移动床气化的低秩阿拉斯加煤

文摘

介绍了过程模拟移动床气化炉使用低等级,亚烟煤的Usibelli煤炭从阿拉斯加。所有的过程发生在一个移动的床气化炉、干燥、液化作用,气化,燃烧,都包含在这个模型。在阿斯彭+开发的模型,用于预测各种操作参数的影响,包括压力、氧煤和蒸汽煤比气体成分的产品。模拟的结果与实验数据比较文学。预测产品的成分气体与总协定成立的结果。碳转化率增加而提高气化炉内比和随蒸汽煤比的增加而降低。蒸汽煤比和氧煤比的影响产生的合成气成分,虽然压力没有在产品合成气成分有很大影响。nonslagging移动床气化炉必须限制在0.26以下操作的气化炉内比灰软化温度。渣移动床气化炉,不是工作温度限制,能够实现碳转换效率在气化炉内99.5%的比率为0.33。的模型是有用的预测性能Usibelli在移动床煤气化炉使用不同的操作参数。

1。介绍

气化被认为是最有效的技术之一,将原始的,低成本的煤炭清洁和高价格的化学物质,燃料,和权力。因此,随着能源价格的不断波动和/或增加,气化通常是提出作为一个替代的能源和化学品。阿拉斯加的庞大的煤炭储量1)使它成为一个好的位置对能源利用技术和化学物质。Chaney和表2)使用煤炭气化发电的可行性研究和化学副产品。核电站位于阿拉斯加和库克湾地区将使用邻近的白煤田的煤(我允许进程进行)。这项研究的目的是看看修改的地方从天然气化肥厂原料煤,而同时发电。在类似的研究中,酒鬼et al。3]研究了煤的气化Usibelli煤炭生产的费液体。在这两种情况下,只有携入的流和流化床气化炉进行了研究,离开了移动床气化炉。因此,本研究工作的主要目标是评估Usibelli煤炭在移动床气化炉的性能。

1.1。移动床气化炉

在移动床气化、煤流逆流的方式向下的重力的气化剂、空气、蒸汽、气体和产品。移动床气化炉通常是以下操作避免熔渣的火山灰熔化温度的煤炭。通常非炼焦煤优先(4]。煤的粒径范围从6.35毫米到38.1毫米是美联储从顶部的反应堆,蒸汽和氧气从反应器底部吹。逆流的煤炭呈现最优秀的热效率,因为事实所产生的热量在反应堆利用反应堆本身。随着煤炭向下流动,它经历了一系列不同的反应,包括干燥、devolatalization,气化和燃烧。这些都是描述。

1.1.1。干燥

干燥是第一个过程煤经历在其逆流移动床反应器。在这个过程中,热上流式反应器中的气体去除煤内的水分。温度保持在干燥部分通常是低于300°C取决于煤的含水量。

1.1.2。Devolatalization

在移动床气化炉Devolatalization是下一步。它是一个过程,煤转换在升高的温度下产生气体,焦油,char [5]。Devolatalization一步移动床气化炉确定海员产品气体的成分。海员的构成、char和产品气体经过devolatalization过程很大程度上取决于煤炭类型、温度、升温速率、压力。低等级煤炭相对较大的挥发性物质的百分比和释放大量的气体和少数量的煤沥青相比更高等级(6]。Suuberg et al。7)研究温度对波动率的影响在煤热解。他的结论是,挥发物的收益率指数随温度增加。他还研究了产品成分的气体压力的影响。真空热解煤产生更高收益的碳氢化合物和低收益率的光比得到气体在大气条件。Gibbins-Matham和Kandiyoti8]发现波动产量增加四个煤中的三个测试升温速率时从1 K / s增加到1000 K / s。匹兹堡没有。8煤,看到的三个煤挥发性收益的增加,他的结论是,焦油产量的增加主要是由于增加加热率更高。大粒径会减慢传热传质速率,降低了整体反应速率和affecte产品数量和质量的气体(9]。

1.1.3。炭气化和燃烧

char的气化和燃烧包括一系列的异构反应与氧气和蒸汽负责抗热变形性质的气化过程。下面的反应发生在这个阶段(10]。

Char-Oxygen反应:

炭气化反应:

Boudouard反应:

甲烷化反应:

水气交换反应:

氢氧化: 在哪里:比有限公司,有限公司₂平均浓度= 2500 exp (−6249 /)。所有这些反应动力学表达式采用从[10,11]。

更高的停留时间和计数器电流有利于移动床气化炉高碳转换相比,流化床气化炉和携入的流。产品气体含有大量的水手等副产品,酚类化合物和氨,需要有力的清洁。空气或氧气需求低于流化床和携入的床上。移动床气化炉适合煤煤尤其是高含水率。

2。模型描述

阿斯彭+仿真模型(12)是研究中使用的模型的基础。模型过程流程图如图1。

以下是从(修改12]。(我)组件的属性和给煤的热值。(2)热解气体的产量,水手,char devolatalization一步。(3)操作参数,包括煤、蒸汽和氧气流量、压力和温度。(iv)气化炉操作条件,包括气化炉高度、直径和压力。(v)FORTRAN语言代码来反映反应的动力学。

中使用的各种白杨反应堆块表中描述的过程流程图2。表3列出了Usibelli煤属性。发生在气化炉的所有进程,也就是说,干燥、热解、气化和燃烧都包括在模型中。发展阿斯彭+模型需要的反应化学计量学知识,反应速率、动力学、质量,和传热。模型被用来预测产品的合成气体,温度剖面和过程变量对合成气成分的影响(12]。

模型中假设如下。 模型的稳定状态。 煤与瓦斯流平推流。塞流假定恒定速度在气化炉的截面无返混。 停留时间的煤炭干燥和热解部分被认为是combustion-gasification部分相比可以忽略不计。 气化炉的压降是被忽视的。 体积的反应代表所有气固反应除了char燃烧根据缩芯模型。 气体温度是一样的固体在气化炉温度在每一个点。

各种流程建模如下。

煤干燥
湿煤(W-COAL)是第一次喂R-Yield干燥块用于模拟干燥反应发生在顶部的气化炉。在这一块,含水率在湿煤驱动。水蒸发的数量取决于含水量湿煤的工业分析中指定。在Usibelli煤的情况下,湿煤的含水量是27%。因此, 干燥反应所需的热量是由热气体离开燃烧和气化的反应堆。水蒸气(H₂O)和干煤(d煤)分离Sep-1块。

煤炭Devolatalization
干煤然后送到DEVOLAT块模拟了devolatalization干的煤炭使用RYield反应器模型。DEVOLAT块中,大部分干煤中的挥发分转化为挥发性产品。从这一块的产品包括公司、H₂、有限公司₂H₂O, CH₄,焦油,C₂H₄、灰和char。不同产品的产量的结果是基于Suuberg et al。7]。最终分析的煤用于(7与Usibelli煤)匹配。唯一的小区别在于Usibelli煤炭硫量可以忽略不计,而[7)在1.18%左右。的直接和最终分析char Usibelli煤的热解后得到所做的功(13)表征煤的产品从高温处理Usibelli煤煤。字符(字符)和热解产品(PYRO-GAS)然后在SEP-2分离器分离。

炭气化和燃烧
热解后ungasified char,然后送到CHAR-DEC块RStoic反应堆建模。基于最终的字符的分析,分解成其组成规定以下反应:

随着移动床气化炉是一个逆流反应器,需要设计一个模型,将把逆流流动的固体组件和炭气化和燃烧的气体部分。干燥和热解相比被认为发生瞬间气化和燃烧。

在这个模型中,逆流流是通过一系列RSCTR反应堆模型。选择的标准的数量RCSTR气化和燃烧的反应堆部分是基于碳转换。它被发现最大10 RCSTR反应堆用于系列(时12]。

CHAR-DEC块分解后的字符,字符的固体组件,C_(固体)和S_(固体),灰与气体分离组件H₂阿,₂和N₂。固体组件发送到CSTR-1,气体被送到CSTR-10氧气和蒸汽饲料。

固体组件从CSTR-1 CSTR-2 CSTR-3,等等,一直到CSTR-10,气体成分,反映出逆流流动,提升CSTR-10 CSTR-9,等等,一直到CSTR-1。最后的气体离开CSTR-1然后与热解气体混合,干燥气体流,而固体(灰+ S + C)脱离CSTR-10的底部。相关的热量燃烧和气化气体用于干燥和devolatalization过程。的反应动力学的反应发生在气化炉写在一个单独的FORTRAN阿斯彭加代码,是一种特殊的功能。

