气化炉设计及数值计算论文
毕业设计论文-年产50万吨煤气化工艺设计
学生毕业设计（论文）题目：50万吨/年煤气化工艺设计摘要煤气是重要的化工产品与原料，它广泛用于合成氨、民用燃气、工业用气乃至发电，有着巨大的市场潜力。
随着世界石油资源的减少和煤气化生产成本的降低，发展使用煤气化等新的替代燃料，己成为一种趋势。
中国是资源和能源相对匾乏的国家，少气，缺油，但煤炭资源相对丰富，发展煤制气，以煤代替石油，是国家能源安全的需要，也是化学工业高速发展的需求。
本课题通过对国内外几种煤气化工艺流程的对比，最终选择高压法煤气化制备煤气的shell工艺生产流程。
最后设计出shell气化炉的基本尺寸；并对反应过程进行了物料衡算、热量衡算。
关键词：煤气化；shell气化炉；物料衡算，；热量衡算论文类型：工程设计ABSTRACTGas is an important chemical products and raw materials, it is widely used in synthetic ammonia, civil and industrial gas, gas, electricity, and has a huge market potential. With the world of petroleum resources and reduce production cost of coal gasification, the development of a new alternative fuel use coal gasification, etc, has become a trend. China is relatively short of energy resources like gas and oil, but relatively rich of coal,so development of coal to gas,but petroleum is national energy safety needs, as well as chemical industry .Shell gasification is chesde fianly by contrasting severed gasification,peocess at home and abroad .Mass balance and heat balance of gasification process are caleulated .The technoloyical dimensions of shell gasifier are designed .Keywords：Coal gasification；Shell Gasifier；Mass balance；Heat balance Thesis：Engineering Design目录1绪论 (1)1.1煤气化过程原理 (1)1.2国内外煤气化发展的现状和趋势 (1)1.3SHELL煤气化工艺 (2)1.4本课题研究的主要内容 (5)2 SHELL煤气化 (7)2.1选择SHELL煤气化的原因 (7)2.2工艺流程图 (7)2.3SHELL气化工艺的主要设备 (8)2.4SHELL气化过程中的化学反应 (9)2.5气化反应的物料、热量衡算 (10)2.5.1气化反应的物料衡算 (10)2.5.2气化反应的热量衡算 (18)2.650万吨煤气化产物分析 (18)3 SHELL气化炉的设计 (20)3.1SHELL气化炉 (20)3.2SHELL炉体工艺尺寸计算 (21)4总结 (22)参考文献 (1)致谢......................................................................................................... 错误!未定义书签。
Texaco煤气化炉数学模型研究_2_计算结果及分析
第21卷 第4期 ・1316・2001年8月动 力 工 程POWER ENGINEERING Vol.21No.4 Au g.,2001 文章编号:1000-6761(2001)04-1316-04Texaco 煤气化炉数学模型研究(2)——计算结果及分析李 政, 王天骄, 韩志明, 郑洪韬, 倪维斗(清华大学 热能工程系,北京100084)摘 要:利用论文第一部分建立的能够反映T ex aco 气化炉内部质量和能量平衡、并考虑了多种化学反应动力学的数学模型,详细计算了气化炉的主要运行参数(如水煤浆质量配比,氧气纯度,氧煤比,煤粉粒径,气化温度以及气化压力等)对气化炉性能的影响。
在展现各种参数对最终气化产物成分的影响的同时,分析和揭示了这些影响的内在机理和规律。
分析结果表明:气化温度是影响气化反应速度和最终产物成分的最关键因素。
表7参2关键词:Texaco ;煤气化;数学模型中图分类号:TK 229.8 文献标识码:A收稿日期:2000-02-15 修订日期:2000-05-22基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目作者简介:李 政(1965-),男,清华大学热能工程系教授,系副主任。
0 引 言本文是Tex aco 煤气化炉数学模型研究的性能计算与结果分析部分。
利用前文建立的气化炉数学模型,将分别研究各种运行参数对气化炉性能的影响。
这些操作参数包括:水煤浆煤水配比,用作气化剂的氧化浓度,氧煤质量配比,煤粉粒度,气化炉工作压力和气化温度。
其目的在于通过计算展现上述参数与出口产物的成分和数量间的关系,并利用化学反应原理,进一步研究和揭示气化炉内部过程和参数间的作用规律。
