灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响

第31卷第20期中国电机工程学报V ol.31 No.20 Jul.15, 2011

2011年7月15日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 7 文章编号：0258-8013 (2011) 20-0007-06 中图分类号：TK 16 文献标志码：A 学科分类号：470·20

灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响

孙钟华，代正华，周志杰，于广锁

(煤气化教育部重点实验室(华东理工大学)，上海市徐汇区 200237)

Effects of Ash Content and Flux on the Performance of Entrained-flow Pulverized Coal Gasifier SUN Zhonghua, DAI Zhenghua, ZHOU Zhijie, YU Guangsuo

(Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education (East China University of Science and Technology),

Xuhui District, Shanghai 200237, China)

ABSTRACT: In order to provide guidance for industrial gasifier operations such as changing coal type, the equilibrium model of entrained-flow pulverized coal gasifier was established and the effects of ash content and adding flux on the performance of gasifier were investigated. The simulation results show that at the same operating temperature of gasifier, the syngas productivity and cold gas efficiency decline while the coal consumption and oxygen consumption increase with the increase of the ash content. When the oxygen-coal ratio and steam-coal ratio are constant, the change of ±1% ash content in coal leads to ±27 fluctuations of the gasifier temperature for

℃

Beisu coal, and ±15℃ fluctuations of the gasifier temperature for Kaiyang coal. For high ash fusion coal (Kaiyang coal), the coal consumption and oxygen consumption decrease 2.8% and 6.9% respectively by adding 5.4% (weight percent) flux (CaCO3)in coal. The above simulation results indicate the effects of ash content on the gasifier temperature should be concerned and operating parameters need be adjusted during industrial operation. Also, for high ash fusion coal, the operating temperature of gasifier is reduced by adding optimal content flux. Accordingly, the coal and oxygen consumption are reduced and operating cost is decreased.

KEY WORDS: ash content; flux; equilibrium model; entrained-flow pulverized coal gasification

摘要：基于气流床粉煤气化炉的平衡模型，考察了灰含量及添加助熔剂对气化炉性能的影响，为工业气化炉变煤种操作提供指导。研究结果表明：在相同气化操作温度下，随着灰含量增加，有效气产率和冷煤气效率降低，比煤耗和比氧耗相应增加。在入炉氧煤比和蒸汽煤比一定时，煤中的灰含量波动±1%，北宿煤气化温度将产生约±27℃的波动，开阳煤气化温度将产生约±15℃的波动。对于高灰熔点开阳煤，助熔剂(CaCO3)添加量占入炉粉煤量5.4%(质量分数)时，比煤耗和比氧耗比未加入助熔剂时分别减少2.8%和6.9%。因此，工业操作中应密切注意入炉煤的灰含量波动对气化温度的影响，相应调整气化操作参数；对于高灰熔点煤，需确定适宜的助熔剂添加比例，以降低气化操作温度，减少煤耗氧耗，降低操作成本。

关键词：灰分含量；助熔剂；平衡模型；气流床粉煤气化

0 引言

煤质变动对燃烧设备的操作控制、经济消耗产生重要影响[1-2]。对于气流床粉煤气化炉，更换煤种、添加助熔剂等操作将改变煤中灰分组成与含量，造成煤质波动。灰分组成决定了灰的熔融特性[3]，进而影响气化炉操作温度，需适时调整气化操作参数；灰分含量增加，降低了煤的热值，增加灰渣热损失，对气化炉消耗也将产生影响[4]。因此，研究灰含量变化及助熔剂添加对粉煤气化工艺指标的影响，对指导气化炉稳定操作、优化控制具有重要意义。

对于煤气化过程的设计、评价和优化，平衡模型较动力学模型具有快速和准确预测热力学平衡限制的优点[5-9]。Dai等[5]采用吉布斯自由能最小化方法研究了操作压力、氧–煤比、蒸汽–煤比等参数对气流床粉煤气化炉工艺指标的影响；Q.Z.Ni等[6]

基金项目：国家重点基础研究计划项目(973计划)(2010CB227000)；国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2009AA04Z159)；国家自然科学基金项目(20876048)。

The National Basic Research Program of China (973Program) (2010CB227000); The National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2009AA04Z159); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (20876048).

