（控制理论与控制工程专业论文）气化炉的建模及其进料优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 煤气化炉是i g c c 系统和多联产系统的核心部分。本文以t e x a c o ( 德士古) 水 煤浆气化炉为研究对象，采用“小室建模”方法建立了喷流床煤气化炉的动力学稳 态数学模型。按气化流程将气化炉分为三个区：煤的高温分解和挥发份燃烧区，煤 焦燃烧区以及气化区。基于化学反应的动力学特性以及物质的质量平衡、能量平衡 对每一小室进行了建模。模型详细考虑了气固流动过程及包括催化水煤气反应，煤 焦与0 2 ，c 0 2 ，h 2 ，h 2 0 等化学反应过程。最后，利用所建立的模型，对影响最终 气体成分的气化炉初始运行参数进行了详细优化。在展现各种参数对最终气化产物 成分影响的同时，分析和揭示了这些影响的内在机理和规律。 关键词：t e x a c o ，煤气化，气化炉，数学模型 a b s t r a c t c o a lg a s i f i e r sa l ee s s e n t i a lu n i t so fi g c ca n dp o l y g e n e r a t i o ns y s t e m ak i n e t i c s m a t h e m a t i c a ls t e a d ys t a t em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt os i m u l a t et h em o d e l i n gf o ra c o a l w a t e rs l u r r i e sg a s i f i e ru s i n g “c e l lm o d e l i n gm e t h o d ”f r o mt h ep r o c e s so fg a s i f i c a t i o nt h e e n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i e ri sc o n c e p t u a l l yd i v i d e di n t ot h r e ez o n e s ：t h ep y r o l y s i sa n dv o l a t i l e c o m b u s t i o nz o n e ，t h ec h a rc o m b u s t i o nz o n e ，a n dt h eg a s i f i c a t i o nz o n e t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o np r o f i l e sa l o n gt h er e a c t o ra l eo b t a i n e db ys o l v i n gt h em a t e r i a la n de n e r g y b a l a n c ee q u a t i o n s m o r et h a nt h i r t e e nc h e m i c a lr e a c t i o n ss u c h8 , 8w a t e r - g a ss h i f tr e a c t i o n ， c h a r - o x y g e n ，c h a r - s t e a m ，e ta la l ec o n s i d e r e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t 丽lm a n yk i n d so fe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h ee n d ，m o r ee f f e c t i v es y n t h e s i sg a sh a sb e e ng o t b yo p t i m i z i n gt h ed i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a s i f i e r , a n dt h e p r i n c i p l e so f t h e s ee f f e c t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d l i uz h i b i n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a ow e n - j i e k e y w o r d ：t e x a c o ，c o a lg a s i f i c a t i o n ，g a s i f i e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 煤气化炉是i g c c 系统和多联产系统的核心部分。