華東理工大學(xué)學(xué)報Vol. 29 No.2202Journal of East China University of Science and Technology2003-04研究簡報文章編號:1006- 3080( 2003)02-0202-04Shell粉煤氣化爐的分析與模擬王輔臣”，龔欣，代正華，周志杰，于遵宏 .(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237)摘要:以受限容器內(nèi)多噴嘴對置射流下的流體流動特征為基礎(chǔ),分析了Shell粉煤氣化爐內(nèi)的流場特征,發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)存在5個特征各異的流動區(qū)域，即射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊擴展流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。從氣化爐內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)著手,結(jié)合流動、混合與化學(xué)反應(yīng)的相互影響,分析了爐內(nèi)各流動區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)過程,建立了氣化爐的數(shù)學(xué)模型,對氣化過程進行數(shù)學(xué)模擬，預(yù)測了工藝條件對氣化結(jié)果的影響。結(jié)果表明,有效氣(CO+ H2)產(chǎn)率隨氧煤比的變化有-最佳值,隨蒸汽煤比不同,對應(yīng)的氧煤比在0.54Nm2/kg~0.56Nm2/kg之間。有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤比的升高而增加。關(guān)鍵詞:粉煤;氣化爐;數(shù)學(xué)模型;模擬中圖分類號:TQ546.1文獻標識碼:AProcess Analysis and Simulation of Shell Pulverized Coal GasifierWANG Fu-chen*，GONG Xin DAI Zheng-hua，ZHOU Zhi-jie，YU Zun -hong(Institute of Clean Coal Technology ECUST，Shanghai 200237, China)Abstract:In this paper, the fluid flow characteristics of Shell pulverized coal gasifer was analysed ba-sed on flow pattern of multi- opposed-burner jet in confined vessel. The results show that there are fiveflow regions possessed different characteristics in the gasifier, which are jet flow region, impinging jetregion, impinging jet developing stream region, re- circulation stream region and tube stream region. Thechemical reactions governing the process were analysed combined with fluid flow patterns. A Mathematicmodel has been presented for Shell gasifer. The industrial gasifier simulation have been made and theeffects of operation conditions on gasification have been predicted using the model. The results show thatthere is a optimum yields of effective gases (CO + H2) along with the ratio of oxygen to coal. The optimumratio of oxygen to coal is 0. 54Nm*/kg ~0.56Nm/kg in different ratios of steam to coal. The yields ofeffective gases (CO+ H2) increases along with the increasing of ratio of steam to coal.Key words :pulverized coal; gasifier; mathematic model; simulation煤的氣化是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之料中國煤化工Shell氣流床氣化法是一,備受各國學(xué)術(shù)界和工程界的重視。以粉煤為原MYHCNMHG術(shù)中最有競爭力的技術(shù).基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G1999022103);高等學(xué)之一,它涉及高溫、高壓、非均相條件下的流體流動以及與之相關(guān)的傳遞過程規(guī)律和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過校骨干教師資助項目收稿日期:2002-05-14作者簡介:王輔臣(1966-),男,甘肅岷縣人,教授,博士,主要從事潔.目前,處理能力為2 000t/d 煤,配套253MWe凈煤技術(shù)研究.聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的Shell 氣化裝置已在荷蘭第2期王輔臣等:Shell粉煤氣化爐的分析與模擬203Buggenum建成運轉(zhuǎn)。國內(nèi)將引進Shell粉煤氣化技1.2.1 -次反應(yīng)區(qū) -次反應(yīng)區(qū)包括射流區(qū)、撞擊術(shù)用于石腦油為原料的合成氨廠的改造,采用Shell區(qū)及撞擊擴展流區(qū)的一部分。該區(qū)以煤中揮發(fā)分與粉煤氣化技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范裝置的建設(shè)也正氧氣的燃燒反應(yīng)為主,也伴有射流卷吸的回流氣體在醞釀之中。本文對Shell粉煤氣化爐進行了分析中CO和H2的燃燒反應(yīng)。及模擬,在消化、吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上自主開1.2.2 二次反應(yīng)區(qū) 二次反應(yīng)區(qū)包括管流區(qū)和撞發(fā)我國粉煤氣化技術(shù)。擊擴展區(qū)的一部分。1.2.3 - 次與二次反應(yīng)共存區(qū)- 、二次反應(yīng)共存1過程分析區(qū)主要是回流區(qū)。因射流的卷吸作用和湍流擴散，回流區(qū)將與射流區(qū)和撞擊流擴展區(qū)進行質(zhì)量交換,其1.1爐內(nèi)流體流動特征中以卷吸為主,但因湍流的隨機性,也將有個別氧氣Shell粉煤氣化技術(shù)的核心是多噴嘴對置射流微團經(jīng)湍流擴散作用而進入回流區(qū)中。因此在回流在爐內(nèi)高溫、高壓、非均相條件下形成的流場。作者區(qū)中既有-次反應(yīng),亦有二次反應(yīng),但以二次反應(yīng)為及合作者曾采用先進的激光多普勒動態(tài)粒子分析儀主。同樣,該區(qū)中的反應(yīng)除碳與H2O和CO2的氣化(Dual PDA)研究了冷態(tài)下受限容器中多噴嘴對置反，應(yīng)外均受微觀混合過程的控制。射流的流體流動特征,據(jù)此，可將Shell粉煤氣化1.3停留時間分布對氣化過程的影響爐內(nèi)的流體流動過程分為特征各異的5個區(qū)域,即停留時間分布是微觀的混合過程在宏觀上的表射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊擴展流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)(見現(xiàn)。宏觀混合程度反映物料參與反應(yīng)的可能性,而微圖1)。觀混合程度則反映物料參與反應(yīng)的程度。因此,可用宏觀混合時間尺度作為物料是否充分參與反應(yīng)的判據(jù)2數(shù)學(xué)模型2.1氣相物料的混合模型氣相物料的混合模型參照文獻[2]。從總體上講,因受停留時間分布的影響,停留時間低于宏觀或微觀混合時間尺度的這一部分物料將無法充分反應(yīng),其宏觀表現(xiàn)似乎是化學(xué)反應(yīng)未達到平衡。在進行氣化爐氣相物料的計算時,必須從停留時間分布的角度出發(fā),考慮到微觀混合與宏觀混合的時間尺度[3]。2.2殘?zhí)苛康挠嬎隳Ｐ蛨D1Shell氣化爐內(nèi)流體流動過程示意圖氣化爐出口的殘?zhí)苛颗c煤顆粒在爐內(nèi)的經(jīng)歷有Fig. 1 Diagram of fluid flow process in Shell gasifier關(guān)。從機理上講,粉煤在爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷了顆粒. I - Jet stream region; 1- Impinging stream region;的湍流彌散、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、顆I一Impinging developing stream region;粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應(yīng)、殘?zhí)康亩郚 - Re-circulation stream region; V一Tube stream region相反應(yīng)、灰渣的形成等階段。由于每個階段的速率不1.2 反應(yīng)特征同,因此上述過程對顆粒反應(yīng)的影響也不同,顆粒的氣化爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)可分為一次反應(yīng)(即燃燒彌中國煤化工密切相關(guān),而爐內(nèi)主要反應(yīng))和二次反應(yīng)(即C、CH4等的氣化反應(yīng)和逆變組YH.CN MH G觀混合過程所控制。因換反應(yīng)),某個流動區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是以-此,殘灰重的計異既嬰考慮爐內(nèi)的流動特征,又要涉次反應(yīng)為主、還是以二次反應(yīng)為主,與該區(qū)內(nèi)的流體及爐內(nèi)的宏觀混合(影響濃度分布和停留時間分布)流動特征及與之相應(yīng)的混合過程有關(guān)。根據(jù)不同特和微觀混合狀況。據(jù)此,作者提出了粉煤氣化過程中點,爐內(nèi)有3個化學(xué)反應(yīng)特征各異的區(qū)域,即一次反氣化爐出口殘?zhí)苛空济褐锌傆行С煞至康姆致实挠嫅?yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一.二次反應(yīng)共存區(qū)。算式[204華東理工大學(xué)學(xué)報第28卷V,R.Yr=|。 (1- V.)