黄温钢;王作棠
【摘 要】以综合计算法为基础,将地下气化过程分为干馏阶段和气化阶段,结合反应平衡计算法相关理论,引入二氧化碳还原反应、碳与蒸汽反应的平衡常数方程,并考虑地下气化过程中瓦斯涌出、地下水渗入、工作面采出率、炉体排水、围岩散热和煤气泄漏等特有因素的影响,建立了一种适宜煤炭地下气化过程的计算模型.应用模型对华亭地下气化现场实验进行模拟计算,并与实测数据对比分析,结果表明,绝大部分理论计算值与现场实测值的相对误差在5％以内,准确度较高.该模型可以用于地下气化项目的前期研究,为相关工艺参数的设计和选择提供参考. 【期刊名称】《煤炭转化》
【年(卷),期】2016(039)002
【总页数】7页(P30-35,41)
【关键词】煤炭地下气化(UCG);计算模型;综合计算法;反应平衡计算法
【作 者】黄温钢;王作棠
【作者单位】东华理工大学地球科学学院,330013 南昌;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,中国矿业大学矿业工程学院,221116 江苏徐州竞赛抢答器
【正文语种】中 文
核桃去壳机
【中图分类】TD841;TQ018
煤炭地下气化（underground coal gasification，UCG）是一项向地下气化炉注入气化剂（空气、氧气、蒸汽和CO2的混合气体），将煤层有控制地燃烧并产生可燃气体，再将其输至地面进行净化和利用的新型化学采煤方法.该技术可作为二次采煤技术，用于回收传统采煤方法难以开采、无法开采或者开采经济性差的残留煤资源，可提高资源采出率，并能取得良好的经济效益、环境效益和社会效益.［1］气化工艺对地下气化工程的产气稳定性和经济性影响甚大，合理的工艺参数需通过充分的实验获得，进行现场实验或实验室物理模拟周期长、成本高，而采用理论计算方法则可避免这些问题.地下气化过程的理论计算是指在给定的操作条件（温度、压力和气化剂等）下，计算煤层生产煤气的各项气化指标.气
化过程的影响因素众多，一些主要气化反应并未达到热力学平衡状态，反应不可能完全按化学计量方程进行，故一般采用试验计算法或半理论计算法，常用的有综合计算法、实际数据计算法和反应平衡计算法.［2］三种计算法的主要区别在于对煤气成分的求解，其他气化指标的计算方法相同，综合计算法将气化过程分为两个阶段，即气化炉的干馏过程和气化过程，生成的煤气为干馏煤气和气化煤气之和；实际数据计算法以实测煤气组成为计算依据，需要先把气化原煤试烧，并测取煤气组成；反应平衡计算法是运用反应平衡、物质平衡、能量平衡和道尔顿分压定理等原理对气化过程进行模拟，从而求解出煤气的组成.上述三种方法常用于地面气化过程的计算，而地下气化受气化区域构造、地下水、瓦斯和煤质等条件影响，其气化环境、操作条件与地面气化存在较大差别，直接套用现有计算方法，会导致结果偏差较大.国内学者［38］在地下气化过程的计算方法方面作过一些研究，在实际数据法方面，建立了地下气化实验平台，进行了大量的模拟实验，但该方法成本高、周期长，失去了理论计算的优势；部分国内学者［35，9］将传统的综合计算法用于地下气化过程的计算，结果表明计算值和试验值存在较大偏差；王作棠等［10］对比研究了甘肃华亭地下气化的实测数据和综合计算法模拟结果，两者亦存在较大偏差；段天宏［11］结合地下气化特点，建立了适用于地下气化过程计算的两段式反应平衡模型，计算
结果与实测数据较为吻合，但求解过程复杂，且无法直观地反映整个气化过程.有鉴于此，笔者以综合计算法为基础，融合反应平衡计算法，并综合考虑地下气化的特有因素，建立了一种适宜煤炭地下气化过程的计算模型.
