單佩金,梁 杰,2，王皓正，陳晨晨，楊彥群，王翠蘭，金永傳

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030024)

煤炭地下氣化過程工藝流程獨(dú)特，目前對于煤炭地下氣化過程的熱效率及效率的研究主要集中在UCG與其他技術(shù)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，EFTEKHARI等[1]通過對聯(lián)合CO2儲存技術(shù)的煤炭地下氣化過程分析，計(jì)算出深部煤地下氣化中煤化工效率可達(dá)52%～68%，此后又進(jìn)行了不同注氣工藝的分析模擬計(jì)算，得出結(jié)論蒸汽氧氣混合注入比蒸汽氧氣交替注入時擁有更高的煤回收率[2]。但均為僅通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，且采用的氣化劑僅為空氣和純氧。YUSUF Bicer等[3]通過軟件模擬UCG與SOFC燃料電池耦合多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的分析，綜合計(jì)算了其系統(tǒng)的效率，但氣化劑僅選用空氣，且UCG系統(tǒng)在整個系統(tǒng)的值占比中僅為16%。國內(nèi)有學(xué)者早期曾經(jīng)建立過簡單的UCG分析模型，對比了地下氣化爐和其他類型氣化爐的效率，確定了煤炭地下氣化爐有著良好的能量轉(zhuǎn)換能力。并針對地下氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化分析[4]。但僅使用空氣作為氣化劑，變量較為單一。由此可看出，對于煤炭地下氣化系統(tǒng)，在系統(tǒng)熱損失和損失方面還有部分的優(yōu)化空間，且尚存在地下氣化過程效率信息挖掘空間。為此筆者依托河北大城地區(qū)煙煤地下氣化模型試驗(yàn)，在煙煤地下氣化計(jì)算模型中引入的概念，建立煤炭地下氣化評價模型，采用不同氧氣濃度氣化劑進(jìn)行對比研究。結(jié)合爐體結(jié)構(gòu)、注氣比例、氧氣濃度等因素，研究不同氣化工藝對系統(tǒng)效率的影響。

1 研究方法

煤炭地下氣化過程是一種復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化過程，其過程中受到氣化劑氧氣體積分?jǐn)?shù)、外來水、燃煤量等諸多因素影響[7]。所以首先需要得到氣化爐系統(tǒng)整體的入方及出方物質(zhì)流和能量流。確定了物質(zhì)和能量的變化，才能對反應(yīng)過程中各物質(zhì)和熱損失進(jìn)行值計(jì)算;最后，根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)出的輸入、輸出和損失，對系統(tǒng)進(jìn)行評價。

1.1 UCG模型試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1.1模擬系統(tǒng)

煤炭地下氣化過程中以氣化工作面圍巖作為氣化爐爐壁，氣化通道作為爐腔。氣化劑與煤接觸燃燒經(jīng)過氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)，最終產(chǎn)出灰渣、干餾煤氣、水汽、焦油、帶出物(灰塵)和氣化煤氣的混合產(chǎn)物。因此，整個煤炭地下氣化過程中原料及產(chǎn)品主要有3種形態(tài)的物質(zhì)，即煤、混合氣體和焦油。

研究采用了中國礦業(yè)大學(xué)(北京)設(shè)計(jì)的“煤炭地下氣化模擬系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包括氣化爐體及地壓模擬系統(tǒng)、后退注氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和煤氣凈化燃燒系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以模擬分析出實(shí)際煤層在地下燃燒的發(fā)生與發(fā)展過程及其影響因素。

模擬系統(tǒng)中，氣化爐爐體內(nèi)部的長、寬、高分別約為4.45,1.17,1.70 m，氣化爐外層主要由鋼板組成，該鋼板具有一定的密封作用，內(nèi)部則包括保溫層和耐高溫層，氣化劑可分別有4個注氣孔，并設(shè)置有19個可感應(yīng)溫度變化的熱電偶和可感應(yīng)壓力變化的壓力傳感器。氣化爐體外形實(shí)景如圖1所示，底板、煤層、頂板、含水層、表土模擬狀態(tài)橫剖圖如圖2所示。