本文以t e x a c o ( 德士古) 水 煤浆气化炉为研究对象，采用“小室建模”方法建立了喷流床煤气化炉的动力学稳 态数学模型。按气化流程将气化炉分为三个区：煤的高温分解和挥发份燃烧区，煤 焦燃烧区以及气化区。基于化学反应的动力学特性以及物质的质量平衡、能量平衡 对每- d , 室进行了建模。模型详细考虑了气固流动过程及包括催化水煤气反应，煤 焦与0 2 ，c 0 2 ，h 2 ，h 2 0 等化学反应过程。最后，利用所建立的模型，对影响最终 气体成分的气化炉初始运行参数进行了详细优化。在展现各种参数对最终气化产物 成分影响的同时，分析和揭示了这些影响的内在机理和规律。 关键词：t e x a c o ，煤气化，气化炉，数学模型 a b s t r a c t c o a lg a s i f i e r sa l ee s s e n t i a lu n i t so fi g c ca n dp o l y g e n e r a t i o ns y s t e m ak i n e t i c s m a t h e m a t i c a ls t e a d ys t a t em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt os i m u l a t et h em o d e l i n gf o ra c o a l w a t e rs l u r r i e sg a s i f i e ru s i n g “c e l lm o d e l i n gm e t h o d ”f r o mt h ep r o c e s so fg a s i f i c a t i o nt h e e n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i e ri sc o n c e p t u a l l yd i v i d e di n t ot h r e ez o n e s ：t h ep y r o l y s i sa n dv o l a t i l e c o m b u s t i o nz o n e ，t h ec h a rc o m b u s t i o nz o n e ，a n dt h eg a s i f i c a t i o nz o n e t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o np r o f i l e sa l o n gt h er e a c t o ra l eo b t a i n e db ys o l v i n gt h em a t e r i a la n de n e r g y b a l a n c ee q u a t i o n s m o r et h a nt h i r t e e nc h e m i c a lr e a c t i o n ss u c h8 , 8w a t e r - g a ss h i f tr e a c t i o n ， c h a r - o x y g e n ，c h a r - s t e a m ，e ta la l ec o n s i d e r e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t 丽lm a n yk i n d so fe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h ee n d ，m o r ee f f e c t i v es y n t h e s i sg a sh a sb e e ng o t b yo p t i m i z i n gt h ed i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg a s i f i e r , a n dt h e p r i n c i p l e so ft h e s ee f f e c t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d l i uz h i b i n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a ow e n - j i e k e y w o r d ：t e x a c o ，c o a lg a s i f i c a t i o n ，g a s i f i e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l 华北电力大学硕+ 学位论文主要符号表 名称 a = ( 形a ，v , ) ( 6 p ，d j 口) a t d p r g h b s i 口l i d 一硼 k 埘 k s k a a , h = 占 只 只一只+ f 乞 尺 昂： l t 乙 p t 口 8 y 万 占 主要符号表 单位 c m 2 c m 3 1 c m c m c m s 2 k a l i ( c m j ) g l ( c m 2 a t m j ) g l ( c m 2 a t m s ) g i ( c m 2 a t m s ) a b n a t m c m c m a t i n k k k a t m p a s 说明 气化炉内固体与气体的接触面积 小室的截面积 焦炭颗粒直径 水煤气反应的校正因子 重力加速度 固体与墙壁的交换热 气体扩散到焦炭表面的速率常数 碳核表面的化学反应速率常数 气体扩散到未反应核表面的速率常数 灰层的空隙率 气体组分分压力， 考虑可逆反应的有效分压力。 