地下气化的原理与地面气化的原理相同，地下气化工作面的围岩即为地面气化炉炉壁，气化通道则为炉膛，气化通道干燥干馏带的反应为干馏过程，氧化带和还原带的反应为气化过程.煤层干馏产生干馏煤气、瓦斯、水汽、焦油和半焦，其中瓦斯、焦油和水汽随干馏煤气排出，而半焦（含固定碳、灰分和少部分挥发分）进入气化过程，与气化剂反应生成气化煤气，并留下灰渣.干馏煤气、瓦斯、水汽、焦油、带出物（灰尘）和气化煤气混合形成地下气化粗煤气.根据上述特点，煤炭地下气化过程的计算包括：
1）干馏过程的物料衡算，求得干馏过程中干馏煤气、瓦斯、水汽和焦油的产量和组成；
2）气化过程的物料衡算，求得气化过程中气化煤气的产量和组成以及气化剂（空气、蒸汽和氧气）的消耗量；
3）总过程指标计算，求得粗煤气的产量、组成、热值、产率、蒸汽分解率和单位煤气的消耗指标等；
4）总系统的热量衡算，求得气化效率、热效率和热损失等.
1.1已知条件
采用新方法对煤炭地下气化过程进行计算前，需根据资源条件、工艺方案及以往的工程、实验经验，给出或假设部分参数，作为已知条件：
1）原煤煤质分析（组成和热值）；医用手套
2）煤层瓦斯组成、相对涌出量和热值；
3）原煤低温干馏检测结果；
4）焦油组成和产率；
5）气化煤量；
6）工作面采出率；
7）带出物量；
8）灰渣温度、含碳量和含硫量；
9）煤气出口温度和原煤温度；
10）注入蒸汽量、气化炉涌水量及其蒸发量、排出量；
11）原煤中转入CO2的氧量；
12）原煤中转入CH4，C2H4和半焦（气化过程）的氢量；
13）原煤中转入NH3和半焦（气化过程）的氮量；
14）气化剂（干）氧气浓度、鼓入温度和气化剂（干）摩尔质量；
15）粗煤气中的氧总量；
16）气化炉反应压力；
17）地下气化煤气漏失率.
与地面气化的综合计算法相比，2，3，6，15，16和17为新增加项目，4，10，12和13等项目被部分修改，去除了原有关于气化碳量与空气中氮量之间的关系式，修改原因将在计算过程中进行说明.在干馏和气化过程计算前，应先确定未反应煤（根据工作面采出率确定）和带出物的量，并扣除两者含有的各元素量，即可得出各参与反应的元素量.
1.2干馏过程计算
煤的干馏分为高温干馏（即焦化，900℃～1 100℃）、中温干馏（700℃～900℃）和低温干馏（500℃～600℃）三种.地下气化通道的干燥干馏带温度为200℃～600℃［12］，为典型的低温干馏.为便于计算，需将地下气化干馏过程作如下假设.
1）原煤在干馏过程中形成半焦、焦油、水汽和煤气，焦油和水汽随高温煤气排出，半焦则进入气化过程，其主要成分为碳、灰分和挥发分.
2）蒸汽：源于煤气的水分和干馏时的热解水，在干馏阶段温度条件下原煤中的水分将全部蒸出，而热解水可通过原煤低温干馏检测结果计算得到，或者直接假设原煤中50%的氧与氢合成热解水（见表1）.［2］
3）CO2：源于原煤中的碳和氧，其生成量随煤化程度的加深而减少，转入CO2的氧量见表1.［2］
4）CH4，C2H4：源于原煤中的碳和氢，其生成量取决于原煤的煤化程度和干馏温度，转入CH4和C2H4的氢量见表1.［2］滤菌器
5）焦油：其产量和组成取决于煤种、气化炉结构和操作条件，其产率和组成应通过原煤低温干馏实验测出；焦油产量的计算也可根据经验假设转入焦油的碳量等于煤中的氢量，焦油组成见表2.［2］
6）N2：原煤中的氮除少量转入焦油和NH3中，其余全部以N2形式转入煤气中.