为异构char-oxygen反应(1),未反应的核心缩芯模型已经应用反应速率的测定有必要考虑煤炭直径内的氧气的扩散速度最慢,速率限制步骤10]。 在哪里是气膜扩散传质系数,火山灰扩散传质系数,是化学反应常数,反应物的分压吗,反应物的逆反应平衡压力吗。未反应的核心半径的比例是喂煤粒子的半径。反应(1),燃烧的炭颗粒表面发生如此之快,使得气膜扩散和灰膜扩散速率控制步骤。(9)减少 的表达式,反应(1),反应速率方程(2),(3),(4),(5)和(6)已经从温家宝的模型采用移动床气化炉(10,11),如表所示1。

在气化炉热平衡
能量生成气化炉由于高热值煤和放热反应的性质(1),(4),(5)和(6)。

气化炉的能量平衡是由以下方程:

热损失的反应堆是由吸热反应加热和热损失通过反应器壁周围的环境。热损失通过反应器壁周围的环境被认为是零在这工作。

阿斯彭加包含所有气体和固体的物理和化学性质除了煤。在阿斯彭加、热值和焓的煤炭使用HCOALGEN模型计算。这个模型包含许多相关性的燃烧热,生成热,热容。煤的燃烧热可以使用不同的相关性如Boie计算相关性,戴维斯Dulong相关性,Grummel和相关性。

Boie相关性
一个人 C, H, S、O、N代表重量分数的碳、氢、硫、氧和氮,分别在煤炭是来自干矿物质自由的终极分析煤。

更详细的能量平衡在气化炉一直在解释10]。发达的控制方程考虑对流、辐射和传导传热的反应

仿真的重要假设是固体和气体的温度相同的气化炉在每一个位置。

3所示。模型验证

在移动床气化炉实验结果不能用于Usibelli次烟煤,仿真结果与实验结果进行比较,10在玫瑰花蕾次烟煤,煤本质上类似Usibelli煤。模型利用相同的操作参数(如表所示4在()作为实验10]。表5比较产品的气体组分的仿真模型与实验数据。的实验(10),然而,达到温度只有1000°C,对1182°C的模拟。模型结果与实验结果基本一致,除了H₂,CH₄和焦油成分。小的差异与H₂和CH₄作文可以归因于这样一个事实:仿真的最高温度达到1182°C,在实验结果,正是在1000°C。较高的温度有利于形成H₂和阻碍CH的形成₄(14,15]。焦油产量的差异解释为热解焦油产量之间的差异(7)(用于模拟),观察到(10]。

4所示。操作条件的影响

4.1。蒸汽煤比的影响

蒸汽煤比是不同的从0.75到2.5,看它对气化炉的性能的影响。观察到,随着蒸汽流量的增加,公司组成开始减少甲烷和有限公司₂开始增加(图2)。H₂成分增加最初然后减少与增加蒸汽温度下降率。可以推断出,增加蒸汽煤比呈现冷煤气效率减少由于减少CO和H₂在产品气体成分。摩尔百分比的增加的有限公司₂可以归因于这样一个事实:随着蒸汽分压的增加水气交换反应(5在较低温度下),一氧化碳与水蒸气结合形成有限公司₂和氢,正向反应的速率增加制造更多的公司₂在产品气体。增加蒸汽煤比促进了气化反应但同时显著降低气化炉温度由于吸热气化反应的性质。热量吸收蒸汽增加随着蒸汽煤比的增加,从而减少气化炉温度。反应(4)在本质上是放热的,是非常缓慢的氢分压和温度低时(10),但与汽耗率随着氢成分的增加,甲烷的生成速率变得可观。

4.2。氧煤比的影响

氧气中扮演一个重要的角色在煤的气化通过增加气化炉和下游过程的效率(4]。增加氧率在气化炉结果在char的进一步氧化,这就增加了气化炉内温度。图3显示了气化炉温度与氧煤比的变化。气化炉温度增加,反过来,提高吸热steam-gasification反应。注意,传统nonslagging移动床气化炉温度限制在操作时必须低于煤灰软化温度操作,也就是说,氧气流量只能增加到某一个点。的信息,Usibelli煤的灰分软化温度为1217°C,超过了在模拟当气化炉内比例达到0.26。结渣移动床气化炉,当然没有这样的限制。

