Vol.22 No.2 高斌等：熔融还原煤气改质过程能量利用分析 ·119 1600 改质过程的调节气体量，从而在充分利用进口 1580 煤气所带热量的同时控制碳量消耗， 8 2.6 1560 ·-15%C02◆-13%C0 -9%C0 -11%C02 ◆-7%C0 1540 2.2 1520 0 1.8 1500 衣 2.42.6 2.83.03.23.43.6 Pico.-o1/% 图3自平衡温度与出口煤气氧化度关系 1.0 进口煤气pc0=75%,pt=10%,p4co+H0=15%, 14001480152015601600 1640 1=1600℃；出口煤气1=1000℃ t/℃ Fig.3 Relationships of self-balance temperature with the 图4碳消耗量与进口煤气温度及氧化度关系 oxidzation degree of entering gas 进口煤气p1=10%,p40=2% 出口煤气9c0*o=2.4%:1=1000℃ 在自平衡温度操作，煤气化改质过程不需 Fig.4 Relationships of self-balance temperature with the 要加入氧气和水蒸汽进行调节，因此过程也就 temperature and oxidization degree of entering gas 不会因加入气体消耗附加的碳，从而能够降低 根据改质过程煤气的体积变化、温度变化 改质过程碳的消耗量.因此，工艺上应考虑合理 和煤气热容量变化，对在进口煤气温度1500~ 的出口煤气温度、氧化度与进口煤气的温度、氧 1700℃，煤气中C02体积分数8%~15%条件下 化度匹配，使改质过程在自平衡温度附近操作， 进行改质，得到改质前后煤气携带物理热差值 3改质过程能量消耗 Q与进入煤气氧化度和温度的回归方程： 2=0.0370t+8.858@o.-49.12kJ/mol(3) 图4是在进入煤气中p=10%,p0=2%时， 式中，t为进口煤气温度，pco为CO2体积分 改质过程碳消耗量与进入煤气CO2含量的关 数，%.从(3)式可见，较高的进口煤气温度和较 系.由图可见，在计算温度区间内，进口煤气中 高的CO,含量下，改质过程前后煤气的物理热 C02含量大于15%，随进口煤气温度提高，消耗 差值较大，反之则较小.高的进口温度下煤气热 的碳量不断下降；而当进口煤气中CO2含量小 量变化大是显而易见的：当进口煤气氧化度确 于9%，则随煤气温度提高消耗的碳量增加，进 定后，进口煤气温度越高，在气化过程中温度降 口煤气CO2含量在此之间时，碳的消耗量呈先 低放出的物理热越多，而进口煤气中CO,提高 下降后增加的趋势，并存在一最低碳量消耗.在 时，由于CO2的焓较高，带入的热量有所增加， 此温度范围内，当C0,含量为11%时，最低的碳 同时气化过程消耗的物理热也较高.然而也应 量消耗为1.247gmol,对应的进口煤气温度为 看到，随入口煤气中的C02含量升高，为达到良 1500℃；而C02含量为13%时，最低的碳量消耗 好的改质效果，消耗的碳量也将随之升高. 为1.479gmol,对应的进口煤气温度为1591℃. 进入煤气有较高的温度，在改质过程中，煤 比较图4与图1，可以看出曲线有相同的变化规 气的温度下降，为气化反应提供热量，这部分热 律，这是因为不同的进出气体成分对应有不同 量可以转化为出口煤气的化学能，与此同时，在 的自平衡温度，在此温度下煤气降温放出的物 改质过程中，气化反应也需要消耗一部分碳，因 理热与改质过程消耗热量匹配，从而有最低碳 此仅从热量变化还难以确定改质过程能量利用 量消耗.操作温度与此温度偏差越大，煤气降温 的优劣，为此，在确定的进口煤气温度和确定的 所放出的热量与气化反应消耗的热量不匹配将 改质效果条件下，考察了变动进气氧化度时，也 越严重，需要通入的氧气或水蒸汽量就越多，因 考察改质过程进出煤气化学能、碳消耗及改质 此额外消耗的碳量也就越多. 过程的总能量变化，结果见图5. 消耗碳量和调节气体量有着十分紧密的联 由图可见，随进口煤气氧化度提高，煤气的 系.因此，在进口煤气温度和氧化度不变的条件 化学能不断下降，而出口煤气的化学能随氧化 下，通过合理地确定出口煤气氧化度，就能控制 度提高表现出先上升而后下降的趋势，二者的V b l 一 2 2 N O 一 2 高斌 等 :熔 融 还原 煤气 改质 过程 能量 利用 分析 改质过程 的调 节气体 量 , 从 而在充分利用 进 口 煤气所 带热 量 的同 时控制碳 量消耗 . .寨辉澎一妙。手 _ _ 一土一 一一 一一一 _ ~ - L _ _ _ _ ~习 L 一一一一一一一 _ 」 一 _ _ _ _ _ _ , 上 nC ù八UnU 00 八UCà`U 4 白,0 芝 妇` J 2 . 4 2 . 6 2 . 8 3 . 0 3 . 2 3 . 4 3 . 6 职( e o + H刀 ) /% 图 3 自平衡温度 与出口煤气氧化度关系 进 口煤气 p e 。 = 7 5 0/ 尸 ; : = 1 0 0/ 尸、 e 。 汁 I: . 。 ) = 1 5% , r = 1 6 0 0 aC ; 出口 煤气 t = 1 0 0 0 oC F ig . 