气体种类 未反应碳核半径 初始颗粒半径 气化炉内氧气分压 固体温度 气体温度 ( i + 巧) 2 工作压力 煤焦的成分c 含量组成因子 煤焦的成分h 含量组成因子 煤焦的成分o 含量组成因子 煤焦的成分n 含量组成因子 煤焦的成分s 含量组成因子 气体粘度 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气化炉的建模及其进料优化， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：邋 f i 期：班，占 导师签名： 日期： 壶堑7 、j r z ) ( 1 、 名二芒二k l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 本文的研究对象为t e x a c o 煤气化炉的建模，为此我们首先从为什么要研究这种 清洁煤利用技术开始。“绿色煤电”的提出，是从我国能源结构的现实特点出发的。 煤炭在我国一次能源结构中占6 成以上，目前全国的发电装机容量中煤电占7 0 以 上。预计到2 0 2 0 年，我国煤炭用于发电的比例将由目前的4 0 增加到7 0 以上。 但是，作为世界煤炭消费大国，我国在煤电转换效率和污染物减排方面明显落后于 西方发达国家：2 0 0 4 年，全国平均供电消耗为3 7 9 克千瓦时，比国际先进水平( 3 2 0 克千瓦时) 高5 0 , - - - - 6 0 克千瓦时左右。发电厂排放二氧化硫占全国工业排放二氧化 硫总量的4 0 以上。我国二氧化硫排放总量仅次于美国，居世界第2 位，而且将不 断增加。严峻的现实使我们不得不认真思考煤电的可持续发展闯题。这不仅是我国 电力工业面临的重要课题，也是关系到我国建设资源节约型和环境友好型社会的一 个重要问题。五中全会通过的“十一五一划建议已经明确提出：“源产业，要强化 节约和高效利用的政策导向，坚持节约优先、立足国内、煤为基础、多元发展，构 筑稳定、经济、清洁的能源供应体系。 1 1 1 严峻的世界能源形势。7 1 ( 1 ) 石油 2 0 0 5 年，即期布伦特原油的现货平均价为5 4 5 2 美元桶，比2 0 0 4 年上涨超过 4 0 。8 月初，油价首次突破每桶6 0 美元大关。8 月中旬，在飓风卡特里娜和丽塔 袭击美国墨西哥湾沿岸之前，油价达到了6 7 美元桶的日高峰价。飓风袭击后，美 国炼油厂的关闭缩小了2 0 0 5 年布伦特原油价格与西德克萨斯中级原油价格之间的 差距；由于世界炼油体系新增处理高硫重质原油能力不足，低硫轻质原油与高硫重 质原油的价格差再一次超过历史平均水平。 2 0 0 5 年，世界石油消费增长了1 3 ，低于过去1 0 年的平均增长率，而较2 0 0 4 年3 6 的强劲增长则明显放缓，消费量增加了1 0 0 万桶日，达到8 2 5 0 万桶日。中 国的石油消费量只增加了2 0 万桶日，较2 0 0 4 年的近1 0 0 力j 桶日相比减少了8 0 万 桶日，而美国的石油消费量只减少了7 5 万桶日。 石油输出国组织赢得了市场份额，其9 0 万桶日的产量增幅几乎占据了全球原 油产量的全部净增长额。沙特阿拉伯已有和新增的产能总量已提高至1 1 0 0 万桶日， 科威特和卡塔尔的产量则分别新增加了近1 0 万桶同，伊拉克的产量减少了近2 0 万 华北电力大学硕士学位论文 桶日。 石油输出国组织以外的产油国的原油生产表现平平，是1 9 9 3 年以来最弱的一 年。经济合作与发展组织国家原油产量下降了9 5 万桶日，降幅创历史纪录。美国 的产量减少了4 0 万桶日，主要是受飓风的影响。英国和挪威的产量各减少2 0 多万 桶日。这些产量的缩减由非经合组织国家产量的增加得以补充。俄罗斯产量增加 2 6 万桶日，但增幅有所下降，仅为2 0 0 4 年的三分之一。新的深海石油生产使安哥 拉的产量增加了2 5 万桶日。阿塞拜疆、巴西和中国的产量则分别增加了近1 0 万桶 日。 ( 2 ) 天然气 2 0 0 5 年，世界天然气的消费增长了2 3 ，与2 0 0 4 年比增长进一步放缓，接近 于过去1 0 年的平均增长率。北美是唯一天然气消费降低的区域。美国是世界最大 天然气消费国，天然气用量降低了1 5 。工业用天然气消费量所减少的幅度大于发 电用天然气消费量的增长幅度，飓风过后的天然气价格陡升及天然气供应中断进一 步加剧这种情况。作为全球第三大天然气消费国，英国的天然气消费也降低了2 2 。 