图4显示产品气体成分变化与氧煤比。公司的产量增加指数有限公司₂和CH₄内容随氧煤比的增加而减小。H₂成分不显示任何与气化炉中的氧气的增加变化。增加和减少₂内容可以解释为勒移动的原理,温度的增加变化的平衡到反应物水气交换反应有利于公司和蒸汽的生产。Boudouard反应更快,更高的温度,从而,使更多的公司和更少的公司₂在产品气体。当H₂产生的吸热气化反应是抵消了反向水气交换反应,很少有变化₂内容的产品气。在更高的温度下,甲烷化反应速度变得可观,但甲烷产量也少由于没有氢分压的变化。

4.3。压力的影响

气化炉运行在更高的压力有几个优点,包括减少气化炉的总体规模和消除昂贵的步骤合成气体压缩机的生产合成的化学物质。气化炉的压力通常是选择符合合成气的最终用途。也就是说,是否会被用于发电,化学合成,等等,图5显示压力产品气体成分的影响。压力的增加1 25 atm自动取款机,H₂内容从37.9%上升到40.3%;CO含量从22.58%下降到20.3%,而CH₄内容保持不变。CH的₄内容保持不变可能是因为热解模型没有考虑压力。尽管合成气体成分改变时的压力变化,变化很小。这是符合发现压力影响反应堆内的温度峰值的位置,而不是峰值的大小(15]。如前所述,温度影响产品气体成分。峰值的位置表明反应堆内燃烧带的位置(4]。图6显示了气化炉温度与压力的变化。尽管温度显示增加趋势,减少压力,温度升高不显著改变了产品的气体成分。

4.3.1。碳转换效率

碳转换效率定义为碳的比例在原料转化为气体产品。

图7显示蒸汽煤比的影响在碳转换效率。蒸汽煤比是不同的常量氧率从0.75到2.5 1513.18公斤/小时。的最大碳转换效率85.3%时达到蒸汽煤比是0.5。很明显从图5碳转换效率下降趋势与蒸汽煤比的增加。汽耗率降低气化炉温度越高(4,16和峰值温度区向下移动14),这两种浸出少碳的转换(4,16]。

图8显示了氧煤比的影响碳转换。汽耗率保持不变在6201.97公斤/人力资源调查的影响氧煤比碳转换。在不同氧煤比(0.2到0.33),发现氧率的增加显著增加了碳的转换。氧率的增加提高了氧化反应,导致更高的碳气体分子数量的转换。碳转换效率为99.5%,实现了氧煤比是0.33。

5。结论

尽管气化被认为是可行的,节能和环保技术,这项技术是研究阿拉斯加煤非常有限。移动床气化技术被认为是在这个工作因为它适合煤煤、更高的热效率,有限使用昂贵的氧气。这项工作的主要目的是得到一个洞察Usibelli煤炭在移动床气化炉的性能。整个过程使用阿斯彭加建模过程模拟器。仿真结果验证了通过比较实验结果和显示与产品气体成分合理的协议。模拟被用来研究蒸汽煤比的影响,氧煤比和压力产品气体组分和碳转换效率。结果表明,蒸汽煤比和氧煤管理因素控制碳转化率和气体成分的产品。氧煤比的增加导致显著增加碳的转换。氧煤比的0.33是必要的为了得到碳转化率为99.5%。尽管合成天然气显示下降趋势越来越大的压力,这种变化几乎是微不足道的。 The results obtained through simulations are encouraging and can be useful for designing medium to large-sized moving bed gasifier using Usibelli coal.

