整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）空氣爐的性能研究綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u5569整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）空氣爐的性能研究綜述 1318761.1引言 166791.2AspenPlus模型的建立 1200221.1.1空氣氣化爐工作原理 1174141.1.2基于AspenPlus建立空氣氣化爐計(jì)算模型 2168951.3計(jì)算條件及結(jié)果驗(yàn)證 4102471.4空氣爐的性能模擬 570461.4.1氣煤比對(duì)空氣氣化爐性能的影響 5163681.4.2氣化溫度對(duì)氣化爐性能的影響 8181561.5結(jié)論 81.1引言IGCC空氣爐的結(jié)構(gòu)多樣，不同結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)會(huì)影響煤的氣化結(jié)果，對(duì)煤的氣化過(guò)程有一個(gè)良好的認(rèn)識(shí)是必不可少的一個(gè)過(guò)程，了解空氣氣化爐的工作機(jī)理以及煤粉進(jìn)行熱解氣化時(shí)的基礎(chǔ)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理，可以更好的進(jìn)行合適的數(shù)值計(jì)算以及模型創(chuàng)建，來(lái)剖析煤的氣化過(guò)程，進(jìn)一步創(chuàng)立并優(yōu)化空氣氣化爐對(duì)煤粉熱解氣化產(chǎn)出合成氣的效率分析和品質(zhì)調(diào)控。本章主要解釋空氣爐氣化工作原理，以及利用AspenPlus軟件進(jìn)行模型的確立，以及對(duì)模型相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算驗(yàn)證。1.2AspenPlus模型的建立1.1.1空氣氣化爐工作原理空氣氣化爐對(duì)于煤種的反應(yīng)能力相較于氧氣作為氣化劑的氣化爐更低，所以空氣爐需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)活性低的煤種的有效熱解氣化。本課題中空氣爐采用兩段布置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選用的煤粉于入口處由通過(guò)空分系統(tǒng)得到的氮?dú)馑腿?，有效地帶?dòng)煤粉進(jìn)入溫度較高的燃燒室，在這個(gè)過(guò)程中，其中一部分煤粉由于溫度過(guò)高，會(huì)率先分解，并以此為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)，這部分煤熱解產(chǎn)物會(huì)和再循環(huán)得到的焦炭與過(guò)量空氣進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生熔融灰和合成氣，同時(shí)放出大量的熱量，合成氣的主要成分為CO、CH4、CO2、H2O、O2、N2等。煤的整體氣化過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，要綜合處理煤的各過(guò)程特性，以符合在空氣氣化爐的整體運(yùn)行特性。內(nèi)壁需要專門設(shè)立水冷壁，對(duì)產(chǎn)生的合成氣進(jìn)行一定程度上的冷卻處理。同時(shí)在煤的分解和接下來(lái)的進(jìn)一步氣化，也屬于吸熱反應(yīng)，會(huì)吸收合成氣中大量的熱量，一定程度上會(huì)降低合成氣溫度，利用此種手段可以使高溫合成氣流出時(shí)，將流化爐的溫度降低到標(biāo)準(zhǔn)溫度，是隨爐流出的焦炭和熔融會(huì)固化，不會(huì)沾污系統(tǒng)后續(xù)反應(yīng)器及裝置表面。圖2-1空氣爐的結(jié)構(gòu)1.1.2基于AspenPlus建立空氣氣化爐計(jì)算模型通過(guò)過(guò)程虛擬軟件AspenPlus，對(duì)空氣氣化爐模型進(jìn)行創(chuàng)建并開始煤的氣化流程模擬及計(jì)算，探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況，比較驗(yàn)證模型的可行性，以及合適的運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。創(chuàng)建的AspenPlus模型如圖2-2所示，在該模型中，主要包括兩個(gè)過(guò)程，煤的燃燒以及煤的熱解過(guò)程，需要綜合考慮，兩種反應(yīng)的反應(yīng)狀態(tài)和反應(yīng)占比，由于煤的熱解速度是要比逆向反應(yīng)速度高很多的，煤的熱解過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，利用COMB模塊可以簡(jiǎn)化整體過(guò)程，以單元素分子為出口可以保證此部分物料平衡。圖2-2基于AspenPlus的空氣爐模型假定煤熱解生成產(chǎn)生焦和CO、CO2、H2O、O2、N2等組分。反應(yīng)室采用GASIFIER反應(yīng)器，若要保證Gibbs自由能最小化，就要利用GASIFER反應(yīng)器來(lái)保證氣固相平衡。