7）H2S：原煤中的硫除部分转入焦油和灰渣中，其余均在干馏阶段与氢结合生成H2S而转入煤气中.
8）H2：除生成热解水、CH4、C2H4、焦油、NH3和H2S外，原煤中剩余的氢都以H2形式转入煤气中.
9）CO：原煤挥发分中的碳除了生成CO2，CH4，C2H4和焦油外，均以CO的形式转入煤气中.
10）瓦斯：经过200℃～650℃高温加热，煤层中吸附的瓦斯基本全部释放，其主要成分为CH4，CO2，N2和重烃，假设该温度下瓦斯的组分不发生反应，以其原始成分的状态进入干馏煤气.
根据上述条件可以计算得到干馏阶段的煤气产量和组分.
蜂窝煤采暖炉1.3气化过程计算
原煤经过低温干馏后产生半焦，其主要成分为碳、灰分和挥发分，同焦炭相比，半焦挥发分含量高、孔隙率大而机械强度低，与CO、蒸汽或氧具有更强的反应活性.半焦进入气化阶段，其中碳、挥发分与气化剂（空气、氧气、蒸汽或者CO2）反应生成CO，H2和CO2，并有部分未分解的蒸汽和未参与反应的O2，N2一起进入气化煤气.气化煤气的组分含量可通过列方程组求得，但在此之前需先计算出灰渣的生成量，以确定参与气化反应的元素量.
1）灰渣生成量计算.灰渣的生成量可通过其含硫量和含碳量求得，计算公式为
式中：m为灰渣的生成量，kg；mA为原煤中的灰分含量，kg；mS为原煤中的硫含量，kg；ηS为转入灰渣中的硫占原煤中总硫比例，%；ηC为灰渣含碳率，%.
在此假设半焦中的S全部转入灰渣中，占原煤总硫量的20%；灰渣含碳率一般为5%～15%，常取10%.带入式（1）即可求得灰渣的生成量，从而确定参与气化反应的元素量，并根据元素平衡和平衡常数方程组求解煤气组分含量.
2）煤气组分含量求解.根据气化过程各元素的质量平衡和反应平衡，列出相应方程式，建立方程组.
① 碳平衡方程：气化阶段参与反应的碳全部转入煤气中的CO和CO2中.
式中：［C］为气化阶段参与反应的碳量，kmol；［CO］为气化煤气中的CO含量，kmol；［CO2］为气化煤气中的CO2含量，kmol.
② 氢平衡方程：蒸汽（来自气化剂和地下水蒸发）和原煤中进入气化阶段的氢量转化为气化煤气中氢气与未分解蒸汽的氢量.
式中：［W］为气化剂中蒸汽的氢量，kmol；［H］为原煤中进入气化阶段的氢量，kmol；［H2］为气化煤气中的H2含量，kmol；［H2O］为气化煤气中的水汽含量，kmol.
③ 氧平衡方程：气化剂中氧气、蒸汽和原煤中进入气化阶段的氧量之和等于气化煤气中CO，CO2，H2O和O2含氧量之和.
式中：［O2］in为气化剂中氧气的氧量，kmol；［O］为原煤进入气化阶段的氧量，kmol；［O2］gas为气化煤气中的O2含量，kmol.
④ 氮平衡方程：气化剂中氮气和原煤中进入气化阶段的氮均转化为煤气中N2.
式中：ηN为气化剂（干）中氮气所占比例，%；［N］为原煤中进入气化阶段的氮量，kmol；［N2］为气化煤气中的N2含量，kmol.
⑤二氧化碳还原反应的平衡常数方程：C+在反应温度下达到平衡，其平衡常数（Kp1）的关系式为泄洪道
式中：pCO为气化煤气中CO的分压，kPa（在计算过程中换算成标准大气压，下同）；pC
O2为气化煤气中CO2的分压；p为气化压力，kPa；n为气化煤气的总量，kmol；T为反应平衡温度，K.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议