8 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷

和A.P.Watkinson 等[7]基于质量守恒、能量守恒、反应平衡相关联，求解多变量的非线性方程组，对工业Shell 气化炉操作温度和产品组成进行预测，结果吻合良好。本文基于气流床粉煤气化炉的平衡模型，来考察灰含量变化及助熔剂添加对气流床粉煤气化炉性能的影响。

1 平衡模型

本文基于平衡模型[7]，根据气化炉的进口工艺条件和操作参数，建立C 、H 、O 、N 、S 等5个元素平衡方程和3个化学平衡方程如式(1)—(3)，来计算气化炉出口温度和合成气组成，合成气计算组分包括H 2、CO 、CO 2、H 2O 、N 2、H 2S 、COS 、CH 4。

222H CO CO H O 3956

0.0265exp()e

Y Y Y Y T = (1) 422

CH H O

18

32

CO H 270206.712510exp()e Y Y T Y Y p ?=× (2) 222H S CO COS H O

4083

0.75134exp(

)e

Y Y Y Y T = (3) 式中：Y i 为组分的摩尔分数；p 为气化压力(kPa)；T e 为气化炉出口温度(K)。

建立能量平衡方程如式(4)所示，计算基准为高位热值。气化炉采用水冷壁耐火衬里时包括副产蒸汽焓项，耐火砖衬里时此项为零。

煤的热值+水蒸气焓+氧气焓+氮气焓= 合成气热值+合成气显热+未反应碳热损失+ 灰渣热损失+副产蒸汽焓+气化炉热损失 (4) 模型中方程组求解采用拟牛顿法。考虑到收敛稳定性，采用分层迭代的计算方法，先在内层迭代计算组分物料平衡方程，待收敛后转外层求解能量平衡方程。本文程序采用Fortran 语言编写，与Aspen

plus 动态衔接，便于修改模型参数以及对后续煤气化工艺的设计与优化。

2 模型参数

2.1 物性参数

煤的热值采用Boie 经验关系式计算[10]。气化炉内气体混合物的焓值采用偏差函数法计算，即

d d p h C T =，其中023

p

C A BT CT DT =+++，系数 A 、B 、C 、

D 按文献[11]提供数据拟合得到。

2.2 碳转化率

碳转化率是反映气化炉性能的重要指标，取决于煤的粒径与反应性，炉型与喷嘴结构以及操作条件等。对于气流床粉煤气化，炉内温度1 300 ℃以上，气化反应以扩散控制为主[12,13]；75%煤粉粒径小于100 μm ，灰分对气固之间的热质传递的影响可以忽略[14]。因此，本文忽略灰分对气流床气化炉的碳转化率的影响，为了提高参数的可靠性，本文选取的碳转化率来源于工业数据。 2.3 助熔剂

对于高灰熔点的煤种，一般加入助熔剂(CaCO 3)改变灰的熔融特性，以保证气化炉的正常运行。助熔剂(CaCO 3)在炉内分解为CaO 和CO 2，组分计入物料平衡，反应热计入能量平衡。 2.4 灰分焓值

气化炉内煤灰中的矿物质将发生分解、熔融、汽化、凝聚、团聚等一系列复杂的物理化学变化[15]，由于炉内为还原性气氛，认为Fe 2O 3全部转化为

FeO ，计算灰分主要组成包括：SiO 2、CaO 、Al 2O 3、FeO 、MgO ，其余为挥发分和微量组分暂不计入。在气化炉内灰分吸热发生的相变过程依次为固态

(cryst)→熔融态(molten)→液态(liq)，计算其焓值E ash 如式(5)所示。

sol 0

ash (cryst)d T p T E C T =+∫

sol f f

(molten)(liq)d T p T T T H C T →Δ+∫ (5)

式中：T 0为煤入气化炉初始温度；T 为气化炉操作温度；T f 为灰熔点(FT)；取实验数据；T sol 为灰的固化温度，由FactSage 软件基于相平衡的吉布斯自由

能最小化方法计算获得。熔化焓sol f T T H →Δ由FactSage 软件模拟计算[16]获得，混合组分的平均比热容p C 根 据Kopp-Neumann 规则采用关系式(6)估算：

123123p p p p pi i C x C x C x C x C =+++++L L (6)

式中：i x 为摩尔分数；pi C 为组分的偏摩尔热容 量[17]。

3 模拟结果验证

本文采用文献[5]中气流床粉煤气化运行数据对平衡模型的计算结果进行验证，气化煤为北宿煤，气化炉采用耐火砖衬里，碳转化率来源于工业数 据。具体模拟结果如表1所示，可知平衡模型对

第20期 孙钟华等：灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响 9

表1 模拟结果与工业数据对比

Tab. 1 Comparison between simulation results and industry data

合成气组成/%(干基)(体积分数)

项目

气化温度/

℃

合成气流量/ (m 3/h)

CO H 2 CO 2

N 2 CO+H 2

有效气产率/ (m 3 (CO+H 2) /kg 煤(干基))