不难理解,气化炉出口煤气成分和碳转化率与固体颗粒在炉内的停留时间相关,停留时间越长,气化反应进行的越充分。
在不考虑煤中碳混入熔渣流出气化炉而不能完全转化的机械因素时,如果停留时间无限长,碳理论上可以完全转化。
而实际上,由于气化炉的长度有限,煤颗粒在炉内的停留时间是有限的。
粉煤气流床气化炉的数值模拟
衡 模型 ， 应 用 Ｇｉｂ 并 ｂ ｓ自由 能 最 小 化 方 法 建 立 了 Ｓ ｅｌ 煤气化 模 型 ， 应 用 神 华 、 化 和天 碱 煤 种 ｈ ｌ粉 并 沾 对 模 型进 行检 验 ； 友谦 用 能量 最小 化 原理 建立 项 加 压气化 模型 ， 用 四种方法 对微 分方程求 解． 并 以上
中图分类 号 ＴＱ５ ５ ＴＱ５ １ ４， ４
０ 引 言
Ａｓ ｅ ｌｓ 一 种 通 用 的 化 工 过 程 模 拟 、 化 ｐ ｎＰ ｕ 是 优
拟， 同时考 虑操作 条件 的改变 对煤气 化性能 的影响 ；
张宗 飞等ｌ 以 Ａｓ ｅ ｌｓ ＿ ７ ｐ ｎＰｕ 为模拟 工具 ， 择反应 平 选
Ｐ ｕ 工 业系统 流程 模 拟软 件 ， 用 Ｇ ｂ ｓ自由能 最 ｌｓ 运 ｉｂ
１ 粉 煤 气 流床 煤 气化 炉模 型
运 用 Ｇ ｂ ｓ自由能 最小化方 法建 立粉煤气 流床 ．ｂ ｉ
煤 气化 模型见 图 １ 其 中包 括 ：）规定反 应程度 和转 ， １
小 化的方 法建立 了气 流 床煤 气 化 模 型 ， 研究 了气 化
（ ｄ ａ ｃｄ ｓ ｓｅ ｆｒｐｏ ｅｓｅ ｇｎ ｅｉｇ ， 称 ａ ｖ ｎ ｅ ｙ ｔｍ ｏ ｒｃ ｓ ｎ ｉｅ ｒ ） 简 ｎ
ＡＳ Ｅ 其 主要功 能包括 ： ）具 有 工 艺过 程 的热 动 Ｐ Ｎ． １ 力 学和传输 特性模 型 ；）拥 有一 个完 善 的物性 数 据 ２ 库 ；）具有 物性参 数分析 系统 ；）包括 ５ 种单 元 ３华 等＿ 用 Ｇｉｂ 代 ５ ｂ ｓ自 由能最
小化 的方法对 粉煤 气化过 程和某 一混 合煤种 进行 了
热力学平 衡分 析 ， 对 某 一混 合 煤 种进 行 了气化 模 并
气化炉煤气分析系统的设计
２１ ０ ２年 第 ４期
蔡 东盛 ： 化炉煤 气分 析系 统 的设 计 气
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２ 主要 部件 的 作 用 与 工 作原 理
２． 节 流 减 压 器 １
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关键 词 ： 尘 ； 除 除水 ； 温 ； 压 减 减
中圈 分 类 号 ：Ｑ ０ ６ １ Ｔ ５ ．６
文献 标 识 码 ： Ｂ
ห้องสมุดไป่ตู้
文 章 编 号 ：０ ５ ３ ０ ２ １ ）４ １ —０ １０ —８ ７ （０ ２ ０ — ８ ３
气化 炉是煤 化 工 （ 成 氨 ， 合 甲醇 等 ） 中产 生原 料
的干扰 引起 的 分析 误 差 。缺 点 是 色谱 是 周 期 分 析 ，
不是 实时分 析 ， 分析 结 果 滞 后 。色 谱 的运 行 需 要 载 气， 维护 成本 高 。此 外 ， 谱 本身 相 对 复杂 ， 现 场 色 对
维护 人员 的技术 水 平 要求 较 高 ； 常规 分 析 仪具 有 响 应 时间快 ， 护 成本 低 ， 现场 维护人 员 的要 求 不是 维 对 很 高的优 点 。不 过 ， 由于气 化 炉煤气 组分 比较复 杂 ，
仪表 故 障的原 因很少 是 由于仪 表本 身 的质量 引 起 的 ， 数情 况下 是 由于 预处 理 系统 失 效 导 致 仪 表 多 损 坏 。所 以 ， 预处 理 系统 的好 坏是 分析 系统 长期 稳 定运 行 的关键 。本 文针对 气化 炉工 艺 条件 的特 点设
计 了一 套 预处理 系统 ， 过 长 时 间 运行 证 明 系统 设 经 计 合理 ， 护量少 ， 行 可靠 稳 定 ， 足 了用 户 的要 维 运 满
户用型上吸式生物质气化炉的设计
户用型上吸式生物质气化炉的设计上吸式生物质气化炉是一种将生物质燃料转化为可燃气体的设备，广泛用于热能利用和发电系统中。
设计一个高效可靠的上吸式生物质气化炉，需要考虑以下几个方面。
首先，设计一个合适的炉膛结构。
炉膛是气化反应的主要区域，炉膛结构的合理设计能够提高生物质的气化效率和燃烧效果。
合理选择炉膛的尺寸和形状，使其能够充分利用反应床体积，提高气化效率。
另外，应考虑炉膛的材料选择，确保其耐高温和耐腐蚀性能，以及设计合理的进气和出气口。
其次，设计一个高效的气化反应床。
反应床是生物质气化反应的核心部分，通过调整反应床的形状和材料，可以提高气化效率。
常用的反应床材料有陶瓷、耐火材料、碳纤维等，选择合适的反应床材料能够提高反应床的耐高温性能和传热效率。
此外，反应床的形状也应适当设计，以便增加生物质和气体之间的接触面积，提高气化效率。
再次，设计一个有效的气体分离装置。
气体分离装置的设计可以有效地从气化产物中分离出可燃气体。
常见的气体分离装置有精制净化器、过滤器和冷却器等。
精制净化器可以去除气体中的灰尘和颗粒物，过滤器可以去除气体中的杂质和高分子化合物，冷却器可以将气体冷却到安全温度以便储存和利用。
最后，设计一个完善的安全控制系统。
生物质气化过程中产生的气体具有一定的危险性，因此设计一个完善的安全控制系统非常重要。
安全控制系统应包括气体泄漏监测和报警装置、过温保护装置和防爆装置等。
此外，还应设置完善的操作控制系统，以便对气化炉的运行进行实时监测和控制。
综上所述，设计一个高效可靠的上吸式生物质气化炉需要考虑炉膛结构、气化反应床、气体分离装置和安全控制系统等方面。
