四喷嘴对置式水煤浆加压气化系统的能量衡算与析

陈海英

（兖矿鲁南化工有限公司，山东 滕州 277527）

0 前言

煤气化技术的发展已经有一百多年的历史，最初我国煤化工企业主要靠引进国外煤气化技术。“九五”期间，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂等单位合作承担了国家科技部重点技术攻关课题 “多喷嘴对置式水煤浆气化技术研究与开发”项目[1]，完成日处理22 t煤中试装置的设计、建设与运行。“十五”期间，兖矿集团日处理煤1150 t多喷嘴水煤浆气化成功投入运行，是当时我国自主知识产权的最大处理能力的气化炉。“十一五”期间，2000 t级多喷嘴气化炉相继建成投产，截至2016年底，已经有21家用户57台气化炉投入商业运行，标志着具有我国自主知识产权的煤气化技术成功推广应用[2]。

1 气化炉工艺流程

图1是气化炉系统流程示意图。该系统是多喷嘴对置式气流床水煤浆加压气化的激冷流程。由空分车间送来的4.90 MPa氧气与高压煤浆泵送来的4.12 MPa的水煤浆在喷嘴内一并雾化并喷入气化炉内，在温度高达1350℃ 左右、压力4.0 MPa的条件下进行部分氧化反应，生成含有效气（CO+H2）80%以上的合成气，合成气由炉底部进入激冷室被洗涤水激冷，使合成气饱和，再依次进入文丘里洗涤分离器和最终洗涤塔洗涤煤粉后，进入后工序。

2 气化炉计算依据说明

本文所用的物理量的名称和符号：

H—焓，J；

T—热力学温度，K；

Cp，m—摩尔定压热容，J/mol·K。

在运行的D#气化炉为四喷嘴水煤浆加压气化炉，其日耗煤量约1000 t。采样期煤炭配比为神木煤与北宿煤为1∶1，水煤浆的煤浆浓度为（62.62+62.36）/2＝62.49%， 煤 的 低 热 值 △hf为25.78 MJ/kg，灰分（Aad）为 8.09%。

气化炉系统物流量测定数据：

图1 气化炉系统流程示意图[3]Fig.1 flow diagram for gasifier

表1 气化炉系统物流量测定数据表Table.1 Volume flow measurements of Gasification system

表2 气化炉系统温度压力测定数据表Table.2 Temperatureand pressure measurements of Gasification system

表3 气化用煤的元素分析Table.3 The elemental analysis of coal for Gasification

表4 气化用煤的工业分析Table.4 The proximate analysis of coal for Gasification

3 环境基准数据说明

计算采样期为4月27日至6月26日的气化炉运行情况，所在地区 （北纬 35.06°东经117.09°）的环境温度 T。 为 293.15 K（20 ℃）。 取环境温度T=298 K、压力p0=0.101325 MPa，以单位时间每小时作为的计算基准。

4 气化炉的平衡和效率

在气化炉单元，经过预处理的水煤浆和气化剂一起进入气化炉进行高温不完全燃烧反应，产生粗煤气，其主要成分是 CO、H2、CO2、H2O、Ar、N2和H2S。

4.1 进系统的物流计算[4]

ex，f＝1423.079[C]+21.97[N]-25088.31[H]+4445.29[O]+8984.93[S]-298.15×0.71768×MA+△hf＝26.228 kJ/kg

（上式中MA代表1 kg煤炭的灰分质量）

式中：

补水（尿素冷凝液 90 ℃，5 m3）的为158 MJ/h：

4.2 出系统的物流计算

由 H2、CO、N2、CO2、Ar、H2S、H2O 组成。燃气的由物理和化学组成[13]。

查饱和水及饱和蒸汽表知：214.9℃的饱和蒸汽压力p＝2.101 MPa，根据气体分容定律p1/p2＝v1/v2，psyngas，d/p ＝ vsyngas，d/v 得合成气干基气量：

表5 合成气各组分的标准化学和温度修正系数表Table 5 Standard chemical exerg and Temperature correction coefficient for Synthetic gas components

表5 合成气各组分的标准化学和温度修正系数表Table 5 Standard chemical exerg and Temperature correction coefficient for Synthetic gas components

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vsyngas，d＝（pgas，d/p） ×v ＝（3.66 -2.101）/3.66 ×212161＝90371 Nm3/h

气化炉气化过程的压力为4.0 MPa，气化温度为1503 K（1230℃），经过洗涤后合成气温度为485 K（212℃）。假设气体比热容Cp随温度变化的关系为Cp＝A+BT+CT2+DT3，查文献给出的各气体组分Cp的常数值A、B、C、D，可求出各气体组分的平均比热容为[15]：

CpCO ＝30.2019 J/mol·K，CpCO2＝44.8955 J/mol·K，CpH2＝29.0765 J/mol·K，CpN2＝29.9350 J/mol·K， CpAr＝20.786 J/mol·K， CpH2S＝36.8395 J/mol·K， CpH2O＝35.3363 J/mol·K。

混合气体的比热容等于各纯组份的比热容乘以摩尔分数后的加和，所以合成气的比热容为

把 Cp，syngas＝32.5106 J/mol·K 带入

esyngas，ph，t＝1465 J/mol

查饱和水及饱和蒸汽表知20℃时水的焓值ho＝83.84 kJ/kg，Sl＝0.2963 kJ/kg ，214.9 ℃的饱和蒸汽焓值 h＝2799.615 kJ/kg，Sg＝6.3200 kJ/kg，压力 p＝2.101 MPa。

根据气体分容定律 p1/p2＝v1/v2，pst/p ＝ vst/v得

气化渣的可燃物含量为21.57%，所以，Ex渣=2.123×3048=6470 MJ/kg

Ex渣＝1.890×3353＝ 6336 MJ/kg

4.2.5 酸性气的

表6 气化酸性气化学成分Table 6 Chemical constitution of sour gas for Gasification

依照合成气热容比的计算可计算得

Ex，酸性气＝336/22.4×14.565 ＝219 MJ/h

根据以上4.1及4.2计算得表7、表8：

表7 气化系统进出物流能量计算Table7 In and Out energy calculation of Gasification system

表8 气化系统进出物 量计算Table 8 In and Out exergy calculation of Gasification system

4.4 热效率分析

（1）普通热效率

（2）煤气转换热效率

5 结论与分析