Gibbs自由能應(yīng)保持最小值，即[21]在AspenPlus軟件中可以對(duì)氣化爐不同部分的參數(shù)和出入口組分有非常詳細(xì)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，我們通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析，利用軟件自身所擁有的功能對(duì)整體爐膛的特性進(jìn)行虛擬計(jì)算，給定各模塊所需要的數(shù)據(jù)，通過(guò)其中自帶的分析工具就可以得到出口處的粗煤氣成分。進(jìn)一步可以探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況。煤的熱解氣化發(fā)生在高溫環(huán)境中，煤自身的結(jié)構(gòu)被破壞之后，其中蘊(yùn)含的能量將被再次利用，會(huì)將物質(zhì)中的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在得到的粗煤氣中，通過(guò)這種方式將煤的能量收集起來(lái)，還可以減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)還能獲得高質(zhì)量的合成氣。而相比之下燃燒反應(yīng)，在破壞物質(zhì)原有的結(jié)構(gòu)后，將釋放的大部分能量以熱量的方式擴(kuò)散到周圍，并不能對(duì)煤炭中的能量進(jìn)行有效的利用。在氣化爐中，煤的氣化過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)也是最需要重視的部分，多種反應(yīng)會(huì)互相影響。煤與空氣發(fā)生多種不同的反應(yīng)，可以簡(jiǎn)單概括為以下幾點(diǎn)：熱解氣化產(chǎn)氣燃燒反應(yīng)：碳的氣化反應(yīng)：水氣置換反應(yīng)：甲烷化反應(yīng)：1.3計(jì)算條件及結(jié)果驗(yàn)證 本文首先通過(guò)過(guò)程虛擬軟件AspenPlus，對(duì)空氣氣化爐模型進(jìn)行創(chuàng)建并開始煤的氣化流程模擬及計(jì)算，探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況，比較驗(yàn)證模型的可行性，以及合適的運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。氣化用煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表2-1所示(發(fā)熱量28.5MJ/kg)。在常溫常壓的條件下,給煤量為1kg/s。表2-1煤質(zhì)資料表名稱數(shù)值（%）名稱數(shù)值（%）收到基水分（)9.54收到基氫（）4.96收到基灰分（）9.64收到基氧（）6.84干燥無(wú)灰基揮發(fā)分（）39.45收到基氮（）1.59收到基碳（）74.46收到基全硫()1.44由表2-2數(shù)據(jù)對(duì)比可知，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)稍有不同。其中CO和H2的計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)先比，含量較為高，這是因?yàn)檫x取的部分鍋爐參數(shù)和反應(yīng)條件不同，所得的合成其中的有效成分含量相對(duì)較高。CO2和H2O的計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[23]中的數(shù)據(jù)先比，含量較為低，這是因?yàn)樵诿悍N進(jìn)料等量的條件下，更高的有效氣體占比意味著更少的有效氣體損耗，相應(yīng)的最終燃燒產(chǎn)物CO2和H2O的含量就會(huì)相對(duì)較低。N2的模擬值基本準(zhǔn)確，這是因?yàn)樽罱K合成氣中的N2的主要來(lái)源是來(lái)自氣化劑，即空氣中的氮?dú)?，在煤種進(jìn)料控制一定的時(shí)候，在一定的氣煤比比例條件下，空氣的進(jìn)量相對(duì)保持一定，所以進(jìn)入到最終合成其中的N2含量相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)煤整體熱解氣化過(guò)程的綜合考慮以及反應(yīng)比例的分析以及對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中爐膛特性以及反應(yīng)適應(yīng)性的分析，虛擬過(guò)程所得的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中得到數(shù)據(jù)間的誤差對(duì)整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)有太大影響，可以認(rèn)為整個(gè)模擬過(guò)程是符合邏輯的，模型的創(chuàng)建及計(jì)算方法使用是沒有問(wèn)題的。利用Gibbs反應(yīng)器對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行AspenPlus模型處理的探索方法可行，可以進(jìn)一步探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況。