其他地区的天然气消费增长了3 8 ，其中中国、南欧和印度的增幅最大。 尽管美国和欧盟天然气产量减少，2 0 0 5 年世界天然气产量仍增长了2 5 。由于 遭受飓风带来的影响，美国的天然气产量降幅最大。在欧洲，英国和荷兰的天然气 产量缩减与俄罗斯和挪威产量的增加相互抵消。中国的天然气产量增长为全球最 高。 2 0 0 5 年，国际天然气贸易保持着强劲的增长势头，增幅为6 4 ，接近过去l o 年的平均增长率。管道运输量增长了6 4 。很多天然气生产国都增加了管道运输量， 其中增幅最大的是挪威、阿尔及利亚、利比亚和俄罗斯。液化天然气的运输量有所 增加，增长6 4 。埃及成为液化天然气出口国，卡塔尔、澳大利亚和马来西亚的出 口量显著增长。美国的液化天然气进口量略微下降，欧洲的进口量增长了1 9 。亚 洲的液化天然气消费持续增长，其中印度进口量的快速攀升是主要推动力。 ( 3 ) 煤炭及其它燃料 2 0 0 5 年，煤炭再次成为世界增长最快的能源，世界煤炭消费增长了5 ，是过 去1 0 年平均增长的两倍。中国，作为世界上最大的煤炭消费国增长了1 1 ，占世 界煤炭消费增长的8 0 。美国煤炭消费增长率也高于世界平均水平，而其地区的增 长率都接近过去l o 年的平均水平。 1 1 2 能源利用现状和污染叫小。1 2 华北电力大学硕士学位论文 表1 1 我国至2 0 3 0 年电力和能源生产总量预测【3 】 项目内容 1 9 9 0 钲1 9 9 8 年2 0 1 5 年2 0 3 0 芷 总装机容量m w1 2 5 0 02 7 7 2 8 9 05 0 0 01 0 4 0 0 0 煤电装机容量m w9 0 0 02 0 9 8 8 3 5 3 5 0 0 发电量1 0 86 3 0 01 1 5 7 6 9 72 6 0 0 05 4 1 0 0 h k w , h a 发电煤耗 g k w h 4 2 7 3 7 3 3 1 0 3 0 0 电力产生折合耗煤量1 0 8 t a2 5 04 78 11 4 1 一次能源总需求量1 0 8 t a1 0 01 2 42 1 83 0 7 电能占一次能源比重 2 63 4 6 93 74 6 电力生产年增长率 7 12 0 75 04 0 煤电所占的比重 7 2 6 67 5 8 87 06 0 表1 1 表明随着生产水平的提高，我国电能在一次能源中的比重将日益增大， 电力工业耗煤量占产煤量的比例，将从1 9 9 0 年的2 6 上升到2 0 3 0 年的4 6 。 传统的煤炭开发和利用技术以及不加限制的消耗矿物能源极大地污染了人类 赖以生存的环境，出现了许多环境问题。从而诱发温室效应、酸雨，引起疾病、农 业减产进而带来更加严重的经济、社会问题。 表1 - 2 我国工业企业三废排放情况3 1 项目单位 1 9 9 1 年1 9 9 3 年1 9 9 5 年 1 9 9 7 年1 9 9 8 年 工业废水排放总量万吨 2 3 5 8 6 8 7 2 1 9 4 9 1 9 2 2 1 8 9 4 3 1 8 8 3 2 9 61 7 1 2 3 5 5 工业废水处理率 6 3 57 2 o7 6 88 4 78 8 2 工业废水排放达标率 5 0 15 4 95 5 4 6 1 8 6 7 0 工业废气排放总量亿标立方 8 4 6 5 39 3 4 2 31 0 7 4 7 81 1 3 3 7 81 1 0 8 0 7 米 工业二氧化硫排放量 万吨 1 1 6 51 2 9 21 4 0 51 3 6 31 2 1 0 工业烟尘排放量万吨 8 4 5 8 8 0 8 3 86 8 56 8 0 1 ：业粉尘排放量 万吨5 7 96 1 76 3 95 4 85 0 6 工业同体废物排放量万吨 3 3 7 62 1 5 22 2 4 21 5 4 91 8 2 l 综上所述，我国能源与环境领域面临的形势非常严峻：一方面，煤的大量使用 3 华北电力大学硕士学位论文 不可避免；另一方面，环境污染必须控制。面对中国多煤少油少气的现状，尤其是 多劣质煤少高品质煤的现状，以及煤在利用中的特点和困难，我们应该对中国可能 发展的，以煤为核心的能源利用系统进行研究，对传统能源利用方式中能耗高、污 染大的技术进行改进，以解决我国能源与环境的矛盾。作为经济可持续发展的基础， 能源的可持续发展对我国来说，具有重要的战略意义。因此，如何从中国的现实出 发，在一次能源以煤为主的情况下，构建资源、能源、环境整体化的可持续发展能 源系统，是从现在就要开始重点研究并逐步实施的战略性问题。 我国是一个能源大国，但是一个人均能源资源占有量低的贫国。我国的人均能 源资源占有量为全世界人均水平的1 2 ，仅为美国人均水平的1 1 0 ，而且一次能源 架构中7 5 以上是煤。预计到2 l 世纪中叶，甚至到2 l 世纪末，我国以煤为主的能 源结构将不会改变。煤的高效、清洁利用，是我国经济和社会可持续发展的战略抉 择，是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。 