通过合理的设计和选择，可以提高气化炉的气化效率和燃烧效果，实现对生物质资源的高效利用。
毕业论文(设计)下吸式固定床气化炉气化特性研究
下吸式固定床气化炉气化特性研究摘要：生物质型CCHP系统中气化炉作为产气源，其气化特性将直接影响整个系统的能量输出和运行特性。
本文以一台下吸式固定床气化炉为研究对象，运用了热化学平衡原理构建了理论模型，分别讨论了空气/生物质摩尔比率m、含湿量w、污泥占比对气化反应的影响。
研究结果表明m的降低和w的增加，都会提高合成气的高位热值和降低反应温度。
而污泥-红木联合气化反应中，污泥的加入会导致气化反应恶化。
关键字：下吸式气化炉；热化学平衡；气化特性Investigation of gasification characteristics of adowndraft fixed-bed gasifierLAI Kai, WU Jing-Yi, LI Chun-Yu(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)Abstract: Gasifier as producing gas source of Bio-CCHP system, its gasification characteristics directly affect the energy output and operating characteristics of whole system. In this paper, a downdraft fixed bed gasifier is studied. A gasifier model is constructed based on thermal chemical equilibrium theory, and influence of air/biomass mole ratio, moisture content, and sludge content on gasification is evaluated. Results show that with decrease of biomass/air mole ratio and increase of moisture content, the HHV of syngas improves and the reaction temperature reduces. While the addition of sludge leads to deterioration of gasification reaction in the sludge-red wood co-gasification.Key words: downdraft fixed bed gasifier; thermo-chemical equilibrium ; gasification characteristics0.引言随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭，绿色能源成为未来可持续发展的重要力量。
IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟
第32卷 第1期2009年1月煤炭转化COAL CONV ERSIONVol.32 No.1Jan.2009 3国家“863”高技术基金资助项目(2007AA05Z247).1)硕士生;2)教授、博士生导师;3)博士后;4)博士生,上海交通大学热能工程研究所,200240 上海收稿日期:2008209217;修回日期:2008210223IG CC 示范工程煤气化炉的数值模拟3沈玲玲1) 姜秀民2) 王 辉3) 黄庠永4) 摘 要 采用Aspen Plus 流程模拟软件对某拟建的IGCC 示范工程的德士古煤气化炉进行数值模拟,通过考虑碳的不完全转换对计算流程进行了改进,并运用CPD 模型预测煤热裂解的产物分布.研究了煤气化炉的重要操作参数(即水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和气化温度)对气化结果的影响.在计算区间内,发现高浓度水煤浆浓度范围内,随浓度的增加,煤气的主要成分(H 2+CO )的总含量增加.气化温度增大到1400℃左右时,煤气的主要成分随气化温度的进一步增加会趋于一个恒定值.关键词 Aspen Plus ,IGCC ,德士古气化炉中图分类号 TQ541,TM611.30 引 言整体煤气化燃气2蒸汽联合循环(IGCC )发电技术可以将燃煤电站的循环效率提高至39%～41%(L HV )[1],是目前最先进的燃煤发电技术之一.目前采用气流床气化技术的德士古气化炉的运行经验和已商业化的台数最多.它的发展已度过原理概念性开拓验证阶段,并进入商业示范验证阶段.[2]它既有发电的高效率,又有极好的环保性能,因而成为世界瞩目的极有发展前途的一种先进的洁净煤发电技术.[3]IGCC 系统内的德士古气化炉可采用激冷式和装有煤气冷却器两种方案,本文所结合的某拟建的大型IGCC 示范工程采用的是安装煤气冷却器的气化炉,又称为全热能回收式气化炉,从能量有效利用的观点来看,这种方案是最合理的.模拟计算是理解化工过程的有用工具.通过计算,可以对整个煤气化过程进行分析,寻找最优操作点,提高整个过程的热效率,达到过程优化的目的;可以辅助设计以及解释说明实验数据;还可以预测合成气的组成和污染物的排放.[4]采用Aspen Plus 软件对气化炉模拟时,以往建立的气化炉模型是先把煤分解为相同质量和发热量的由碳氢和其他化合物、纯净元素和灰组成的常规物流混合物,再通到平衡反应器中.