Texaco氣化爐合成氣的影響因素及優(yōu)化.pdf

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1、第34卷第2期煤炭轉(zhuǎn)化Vo1．34NO．22011年4月C0ALC0NVERS10NApr．2O11Texaco氣化爐合成氣的影響因素及優(yōu)化王艷玲D馬素霞’摘要Texaco氣化爐內(nèi)發(fā)生著強(qiáng)烈的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，以質(zhì)量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)平衡為基礎(chǔ)，建立了Texaeo氣化爐的簡(jiǎn)化平衡模型．運(yùn)用Labview軟件強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和分析功能進(jìn)行編程，仿真研究了不同水煤漿濃度和氧煤比下合成氣各組分的含量，仿真結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好．以合成氣有效成分(CO+H：)的含量為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)氣化參數(shù)進(jìn)

2、行了優(yōu)化．研究結(jié)果對(duì)氣化爐的工業(yè)操作具有理論指導(dǎo)意義．關(guān)鍵詞氣化爐，平衡模型，優(yōu)化，合成氣，有效成分中圖分類(lèi)號(hào)TQ54C+H2O——H+C0(2)0引言C+CO，——2Co(3)C+2H2—一CH4(4)煤炭是我國(guó)的主要一次能源，其轉(zhuǎn)化利用是我均相反應(yīng)：國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱．以氣化為基礎(chǔ)的煤基多聯(lián)1cO+÷0———cO。(5)產(chǎn)系統(tǒng)及能源梯級(jí)綜合利用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展厶1的重要保障，并為二氧化碳減排和通向氫能經(jīng)濟(jì)奠H2十去O2一HO(6)厶定了基礎(chǔ)．煤氣化設(shè)備——?dú)饣癄t的工作性能對(duì)能CH+2O2一CO

3、2+2Ho(7)源的轉(zhuǎn)化利用效率有著非常重要的影響，本研究通Co+H2OCO2+H2(8)過(guò)建模分析，研究水煤漿濃度和氧煤比對(duì)氣化爐產(chǎn)CO+3H2CH4+H2O(9)生的粗煤氣中有效成分(co+H)含量的影響及其性能最優(yōu)化，為氣化爐的優(yōu)化運(yùn)行提供理論依據(jù)．1．2氣化爐平衡模型已知?dú)饣癄t工作壓力(P)，水煤漿流量(Q)、氧1平衡模型煤比()和水煤漿濃度(a)，根據(jù)氣化爐內(nèi)三傳一反的原理建立化學(xué)反應(yīng)平衡模型．由于粗煤氣中的Watkinson等提出平衡模型，結(jié)果表示該模COS和SO。含量很少，本模型認(rèn)為煤中的

4、硫元素全型對(duì)氣流床氣化爐的仿真效果最好，流化床次之，由部轉(zhuǎn)化為Hs，同樣假設(shè)煤中的氮元素全部轉(zhuǎn)化為于固定床存在一些不確定因素，其結(jié)果最差．E23N，同時(shí)為了簡(jiǎn)化模型，假定加入氣化爐內(nèi)的氣化1．1煤的氣化過(guò)程及氣化反應(yīng)劑(純氧)完全被消耗，粗煤氣的成分主要由H。，CO，CO，CH，N2，H。S和HO組成．Texaco氣流床氣化爐的氣化溫度比較高，碳與根據(jù)氣化爐內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及粗煤氣的組氧氣、水蒸氣、二氧化碳和氫氣等進(jìn)行異相反應(yīng)，同分，可得到質(zhì)量平衡方程：時(shí)還會(huì)伴隨著均相反應(yīng)．其主要反應(yīng)如下．Nc—m×(

5、6+c+)一—QXaXCc(10)—異相反應(yīng)：c+手oz一(2一手)CO+(手一1)COzN一(n+2d4：-f+g)一學(xué)+(】)(11)*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2009AA05Z216)．1)碩士生；2)教授、博士生導(dǎo)師，太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，030024太原收稿日期：20101O-03；修回日期：201O-¨一2o32煤炭轉(zhuǎn)化式中：y。y一。，y，y分別代表合成氣中CO，N。一(6+c+號(hào)廠)一+Hz，CH，HS的摩爾分?jǐn)?shù)．36+32(?12)在本模型中，認(rèn)為所有的氣體為理

6、想氣體，理想氣體的焓值采用下式計(jì)算：N一Xe一—QXaXCN(13)dH=CdT在理想狀態(tài)下，物質(zhì)的定壓比熱容C與溫度TNs=m×g～QXaXCs(147—有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：式中：a，b，C，d，e，f，g分別代表H，CO，CO，CH。C。一A+B丁+C丁2+D丁。N。，HO和H。S在合成氣中的摩爾分?jǐn)?shù)；CC，式中：c的單位為4。18J／(tool·K)；T的單位為C。，Cw，Cs分別為煤中元素分析的干燥基；表示K；公式中的A，B，c，D的數(shù)值可在文獻(xiàn)E43中查?。珊铣蓺獾目偰栙|(zhì)量；N—N。，N

7、【J1，N。，N式(10)～式(18)中，未知數(shù)為m，a，b，C，d，P，f，分別指將煤中C，H，O，N，S的含量折算成C，H，g，T共9個(gè)，9個(gè)未知數(shù)對(duì)應(yīng)有9個(gè)方程，理論上可O。，Nz和S的摩爾質(zhì)量；Q代表水煤漿流量，kg／h；以求解．a(chǎn)表示水煤漿濃度；口表示氧煤比．混合物的摩爾分?jǐn)?shù)還滿足道爾頓定理，故：2模型計(jì)算結(jié)果及性能優(yōu)化a+b+f+d+P++g一1(157由可逆反應(yīng)(8)和可逆反應(yīng)(9)可得到其化學(xué)反2．1計(jì)算結(jié)果應(yīng)平衡常數(shù)：根據(jù)所建立的平衡模型，運(yùn)用軟件Labview進(jìn)_()．O265exp

8、()(16)行仿真計(jì)算．計(jì)算程序分為兩部分：第一部分求解質(zhì)量守恒方程和化學(xué)平衡方程組成的非線性方程組_6．7125X1014exp()(見(jiàn)第33頁(yè)圖17；第二部分是從能量方程中求解氣(17)化溫度，用來(lái)校核計(jì)算氣化溫度(見(jiàn)第33頁(yè)圖2)．式中：P和T分別代表化學(xué)反應(yīng)時(shí)的壓力和溫度．輸入數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[1]中的數(shù)據(jù)，包括Illinois6根據(jù)能量守恒，輸入氣化爐內(nèi)的總熱量應(yīng)該等于煤和工作壓力．另外選取水煤漿濃度(a一63％，從爐中輸出的總熱量，