陸泳宇，閻維平，姜平

（1 華北電力大學教育部“電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制”重點實驗室，河北 保定071003；2 山西國際能源集團有限 公司，山西 太原030002）

在煤電行業(yè)，普遍存在環(huán)境污染嚴重、發(fā)電效率低等問題，即使最先進的燃煤火力發(fā)電機組的能源利用率仍不足45%，能量損失嚴重[1]。進一步提高發(fā)電效率面臨巨大的技術瓶頸，短期內不可能取得突破。近年來，煤化工技術的開發(fā)在世界范圍內取得了重大進展，發(fā)展前景樂觀[2]。煤化工分為直接轉化和間接轉化兩類[2]，直接轉化主要是煤的液化、焦化等；間接轉化有兩種途徑，一是煤氣化后的合成氣制甲醇、二甲醚，合成氨等；二是生產(chǎn)電石乙炔[3]。將煤化工的間接轉化技術與電力生產(chǎn)相結合，以煤為原料同時產(chǎn)出電力與化工產(chǎn)品的煤基多聯(lián)產(chǎn)技術，以其大幅度提高煤炭資源綜合利用率的潛在優(yōu)勢，在煤電行業(yè)受到廣泛關注[4]。然而現(xiàn)今的煤基多聯(lián)產(chǎn)大多采用甲醇與電力生產(chǎn)相結合的技術路線[5-6]，其典型裝置是IGCC-甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。而耦合電石生產(chǎn)的發(fā)電系統(tǒng)至今還未見諸文獻報道。

電石（CaC2）是由碳與氧化鈣反應制得的重要化工產(chǎn)品，通常以石灰和焦炭作為反應原料，在高溫下生成，同時副產(chǎn)CO 氣體。目前，工業(yè)上均采用電熱法生產(chǎn)電石[7]，該法耗電量大，電能的有效利用率低，僅為50%左右[3]，石灰過量嚴重，產(chǎn)生的高溫爐氣及粉塵污染環(huán)境[8]。氧熱法是利用焦炭在純氧或富氧中燃燒放熱替代電弧供熱，可明顯節(jié)約電能，但需要大量的焦炭和氧氣，且對增加的爐氣利用率不高，仍未解決爐氣能量損失與環(huán)境污染的問題。故沒有得到工業(yè)化推廣。

燃煤電站聯(lián)產(chǎn)電石系統(tǒng)，是氧熱法生產(chǎn)電石與發(fā)電技術有機整合的新型煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。將電石反應器串接在鍋爐爐膛前，采用制粉系統(tǒng)的干燥煤粉、石灰粉與氧氣作為反應原料，連續(xù)生產(chǎn)電石，副產(chǎn)的爐氣及攜帶未燃碳的飛灰送入爐膛放熱并燃燒。該系統(tǒng)具有原料比表面積大、反應速率快、可回收利用爐氣和未燃碳等優(yōu)點[9]。在設備上，除增加石灰粉給料系統(tǒng)和空分制氧裝置外，額外改造 較小。

本文以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內的電石反應器為研究對象，從熱力學角度，對電石合成和煤粉燃燒反應體系建立模型，并進行熱力計算與分析，在物料平衡和熱量平衡方面得到詳盡的數(shù)據(jù)，為煤粉氧熱法生產(chǎn)電石提供理論指導。

1 研究對象介紹

電石極易與水發(fā)生反應，因此煤粉需先通過細粉分離器與乏氣分離，降低水分含量，再同石灰粉及氧氣一同進入電石反應器。電石反應器串接在經(jīng)過改造的鍋爐爐膛前，反應器尾部相當于鍋爐的一個燃燒噴口。在反應器外布置水冷壁，減少反應器向環(huán)境的散熱，如圖1 所示。在反應器內部，部分煤粉中的固定碳與石灰粉中的 CaO 反應生成CaC2，其余煤粉在氧氣中燃燒放熱，為電石合成提供所需的熱量。反應產(chǎn)生的高溫煙氣及含有未燃碳的飛灰通過反應器尾端噴口進入爐膛燃燒放熱，而反應產(chǎn)物CaC2、未完全反應的原料、石灰中的灰分及煤粉的部分灰分在高溫下均將呈熔融狀態(tài)，一起排出反應器，在外部凝結成電石。