[5,6]这种做法假定煤全部转化成煤气,无法计及碳转化率;采用的补救措施是在后续流程中排放掉一部分煤气来模拟煤的不完全转换,其结果导致其他元素的流失.因此,通过在模拟过程设定非常规物质,把碳的不完全转换考虑进去,使模型的模拟更符合实际的气化炉,从而解决了对碳的不完全转化考虑不足的问题.本文是结合国内拟建的首台大型IGCC 示范工程,利用Aspen Plus 软件对该项目中的德士古气化炉进行气化模拟.通过对碳模型的改进,提出了一个新的计算方案,在改变不同气化参数的情况下,研究各参数对生成煤气的主要有效成分(H 2+CO )的影响,计算结果可对系统方案的设计提供参考数据.1 气化炉煤气化炉模型1.1 工艺说明德士古气化炉是把水煤浆与气化剂(约95%氧)一起喷入气流床气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应的工艺过程,生成的粗煤气采用煤气冷却器冷却,灰渣采用液态排渣.本文只模拟水煤浆进入气化炉内发生气化的过程,暂未考虑进入辐射废热锅炉之后系统内的情况.1.2 气化机理德士古气化炉的气化过程实际上是煤炭在高温下的极为复杂的多相热化学反应过程,其可能发生的化学反应[1]可概括如下:1)煤的干燥、裂解及挥发物的燃烧气化.由于在富氧环境中,反应区的温度很高,煤粉加热速度极快,可以认为煤粉中的水分瞬间蒸发;同时,热解速度大大高于煤粉的燃烧及气化反应速度.[7]2)固体颗粒与气化剂(氧气、水蒸气)间的反应.在高温条件下,脱除挥发分的粉煤固体颗粒或半焦中的固定碳与气化剂进行燃烧反应为:C +O 2CO 22C +O 22CO 固定碳与水蒸气进行异相水煤气反应为:C +H 2O H 2+CO C +2H 2O 2H 2+CO 23)生成的气体与固体颗粒间的反应.高温的半焦颗粒与反应生成气的反应为:C +CO 22COC +2H 2CH 4在高温条件下,煤中的硫也会与还原性气体发生反应为:(1/2)S 2+H 2H 2S (1/2)S 2+CO COS4)反应生成的气体彼此间的反应.高温条件下,反应生成气体的活性很强,彼此之间存在着可逆反应为: CO +H 2O H 2+CO 2(一氧化碳变换反应) CO +3H 2C H 4+2H 2O CO 2+4H 2C H 4+2H 2O 2CO +2H 2CH 4+CO 2 H 2S +COCOS +H 21.3 气化过程模型的简化运用软件建模时,需对过程进行适当的简化处理,这里假设煤气化反应可分解成两个独立的过程:1)水分蒸发和煤脱挥发分的过程,采用化学渗滤脱挥发分模型(CPD )能很好地模拟煤热裂解、燃烧气化的产物分布.[8]CPD 模型是Fletcher 等[9211]开发的,该模型可用于描述煤在快速加热条件下的裂解情况.CPD 模型是通过煤的化学结构预测裂解产物,它不仅可以预测轻气体(H 2O ,N 2,O 2,H 2,CO ,CO 2和小分子的碳氢化合物)的分布,而且可以预测氮元素产物分布的数量和形态.[12]2)气化产物与气化剂、固定碳间以及气化产物间的反应.该过程可采用气化达到化学平衡时G ibbs 自由能最小化原理,严格计算化学反应平衡和相平衡,以得到最终的气化组成.计算时,必须规定反应器温度和压力或压力和焓值,模型以原子平衡限制为条件,使G ibbs 自由能最小化;但不需要具体的化学反应方程式和化学计量数,将整个系统看成是一个复杂化学反应过程.1.4 用AspenPlus 软件建模采用CPD 模型预测煤热裂解的产物分布,假定所有的反应遵循G ibbs 自由能最小化方法[13],建立如图1所示的气流床水煤浆气化炉模型.图1 Aspen Plus 模拟流程Fig.1 Aspen Plus simulation flowsheet 图1中wet 2coal 为进入系统的水煤浆,其工业分析与元素分析见表1;Inburner 为煤浆中粉煤经表1 煤样的元素和工业分析(%3,ar)Table 1 Ultimate and proximate analysis of thetesting coal samples (%3,ar )Ultimate analysis CHN S O1)Proximate analysisAVFC M57.81 3.620.840.359.2910.7927.2244.6917.3 3Percent of weight ;1)By difference.过裂解后的产物,考虑ryield 模块中碳的不完全转化,因此inburner 输出物流中包括纯元素C ,纯元素S ,H 2O ,N 2,O 2,H 2,CO ,CO 2,ash 和UBC ;Qt ransfe 为粉煤裂解热;Lost 为气化系统的热损失;Syngas 为粗合成气;Solids 为排放熔渣(是Ash 和UBC ).Ryield 单元是一个仅计算收率的简单反应器.主要功能是将粉煤分解转化成单元素的分子,并将热解热传递给后面的Rgibbs 单元,同时在Ryield51第1期 沈玲玲等 IGCC 示范工程煤气化炉的数值模拟单元中考虑碳的不完全转化,把ash和UBC都定义成非常规物质.Rgibbs单元是一个基于G ibbs自由能最小化原理的反应器.对于煤气化系统,根据表1煤样分析知,除ash和UBC不进行化学反应外[14],常规物质生成粗煤气包含的组分为:H2O,N2,O2, S,H2,C,CO,CO2,H2S,COS,C H4和N H3.体系达到平衡时体系的G ibbs自由能达到最小值.2 模型的参数设置用Aspen Plus软件计算时,一般将所涉及的组分分为mixed(常规物质)、cisolid(常规惰性固体)和NC(非常规物质)三类物流.