命名法

	校正因子考虑灰的相对反应活性的铁基催化剂
:	字符集中,g-mole /
:	热容的煤炭,卡尔/ g·
:	煤颗粒直径,厘米
:	反应的活化能(),卡尔/ g-mole
:	几何因子与辐射传热
:	对流换热系数,卡尔/··秒
:	反应热大卡/ g-mol
:	火山灰扩散、传质系数g /自动提款机··s。
:	气膜扩散传质系数g /自动提款机··s。
:	反应速率系数反应(2),1 / atm·秒
:	化学反应常数,g /自动提款机··s。
:	水煤气转移反应的平衡常数
:	反应速率系数反应(3),1 / atm·秒
:	反应物的分压,自动取款机
:	反应物的反应平衡压力,自动取款机
:	反应的反应速率(),g-mole /·秒
:	摩尔分数的物种
:	温度,
:	反应堆的温度,
:	未反应的核心半径比喂煤颗粒的半径
:	煤的密度,通用汽车/
:	孔隙度的灰
:	床的孔隙度
:	Stephan-Boltzman常数(cal /·sec)。

确认

作者要感谢赞助这项研究的美国空军。丹尼尔·沃尔什教授的帮助提供建议和提供非常有用的报告从矿产行业研究实验室(阿拉斯加大学费尔班克斯)也请承认。

引用

1. r·c·约翰逊和r·m·弗洛雷斯,”发展的由浅到深的煤层气地质落基山盆地和库克Inlet-Matanuska盆地,阿拉斯加,美国和加拿大,“国际煤炭地质杂志》上,35卷,不。1 - 4、241 - 282年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. r . Chaney和b表,”白煤气化可行性研究,”能源部/ netl - 1248, 2006。视图:谷歌学术搜索
3. l .酒鬼、c·托马斯和r . Chaney“阿拉斯加煤气化可行性studies-healy煤制油工厂,”能源部/ NETL / 1251, 2007。视图:谷歌学术搜索
4. h . Yoon j·魏,m . m . Denn”移动床煤气化反应器的典范”,AIChE杂志,24卷,不。5,885 - 903年,1978页。视图:谷歌学术搜索
5. p·r·所罗门·d·g·汉布伦,r . m . Carangelo m·a . Serio和g . v . Deshpande“煤炭液化作用的一般模型,”能源和燃料,卷2,不。4、405 - 422年,1988页。视图:谷歌学术搜索
6. t·h·弗莱彻,a . r . Kerstein,的r·j·帕格迈尔m . s .风化层和d·m·格兰特,液化作用“化学渗流模型。3所示。直接使用¹³C NMR数据来预测煤型的影响,“能源和燃料》第六卷,没有。4、414 - 431年,1992页。视图:谷歌学术搜索
7. e . m . Suuberg w·a·彼得斯和j·b·霍华德,“产品成分和褐煤热解动力学,”工业和工程化学过程设计和开发,17卷,不。1,37-46,1978页。视图:谷歌学术搜索
8. j . Gibbins-Matham和r . Kandiyoti煤热解产量从网的快速和慢速加热装置与气扫,“能源和燃料,卷2,不。4、505 - 511年,1988页。视图:谷歌学术搜索
9. w·h·e·纳托尔·g·斯托达德,r·陈,“新墨西哥亚煤烟煤煤的热解SPE石油技术杂志》上没有,卷。31日。4、418 - 420年,1979页。视图:谷歌学术搜索
10. 温、h·陈和m . Onozaki”用户手册的计算机模拟和设计移动床煤气化炉,最终报告,”能源部/ MC / 16474 - 1390, 1982。视图:谷歌学术搜索
11. j . s . Kasule r . Turton d·巴塔查里亚和美国e . Zitney“单级的数学建模,向下发射,携入的流气化炉,”工业化学与工程化学研究,51卷,不。18日,第6440 - 6429页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 阿斯彭技术,“阿斯彭+移动床气化炉模型,”2010年。视图:谷歌学术搜索
13. p·d·拉奥和d·e·沃尔什,”表征煤的性质从高温处理Usibelli低等级的煤炭,”MIRL报告92年,1991年。视图:谷歌学术搜索
14. c . Higman和m . Vander Burgt“气化”,2003。视图:谷歌学术搜索
15. g . j . Stiegel和m . Ramezan”,从煤的气化氢:一种经济通往一个可持续能源的未来,”国际煤炭地质杂志》上,卷65,不。3 - 4、173 - 190年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m·l·霍布斯、p . t . Radulovic和d·l·斯穆特“建模固定床煤气化炉,”AIChE杂志,38卷,不。5,681 - 702年,1992页。视图:谷歌学术搜索

版权

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