3 R e l a t i o n s h i P s o f s e l-f b a l a n e e t e m P e r a t u er w i t h t h e o x i d z a t i o n d e g er e o f e n t e r i n g g a s 在 自平 衡温 度操作 , 煤气化 改质 过程不 需 要 加 入氧 气和 水 蒸 汽进行调 节 , 因 此过程 也就 不 会 因加 入气体 消耗 附加 的 碳 , 从而 能 够 降低 改质过程碳 的消耗量 . 因此 , 工 艺 上应考虑合 理 的 出 口 煤气温度 、 氧化度与进 口 煤气 的温度 、 氧 化度匹 配 , 使改质过程在 自平 衡温度 附近操作 . 2 . 6 2 . 2 1 . 8 1 . 4 1 . 0 5 2 0 t /℃ 5 6 0 1 6 0 0 1 6 4 0 3 改质过程 能量消耗 图 4 是 在进入煤气 中 怀 = 10 % , 八 。 = 2 % 时 , 改质 过程 碳 消耗 量与 进 入 煤 气 C O Z 含 量 的关 系 . 由 图可 见 , 在计算温 度 区 间 内 , 进 口 煤气 中 C O Z 含 量大于 15 % , 随进 口 煤气 温度提 高 , 消耗 的碳量 不 断 下 降 ; 而 当进 口 煤气 中 C O : 含量 小 于 9 % , 则 随煤气 温度提 高消耗 的碳 量增 加 . 进 口 煤气 C O Z 含量在此 之 间时 , 碳 的消耗量呈 先 下 降后 增加的 趋势 , 并存在一 最低碳量消耗 . 在 此温度范 围 内 , 当 C O Z 含量 为 n % 时 , 最 低 的碳 量消耗 为 1 . 2 4 7 9 /m ol , 对应 的进 口 煤气温 度为 1 5 0 ℃ ;而 C O Z含 量为 13 % 时 , 最 低 的碳 量消耗 为 1 . 4 7 9 创m ol , 对应 的进 口 煤气 温度为 1 5 91 ℃ . 比较 图 4 与图 1 , 可 以看 出 曲线有相 同 的变化规 律 , 这 是因 为不 同 的进 出气 体成分 对应有不 同 的 自平衡温 度 , 在此温度 下 煤气 降温 放 出 的物 理 热 与 改质过程 消耗热量 匹 配 , 从而 有最 低 碳 量消耗 . 操作温度与此温度偏差 越大 , 煤气降温 所放 出 的热量与气 化 反 应消耗的 热 量不 匹 配将 越严重 , 需 要通入 的氧气或水 蒸汽量就越 多 , 因 此额 外消耗 的碳 量也 就 越多 . 消耗碳 量和 调 节气体量 有着 十 分紧密 的联 系 . 因此 , 在进 口 煤气温度和 氧化度不 变 的条件 下 , 通过合理地确 定 出 口 煤气氧 化度 , 就 能控制 图 4 碳 消耗 量与进 口煤 气 温度 及氧化 度关 系 进 口 煤 气怀 = 10 % ,仇 . 。 = 2% 出 口 煤气沪( e o . 一 ; . 。 ) = 2 . 4% ; t = 1 0 0 0 oC F i g . 4 R e l a ti o n s h i P s o f s e l-f b a l a n e e t e m P e r a t u er w i t h t h e t e m P e r a t u er a n d o x i d诬a t i o n d e g er e o f e n t e r i n g g a s 根 据改质过程 煤气 的体积 变化 、 温 度变化 和 煤气 热 容量变化 , 对在进 口 煤气 温度 1 50 一 1 7 0 ℃ , 煤气 中 C O Z 体 积分 数 8% 一 15 % 条件 下 进行 改质 , 得到 改质 前后 煤气 携带 物理 热 差值 Q 与进 入煤气氧化度 和 温度 的回归方程 : Q = 0 . 0 3 7 0+t 8 . 8 5 8势、 。 一 4 9 . 12 kJ m/ 0 1 ( 3 ) 式 中 , t 为进 口 煤气温 度 , 戮 0 2 为 C O Z 体积分 数 , % . 从 ( 3) 式可 见 , 较高 的进 口 煤气温度和 较 高的 C O Z 含 量 下 , 改质过程前 后 煤气 的物理 热 差值 较大 , 反之 则较 小 . 高的 进 口 温度下 煤气 热 量 变化大 是显 而 易见 的 : 当进 口 煤气氧化度 确 定 后 , 进 口 煤气温度越 高 , 在气化过程 中温度 降 低放 出 的 物理 热 越多 , 而 进 口 煤气 中 C O : 提高 时 , 由 于 C 0 2 的焙较 高 , 带入 的热 量 有所增加 , 同 时气 化过程 消耗 的物理热 也 较高 . 然而也 应 看 到 , 随入 口 煤气 中的 C O Z 含量升 高 , 为达 到 良 好 的 改 质 效果 , 消耗 的碳 量 也 将随 之升 高 . 进入 煤气有较高 的温度 , 在改质过程 中 , 煤 气 的 温度下 降 , 为气化 反应提供热 量 , 这部分热 量 可 以转化为 出 口 煤气的 化学 能 , 与此 同 时 , 在 改 质过程 中 , 气 化反应也 需要 消耗一 部 分碳 , 因 此仅从热量变化还难 以确 定 改质过 程 能量 利 用 的优劣 . 为此 , 在确定的进 口 煤气温 度和 确定 的 改质效果 条件 下 , 考察 了变动进气氧化度时 , 也 考 察改 质过程 进 出煤气 化学 能 、 碳消耗及 改 质 过程 的总 能量 变化 , 结果 见 图 5 . 由 图可见 , 随进 口 煤气氧化度提高 , 煤气 的 化学 能不 断下 降 , 而 出 口 煤气 的化学能随氧化 度提 高表 现 出先上 升而后 下 降的趋 势 , 二 者 的