在相当长的时期内，我国以煤为主的能源结构将难以改变，为了满足未来经济、 社会和环境协调发展对能源的需求，煤炭的洁净利用必须以科学的发展观，依靠科 技进步，走出一条兼顾高效、环保和经济的新型工业化道路。发展基于煤气化的煤 基及化工系统是在可预见范围内最高效的技术途径，以成为能源领域科技界和企业 界的共识。以煤气化为基础的能源及化工系统不仅能较好的解决煤转化过程中提高 效率和降低污染排放的问题，而且能生产液体燃料和氢等能源产品，对缓解交通能 源紧张问题有重要的意义。 因此我们提出了洁净煤技术，以燃煤的整体煤气化燃气整体联合循环技术 ( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 为代表的清洁燃烧技术，和以煤气化为核 心的多联产系统( p o l y g e n e r a t i o n ) 为代表的煤的综合利用技术，作为可持续发展能 源系统的重要组成部分，正逐渐成为我国重点关注的对象。 1 2 煤气化技术的发展哺咱1 以煤气化为基础的能源及化工系统正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开 发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤炭的气化和液化技术、煤气化联合循 环发电技术等都已得到工业应用。国内，在国家计划的支持下，通过自主研发和引 进国外先进技术，也得到了相当的发展。以煤气化为基础的能源和化工系统的发展， 为人们描绘了能源梯级利用、环境污染最小化、成本最低而效率最大化的前景，并 预留了减排二氧化碳和通向氢能经济的技术窗口，同时也对煤气化技术提出了更高 的要求。 在国家“八五 、“九五一攻关和“十五 8 6 3 项目等科技计划的支持下，通过 国内企业、科研单位和高校的联合攻关，已开发出具有自主知识产权的水煤浆加压 4 华北电力大学硕士学位论文 喷流床气化工艺、干煤粉加压喷流床气化技术和灰融聚流气化床技术达到了百吨级 规模，这标志着我国自主的煤气化技术正在逐步缩小与世界先进水平的差距，相信 在未来几年内将迈向工业化。 煤气化主要用于以下几个方面： 生产燃料气化，通过选用不同的气化方法，可以制的低、中、高3 种热值煤气， 以满足钢铁工业、化学工业、联合循环发电和民用等不同对象的要求。 生产合成气，用作合成氨、合成甲醇和甲醚一级合成油的原料气。 生产氢，煤气化制氢将是未来氢能经济的主要技术路线。 与煤燃料相比，煤气化工艺和设备的设计制造及运行更复杂，难度更大。煤炭 气化技术已有悠久的历史，尤其自2 0 世纪7 0 年代石油危机的出现，世界各国广泛 开展了煤炭气化技术的研究。目前正在应用和研究的煤气化炉有很多类型。所有这 些气化炉有一个共同的特点：煤在气化炉中，高温条件下与气化剂反应，使固体燃 料转化为气体燃料，只剩下含灰的残渣。通常气化剂用水蒸气、氧( 空气) 和c 0 2 。 粗煤气中的产物是c o 、h 2 和c i - h ，伴生气体是c 0 2 ，h 2 0 。等。此外还有硫化烃 类产物和其他微量成分。各种煤气组成取决于煤的种类、气化工艺、气化剂的组成， 影响气体反应的热力学和动力学条件。 1 2 1按制取煤气的热值分类 以下按制取煤气在标准状态下的热值把煤气化工艺分为3 类： ( 1 ) 制取低热值煤气方法，煤气热值低于8 3 4 7k j m 3 ( 2 0 0 0 k c a l m 3 ) ； ( 2 ) 制取中热值煤气方法，煤气热值1 6 7 4 7 3 3 4 9 4 l 【j m 3 ( 4 0 0 0 - - - 8 0 0 0 k c a l m 3 ) ； ( 3 ) 制取高热值煤气方法，煤气热值高于3 3 4 9 4k j m 3 ( 8 0 0 0 k c a l m 3 ) 。 1 2 2 按供热方式分类 ( 1 ) 自热式气化法 这是一种直接的供热方式，亦称部分气化方法，即气化工程中没有外界供热， 煤与水蒸气气化反应所需要的热量，通过另一部分煤与气化剂中的氧气进行燃烧放 热锁提供。这是目前各种工业气化炉中最常用的供热方式。 ( 2 ) 间接供热气化法 该法使煤仅与水蒸气进行气化反应，从气化炉外部通过管壁供给热量。因而这 类过程亦称为外热式( 活配热式) 煤的水蒸气气化。此类技术，多是采用流化床和 气流床气化手段。外热可采用电加热或核反应热。 ( 3 ) 煤的水蒸气气化和加氢气化相结合法 华北电力大学硕士学位论文 煤与氢气在8 0 0 - - - , l8 0 0 温度范围内和加压下反应生成c h 4 的反应是放热反 应。可利用该反应直接放热，进行煤的水蒸气气化，加氢气化的残焦再与水蒸气反 应，产生的合成气为加氢阶段提供氢源。 ( 4 ) 热载体供热 在一个单独的反应器内，用煤或焦炭和空气燃烧加热热载体供热，热载体可以 是固体( 入石灰石) 、液体熔盐或熔渣。 1 2 3 按气化剂分类 气化方法按使用气化剂的不同可以分为如下几种。 ( 1 ) 空气蒸汽气化 以空气( 或富氧空气) 蒸汽作为气化剂。其中又有空气蒸汽内部蓄热的间歇 制气和富氧空气蒸汽自热式的连续制气方法两种。一般以空气为气化剂制得的煤气 称空气煤气，主要成分为大量氮气，二氧化碳和一定量的一氧化碳和氧气。