模拟值 1305 3137 59.06 31.64 1.91 6.25 90.70 2.03 工况3[5] 1310

3028 60.55 30.64 2.44 6.40 91.19

1.97 模拟值 1329 3595 59.96 31.06 1.48 6.32 91.02

2.02 工况4[5] 1331

3497 61.63 29.56 2.06 6.40 91.19

1.97 模拟值 1298 2745 65.77 28.84 3.63 0.59 94.61

2.02 工况5[5] 1300

2743 65.70 28.50 4.20 0.60 94.20

2.01 模拟值 1317 2396 62.98 29.55 5.75 0.58 92.53 2.02 多喷嘴 对置粉 煤气化炉 (北宿煤)

工况6[5] 1318

2381 63.00 29.23 6.73 0.60 92.23

2.00

注：本文气体体积单位m 3，均为273.15 K ，101.325kPa 标准状态下的体积。

粉煤气化炉出口合成气组成和温度预测良好，合成气主要成分CO 和H 2与工业数据的相对误差小 于3%。

4 灰分波动对气流床粉煤气化炉性能的影响

4.1 典型煤种的气化工艺指标

采用气流床粉煤气化工艺，对中国4个典型煤种的气化工艺指标进行模拟计算。典型煤种包括神华(神府)、兖州(北宿)、淮南(张集)和贵州(开阳)，煤的热值及灰分焓值的计算数据见表2，具体煤质分析数据见表3。气化炉操作温度取高于灰熔点

100 ℃，气化炉耐火衬里采用水冷壁，气化炉热损失取入炉煤热值的2%，碳转化率取99%。

由表2可知，灰分焓值受气化温度影响较大，温度越高，焓值越大。灰渣热损失占入炉煤高位热

量比例与灰含量和煤热值相关，开阳煤灰分含量为

27.3%时，其比例达1.94%。典型煤种的气化工艺指标如表4所示，对于神府煤和北宿煤热值高、灰分含量和灰熔点低，需要补充加入一定量的水蒸气作为气化剂；对于张集煤和开阳煤灰分和灰熔点高，比煤耗和比氧耗较高，可添加适量助熔剂降低气化操作温度，以降低煤耗氧耗。

表2 中国典型煤种的煤热值及灰分焓值 Tab. 2 Coal heating value and ash enthalpy of

typical coal in China

中国 典型煤种 Q HHV,d / (MJ/kg)气化 温度/℃ 灰分焓值/ (kJ/kg) 灰分热量占入炉煤热量的比例/%

神府煤 32.40 1 270 1 339 0.31 北宿煤 30.75 1 340 1 347 0.42 张集煤 29.12 1 594 1 975 1.29 开阳煤

24.89

1 520

1 849

1.94

表3 典型煤种的煤质分析数据

Tab. 3 Coal analysis data of typical coal in China

工业分析/% 元素分析/% 灰分分析/%

中国典型 煤种 FC daf VM daf A d C daf

H daf

N daf St daf O daf 灰熔点/℃ SiO 2Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO 神府煤 64.5 35.5 7.6 83.3 6.0 0.8 1.0 9.0 1170 28.818.6 12.2 22.3 1.2 北宿煤 57.6 42.4 9.2 81.6 5.5 1.4 3.9 7.6 1240 36.324.6 13.0 12.9 1.3 张集煤 88.3 11.7 19.6 92.7 4.0 1.4 0.9 1.1 1494 53.730.4 3.5 5.0 1.0 开阳煤

90.9

9.1

27.3

89.5 3.6

4.4

1.2

1.2

1420

49.4

23.8

15.7

2.7

1.9

表4 典型煤种的气化工艺指标

Tab. 4 Gasification indexes of typical coal in China

合成气组成/%(干基) 比煤耗/(kg(干基)/ 1 000 m 3(CO+H 2)) 中国典型 煤种

氧煤比/ (m 3/t 煤 (干基))

蒸汽煤比/ (kg/t 煤 (干基))

气化 温度/℃

CO H 2 CO 2

有效气产率/ (m 3(CO+H 2)/ kg 煤(干基))

典型煤 标准煤

比氧耗/ (m 3/1 000 m 3 (CO+H 2))

冷煤气效率/%

神府煤 606 242 1 270 57.1 33.4 3.5 2.12 472 523 286 83.0 北宿煤 605 230 1 340 58.0 31.2 4.0 1.96 510 536 309 81.0 张集煤 634 143 1 594 65.1 23.7 1.7 1.83 547 544 347 79.6 开阳煤 559