圖1 綜合模型試驗(yàn)臺爐體Fig.1 Integrated model test bench furnace

圖2 煤、巖層模擬狀態(tài)Fig.2 Coal,rock formation simulation

1.1.2煤種的相關(guān)參數(shù)

表1顯示了實(shí)驗(yàn)選擇的河北大城勘探區(qū)36號肥煤相關(guān)參數(shù)，煤樣屬低干燥基水分含量，中～高揮發(fā)分，低～中灰分;受熱時膨脹熔融黏結(jié)，有較強(qiáng)的黏結(jié)性;含硫中等，硫形態(tài)主要是有機(jī)硫;灰組成中CaO,K2O,Na2O總含量較高，灰熔融性溫度較高;CO2反應(yīng)活性較高。著火點(diǎn)為330 ℃，氧化后著火點(diǎn)為325 ℃。

表1 實(shí)驗(yàn)選用煤的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal

1.1.3氣化試驗(yàn)結(jié)果

不同工藝條件下生產(chǎn)的煤氣組分不同。根據(jù)模型試驗(yàn)，獲得了不同氣化工藝所得煤氣的組分和熱值(表2)。

表2 不同氣化工藝時煤氣的組分和熱值Table 2 Components and calorific values of gas in different gasification processes

1.2 物料平衡模型

輸入系統(tǒng)的總物料等于系統(tǒng)輸出的總物料。由此建立煤炭地下氣化爐物料平衡模型[9](圖3)。

圖3 煤炭地下氣化物料平衡模型Fig.3 Material balance model of underground coal gasification

1.2.1燃煤量

地下氣化爐碳元素的輸入項(xiàng)為原料煤，kg;輸出項(xiàng)包括煤氣(含漏失m3)、焦油(kg)、灰渣(kg)和帶出物(kg)。

故燃煤量為

M=0.535 7G[φ(CO)+φ(CO2)+2φ(C2H4)+

φ(CH4)]/MC+(GJJC+GAAC+GDDC)/MC

(1)

式中，M為燃煤量，kg;MC為原料煤中含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，%;G為煤氣產(chǎn)量，G=Gg(1+η)，m3;Gg為出口煤氣產(chǎn)量，m3;η為煤氣漏失率;GC,JC為焦油產(chǎn)量(kg)和焦油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);GA,AC為灰渣量(kg)和灰渣中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);GD,DC為帶出物量(kg)和帶出物中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);φ(CO),φ(CO2),φ(C2H4),φ(CH4)為出口煤氣中一氧化碳、二氧化碳、乙烯、甲烷的體積分?jǐn)?shù)，%。

1.2.2外供水量

地下氣化過程中外來水(包括輸入水和含水層涌入)的定量由氫平衡計(jì)算得出。地下氣化爐氫元素的輸入項(xiàng)包括外供水(kg)和原料煤中的水(kg)。

輸出項(xiàng)包括水蒸氣(kg)、焦油(kg)、煤氣(H2,CH4,C2H2,H2S，m3)和帶出物(kg)。

故外供水量:

WW=0.008 036G(φ(H2)+2φ(C2H4)+

2φ(CH4)+φ(H2S)+0.09(GJJH+GDDH-

MH)+Wout-Win

(2)

式中，WW為外來水的質(zhì)量，kg;φ(H2),φ(H2S)為出口煤氣中H2,H2S的體積分?jǐn)?shù)，%;JH為焦油中含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;DH為帶出物中含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;MH為原料煤中含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Wout為出口水蒸氣的質(zhì)量，kg;Win為進(jìn)口注水量，kg。

1.3 熱平衡

參與反應(yīng)過程的物質(zhì)作為能量的載體，根據(jù)熱力學(xué)第1定律，構(gòu)成了地下氣化過程的能量平衡模型(表3)。

表3 輸入和輸出系統(tǒng)的能量構(gòu)成Table 3 Energy composition of input and output systems

在此過程中，輸入方的原料煤和輸出方的干煤氣、焦油、帶出物及灰渣，在計(jì)算其化學(xué)熱的基礎(chǔ)上還要參照系統(tǒng)入口出口溫度和相變潛熱計(jì)算其輸入和輸出系統(tǒng)的物理熱。反應(yīng)過程中漏失的煤氣也要進(jìn)行上述計(jì)算。