以水蒸 气为气化剂制得煤气称水煤气，主要成分为氢气、一氧化碳、二氧化碳及甲烷。以 空气和水蒸气的混合物为气化剂制得的煤气称发生炉煤气。 ( 2 ) 氧气蒸汽气化 以工业氧和水蒸气作为气化剂。近代气化技术都是以工业氧和高压蒸汽作为气 化剂的。 ( 3 ) 氢气气化 煤气化过程中用h 2 或富含h 2 的气体作为气化剂可生成富含c h 4 的煤气，该法 亦称加氢气化法。 1 2 4 按固体燃料的运行状态分类 气化方法按固体燃料的运行状态可分为： ( 1 ) 移动床( 固定床) 气化法； ( 2 ) 流化床气化法； ( 3 ) 气流床气化法即喷流床气化法。 在以上三种方式中移动床属于逆流操作，气流床属于顺流操作，流化床介于上 述两种情况之间。 通常的煤气化系统包括备煤给料系统、气化炉、除尘、和脱硫。备煤给料系统 将原煤干燥并磨碎到各种气化所要求的粒度。供料的方式有两种：一种是干煤( 或 干煤粉) 压力锁斗供料；另一种是水煤浆供料( 一般要求水与煤混合被磨制成水煤 浆，然后用高压泵送入气化炉) 。与煤同时喷入气化炉的还有氧化剂，即空气或氧 6 华北电力大学硕士学位论文 气及水蒸气，按气化工艺的要求选择氧化剂。在反应器的高温条件下同时进行煤的 热解、部分氧化、水煤气反应及其他反应。煤气的成分主要是h 2 和c o ，还有部分 c 0 2 、c h 4 和没有反应的水蒸气。对于空气气化煤气中还有一定量的n 2 。从气化炉 出来的煤气温度较高，一般要经过煤气冷却器和对流式冷却器，有的工艺以冷煤气 激冷代替辐射式煤气冷却器，有的工艺采用直接水激冷工艺。 从煤气冷却器出来的粗煤气含有许多灰粒和未反应的焦炭，还有h 2 s 、n h 3 等 一些污染物，固体颗粒必须在除尘系统中除去，除尘系统通常包含旋风分离器或过 滤器一些水洗剂除尘器等。煤气中灰有较高的含碳量，所以，在设计除尘系统时， 必须考虑将飞灰再循环至气化炉的工艺过程。在有些气化工艺中煤气中的焦油等杂 质也随飞尘在除尘系统中被收集，与飞灰一起被送到气化炉内再循环。 不含飞灰的煤气进入脱硫系统。目前只有湿法洗剂脱硫工艺比较成熟。在湿法 脱硫系统中脱去h 2 s ，同时n h 3 也溶解与脱硫液中被脱出。脱硫后的净煤气被重新 加热，在有些工艺中，净煤气还被蒸汽饱和，然后进入燃气轮机中燃烧。在煤气进 入燃气轮机之前通常要调节煤气的温度，因此在煤气冷却、除尘和脱硫工艺之间还 有许多煤气的换热器。 最早的煤气化技术是在1 8 5 7 年有德国的s i e m e n s 兄弟最早开发出用块煤生产煤 气的炉子。 直接用氧气作气化剂使煤气化炉产生的煤气不含n 2 。提高煤气的热值，并且使 气化炉的运行易于控制。在高温和高压下运行气化炉，使煤气产量得到很大的提高， 这点至今仍有很大的实用价值。 气化炉在高温下运行使气化技术得到进一步提高。由于气化炉运行温度高，煤 灰被熔化以液态排渣方式排出，使碳的转化率大大提高。在高温、氧气气化和液态 排渣的经验上，气流床气化炉应运而生。最早的气流床气化炉是的德国的 k o p p e r s t o t z e k ( 简称k t 炉) ，它于2 0 世纪5 0 年代出现。k t 炉是常压、高温干煤 粉气流床气化炉，其操作温度在灰熔点以上。它的出现，使气化炉的出力和煤气质 量大大提高。这使的煤气化技术工艺称为第一代煤气化。 随着煤气化工艺在工业中的广泛应用，煤气化技术也得到不断的发展，气化效 率、气化炉的出力和环保性能都得到长足的发展。为此煤气化进入了第二发展阶段。 其中最有代表性的新设计和改进就是流化床和气流床在高压下运行，移动床采用高 温液态排渣系统。这些新设计都已付诸工业应用，除了在合成氨、合成甲醇等化工 行业得到应用外，也在i g c c 中得到应用。以下列出第二代具有代表性的气化炉。 华北电力大学硕士学位论文 表1 3 具有代表性的第二代气化炉 床层形式 气化：i ：艺 特点 r u h r1 0 0 同态垂直排渣 移动床( 或固定床)k i l ng a s 固态水平排渣 b g l ( b r i t i s hg a s l u r g i ) 液态排渣 h t w ( h i g ht e m p e r a t u r e 非团聚排灰 w i n k l e r ) 流化床 u - g a s ( u t i l i t yg a s ) 灰团聚 k r w ( k e l l o g g - r u s t 灰团聚 w e s t i n g - h o u s e ) t e x a c o 水煤浆项部供料，一室一 级，液态排渣 g s p ( g a s k o m b i n a ts c h w a r z e 干煤粉顶部供料，一室一 p u m p e ) 级，液态排渣 v e w ( v e r e i n i g t e e l e k t f i e i 干煤粉项部供料，一室一 t a t s w e r k ew e s t l a l e n ) 级，液态排渣 d e s t e c ( d o w ) 水煤浆水平供料，两室两 级，液态排渣 干煤粉水平供料，一室一 s h e l