Page 72 - 电力与能源2022年第六期

5 3 4 马 青: 高温煤气化炉热力性能计算及分析

高压的气氛下分析并 研究典型煤种的煤气化特 物质。
性, 为我国煤气化技术的发展提供有力的理论和
2 煤炭气化的化学平衡态模型
数据支撑。
2.1 给定温度下的计算模型
1 煤炭气化的原理
煤气化过程热力性能计算的目的就是要确定
煤炭的气化是一个热化学过程, 以煤或煤焦 以某种煤为原料时的各类气化指标, 其计算的基
为原料, 将氧气( 空气、 富氧或纯氧)、 水蒸气或氢 础是物料平衡方程和热量平衡方程, 要求计算煤
气作为催化剂, 在高温条件下通过氧化反应将原 气组分份额, 需要给定对应的气化炉入料边界, 本
料煤从固体燃料状态转化为气体燃料状态( 即气 文采用的气化炉入料边界如表 1 所示。
化煤气或简称煤 气) 的 过 程 [ 10-12 ] 。从 工 艺 上 讲, 表 1 气化炉入料边界
煤气化工艺往往还包括气化煤气的净化过程, 即 项目 数值 /( t · d ) 温度 / ℃ 压力 / MPa
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采用净化设备除去气化煤气中的含硫物质和灰等 给煤量 2897 80
气化炉耗氧量 2390 150 3.85
杂质, 以得到清洁的气体燃料。煤的气化过程实 蒸汽量 343 300 4.75
质是通过控制供氧量, 使煤发生部分氧化反应, 转 输送氮气量 63 80 4.75
化成具有一定化学能的气体燃料的过程。煤转化 气化炉的输入物料是原料煤和气化剂, 输出
过程的技术示意图如图 1 所示。 物料是焦油、 粗煤气、 带出物和灰渣, 在特定时间
内, 两者的质量一定是相等的。在气化过程中, 无
论是物料的流动还是物料热解和气化反应, 每种
元素的原子均不会发生改变, 对于某一种元素而
言, 在一定时间内输入气化炉系统的总质量与该

系统输出的总质量也保持不变。
煤气化系统可以看作是一个质量维持平衡的
开口系统, 在系统内部参与反应的物质的不同相
间存在相平衡, 以不同相存在的同一种物质是不
图 1 煤转化技术示意图
同的组分。由热力学第二定律可以得知, 化学反
煤炭气化炉中的气化反应主要表现为煤中的
应总是向着熵增加、 吉布斯函数减小的方向进行。
碳与气化剂中的水蒸气、 氧、 二氧化碳和氢的反
当熵函数达到最大值时, 吉布斯函数达到最小值,
应, 也有碳产物之间进行的反应。该过程经历了
此时系统达到平 衡 状 态 [ 13-14 ] 。在 煤 气 化 压 力 已
干燥、 热解、 气化和燃烧等环节, 如图 2 所示。
知的情况下, 假设煤气化温度是确定的, 则根据吉
布斯函数的全微分方程可得:
N
d G =-SdT+VdP = ∑ μ i dn i ( 1 )
i =1
æ ∂Gö æ ∂Gö æ ∂G ö
ç ÷ =-S ç ÷ =V ç ÷ =μ i
图 2 煤气化过程示意图 è ∂TøP , n è ∂PøT , n è ∂n i øT , P , n j ≠ i
在整个气化过程中, 当加入气化炉的湿煤与 ( 2 )
热气流发生热交换后, 煤中的水分蒸发。当煤粒 式中 μ i ———第 i种组分的化学势, J ·( mol · K ) 。
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的温度升高到约300~400℃ 时, 煤的热解反应开 当给定温度条件下的煤气化反应过程达到平
始发生, 逐步有焦油、 煤气等挥发物析出。煤的气 衡状态时, 吉布斯函数则达到最小值, 此时即达到
化反应整体是在缺氧状态下进行的, 因此煤气化 化学平衡态。在煤气化的过程中, 求取平衡态下

, 的组分, 就是要在满足元素守恒方程的条件下求
反应的产物主要是可燃性气体 CO 、 H 2 和 CH 4
。另外, 煤中 取吉布斯函数最小值。本文将以上问题转化为应
只有一小部分碳被完全氧化为 CO 2
存在的硫、 氮等其他元素也会与气化剂发生反应, 用拉格朗日乘数法求极值的方法来求取系统吉布
在 还 原 性 气 氛 下 生 成 H 2 S 、 COS 、 N 2 NH 3 等 斯函数最小值的问题, 即:
、