2,XCO2,

X

CH4

,XN2,XH2S,X

cos

,XH2O,X

g

so2

),气化空气量M,水

表1　模型计算空气量与试验值的对比

Table1　Comparisonbetweenairneededcalculat-edbymodelandtestingresults

TR1.1TR1.2TR1.4TR2.3TR2.4TR2.5

蒸汽量St和粗煤气量N这12个变量。

3　模型计算结果

作者利用上述模型对参考文献[6]中TR1.1～

操作参数TR2.5六组数据进行了计算对比,煤种、

及试验数据取自文献[6],计算得到的空气量与试验数据的比较见表1。除TR2.5误差较大外(文献中TR2.5试验热平衡数据偏差大),其他几组吻合很

操作温度TE877℃924℃10132.4942.360

822℃9581.421.55

979℃10473.413.56

979℃14172.382.45

922℃14581.742.12

操作压力PG(kPa)1150试验值(kgkg煤)1.908计算值(kgkg煤)1.874

作压力为1.42MPa,操作温度为871℃,采用白云石为脱硫剂,煤、煤焦油、焦炭及脱硫剂数据参见表2,

好。

能量转化系数为0.50186,空气量为1.608,蒸汽量

　　作者还利用模型对一气化匹兹保煤的部分气化

为0时的煤气组成(vol%)的试验值和模型计算值[7]

炉进行了计算,该部分气化炉为加压气化炉,其操

见表3,可见该模型具有较好的精确度。

表2　部分气化炉物流成份数据

Table2　Materialflowcompositiondataofcoalpartialgasifier

Cy

H

y

OyN

y

SyA

y

W

y

QDWY(kJkg)质量(kg)

1.00.44370.015

入炉煤出口焦炭煤焦油脱硫剂

71.9293.05690.422

4.691.2274.357

6.330.84262.18

1.261.5131.065

2.993.3611.976

10.310.00.0

2.50.00.0

28980.8632534.8335807.8

CaCO3:54.4%MgCO3:43.3%水份:0.5%惰性物:1.7%

表3　模型计算值与试验值的比较

Table3　Comparisonbetweencalculatedresultsbymodelandtestingresults

空气量

(kgkg煤)

CO(vol%)14.214.36

H2(vol%)7.27.9

CO2(vol%)11.0512.1

CH4(vol%)4.675.25

N2+Ar(vol%)56.755.3

H2O(vol%)6.265.01

煤气量

(kgkg煤)2.1252.127

煤气低位热值(kJkg)

45114528

试验值计算值

1.6081.59

4　气化炉运行参数变化对气化炉性能

到最大值。而煤气成份CO2随操作温度的增加而减少,CH4随TE的升高急剧减少。因TE升高,有更多的能量转化为煤气显热,所以煤气的热值将随TE的升高而减小。这说明在低温下气化有利于冷煤气

效率的提高。

4.3　气化炉入口蒸汽空气比STM对气化炉性能

的影响

能量转化系数Qn=0.7和Qn=0.4时,煤气热值随STM的变化分别如图8和图9所示,在能量转化系数Qn较大(Qn=0.7)时,煤气热值随STM的增加呈先增后减的趋势,而在Qn较小(Qn=0.4)时,煤气热值随STM的增加是一直减小的,这表明在Qn较高时,加入一定的水蒸汽有利于煤气质量的提高,而在Qn较小时,水蒸汽的加入将使煤气热值下降。

的影响

　　利用所开发的气化炉模型对气化炉的参数变化作了计算分析,计算采用的数据取自表2。4.1　操作压力PG对气化炉性能的影响

图2～图4为部分气化炉操作压力变化对出口煤气各参数的影响,在计算过程中,其他参数如Qn、由图可见,随PG的增加,煤气TE、STM、A为定值。成份CO,H2呈下降趋势,而多原子的煤气成份CH4、CO2则随PG的升高而增加。随PG的升高,出