2 物質(zhì)流及值計(jì)算模型

2.1 固態(tài)物質(zhì)

(3)

式中，HV1為煤的低位熱值，J/g;GC,GH,GO,GN分別為煤中碳、氫、氧、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

(4)

式中，Cp為煤的定壓熱容，J/(g·K);n為物質(zhì)的量，mol;Vm為1 mol煤體積，m3/mol;Tm,T0分別為終態(tài)時、初態(tài)時煤的溫度，K；pm，p0分別為終態(tài)時、初態(tài)時煤的壓力，Pa。

2.2 氣態(tài)物質(zhì)

出口煤氣可以認(rèn)為是理想氣體，因此，各組元?dú)怏w以及混合物整體都遵循理想氣體狀態(tài)方程，則i組分的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散為

(5)

(6)

式中，EXC(yi)為第i組分實(shí)際狀態(tài)下的化學(xué)，J/mol;RM為通用氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)。

(7)

(8)

2.3 發(fā)生相變的物質(zhì)

EXC=0.975Hgr(Rant公式)

EXP=ΔH-T0ΔS

(9)

其中，ΔH和ΔS是由圖4熱力學(xué)途徑計(jì)算[13]:

圖4 液態(tài)物質(zhì)熱力學(xué)變化途徑Fig.4 Thermodynamic change path of liquid substance

(10)

(11)

實(shí)際煤炭地下氣化過程中氣化區(qū)向圍巖散熱不通過任何工質(zhì)進(jìn)行，是一個純粹熱問題，熱損失一般可按下式計(jì)算:

(12)

式中，EXQ為熱損失，kJ;Q為熱損失量，kJ;T為氣化區(qū)平均溫度，K。

圖5 系統(tǒng)評價模型Fig.5 Exergy evaluation model of the system

(13)

(14)

(15)

3 結(jié)果與討論

3.1 物料衡算

以氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為40%,60%,80%,100%的氣化劑進(jìn)行煤炭地下氣化模型試驗(yàn)。氣化時間分別為15,9,26和13 h，以氣化劑氧氣體積分?jǐn)?shù)改變作為實(shí)驗(yàn)階段開始與結(jié)束的依據(jù)。期間燃煤量以碳平衡計(jì)算得出，故雖然實(shí)驗(yàn)時間不同，但其效率結(jié)果仍具有可比性。

表4顯示了不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的物料平衡。為保證產(chǎn)出煤氣的質(zhì)量，即干煤氣有效氣體組分和煤氣熱值保持在可用區(qū)間內(nèi)，單位時間通入的水量和氣化劑量隨時間和氣體比例進(jìn)行調(diào)整。可以看出在氧氣體積分?jǐn)?shù)增高時，需要增加外供水提高H2產(chǎn)量，以維持產(chǎn)出煤氣的有效氣體比例。

表4 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時物料平衡Table 4 Material balance at different oxygen concentrations

不同的體積分?jǐn)?shù)氧氣生產(chǎn)煤氣由于氣體組分(CO,H2,CH4,CO2,N2)的比例不同，擁有各不相同的單位干煤氣值;氣化劑值也隨O,N比例而變化(表5)。

表5 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時平衡Table 5 Exergic equilibrium under different oxygen concentrations

MJ

表5 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時平衡Table 5 Exergic equilibrium under different oxygen concentrations

輸入項(xiàng)名稱40%氧60%氧80%氧純氧輸出項(xiàng)名稱40%氧60%氧80%氧純氧煤1 942.772 204.135 904.622 615.62干煤氣814.261 247.013 249.36 1 742.78氣化劑6.903.8212.403.70焦 油109.1897.44166.31 60.48外來水00.020.070.04灰 渣70.7165.97217.77 80.81帶出物61.4661.4661.46 61.64漏失氣108.4079.60220.00 121.05熱損失149.4460.35730.74 152.39不可逆火用損634.22596.151 271.25 400.24合計(jì) 1 949.672 207.975 917.092 619.36合計(jì)1 947.672 207.985 916.892 619.39