表2-2結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)氣體成分XB/%資料數(shù)據(jù)/%模擬值/%CO26.328.60H210.111.71CO23.11.8H2O1.81.59N256.154.71.4空氣爐的性能模擬1.4.1氣煤比對(duì)空氣氣化爐性能的影響氣煤比是空氣氣化爐性能指標(biāo)的重要組成部分，它主要反映了空氣爐中燃料和氣化劑部分進(jìn)入反應(yīng)室的質(zhì)量比值，直接決定了爐內(nèi)反應(yīng)進(jìn)行的比例和進(jìn)行程度。煤的熱解氣化反應(yīng)需要一定的氧氣進(jìn)行啟動(dòng)，但是過(guò)多的氧氣會(huì)損耗煤熱解產(chǎn)物進(jìn)行燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致最終合成氣中的有效成分減少，同時(shí)產(chǎn)生過(guò)多熱量影響系統(tǒng)裝置的工作狀態(tài)，耗損設(shè)備壽命，選擇正確合適的氣煤比可以最大程度的提升合成氣的整體質(zhì)量，保持系統(tǒng)裝置的使用壽命。進(jìn)入反應(yīng)室的空氣主要包括，為吹送煤粉進(jìn)入反應(yīng)室的一部分空氣，以及作為主要?dú)饣瘎┻M(jìn)入反應(yīng)室的空氣。氣煤比可以控制煤的燃燒反應(yīng)和熱解氣化反應(yīng)的比例情況以及反應(yīng)的進(jìn)行程度，對(duì)合成氣最終的成分組成，熱量等級(jí)，冷煤氣效率，包括整體系統(tǒng)的生產(chǎn)效率都有著至關(guān)重要的干涉。本課題對(duì)空氣氣化爐整體性能的研究中，選擇通過(guò)控制氣化劑入口處進(jìn)入反應(yīng)器的空氣流速的方式，在其他條件不變的情況下，進(jìn)行數(shù)值的虛擬計(jì)算，借此探究并計(jì)算過(guò)得在氣煤比改變時(shí)，不同的研究條件隨之改變的變化狀態(tài)。圖2-3中，氣煤比對(duì)合成氣的影響，在氣煤比達(dá)到3.5的時(shí)候發(fā)生改變，這是由于在氣煤比小于3.5時(shí)，隨著氧氣的增加，反應(yīng)器中煤的氣化反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，煤分解所吸收熱量逐漸增加。但隨著氣煤比的增大，空氣大量進(jìn)入反應(yīng)器，此時(shí)的部分煤熱解氣化產(chǎn)物會(huì)與多量的空氣進(jìn)行反應(yīng)，使燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，此時(shí)燃燒反應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致合成氣溫度增長(zhǎng)加劇。隨著氣煤比的進(jìn)一步增大，進(jìn)入反應(yīng)器空氣量的增加，需要更多的熱量加熱空氣，同時(shí)過(guò)多的空氣盡量會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)變化更加迅速，在氣化劑流速增快的情況下，煤粉顆粒的反應(yīng)空間與時(shí)間逐漸減小，反應(yīng)速度會(huì)被逐漸放緩，溫度增加逐漸放緩，由于氣煤比進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致氧氣過(guò)量，使得放熱相關(guān)反應(yīng)室平衡點(diǎn)右移，產(chǎn)生熱量。圖2-3氣煤比對(duì)合成氣溫度的影響圖2-4氣煤比對(duì)合成氣構(gòu)成的影響通過(guò)比較處理圖2-4中氣煤比變化對(duì)合成氣氣體構(gòu)成的控制狀況以及圖2-5中氣煤比對(duì)合成其中可利用氣體含量的控制情況，我們可以發(fā)現(xiàn)，CO、H2的流量從氣煤比為1.5一直變化到氣煤比為3時(shí)，流量在逐漸增大，并在氣煤比為3.5時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)闅饷罕仍龃螅馕吨諝夂兔悍鄣馁|(zhì)量流量比增大，進(jìn)入反應(yīng)器的空氣含量增高，有更加充足的氣化劑，會(huì)導(dǎo)致整體燃燒反應(yīng)右移，反應(yīng)程度加劇，使整體反應(yīng)溫度提升，從而導(dǎo)致反應(yīng)器中的氣化溫度提升，此時(shí)，溫度對(duì)熱解氣化反應(yīng)的影響更大，所以會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)煤的熱解氣化作用，以及CO2的還原反應(yīng)，引起更多的CO、H2氣體生成。在氣煤比超過(guò)3.5的時(shí)候，我們可以注意到，CO、H2的濃度逐漸降低，CO2、H2O的濃度大幅度提升，這主要是因?yàn)椋瑲饷罕冗M(jìn)一步增大，反應(yīng)器中的空氣含量進(jìn)一步提升，整體燃燒反應(yīng)進(jìn)一步右移，整體反應(yīng)溫度也進(jìn)一步提升，同時(shí)，空氣含量的提升也會(huì)導(dǎo)致CO、H2的燃燒反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，煤粉的充分燃燒和氣化產(chǎn)物CO的燃燒都會(huì)產(chǎn)生CO2，氣化產(chǎn)物H2燃燒會(huì)產(chǎn)生H2O，同時(shí)隨著氣煤比的增大，進(jìn)入反應(yīng)裝置的氣化劑含量也會(huì)相應(yīng)的增大，則需要增大氣體流速，這樣會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)流場(chǎng)變化的加劇，不利于煤粉顆粒懸浮在流場(chǎng)中與空氣進(jìn)行有效的接觸混合和反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)的進(jìn)程減緩，反應(yīng)速度降低，在這種情況下，整體的合成氣中有效氣體的含量就會(huì)持續(xù)減少。