圖1 電石生產(chǎn)流程圖

2 計算方法與模型

電石反應器內，除發(fā)生電石合成和煤粉燃燒的吸放熱耦合反應外，還會發(fā)生一系列的副反應，在以下計算中，僅考慮上述反應體系而忽略各種副反應。電石合成的轉化率隨溫度的升高而增大[10]，在2400℃時，轉化率達到97%，繼續(xù)升溫，轉化率幾乎不變。富氧燃燒的資料表明[11]，在氧氣氛圍中，煤粉的燃燒溫度足以滿足電石合成的需求。因此，將反應溫度設定為2400℃。在此溫度下，煤粉燃燒產(chǎn)生的H2O 為過熱度極大的水蒸氣，不會與產(chǎn)物CaC2發(fā)生反應。

2.1 物料平衡計算方法

對電石合成反應，根據(jù)化學反應式CaO+3C —→CaC2+CO，可計算出參與反應的CaO 和C，及生成CO 的量。進而由石灰粉純度及煤粉中固定碳含量得到石灰粉和煤粉的耗量。對于煤粉燃燒反應，由于煤粉是在氧氣氛圍中燃燒，因此僅極少部分煤粉未完全燃燒。根據(jù)電石反應器是橫爐的特點，參照臥式液態(tài)排渣鍋爐的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，認為煤粉攜帶的灰分中有10%成為飛灰，隨煙氣一起進入鍋爐爐膛，而剩余的90%煤灰形成熔渣與CaC2一起排出反應器，成為電石中的灰渣。飛灰和灰渣中均含有未燃燒的碳，參考文獻[11-12]，取飛灰的含碳量為1%，灰渣的含碳量為2%。由于煤粉未完全燃燒，剩余的氧氣在反應器內會與CO 發(fā)生燃燒反應。上述反應涉及與電石合成的熱匹配問題，故需要結合物料平衡和熱平衡兩方面內容，計算煤粉和氧氣的耗量及最終的CO 量。

2.2 熱平衡計算方法

熱平衡的計算模型如圖2 所示。其中，進入反應器的熱量為反應物帶入的物理顯熱、煤粉燃燒放熱、剩余O2與CO反應放熱；有效利用熱量為電石合成反應吸熱和電石相變熱；排出反應器的熱量為 電石、煙氣和飛灰?guī)С鰺?。根?jù)熱量守恒，進入反應器的熱量等于有效利用熱量、排出反應器的熱量及散熱損失三者之和。

圖2 熱平衡模型

2.2.1 進入反應器的熱量

反應物帶入的物理顯熱計算如式（1）。

對于合成電石的煤粉，僅其中的固定碳與CaO發(fā)生反應，而剩余成分仍可參與燃燒。煤粉燃燒放熱量的計算式如式（2）。

式中，煤粉未完全燃燒熱損失Qw的計算如 式（3）。

剩余O2與CO 反應放熱量的計算如式（4）。

2.2.2 有效利用熱量

電石合成反應吸熱量的計算如式（5）。

電石生成熱是在環(huán)境溫度下的值，而反應器內溫度為2400℃，生成的電石呈熔融狀態(tài)，需加相變熱。計算式如式（6）。

2.2.3 排出反應器的熱量

排出反應器的電石具有2400℃的高溫，帶出的物理顯熱計算如式（7）。

進入爐膛的煙氣和飛灰，溫度同樣為2400℃，帶出物理顯熱的計算與上式類似。

2.2.4 散熱損失

本文參考鍋爐熱平衡計算中對散熱損失的取 值[12]，將電石反應器的散熱損失估算為進入反應器熱量的3%。

3 結果與討論

3.1 計算結果及分析

進入反應器的各原料中，氧氣純度為95%，石灰粉純度為92%，且二者溫度均與環(huán)境溫度相同；而煤粉在磨煤機中經(jīng)過升溫干燥，溫度為80℃，收到基水分為1%[13]，其余成分含量及發(fā)熱量如表1 所示。