l 级，液态排渣 气流床 干煤粉水平供料，一室一 p r e n r i o 级，液态排渣 n e d o ( n e w e n e r g y 干煤粉水平供料，一室两 d e v e l o p m e n to r g a n i s a t i o n ) 级，液态排渣 t p r i ( t h e r m a lp o w e r 干煤粉水平供料，两室 r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 两级，液态排渣 s a a r b e r g o t t om i p 熔融床 ( m o l t e n i r o np u r eg a s ) 干法供料 8 华北电力大学硕士学位论文 1 3 ig c c 发电技术睁例 i g c c 全名( i n t e r g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 臣o 整体煤气化联合循环发 电，是一种新一代的先进的净洁煤燃烧发电技术。i g c c 先通过煤气化炉将煤气化 成中、低热值的合成粗煤气，然后经净化系统将其除尘，脱硫，除染而制成可供燃 气轮机使用的精煤气，进入燃烧室产生高效燃气带动汽机做功，同时还利用燃气轮 机排气经余热锅炉产生不同参数蒸汽，以驱动蒸汽轮机发电，以及供热等。 i g c c 是最有发展前途的洁净煤发电技术，与常规燃煤机组及大然气蒸汽联合 循环( i g c c ) 相比，优点明显。 ( 1 ) 高效率i g c c 供电效率可达4 2 - 4 6 ，以后提高初燃后可达5 0 以上； ( 2 ) 良好环境效益，在气化过程中可脱硫9 8 ，脱氮9 0 ，粉尘几乎为零， 如将排放c 0 2 进行浓缩储存等处理可使机组达到零排放； ( 3 ) 耗水量比常规少3 0 - 5 0 ； ( 4 ) 能综合利用煤炭资源，组成多联产系统，能同时生产电、热、燃料气和 化工产品。 1 3 1 煤气化炉的形式 根据按固体燃料的运行状态的分类煤炭在固定床气化炉中的变化，也成为块煤 气化。包括常压固定床气化和加压固定床气化两类。属于这类炉型的气化炉有u g i 炉、鲁奇( l u 晒) 炉和液态排渣鲁奇( b g l ) 炉等。然而固定床气化炉也存在着许 多缺点如：固定床煤气化技术单炉生产能力小：生产现场操作环境恶劣；对煤质要 求极为严格等。为了提高生产强度，并能够利用反应活性较好的褐煤资源，德国在 2 0 世纪2 0 年代开发了温克勒( w i n k l e r ) 气化炉，这里最早的流化床煤气化方法； 第一个工业生产装置1 9 2 6 年在德国投入运转，以后世界各国共建有约7 0 多台温克 勒气化炉，我国的吉林和兰州也有这类气化炉。这种流化床气化炉生产的气体含甲 烷较少，适用于生产合成氨、氢气和发电。 煤的流化床气化就是指气化反应是在以气化剂与煤形成的流化床内进行的。通 常要用气化剂使煤流化，煤的颗粒就不能过大，大颗粒煤不易流化，力度过小又常 易被气流带出。而流化床气化用煤的粒度是0 6 m m 或0 1 0 r a m ，但亦不希望l m m 以下的细粉过多。流化床经过多年的发展，形成不少种炉型。在美国有u g a s 、k r w 、 h y - g a s 、c o g a s 、c 0 2 a c c e p t o r 、e x x o n 催化气化等；在日本有旋流板式的j s w 、 喷射床气化炉；在德国有温克勒( h t w ) 及l u r g i 公司开发的循环流化床气化炉 ( c f b g ) ；在加拿大有喷射床气化( s p o u tb e dg a s i f i e r ) ；在中国有灰熔聚气化、双 器流化床、分区流化床、循环制气流化床水煤气炉及加压流化床等。流化床煤气化 9 华北电力大学硕士学位论文 有许多优点如：直接利用碎粉煤，不用加工成块型( 如移动床气化炉说要求) ，亦 不用磨成细粉( 如气流床所要求) ；床内物料均匀、温度均匀，便于操作控制，炉内 存在的大量可燃物可保证生产的安全性；气化强度大，便于大规模设备的建设；可 在炉料中添加固硫剂；气化时氧耗量比气流床低，蒸汽消耗量又比干式排灰的移动 床底等。但从目前的情况看来，进展不快。主要原因在于流化床现存基本问题的解 决上，有一定的技术难度，需要有大量细致的试验工作。接着产生了喷流床煤气化 炉，也叫气流床气化。每份煤粉由气化剂夹带入炉，进行并流式燃烧和气化反应( 火 焰反应) 。受气化空间的限制，要求入炉煤颗粒很细( 8 5 ) ，但与之 匹配的辅助系统是制约气化炉和整个i g c c 机组可用率的最大障碍。其中黑水处理 系统和进料系统的问题最多，有些目前尚未解决。 1 3 3 国外ig c c 发电技术发展概况 i g c c 发电技术发展及应用情况。 国外对i g c c 发电技术的开发和研究始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 2 年在德国建成 的l u n e ni g c c 电厂和1 9 8 4 年在美国建成的c o o lw a t e r 电厂是2 座。