這樣通過(guò)整體過(guò)程的模擬計(jì)算，以及根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的分析，我們可以得知，過(guò)低的氣煤比，會(huì)使煤粉的熱解氣化反應(yīng)不夠充分，浪費(fèi)了原料，過(guò)高的氣煤比，會(huì)使煤粉過(guò)度反應(yīng)，破壞流場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性，導(dǎo)致氣化產(chǎn)物產(chǎn)量的降低，選擇氣煤比為3.5時(shí)，最適合本次設(shè)計(jì)的氣化爐進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)。圖2-5氣煤比對(duì)合成氣中有效氣體含量的影響圖2-6氣煤比對(duì)冷煤氣效率的影響通過(guò)分析圖2-6氣煤比變化對(duì)冷煤氣效率的影響，我們可以發(fā)現(xiàn)，冷煤氣效率是隨著氣煤比的逐漸升高，呈現(xiàn)出一種先增后減的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)?，在氣煤比小?.5的時(shí)候，由于氣化劑的含量逐漸增大，整體反應(yīng)向右移，煤的熱解反應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，熱解氣化反應(yīng)的速度要快與燃燒反應(yīng)的速度，整體過(guò)程煤的氣化效果在逐漸提升，煤氣中的有效氣體含量逐漸升高，并于氣煤比達(dá)到3.5時(shí)達(dá)到最大。在氣煤比超過(guò)3.5時(shí)，由于氣化劑的過(guò)量輸入，氣化劑中的主要成分氮?dú)鈺?huì)大量進(jìn)入合成其中，并且會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行效果，同時(shí)由于氧氣含量的升高，煤及其氣化產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)氣速度的增加也會(huì)破壞整體流場(chǎng)的狀態(tài)，進(jìn)而減弱整體反應(yīng)的反應(yīng)能力，合成其中的有效氣體占比逐漸減少，從而導(dǎo)致整體冷煤氣效率的不斷降低。1.4.2氣化溫度對(duì)氣化爐性能的影響煤的熱解氣化過(guò)程復(fù)雜且多樣化，影響因素眾多，溫度作為其中最為重要的影響因素之一，對(duì)煤熱解氣化過(guò)程中，煤氣化反應(yīng)，燃燒反應(yīng)以及還原置換反應(yīng)的反應(yīng)速率和反應(yīng)占比起到?jīng)Q定性作用，正因?yàn)槿绱藴囟瓤梢蚤g接或直接的影響整個(gè)煤熱解氣化過(guò)程中合成氣的有效氣體含量，以及最終的合成氣質(zhì)量。尋找并探究最適合該氣化爐裝置下煤熱解氣化反應(yīng)的氣化溫度，對(duì)整體課題的研究至關(guān)重要。本課題對(duì)空氣氣化爐整體性能的研究中，選擇通過(guò)控制爐內(nèi)進(jìn)口氣化溫度條件的變化，在其他條件不變的情況下，進(jìn)行數(shù)值的虛擬計(jì)算，借此探究并計(jì)算過(guò)得在氣化溫度改變時(shí)，不同的研究條件隨之改變的變化狀態(tài)。圖2-7氣化溫度對(duì)合成氣內(nèi)容的影響圖2-8氣化溫度對(duì)產(chǎn)物低位發(fā)熱量的影響根據(jù)圖2-7、圖2-8，氣化溫度從1200℃變化到1600℃，粗煤氣中CO和H2含量逐漸增加，在1500℃之前，氣化溫度逐漸增高，會(huì)使?fàn)t內(nèi)的整體反應(yīng)溫度升高，整體反應(yīng)右移，會(huì)使煤的熱解氣化反應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，這是煤的整體反應(yīng)中熱解氣化反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，生成的有效氣體成分增加，所以CO和H2在合成氣中的含量也逐漸增加，同時(shí)溫度的上升會(huì)影響到水煤置換和CO2的還原反應(yīng)，會(huì)進(jìn)一步的減少CO2、H2O的含量，從而進(jìn)一步提升CO和H2的整體含量。當(dāng)溫度大于1400℃時(shí)，粗煤氣的含量逐漸趨于穩(wěn)定，綜合考慮設(shè)備投資成本及安全性，分析得出，1400℃作為一般氣化溫度最為合適。1.5結(jié)論根據(jù)氣煤比的不斷提升，控制其余條件給進(jìn)的量一定時(shí)，合成氣中的CO、H2質(zhì)量占比呈波動(dòng)變化，氣煤比的提升會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)在整體煤的熱解氣化反應(yīng)中的占比逐漸增大，在氣煤比達(dá)到3.5之前，煤的熱解氣化反應(yīng)依舊占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著氣煤比的提升，合成氣中的有效氣體含量會(huì)隨之提升，在氣煤比達(dá)到3.5之后，氣化劑含量逐漸增大，煤及其熱解產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)會(huì)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)一步消耗合成其中的有效氣體