以產(chǎn)出1t CaC2為例進行物料平衡和熱平衡的計算。表2 列出了此時原料和電能的消耗量；表3列出了電石的純度及其中各成分的含量；表4 列出了熱量的利用和回收情況。

表2、表3 顯示，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝，每生產(chǎn)1tCaC2，消耗煤粉1747.08kg，石灰粉980.50kg，氧氣1285.25m3（標況下），空分和制粉電耗554.28kW·h，產(chǎn)出的電石純度將近66%。雖然電石純度較低，但與電熱法工藝每生產(chǎn)1t 標準電石（約0.8tCaC2）耗電3250kW·h[14]相比，電耗大幅度下降。從表4 可以看出，進入反應器的熱量，只有少部分被有效利用，反應器的熱效率僅為36.33%，而副產(chǎn)的煙氣和飛灰具有2400℃的溫度，且煙氣中含有較多的CO，飛灰中攜帶未燃碳，蘊含大量能量，將它們送入鍋爐放熱并燃燒，回收其熱能與化學能，使得能量的回收利用率達到63.86%。由上述分析可見，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝可以有效利用能量，具有顯著的節(jié)能 優(yōu)勢。

表1 煤粉的煤質分析數(shù)據(jù)

表2 生產(chǎn)單位質量CaC2 的物耗和能耗

表3 煤粉氧熱法產(chǎn)出的電石成分

表4 電石反應器的熱分析

在電石生產(chǎn)過程中，為防止CaO 過量而與CaC2共熔，一般應使煤粉進料過量。但分析表3可知，電石中的主要雜質為煤粉產(chǎn)生的灰渣，增大進入反應器的煤粉量，電石純度將會下降。因此，實際生產(chǎn)時，可在本計算的基礎上適當增大煤粉進 料量。

3.2 影響因素討論

3.2.1 氧氣純度

為提高電石純度，降低生產(chǎn)過程的物耗和電耗，采取變換反應原料的方法。分析進入反應器的3 種原料，由于工業(yè)石灰中CaO 的純度普遍在92%左右，因此分別改變煤粉種類和氧氣純度，對電石反應器重復上述計算，探討反應物對電石生產(chǎn)產(chǎn)生的影響。

根據(jù)國內空分制氧技術的水平，另外選取純度為97%和99.6%的氧氣，計算結果如表5 所示。

由表5 可見，提高氧氣純度，煤粉耗量略有降低，其他各量的變化十分微小，由于氧氣純度對電石合成反應并無直接影響，因而石灰粉耗量維持不變。氧氣純度從95%提高到99.6%，制氧電耗由原來的0.4kW·h/m3上升為0.7kW·h/m3[15]，整個生產(chǎn)過程的電耗增加 330.69kW·h。通過上述分析可知，燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石系統(tǒng)并不需要高純度的氧氣，純度為95%的氧氣即可滿足生產(chǎn)要求。

3.2.2 煤粉種類

對進入反應器的煤粉，要求其能夠快速著火并燃盡，為電石合成反應供熱，這就決定了煤粉的揮發(fā)分含量不能過低，本工作選取大同煙煤和開灤洗中煤，這兩種煤經(jīng)磨煤機磨制干燥成煤粉后，溫度分別為95℃和80℃，水分含量均為0.5%，煤質分析數(shù)據(jù)如表6 所示。為方便說明，將大同煙煤和開灤洗中煤稱為煤粉1、煤粉2。兩種煤粉的計算結果如表7 所示。