143 1 520 63.0 22.1

2.6 1.56

642

546

359 79.3

10 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷

4.2 煤中灰含量对粉煤气化炉性能的影响

为了研究入炉粉煤中灰含量的波动对气化炉运行稳定性的影响，假定进入气化炉的氧气、蒸汽和粉煤流量不变，仅考虑入炉粉煤中灰含量的波动。对低灰量的北宿煤和高灰量的开阳煤，其干燥 无灰基元素分析相同，分别计算不同灰分含量的煤 种，煤的热值按Boie 公式相应换算。图1给出了不同灰含量下煤的高位热值。对于北宿煤，煤中灰含量由5%增加到15%时，煤的高位热值(干基)从

32.18 MJ/kg 减少到28.76 MJ/kg ；对于开阳煤，煤中灰含量由21%增加到33%时，煤的高位热值(干基)从27.53

MJ/kg 减少到22.49

MJ/kg 。

灰含量/%(干基)

煤高位热值/(M J /k g (干基))

图1 灰含量对煤热值的影响

Fig. 1 Effect of ash content on coal heating value

如图2(a)所示，对北宿煤，在相同气化温度

1 340 ℃下，随着灰含量由5%增加到15%时，氧煤比从627 m 3O 2/t 煤(干基)降低到574 m 3O 2/t 煤(干基)，而有效气产率从2066 m 3(CO+H 2)/t 煤(干基) 降低到1 82

2 m 3(CO+H 2)/t 煤(干基)，相应换算得比煤耗从484 kg 煤(干基)/1 000 m 3(CO+H 2)增加到

549 kg 煤(干基)/1 000 m 3

(CO+H 2)，比氧耗从 304 m 3

O 2/1

000 m 3

(CO+H 2)增加到316 m 3

O 2/1

000 m 3

(CO+H 2)。如图2(b)所示，对开阳煤，在相同气化温度1 520 ℃下，随着灰含量由21%增加到33%时，氧煤比从572 m 3O 2/t 煤(干基)降低到547 m 3O 2/t 煤

(干基)，而有效气产率从1 761 m 3 (CO+H 2)/t 煤(干基)降低到1 372 m 3(CO+H 2)/t 煤(干基)，相应的比煤耗从567 kg 煤(干基)/1000 m 3 (CO+H 2)增加到729 kg 煤(干基)/1 000 m 3(CO+H 2)，比氧耗从325 m 3O 2/

1 000 m 3(CO+H 2)增加到399 m 3O 2/1 000 m 3

(CO+H 2)。如图3所示，对于北宿煤和开阳煤，随着灰含量增加，灰渣热损失增大，有效气产率降低，导致冷煤气效率相应降低。可见，在相同气化操作

温度下，随着灰含量增加，有效气产率和冷煤气效率降低，而比煤耗和比氧耗相应增加。

1 8001 900

2 000

2 100

氧煤比/(m 3/t 煤(干基))

灰分含量/%(干基)

有效气产率/ (m

3(C O +H 2)/t 煤(干基))

(a) 北宿煤

灰含量/%(干基) 氧煤比/(m 3/t 煤(干基))

有效气产率/ (m

3

(C O +H 2)/t 煤(干基))

(b) 开阳煤

图2 灰含量对氧煤比、有效气产率的影响

Fig. 2 Effect of ash content on the coal - oxygen ratio and

syngas productivity

灰分含量/%(干基)

冷煤气效率/%(干基)

图3 灰含量对冷煤气效率的影响

Fig. 3 Effect of ash content on the cold gas efficienc y

如图4所示，对于北宿煤，以氧煤比605 m 3O 2/t 粉煤、蒸汽煤比230 kg 蒸汽/t 粉煤(见表4中北宿煤数据)为基准，煤中灰含量由21%增加到33%时，气化温度变化显著，从1 230 ℃升高到1501℃；对于开阳煤，以氧煤比559 m 3O 2/t 粉煤、蒸汽煤比

143 kg 蒸汽/t 粉煤(见表4中开阳煤数据)为基准，煤中灰含量由21%增加到33%时，气化温度从1 431 ℃升高到1 609 ℃。对于北宿煤，气化温度1 230 ℃已低于灰熔点FT(1 240 )℃，将导致气化炉无法顺利液态排渣。在氧煤比一定时，灰含量的增加导致煤热

第20期 孙钟华等：灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响 11

值降低，但氧碳比增加将导致气化温度飙升。入炉煤中的灰含量波动±1%，北宿煤气化温度将产生约±27 ℃的波动，对于开阳煤气化温度将产生约±15℃的波动。因此，工业操作中应密切注意入炉煤中的灰含量波动对气化温度的影响，相应调整气化操作参数，保证气化炉的正常运行。