|1+R- Rt E(t)dt(1)3模擬結(jié)果及討論其中terin=(R.+V,R.)/RR。當脫揮發(fā)分的速率遠大于殘?zhí)康臍饣俾蕰r，氣化爐的操作條件和煤種的元素組成及熱值見R2/R,→0tm→1/R。,從而上式簡化為表1。模擬值與實驗值的比較見表2。表3為工藝條件對氣化結(jié)果的影響。由表可見，Yr=(1一V,)(1R.t)E(t)dt氧煤比每升高0.01Nm*/kg,氣化爐出口溫度升高約2.3基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算模型50C;有效氣產(chǎn)率隨氧煤比的變化有-最佳值,隨蒸氣化過程是在高溫高壓下進行的,有關(guān)氣體的.汽煤比不同，對應(yīng)的氧煤比為0.54Nm*/kg熱力學(xué)性質(zhì)按實際氣體來處理。本文模型中涉及的0.56Nm2/kg,但實際操作中氧碳比的選擇還要考慮主要熱力學(xué)數(shù)據(jù)包括氣體熱容、氣體混合物中組分到煤的灰熔點;蒸汽煤比增加，比氧耗增加,水分的逸度系數(shù)、反應(yīng)平衡常數(shù)等。限于篇幅,其計算模解率降低。H,含量隨氧煤比的變化有一最高值，型不再贅述,可參見文獻[2]。表1煤的性質(zhì)及操作條件Table 1 Properties of coal and operation conditionElement analysis (% )VH/>/roe/r'sc/CH_SOAsh(kJ. kg-1)MPa(Nm3●kg-1)__ (kg. kg-)75.504.971.43.0.879.127.9129 974.03. 000. 5810.126表2模擬值與實 驗值的比較Table 2 Comparision between experimental value and simulation value4Gas yield/Heat effective/Toun/CH2CO CO2H2S COSCH4N2ArNH3 HCN H2O (Nm3.kg-)(LHV%)Operation 1 400~ 0. 310 0.0.01000.00050.00800.0170 2. 283. 30.value1500.0. 62100.00230.031 0Simulation0. 30580.011 4.0. 00020. 030 00.002 30. 0206.1 501.02. 1883. 000.618 90. 00250. 0001表3工藝條件對氣化結(jié)果的影響Table 3 Effect of technology condition on gasification resultsTou/Pog/o。/(kg. . kg-1) (Nm3 ●kg-1)(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3 . Nm-3)COCO2CH,0. 531 276.21.994 295.68266. 10.312 40.631 40.002 40.012 30.541 299.02.025 693.21267. 00.318 50. 62980. 00350. 006 40. 551 334. 92.040 289. 12270. 10.320 90.628 90.00530. 002 80.56.1 383. 52.038 583.31275. 30.319 80.62880.00770.001 10. 130.571 439.62.027 476. 33281.90.316 70.62920.010 40. 00040. 581 499.52. 012268. 66.289. 10.312 70. 62990.013 10.00020. 591 561.41.995 260. 59296. 60.30820.630 90.015 80. 601 624.91.977352. 24304. 50.303 60.632 00.018 50.611 690. 41.958943. 70312.50. 29870.63330.021 20.531256. 92.013 493. 23.263. 50.626 60.004 00.009 6.1285.92.036490. 25265. 60.322 60. 62550.00540. 00501 326.52.044 485. 85中國煤化工0. 00740.002 20. 561 377.02. 039680. 110. 00980. 00090.140. 571 433.22.027 573. 45YHCNMHG,0.012 50. 000 41 492.42.012066. 230.314 10.626 50.015 1o. 0002.1553.41.994 958. 65296. 70. 30960. 62760.017 80.601616. 01.977 1304.50.304 90.628 80.020 50. 000 1.1 680.31. 958742. 86312.60.30010.63020.023 1第2期王輔臣等:Shell粉煤氣化爐的分析與模擬205續(xù)表3rse/rac/Tou/Peqn/P(kg●kg-1) (Nm3●kg-1)C(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3●Nm- -3)H2CO2CH0. 531 243. 32. 025890. 62.261.90. 32310.622 10. 006 00.007 90.541 276.52. 042987. 36264. 70.32570.621 40. 00750. 00410. 551 319.72.046 882. 87269. 20.32560.621 20.00960.001 80.56.1 370.92.040177. 28275. 10.32320.621 60.012 00.0008.0. 150. 571 426.92.027570. 