表5 不同氧氣純度的計算結果比較

由表7 可見，改變煤粉種類，石灰粉耗量仍維持不變，但其他各量均有較大的變化。采用煤粉1作為原料時，物耗和能耗較低，而電石純度、反應器熱效率及能量回收利用率較高。而采用煤粉2時，物耗和能耗較高，電石純度、反應器熱效率及能量回收利用率較低。對比煤粉的煤質分析數(shù)據(jù)，從物料平衡角度分析，煤粉的固定碳含量高，發(fā)熱量大，灰分含量低，則與CaO 和氧氣反應所需的煤粉量較少，相應的氧氣耗量下降，制粉和空分電耗降低，電石純度升高。從熱平衡角度分析，上述各量的減少導致生成的電石量和副產(chǎn)的煙氣及飛灰量減少，最終進入反應器的熱量、有效利用熱量、煙氣和飛灰攜帶的能量下降，但進入反應器的熱量下降幅度更大。因此，反應器的熱效率和能量回收利用率升高。故實際生產(chǎn)時，應選擇灰分含量低而揮發(fā)分和固定碳含量高的煤粉，對電石的生產(chǎn)較為有利。

4 結 論

針對燃煤電站氧熱法聯(lián)產(chǎn)電石工藝，以其中的電石反應器為研究對象，構建了電石合成和煤粉燃燒反應體系的熱平衡模型，并對其進行了物料平衡和熱平衡的計算與分析，得到以下結論。

表6 兩種煤粉的煤質分析數(shù)據(jù)

表7 不同煤粉的計算結果比較

（1）煤粉氧熱法生產(chǎn)電石工藝，每生產(chǎn)1t CaC2，消耗煤粉1747.08kg，石灰粉980.5kg，氧氣1285.25m3，耗電554.28kW·h，可產(chǎn)出純度近66%的電石。反應器的熱效率較低，僅為36.33%；將副產(chǎn)的高溫煙氣和含有未燃碳的飛灰送到鍋爐中放熱并燃燒，回收其熱能和化學能，使得能量的回收利用率高達63.86%，既避免了能量的損失，也解決了爐氣和飛灰直接排放污染環(huán)境的問題。

（2）提高氧氣純度，煤粉和石灰粉耗量、電石純度、反應器熱效率和能量的回收利用率變化很小，但制氧電耗卻大幅增加。因此，氧熱法生產(chǎn)電石工藝，不需要采用高純度的氧氣，純度為95%的氧氣即可滿足生產(chǎn)要求。

（3）采用揮發(fā)分、固定碳含量高而灰分含量低的煤粉生產(chǎn)電石，生產(chǎn)過程的物耗和能耗較低，產(chǎn)出的電石純度較高，熱量的利用和回收情況也 較好。

符 號 說 明

afh——煤灰中飛灰所占的份額

ahz——煤灰中灰渣所占的份額

cdi——電石中各成分的平均比熱容，kJ/kg·℃

cfi——各反應物的平均比熱容，kJ/kg·℃

Cfh——飛灰含碳量

Chz——灰渣含碳量

ΔHdi——電石中各成分的熔化熱，kJ/kg

ΔH298——CaC2的生成熱，kJ/mol

m——煤粉的總質量，kg

mc——反應掉的固定碳質量，kg

mdi——電石中各成分的質量，kg

mfi——各反應物的質量，kg

mmh——與氧氣反應的煤粉攜帶的煤灰質量，kg

mwc——未燃燒的碳的質量，kg

m1——與氧氣反應的煤粉質量，kg

m2——合成電石的煤粉質量，kg

n——CaC2的物質的量，mol

Qar，net——煤粉的收到基低位發(fā)熱量，MJ/kg

Qc——碳的燃燒熱，kJ/kg

Qco——CO 的燃燒熱，kJ/kg

Qw——與氧氣反應的煤粉的未完全燃燒熱損失，MJ

Q1——反應物帶入的物理顯熱，MJ

Q2—— 煤粉燃燒放熱量，MJ

Q3—— O2與CO 反應放熱量，MJ

Q4—— 電石合成反應吸熱量，MJ

Q5，Q6—— 分別為電石相變熱，電石帶出熱量，MJ

tdi，tfi，t0—— 分別為電石溫度，各反應物的溫度，環(huán)境溫 度，℃

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