对于常规组分,包括常规固体组分(即组成均匀、有确定分子量的固体),用R K2soave方程计算物质的相关热力学性质.非常规固体组分是指不同种类的固体混合物. Aspen Plus对这类物质作了简化处理,认为它不参与化学平衡和相平衡,只计算密度和焓.Aspen Plus 一般用Hcoalgen模型来计算煤的焓,这个模型包含了燃烧热、标准生成焓和热容的不同关联式.采用dcoaligt模型计算煤的真实的干基密度.3 操作参数对气化结果的影响德士古气化炉产生的煤气的主要成分为H2和CO,还有部分CO2和水蒸气,其他气体含量甚微.本文通过改变水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和气化温度对产生煤气中的主要可燃成分(H2+CO)进行模拟并分析各参数变化对只计算(H2+CO)成分时所生成煤气的热值的影响.本文所模拟的国内拟建的IGCC示范工程中煤气化炉的工艺参数为:水煤浆流量为107.23t/h,煤浆浓度变化范围60%～70%(质量分数);氧气流量57.969t/h(O2体积分数为95,N2为5),氧煤比0.7～1.0;气化压力为2M Pa～10M Pa;气化温度1100℃～2000℃.考虑的碳转化率为98%,热损失为0.5%.3.1 水煤浆浓度设定氧煤比,碳转化率为98%,热损失为0.5%,气化压力为3.6M Pa,并保持煤和氧气的量不变,通过改变水的量,使水煤浆浓度在60%～70%之间变化,得到不同水煤浆浓度下煤气主要成分H2和CO体积分数和热值的计算结果(见图2).由图2a～图2c可知,随着煤浆浓度的增加,CO图2 水煤浆浓度对气化结果的影响Fig.2 Effect of concentration of water coal slurryon gasification resultsa———H2;b———CO;c———H2+CO;d———Heat value和有效气成分(H2+CO)呈上升趋势,H2呈下降趋势.其原因是由于氧煤比不变,随着煤浆浓度的增加,水蒸发所消耗的热量占总热量的份额越来越小,从而导致气化炉温度升高.温度的升高,加剧异相反应的进行,有利于碳转化率的升高,促进了CO和H2的生成[15];但是,水煤浆中水量的减少以及温度的升高,使水煤气反应受到限制[15],不利于H2的生成.两种因素综合作用,结果H2含量有所减少.由图2d可知,煤气的热值曲线呈上升趋势.从热值角度讲,煤浆浓度越高对气化结果越有利;但提高煤浆浓度,会引起煤浆黏度剧增,给成浆和气化炉加料带来困难,故选取煤浆浓度时应综合考虑.61煤 炭 转 化 2009年3.2 氧煤比固定水煤浆流量并保持其他参数不变,通过改变氧气的流量,使氧煤比(kg 氧气/kg 干煤)由0.7变化到1.0,计算得到的H 2和CO 的体积分数及(H 2+CO )的热值变化见图3.图3 氧煤比对气化结果的影响Fig.3 E ffect of oxygen/coal mass ratio on gasification resultsa ———H 2;b ———CO ;c ———H 2+CO ;d ———Heat value由图3a ～图3c 可以看出,当氧煤比在0.7～1.0范围内变化时,随着氧煤比增加,H 2和(H 2+CO )含量迅速降低,CO 含量降低的斜率稍缓.原因是氧煤比增大导致燃烧反应增强,H 2和CO 更多地被燃烧反应掉,使燃烧分别转化成为H 2O 和CO 2的量也增加.但燃烧反应增强,气化炉温度就会增高,又使气化反应强化.综合两种因素,氧煤比增大造成的结果是H 2和CO 浓度下降了,生成气中(H 2+CO )的含量也下降了,导致生成煤气的热值相应也就下降了(见图3d ).所以当氧煤比在0.7～1.0时,应尽量减小氧煤比,继而可以减少空分系统的制氧量,使厂用电量减少,提高IGCC 整体效率及经济性.3.3 气化压力其他操作参数不变的情况下,使气化压力从2M Pa 变化到10M Pa ,计算得到的H 2和CO 的体积分数及(H 2+CO )的热值变化见图4.图4 气化压力对气化结果的影响Fig.4 Effect of pressure on gasification results a ———H 2;b ———CO ;c ———H 2+CO ;d ———Heat value71第1期 沈玲玲等 IGCC 示范工程煤气化炉的数值模拟由图4可以看出,当气化压力在2MPa～10MPa 范围内变化时,随着气化压力的升高,H2,CO和有效产物(H2+CO)含量增加,煤气热值也增加.随着压力的升高,温度条件不变时,炉内气化反应得到强化,反应生成了更多的CO和H2[16],所以,H2和CO及(H2+CO)有效产物含量增加了.气化炉中气化压力主要是根据所需煤气组成而定[17],但气化压力并不是越高越好,它的确定还需要考虑工艺制造和操作管理方面的条件.3.4 气化温度保持其他操作条件不变,使气化温度从1100℃变化到2000℃,CO和H2的体积分数及(H2+ CO)的热值变化见图5.由图5可以看出,随着气化温度的升高,H2的含量先略升高然后降低,CO的含量逐渐增加,在1400℃左右(H2+CO)的总量趋于一个恒定值.当温度超过1300℃时,水煤气反应发生显著[17],生成CO和H2量增加;而且随着温度的升高,碳转化率增高,在氧气量不变的条件下,相应CO生成量增加;而根据Hougen的研究,随着温度的升高,一氧化碳变化反应受制约,因此H2含量减少.综合上述因素,出现图5a中的曲线变化趋势.由图5d可以看出,随着气化温度的升高,气化有效产物(H2+CO)的热值逐渐降低,原因是H2的热值比CO的热值要大,CO增加量的热值无法弥补H2减少量的热值,所以出现图5d中热值曲线下降的趋势.