93281.8 .0.319 70.62230.014 50.000 30. 581 485.52.011 864. 10289. 10.315 50. 62320.017 20. 000 20.59.1 545.61.994 756. 97296. 70.311 00.62440.01980. 000 10. 601 607.21.976849.62.304.50.30630.62560.0224.0. 611670. 41. 9585312. 6.0.301 40. 62710.025 01 233.32.033988. 04.260. 9.0.326 70. 61780. 008 00.006 71 269. 02.047 084. 66264. 20.328 30.617 40.00970.551 313. 72.048280. 18269.00.327 50.617 50.011 70.001 61 365. 22.040474. 770.324 80.618 00.01410. 00070. 161420.72.027 368. 71281. 90.321 10.61890.016 60. 00031 478.72.011 662. 240.316 90.619 90.019 20.000 10. 591 538.01.994555. 490.312 30.62110.02170. 00010.601 598.71.976 6304. 60.307 60.622 50.024 30.611660.81. 958341.47312.60.30270.62400.02691 225. 42. 039 485. 59260.20. 329 70.61360.01020. 005 91 262.82.049 782. 17263. 90. 33050.613 50.01180.003 11 308. 32.049 177. 76268. 90. 32920.613 90.01390.00140. 561359.8.2.0405.72.54275. 00.326 30.61450.016 20.000 70. 170.571 414.92.027 266.75281.90. 32250.615 50.018 70.00031 472.12.011 460. 58289.20.318 20.61660.021 21 530.61.994354. 17296. 80.313 70.617 90.02371590. 41.976 447.59304.60.3089.0.619 40.026 21 651.51.958 140.89312. 70. 304 00.620 90. 028 7CO含量隨氧煤化的變化有-最低值,CO2 含量隨0. 54Nm*/kg~0. 56Nm3 /kg。有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤氧煤比的升高而升高。氧煤比超過0.58Nm3 /kg時，比的升高而增加。CH,含量基本趨于不變,這是反應(yīng)在高溫下受混合影響的必然結(jié)果。符號說明:由表3也可見,蒸汽煤比每升高0.1kg/kg,氣化爐出口溫度降低約7C;有效氣產(chǎn)率隨蒸汽煤比E(t)一停留時間分布密度函數(shù). 比氧耗,Nm/Nm3的升高而增加。比氧耗和蒸汽分解率隨蒸汽煤比的有效氣產(chǎn)率,Nm3/kg升高而下降;H2和CO2含量隨蒸汽煤比的增加而升oue-- 氧碳比,Nm2/kg高,CO和CH4含量隨蒸汽煤比的增加而降低。蒸汽煤比,kg/kgRv-煤脫揮發(fā)分速率,kg/(kg.s)4.結(jié)論Rc-殘?zhí)糠磻?yīng)速率,kg/(kg.s)蒸汽分解率,%(1)基于Shell粉煤氣化爐內(nèi)流體流動特征,對平均停留時間,steri-生成殘?zhí)康呐R界停留時間,s.Shell粉煤氣化過程進行了分析,建立了氣化爐的數(shù)To; 氣化忙出口溫庶學(xué)模型。對粉煤氣化爐的模擬結(jié)果表明,計算值和實中國煤化工驗值吻合良好。CNMH G(2)研究了工藝條件對Shell粉煤氣化爐氣化Yτ-殘?zhí)苛空济褐锌傆行С煞至康姆致式Y(jié)果的影響。結(jié)果表明,有效氣產(chǎn)率隨氧煤比的變化(下轉(zhuǎn)第216頁)有一最佳值,隨蒸汽煤比不同,對應(yīng)的氧煤比在216華東理工大學(xué)學(xué)報第29卷水層用60mL乙醚分兩次萃取,合并的乙醚層用的活潑性,反應(yīng)必須在- 70 °C進行,否則主要產(chǎn)物Na,CO,溶液洗滌3次,以除去醋酸，然后用無水將是3-溴噻吩在2-位的偶聯(lián)物，因先生成的3- 噻吩Na2SO,干燥,蒸餾除去乙醚,得到18g 3-(3-噻吩甲鋰和3-溴噻吩在2-位偶聯(lián)速度快于n-丁基鋰和3-酮)噻吩粗產(chǎn)物,m.p.76 °C~80°C,產(chǎn)率93%。用溴噻吩的置換反應(yīng)[8]。作者在3-噻吩鋰、3-噻吩醛的甲醇重結(jié)晶精制，得到針狀晶體產(chǎn)物16g,m. p.制備中,曾控制溫度高于一50 °C,結(jié)果產(chǎn)物的紅外72 °C~73 °C(文獻值72 °C~73 °C)[6]。紅外光譜主光譜顯示,噻吩2- 醛的1 673cm- '特征峰明顯,噻吩要吸收峰3100cm-'(w),2 920cm -1(s),2850cm ~ 13-醛1 691cm-l峰很小，說明主要產(chǎn)物為2-位取代(s), 1 670cm-1 (m), 780cm-1 (m)。H-NMR噻吩。同樣,制備雙噻吩叔醇也應(yīng)在一70 °C進行。(CDCl:)δH:7.38(5,5'-H),7. 60(4,4'-H),8. 01(2,2'-H)。文獻值分別為7. 36,7. 59,7. 99[7]。.參考文獻:2討論[1] Rrohlich J. 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