口煤气的热值升高。

4.2　气化炉操作温度TE对气化炉性能的影响

图5～图7为部分气化炉操作温度TE变化时出口煤气各参数的变化,随操作温度TE的增加,煤气成份CO,H2先增后减,在920℃～950℃之间达

图2　煤气热值随操作压力PG的变化

Fig2　Therelationshipbetweenheatingval2

uesofgasandoperatingp

ressure

图5　煤气热值随操作温度TE的变化

Fig5　Therelationshipbetweengasheating

valuesandoperating

temperature

图3　煤气成份CO、H2随PG的变化

Fig3　Therelationshipbetweengascomposi2

tionCO,H2andoperatingp

ressure

图6　煤气成份CO,H2随TE的变化

Fig6　Therelationshipbetweengasgascompo2

sitionCO,H2andoperating

temperature

图4　煤气成份CH4、CO2随PG的变化

Fig4　Therelationshipbetweengascomposi2

tionCH4,CO2andoperatingpressure

图7　煤气成份CH4,CO2随TE的变化

Fig7　TherelationshipbetweengascompositionCH4,CO2andop2

eratingtemperature

　　煤气成份随STM的变化关系如图10～图11

所示。随STM的增加,由于煤气反应中CO+H2O=CO2+H2,煤气成份CO将随STM

的增加而减

小,CO2,H2随STM的增加而增加。在水蒸汽较少时,随STM的增加,由于H2的增加,因加氢反应

图8　煤气热值随STM的变化

Fig8　TherelationshipbetweengasheatingvaluesandST

M

图11　煤气成份CH4、CO2随STM的变化

Fig11　Therelationshipbetweengascomposi2

tionCH4、CO2andST

M

图9　煤气热值随STM的变化

Fig9　TherelationshipbetweengasheatingvaluesandST

M

图12　煤气热值随Qn变化

Fig12　TherelationshipbetweengasheatingvaluesandQ

n

图10　煤气成份CO,H2随STM的变化

Fig10　Therelationshipbetweengascomposi2

tionCO,H2andSTM

图13　煤气成份CO、H2随Qn的变化

Fig13　Therelationshipbetweengascomposition

CO,H2andQn

4.4　能量转化系数Qn变化时,气化炉各参数的变

而CH4增加,但随STM进一步加大,因H2O的增加,由甲烷化反应CO+3H2=CH4+H2O可知,反而不利于CH4的生成,所以,CH4随STM的增加呈先增后减的趋势

。

化

出口煤气热值和成份等随Qn的变化如图12～14所示。随Qn的增大,有更多的能量转入气化反

应,而TE不变,煤气显热增加不大,因而转入煤气

型的计算结果与实际相符,利用模型预测的煤气主要组分和热值误差满足工程精度需要,气化炉参数变化时,模型计算的煤气成分及热值变化与实际及理论相一致,证明了模型的正确性及准确性。且该模型在部分煤气化发电系统中对选择和分析部分气化炉的参数有一定的指导意义。参考文献:

[1]刘向军,朴泰俊,德士古气化炉内煤气化过程的数值研究[J].动

力工程,2002(5).

图14　煤气成份CH4、CO2随Qn的变化

Fig14　Therelationshipbetweengascomposition

CH4、CO2andQn

[2]李　政,等,Texaco煤气化炉数学模型的研究[J].动力工程,

2001(2).

[3]WatkinsonAP,LucasJP,LimOJ.Apredictionofperfor2

manceofcommercialcoalgasifier[J].Fuel,1991,70(4):519～527.

[4]肖　军,等.第二代PFBC2CC中试电站初步方案及性能分析

[J].工程热物理学报,2002(S1).

[5]仲兆平,兰计香.第二代PFBC-CC脱硫静态试验研究[J].煤炭

化学热增加,煤气热值增大。煤气成份H2随Qn的增加虽然逸出更加充分,但后期逸出的H2越来越小,总的H2随Qn的增加而减小。随Qn的增加,转入煤气的C增加,CO和CO2增加,由甲烷化反应,然而,随Qn增加,在热损和操作温度不变CH4增加。

的情况下,将有更多的能量用于还原反应,CO2反有下降的趋势。

转化,1997(1).

[6]VanHookJ,etal.Carbonconversionsmeasuredinasecond2

generationPFBpilotplantcarbonizer[J].ASME,FluidizedBed

～1060.Combustion.,1993,(12):1053

[7]RobertsonADBonk.Effectsofpessureonthesecond2genera2

tionPFBC2CCpowerplant[J].J.ofEngineeringforGasTur-binesandPower,TransactionofASME,1994,116(4):345～351.

5　结论

针对部分煤气化发电系统方案设计和性能计算

分析,本文开发了部分气化炉热力学数学模型,该模

下期待发表论文摘要预告

基于对角递归神经网络整定的PID解耦单元机组负荷控制系统

刘红军,　韩　璞,　于希宁

(华北电力大学　自动化系,保定071003)

摘　要:针对火电厂单元机组这类具有多变量强耦合,非线性及参数时变的受控对象,提出了基于对角递归神经网络整定的PID解耦控制方法,其主要特点是能够提供一个对角递归神经网络来辩识系统模型,进而对PID控制器参数进行整定,实现多变量解耦控制。通过对火电机组负荷控制系统的设计和仿真研究,结果表明,系统达到了动态近似解耦、静态完全解耦和无静差跟踪,同时具有响应速度快,鲁棒性好等特点。

燃烧模型与切圆锅炉烟气偏差的数值研究

王彦辉,　徐　鸿,　康志忠,　刘　彤

(华北电力大学　动力系,北京102206)

摘　要:详细分析并建立了锅炉多相流动与燃烧模型。利用该模型对改造前切圆锅炉水平烟道烟温、烟速偏差进行了数值模拟,计算结果和实际运行状况一致,证明了模型的可靠性。数值研究表明:上二次风反切和小切圆可以有效减小水平烟道烟温烟速偏差;综合比较,上二次风反切是更为可行的改造方案。