随着温度的升高,对气化炉耐火材料要求增高,从而增加设备的费用.因而,温度不是越高越好,可取1400℃作为气化温度.4 结 论1)水煤浆浓度在60%～70%范围内增大时, (H2+CO)的总含量增加,煤气热值也是增加的.2)氧煤比在0.7～1.0范围内增大时,H2和CO及(H2+CO)的质量分数都是减小的,导致煤气热值降低,所以应尽量降低氧煤比.3)气化压力在2M Pa～10MPa范围内增大时,H2和CO及(H2+CO)的质量分数都增大,因而图5 气化温度对气化结果的影响Fig.5 Effect of temperature on gasification resultsa———H2;b———CO;c———H2+CO;d———Heat value煤气热值也是增大的.4)当气化温度高于1400℃时,(H2+CO)的质量分数会趋于一个恒定值,综合考虑各因素,建议气化温度保持在1400℃以下.参 考 文 献[1] 许世森,张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社,2006.[2] 江丽霞,蔡睿贤,金红光等.世界上若干典型IGCC电站的发展现状[J].燃气轮机发电技术,2000:324.81煤 炭 转 化 2009年[3] 董卫国,危师让.IGCC技术在我国发展前景[J].燃气轮机发电技术,1999(3):126.[4] 林 立.Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J].上海化工,2006,31(8):10213.[5] 徐 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sult s show t hat wit hin t he calculation range,t he percentage of main component s increases as t he coal slurry concentration increases wit hin high coal concent ration.And main component s tend to be a constant value when temperat ure is about1400centigrade.KEY WOR DS Aspen Plus,integrated gasification combined cycle,Texaco gasifier 91第1期 沈玲玲等 IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟。
煤制天然气甲烷化炉设计
煤制天然气甲烷化炉设计摘要：甲烷化炉为煤制天然气生产中的重要设备之一。
针对炉内的反应、介质特性，对甲烷化炉的选材及结构进行了分析，并对设备制造的难点进行了分析，提出了可行的方案。
关键词：甲烷化；甲烷化炉；选材；结构Design of methanation furnace in substituted natural gas production from coalAbstract：Methanation furnace is one of the most important production equipment in coal to natural gas. For the reaction in the furnace and the dielectric characteristics, the materials selection and structure of methanation furnace are analysised, so equipment manufacturing difficulties. The paper gives feasible solution .Keywords：Methanation ; methanation furnace; materials selection ; structure前言煤通过气化可制得合成气，也可通过热解转化为热解气、焦油和半焦，同时我国的炼焦行业也副产大量焦炉煤气，这些合成气、热解气和焦炉气中均含有大量CO和H2，可通过净化、调节氢碳比后进行甲烷化反应制备甲烷燃气，即代用天然气。
煤制甲烷具有较高的热能有效利用率(53%)，不仅对煤炭的高效洁净综合利用具有十分重要的意义，也为我国天然气缺口的填补提供了一条切实可行的途径[1]。
国外煤气甲烷化技术研究始于20世纪40年代，而真正发展是在70年代，由于能源危机，加快了研究步伐，开发了一系列以煤和石脑油为原料制天然气的工艺过程，并开始工业化应用。
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课程：新能源开发与利用专业：农业机械化及其自动化姓名:XＸＸ学号：ＸXXXＸXXＸ教师：XXX小型家用气化炉设计及数值计算XXX(院系:南农工学院农机系学号:XＸXXXXXX E－mail:XXXＸXXX@ｑｑ.com)摘要:随着化石燃料资源的日益减少以及在利用过程中对环境造成的巨大破坏，生物质能的资源化利用正受到越来越多的重视。
而小型家用生物质气化技术由于具有结构简单，管路短,操作维护简单方便，耗资少等优点，适应于我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。
本文结合我国农村的实际情况，设计出小型家用生物质上吸式气化炉。