气化温度/℃

灰分含量/%(干基)

图4 灰含量对气化温度的影响 Fig. 4 Effect of ash content on

the gasifier temperature

4.3 助熔剂量对气化炉性能的影响

对于高灰熔点的煤种，助熔剂(CaCO 3)的加入调节气化炉操作温度，改变灰分组成，提高灰分比例，也将影响气化炉的性能。本文以开阳煤为例，来考察不同助熔剂量下气化炉性能和消耗规律，以指导实际气化炉操作。气化炉操作温度取高于灰熔点100 ℃。由实验测得，不同比例的助熔剂量

(CaCO 3)占入炉粉煤量0%~9%(质量分数)对应的灰熔点(FT)变化如图5所示。

图6给出了开阳煤助熔剂加入量对气化消耗的影响。助熔剂量占入炉粉煤量的比例为0%时，比煤耗为642 kg 煤(干基)/1 000 m 3(CO+H 2)，比氧

耗为359 m 3O 2/1 000 m 3(CO+H 2)；助熔剂量占入炉粉煤量的比例为 5.4%时，比煤耗为624 kg 煤(干基)/1 000 m 3(CO+H 2)，比氧耗为334 m 3O 2/1 000 m 3

灰熔点/℃

助熔剂量(CaCO 3)/%

图5 助熔剂量对灰熔点的影响

Fig. 5 Effect of flux content on ash fusion temperature

CaCO 3含量/%

比煤耗/(k g 煤(干基)/ 1 000 m 3(C O +H 2))

比氧耗/(m 3/1 000 m 3(C O +H 2))

图6 助熔剂量对气化消耗的影响

Fig. 6 Effect of flux content on

the gasifier consumption

(CO+H 2)。助熔剂添加量占入炉粉煤量5.4%时，比煤耗和比氧耗比未加入助熔剂时减少2.8%和6.9%。可见，虽然加入助熔剂会提高灰分比例，但适宜的

助熔剂量可显著地降低气化操作温度，提高了有效气产率，降低了煤耗氧耗。对于不同煤种，灰熔点随助熔剂添加量的变化趋势不同，最低灰熔点所对应助熔剂添加量需要由实验确定。

5 结论

本文基于气流床粉煤气化炉的平衡模型，考察了灰分波动对气流床粉煤气化炉性能的影响，为工业气化炉变煤种操作提供指导，具体结论如下：

1）灰渣热损失占入炉煤高位热量比例与灰含量和煤热值相关，开阳煤灰分含量为27.3%时，其比例达1.94%。对于神府煤和北宿煤热值高、灰分和灰熔点低，需要补充加入一定量的水蒸气作为气化剂；对于张集煤和开阳煤灰分和灰熔点高，比煤耗和比氧耗较高，可添加适量助熔剂降低气化操作温度，以降低煤耗氧耗。

2）在相同气化操作温度下，随着灰含量增加，有效气产率和冷煤气效率相应降低，比煤耗和比氧耗相应增加。在入炉氧煤比和蒸汽煤比一定时，煤中的灰含量波动±1%，对北宿煤气化温度将产生约±27 ℃的波动，对开阳煤气化温度将产生约±15 ℃的波动。实际操作中应密切注意入炉煤中的灰含量波动，相应调整气化操作参数，防止气化温度的过高或过低，保证气化炉正常运行。

3）对于高灰熔点开阳煤，助熔剂添加量占入

炉粉煤量5.4%时，

比煤耗和比氧耗比未加入助熔剂时减少2.8%和6.9%，可见，适宜的助熔剂(CaCO 3)加入量可显著地降低气化操作温度，提高了有效气产率，降低了煤耗氧耗。但对于不同煤种，灰熔点

12 中国电机工程学报第31卷

随助熔剂添加量的变化趋势不同，最低灰熔点所对应助熔剂添加量需要由实验确定。

现有平衡模型对碳转化率预测不够准确，可结合工程数据和实验数据，总结不同炉型、不同煤质下碳转化率的预测公式，将其引入平衡模型中，对模拟结果进行工业数据验证，来提高平衡模型的适用性。

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收稿日期：2010-11-06。

作者简介：

孙钟华(1984)，男，博士研究生，主

要从事气流床煤气化模拟研究，

sunzhongtree@ https://www.360docs.net/doc/b43482407.html,；

于广锁(1970)，教授，博士生导师，

主要从事水煤浆气化和碳一化工过程研

究，本文通讯作者，gsyu@ecust. https://www.360docs.net/doc/b43482407.html,。

(责任编辑车德竞

)孙钟华