成功利用煤 作为燃料、气化后发电的实验电厂。2 0 世纪9 0 年代，在世界范围内先后建成了 1 0 余座i g c c 电厂，其中规模最大，比较典型的4 座以煤为燃料具有一定规模 ( 2 5 0 3 0 0m w ) 的i g c c 电厂分别是：荷兰b u g g e n u m 电厂，1 9 9 4 年建成总功率为 2 8 5 m wi g c c 机组，采用s h e l l 气化炉；美国w a b a s h r i v e r 电厂，1 9 9 5 年建成总功 率为2 9 7 m wi g c c 机组，采用e g a s ( d e s t e e ) 气化炉；美国p o l k 电厂，1 9 9 6 年建成 总功率为3 1 3m wi g c c 机组，采用t e x a c o 气化炉；西班牙p u e r t o l l a n o 电厂，1 9 9 7 年建成总功率3 3 5 m wi g c c 机组，采用德国p r e n f l o 气化炉。以上4 个电厂投入运 行后的十几年中经过不断的调试、试验和改进，目前均已趋于成熟，各项技术指标 逐年提高，发电效率已达到设计值4 3 ，可用率达到8 5 。目前世界范围约有1 8 座i g c c 电厂，约4 2 0 0 m w 机组在运行，如果包括在建机组，世界范围共有近3 0 座i g c c 电厂，总装机容量约8 0 0 0 m w 。 8 0 年代我国也开始了t e x a c o 煤气化法的研究，在陕西临渲化肥研究所建造了 2 4 t d 的中试装置，鲁南化肥厂已建造了3 8 1 0 4 t 合成氨生产t e x a c o 气化装置，首 都钢铁公司和上海焦化总厂计划建造t e x a c o 气化炉。烟台电厂筹建的联合循环电厂 也是引进t e x a c o 气化炉。 1 3 4 气化炉建模技术n 卜5 1 气化炉气化系统的建模与仿真研究就是应用基本理论定律，结合有关流动、 燃烧、化学反应、传热等方面的理论或经验模型理论建立起气化炉的数学模型，然 后借助计算机对其性能进行仿真计算。 华北电力大学硕士学位论文 目前国内外气化炉建模已有一定发展，国外比较成熟，国内起步比较晚。而且 很多是基于建模技术上。 ( 1 ) 平衡模型 平衡模型认为气化过程所有化学反应达到平衡，通过对气化过程质量及能量平 衡方程求解得到反应平衡时的煤气组成及平衡温度。项友谦【2 9 】用能量最小原理，建 立了加压气化平衡模型，并用4 种方法对微分方程求解。模拟结果显示平衡模型对 喷流床的仿真效果要好于固定床。w a t k i n s o n 2 5 】提出平衡模型，通过质量和能量平衡 及反应平衡方程式关联，可以得到产品煤气组成、产率和最佳适宜温度，并对9 种 气化炉型的工业化和半工业化气化数据进行比较。对产品煤气中的c o 和h 2 含量误 差在0 1 之内，h 2 s 和c o s 浓度可以准确的预测，但c 0 2 预测值的准确性要差一 些。结果还表明该模型对气化炉仿真效果最好，流化床次之，而固定床由于以下不 确定因素如挥发分含量组成等存在，仿真误差较大。r u p r e c h t 等【2 6 l 建立了平衡模型， 并用于评价试验数据分析。平衡模型可用于对出口组成及温度进行简单预测，由于 其假定的条件较理想，如假定所有反应都达到平衡在实际过程是不可能的，因此其 用途受到一定限制，对过程控制及气化炉设计参考价值较少。 ( 2 ) 考虑气化过程动力学的模型 为了更准确的用数学模型对气化及燃烧过程进行模拟，需考虑气化过程三传一 反及动力学行为，许多研究者对其进行了研究，简历了一维、二维及多维模型。f i e l d 等对1 9 6 7 年以前的工作进行了归纳，模型属活塞型。w e n 2 0 】等给出一维模型来描述 t e x a c o 气化炉中的混合情况，每一微元被处理成气相是完全混合，固相以活塞流通 过整个反应器，固相粒子的速度用s t o k e s 方程近似描述，模拟了中试装置适用煤及 加氢残渣气化情况，操作参数的变化对煤气组成的影响等；g o v i n d 2 2 】等对上述模型 进行了修正，加入了动量平衡，考察了煤气组成与进料速度、氧煤比及水煤比的关 系；s p r o u s e 2 1 】【2 6 1 等模拟加氢气化反应，前者适用了经验关联式，但不适合次烟煤， 后者尽管较通用和完善，但因其复杂化导致其应用困难；b r o w n 2 4 】等研究了4 种煤 沿气化炉的轴向及径向气相组成分布，讨论了氧碳比及蒸汽量等对模拟结果的影 响；w a t k i n s o n 2 5 - 2 9 1 等先后建立了一维及二维煤粉喷流床燃烧及气化模型，模型中 考虑了煤粉颗粒大小分布对反应速度的影响：u b h a y a k a r 等【3 0 】忽略了表面反应，但 考虑了轴向混合、挥发份的气相反应及热解反应；v a m v u k a 3 2 3 3 1 等建立了一维稳态 模型，结果发现气固相最大温度位于氧气耗尽处，考察了关键参数对操作的影响。 ( 3 )国内建模 刘尚明【3 4 】等对i g c c 气化站的动态建模：以b e g g