该小型家用气化炉解决了现役气化炉中气化性能不理想，焦油含量高的问题。
相信此类气化炉将在未来占据一定规模的市场份额,逐步推广到我国农村偏远地区,为解决民生问题作出巨大贡献。
关键词：气化炉；生物质;数值设计；秸秆；净化装置Ｓmall Hoｕsehold Gasifｉｅr Ｄesign Ａnd Nｕmｅｒiｃa ｌＣａｌｃulaｔｉoｎＸXX（departmeｎｔｓ:soutｈNongJiXｉa&m colｌege sｔｕｄenｔnumbｅr: XXXXXXX E-ｍail:XXXＸXXX@）Ａbｓｔｒａct：Ｗitｈtｈｅdwｉnｄｌiｎｇof fossil fuｅl rｅｓｏurceｓａｎd cau ｓeｄeｎormoｕs dａｍaｇe to tｈe ｅnvironｍenｔin the process of utiｌｉzaｔion, biｏmasｓutilizatiｏn is beiｎｇｍoｒeａnd mｏrｅattｅnｔion.And ｂecause small household biomass gaｓｉficaｔiｏnｔechnology has the adｖａntaｇes ｏf sｉmple ｓt ｒuｃturｅ，short linｅ，siｍｐle aｎd convenienｔoperaｔion and mａintenancｅ, lｅss cost, ａdapted to the cuｒrent gｅneral econｏmic leveｌａnｄorganizａｔioｎｓystem ｉn the rｕral ａｒeas.Ｃombiｎed wｉth tｈe acｔual sitｕａtion oｆour country rural arｅa, tｈiｓpaper ｄｅsigｎed ａsmａll ｈoｕseｈold suｃｔion onｔhe bｉomass ｇａsifｉer．Thｅsmall houｓｅhoｌd gasifierｈaｓsolved the actｉv ｅsｅｒvｉce iｎｔheｇasifｉｅr ｇasificａtion peｒfｏrｍance iｓnoｔideal，thｅｐrｏｂlｅｍoｆｈighｔａr cｏｎtent．Belｉeve ｔhis kｉnd of gasifｉeｒwiｌl oc ｃupｙｔhe markｅt ｓhare ｏf a ｃertain sｉze in thｅfutuｒe，grａｄuａlly to re ｍotｅrurａl areas in Cｈina,ｔhe hｕｇe cｏntribｕｔｉon to soｌveｔhe pｒoｂlｅm oｆthe peoｐｌe's lｉveliｈｏod.Keｙwｏrds：gaｓｉfｉer；biomass;nｕmｅrｉｃａl desiｇn；ｓtraw; ｐuｒifｉｃａｔion plant0 引言在世界能源消耗中，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。
大量使用大自然馈赠的生物质能源,几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭,同时起着保护和改善生态环境的重要作用。
由此,我国小型家用生物质气化炉逐步进入人们的视野。
基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给小型家用生物质气化炉的发展带来了机遇。
小型家用生物质气化炉相对于传统的粗燃烧炉具在生产数量、产品质量、加工能力等方面都占据着很大的优势，小型家用生物质气化炉是目前农户使用比较理想的生活设施，对于解决农村的节能减排、改善室内空气质量等问题有着重要的现实意义。
1 气化炉分类及原理概述1.1 气化炉分类气化炉是生物质气化设备的核心技术,大体上可分为两大类，即固定床气化炉和流化床气化炉。
1.1.1 固定床气化炉固定床气化炉是将切碎的生物质原料由炉子顶部加料口投入固定床气化炉中，物料在炉内基本上是按层次地进行气化反应，反应产生的气体在炉内的流动要靠风机来实现。
固定床气化炉的炉内反应速度较慢,按气体在炉内的流动方向,可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式四种类型。
其中,以上吸式气化炉为例。
上吸式气化炉的气一固呈逆向流动,运行过程中，物料从顶部加入后,被上升的热气流干燥而将水蒸气排除,干燥了的物料下降时被气流加热分解,而释放挥发分,剩余的炭继续下降时与上升的CO2以及水蒸气反应，ＣO2和H２Ｏ等还原为CO 及H2等,余下的炭被底部进入的空气氧化，放出的燃烧热量为整个气化过程提供热源。
燃气在经过热分解层和干燥层时,将其携带的热量传递给物料,用于物料的热分解和干燥,同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高。
上吸式气化炉热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用,所以出炉的燃气中只含有少量灰分，且相较其他类型结构简单，加工制造容易,炉内阻力小。
１．1.２流化床气化炉流化床气化炉的反应物料中常掺有精选过的惰性材料沙子,在吹入气化剂作用下,物料颗粒、沙子、气化剂接触充分，受热充分,在炉内呈“沸腾”燃烧状态，气化反应速度快，生产能力大，气化效率高。
炉内温度高而且恒定，焦油在高温下裂解生成气体,因而焦油含量较小，但出炉的燃气中含有较多的灰分。
流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较大。
