三塔式循环流化床中鼓泡流化床半焦水蒸气-氧气气化过程评价*

魏 健 张忠林 刘叶刚 陈东良 杨景轩 郝晓刚

(1.太原理工大学化学化工学院，030024 太原；
2.上海电气集团国控环球工程有限公司，030001 太原)

“双碳”目标的提出将加速我国能源向安全、清洁、高效、低碳方面转变，我国富煤缺油少气的能源资源禀赋和我国的巨大需求决定了改变能源结构很难一蹴而就。“十四五”期间，大力发展新能源的同时煤炭在我国一次能源消费中的占比预计仍在55%左右[1-3]。当前，煤炭的分级分质转化是实现煤炭的低碳化清洁高效转化利用这一目标的一项重要举措[4-5]。

为实现煤炭的分级分质转化，GUAN et al[6]提出一种新的煤转化技术——高密度三塔式循环流化床(TBCFB)热解气化技术，通过下行床(热解器)、鼓泡流化床(气化器)和提升管(燃烧器)耦合实现煤炭的分级转化，提高煤炭利用效率。将热解和气化过程分开有利于煤中组分的分质分离和能量的高效利用，半焦载热颗粒在系统中循环，将热量从提升管带到下行床中用于煤的热解，剩余热量传递到鼓泡流化床中用于半焦气化。半焦气化是一个重要的环节，且流化床气化无需块煤，混合、传热传质快，研究气化操作条件来获取具有高附加值的合成气对实现煤炭的高效、清洁、资源化、低碳化利用意义重大[7-13]。

图1 鼓泡流化床半焦气化实验装置Fig.1 Diagram of experimental equipment for semi-coke gasification in bubbling fluidized bed

表1 半焦的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of semi-coke

半焦气化过程中发生的主要反应见表2。将主反应器温度固定在800 ℃，半焦进料率固定为0.40 g/min，分别在不同水蒸气与半焦质量比、氧气当量比和催化剂下进行实验。在氧气当量比设为0时，调节水蒸气流量，按水蒸气与半焦质量比为0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，2.1分别通入主反应器中进行实验。在水蒸气与半焦质量比设为1.5时，氧气当量比分别设置为0.20，0.25，0.30，0.35，0.40进行实验。在水蒸气与半焦质量比固定为1.5，氧气当量比为0.30时，分别对通过浸渍法负载10%Na2CO3、负载10%K2CO3和负载5%K2CO3-5%Na2CO3的半焦进行气化实验。

表2 半焦气化过程中发生的主要反应Table 2 Main reactions in gasification of semi-coke

1) 系统在稳态下运行；

2) 势能和动能可以忽略不计；

3) 参考状态(基准态)为T0=298.15 K，p0=101 325 Pa；

4) 气化后残留的灰渣可忽略不计；

5) 合成气被认为是理想气体。

图2 半焦气化器的流Fig.2 Exergy flow of semi-coke gasifier

Exin=Exout+I

(1)

2.2 气体的

Ex=Exki+Expo+Exph+Exch

(2)

Ex=Exph+Exch

(3)

Exph=n[(h-h0)-T0(s-s0)]

(4)

式中：n为气体的摩尔流率，kmol/s；
h和h0分别为气体在工况下和环境状态下的比焓，kJ/kmol；
s和s0分别为气体在工况下和环境状态下的比熵，kJ/(kmol·K)。

理想气体的比焓差(h-h0)可以通过式(5)计算

(5)

理想气体的比熵差(s-s0)可表示为：

(6)

式中：cp为气体定压比热容，kJ/(kmol·K)，可以通过经验公式求取：

cp=a+bT+cT2+dT3

(7)

式中：a,b,c,d为定压比热容系数，取值见表3[29]。

表3 气体定压比热容系数Table 3 Coefficients of constant pressure specific heat capacity of some gases

(8)

式中：ni为成分气体i的摩尔数，kmol。

(9)

表4 气体标准化学(25 ℃，101 325 Pa)Table 4 Standard chemical exergy of some gases (25 ℃，101 325 Pa)

表4 气体标准化学(25 ℃，101 325 Pa)Table 4 Standard chemical exergy of some gases (25 ℃，101 325 Pa)

GasExch/(kJ·kmol-1)O23970H2O(g)9500H2236100CO275100CO219870CH4831650

2.3 热量

(10)

但当气化温度保持恒定时，式(10)可表示为：

(11)

式中：T0和T分别为环境温度(取298 K)和状态温度，K；
Q为加热量，kJ。

2.4 半焦的

Exsemi-coke=βmQL,semi-coke

(12)

式中：m为质量流量，kg/s；
QL,semi-coke为半焦的低位热值，MJ/kg；
β为关联因子，可通过式(13)计算。

(13)

式中：xC，xH，xO和xN分别为半焦元素分析中C，H，O和N的摩尔分数。

2.5 目的效率

(14)

3.1 水蒸气与半焦质量比对合成气值分布的影响

图3 不同水蒸气与半焦质量比下合成气值的分布Fig.3 Exergy distribution of syngas under different mass ratios of steam to semi-coke

表5 不同水蒸气与半焦质量比下半焦气化反应合成气各组分产量及碳转化率Table 5 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different mass ratios of steam to semi-coke

3.2 水蒸气与半焦质量比对合成气目的效率的影响

图4 不同水蒸气与半焦质量比下合成气的目的效率Fig.4 Target exergy efficiency of syngas under different mass ratios of steam to semi-coke

3.3 氧气当量比对合成气值分布的影响

图5 不同氧气当量比下合成气的值分布Fig.5 Exergy distribution of syngas under different oxygen equivalence ratios

表6 不同氧气当量比下半焦气化反应合成气各组分产量及碳转化率Table 6 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different oxygen equivalence ratios

3.4 氧气当量比对合成气目的效率的影响

图6 不同氧气当量比下合成气的目的效率Fig.6 Target exergy efficiency of syngas under different oxygen equivalence ratios

3.5 催化剂对合成气值分布的影响

图7 不同催化剂下合成气的值分布Fig.7 Exergy distribution of syngas under different catalysts

表7 不同催化剂下半焦气化反应合成气各组分产量及碳转化率Table 7 Output of each component of syngas in gasification reaction of semi-coke and carbon conversion rate under different catalysts

3.6 催化剂对合成气效率的影响

图8 不同催化剂下合成气的目的效率Fig.8 Target exergy efficiency of syngas under different catalysts