按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床和携带流化床四种类型，按吹入气化剂的压力大小,流化床气化炉又可分为常压流化床和加压流化床。
一般家用气化炉选择固定床气化炉。
1.２气化炉原理生物质热解气化(简称气化)是一种热化学反应技术,它是指利用空气中的氧气、含氧的物质或水蒸汽作为气化剂，将生物质中的碳氧化成CO、H2、ＣH４等可燃气体的过程。
气化反应过程随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，其反应过程也不相同。
以上吸式气化炉为例，大致分为氧化反应、还原反应、裂解反应和秸秆的干燥。
1.２.1 氧化反应空气由气化炉的底部进入,在经过灰渣层时被加热,加热后的气体进入气化炉底部的氧化区，在这里同炽热的炭发生燃烧反应,生成二氧化碳同时放出热量,由于是限氧燃烧,氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳,同时也放热量。
在氧化区，温度可达1000~120０℃，反应方程式为：ﻫＣ+Ｏ2=CO2+△Ｈ，△Ｈ=408.8千焦在氧化区进行的均为燃烧反应,并放出热量,也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥,提供了热源。
在氧化区中生成的热气体(一氧化碳和二氧化碳)进入气化炉的还原区，灰则落入下部的灰室中。
１.２.２还原反应ﻫ在还原区已没有氧气存在,在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应,生成一氧化碳(ＣＯ)和氢气（H２)。
由于还原反应是吸热反应,还原区的温度也相应降低,约为700~900℃。
ﻫ还原区的主要产物为一氧化碳（CＯ）、二氧化碳（CO2）和氢气(H2），这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区,而没有反应完的炭则落入氧化区。
1.２.3 裂解反应在氧化区和还原区生成的热气体,在上行过程中经过裂解层,同时将秸秆加热,当秸秆受热后发生裂解反应。
在反应中,秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。
由于秸秆的裂解需要大量的热量,在裂解区温度已降到400~600℃。
在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。
裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等,这些热气体继续上升，进入到干燥区,而炭则进入下面的还原区。
1.２.4 秸秆的干燥气化炉最上层为干燥区,从上面加入的物料直接进入到干燥区，物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热,使原料中的水分蒸发出去,该层温度为１00~30０℃。
干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉，而干物料则落入裂解区。
气化实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。
气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体。
所以在气化炉出口，产出气体成分主要为一氧化碳（CO),二氧化碳（ＣＯ2)、氢气(Ｈ2）、甲烷（CH4)、焦油及少量共他烃类,还有水蒸气及少量灰分。
2 气化炉总体方案的确定2．1 设计原则气化效率高，燃气质量好。
目前市场上许多生物质气化炉气化效率较低或是不稳定，燃气品质较差,因此，必须合理设计气化炉炉膛结构,提高气化品质。
物料适应性好。
由于农村生物质种类较多,设计出的生物质气化炉对原料应具有广泛的适应性；同时，由于面向各家用户，对于原料无需经过复杂的预处理，一般铡成小段即可。
坚固耐用、安全稳定。
选择合理的耐火材料与保温材料，设计合理的检修口,增加设备运行的可靠性,安全性和维修的简便性。
结构简单,操作方便,价格便宜。
由于生物质气化炉主要用于农村,面向农户，因此结构不能过于复杂,需要设计合理,便于日常操作;同时还要尽可能地降低成本，以利推广。
2.2 拟达到的主要技术指标气化效率稳定达到65%,生物质燃气低位发热量大于6．0MJ/Nm３，氧含量小于1.０%。
气化炉运行稳定，能够连续运行3小时左右，产气量6~８3m以上,可供农户一天的炊事使用;封火时间１2ｈ以上。
2．3 气化炉的选型由于农村单户使用并不需要不断地添料，可以采取间歇式加料，而且输送管道短,产出的气体可以立马用掉，因此对可燃气中焦油含量要求并不严格，无需使用繁杂的设备脱除焦油。
所以，可选择上吸式气化系统作为小型家用生物质气化炉的基本炉型。
上吸式气化炉的主要特点是：通用性好，原料无需经过较为复杂的预处理过程，对原料的种类、尺寸、含水量等没有严格的要求;炉体结构简单,成本低，操作及维修方便;可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传递给物料,自身温度降低，热效率较高;热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用,出炉的可燃气灰分少;且炉排受进风冷却,工作比较可靠。
2．4 生物质气化原料的选定农作物秸秆、刨花等是我国农村和木材加工厂等最常见的生物质废弃物,资源广泛，成本低廉。
现收集和选取了若干种典型的农林废弃物(如表2.１),通过比较,决定选取秸秆的有关参数作为设计依据。