圖6 純氧-水氣化工藝各組分值比例Fig.6 Exergic ratio of each component in pure oxygen-water gasification process

在UCG實(shí)際生產(chǎn)中可用外供產(chǎn)物一般為焦油和干煤氣，故此處外供效率只包含干煤氣和焦油值。如圖7所示，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，UCG過程模擬系統(tǒng)的綜合效率不斷升高，在使用純氧-水氣化時可高達(dá)84.72%，與此同時系統(tǒng)不可逆損隨之降低，純氧-水情況下僅為15.28%。外供效率也會隨氧氣體積分?jǐn)?shù)變化而變化，但其影響因素包含了產(chǎn)物干煤氣的氣體組分。在60%氧-水氣化過程中，由于外供水的比例增高，造成了干煤氣中H2比例變高，從而使單位質(zhì)量干煤氣值升高，提高了系統(tǒng)外供效率，達(dá)到61%。

圖7 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)效率及損Fig.7 Exergic efficiency and exergic loss at different oxygen concentrations

3.4 與其他系統(tǒng)綜合效率對比

與其他爐型進(jìn)行比較[5,13,16-18]，煤炭地下氣化爐作為集氧化還原干餾干燥與一體的綜合爐體，在效率方面仍然有著一定優(yōu)勢。

圖8 不同爐型綜合效率Fig.8 Comprehensive exergic efficiency of different furnace types

3.5 地下氣化爐效率與損的改進(jìn)

3.5.1降低損的途徑

LW=EXM-EXF=T0ΔS

(16)

(17)

式中，Q為傳熱量，kJ;TC為反應(yīng)區(qū)煤層溫度;TH為氣流平均溫度，K。

從式(17)可以看出，降低TH可使LKH值降低，但同時LW增加，且ΔLW<ΔLKH。因此，權(quán)衡考慮，氣流溫度必須提高，才可使總損降低，降低傳熱損的主要措施有:① 預(yù)熱煤層，即提高TC。就連續(xù)氣化過程來看，氣化前期煤層溫度較低，傳熱損較大，隨著氣化過程的進(jìn)行，煤層被逐步加熱，TC提高，傳熱損將越來越小。② 提高傳熱系數(shù)，以減小傳熱熱阻，降低LKH。提高傳熱系數(shù)，主要是提高對流換算系數(shù)，如采用輔助通道供風(fēng)，形成二次擾流，可提高對流換熱系數(shù)。

3.5.2提高外供的途徑

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，保持干煤氣有效氣體組分和熱值穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，水碳比是影響單位干煤氣值的重要因素，一定程度提升氫氣比例，可以使單位干煤氣值提高，進(jìn)而提升系統(tǒng)外供效率。

4 結(jié) 論

(1)在氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%,60%,80%和純氧氣化劑條件下，煤炭地下氣化的綜合效率分別為67.47%,73.00%,78.52%和84.72%，證實(shí)煤炭地下氣化爐具有較高的有效能量轉(zhuǎn)換效率。氣化劑氧氣體積分?jǐn)?shù)是影響系統(tǒng)的主要因素之一，提高氣化劑氧氣體積分?jǐn)?shù)可以顯著的提高煤炭地下氣化系統(tǒng)的綜合效率。

(2)地下氣化有效能轉(zhuǎn)換率大于高爐和發(fā)生爐、低于焦?fàn)t煤氣的生產(chǎn)過程。因此，煤炭地下氣化過程是較好的能量轉(zhuǎn)換過程，是發(fā)生爐、焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)過程的綜合過程;通過提高絕熱燃燒溫度、減少氣化爐的熱量損失、提高傳熱系數(shù)等方法可以降低不可逆損。

(3)地下氣化過程不可逆損為15.28%,主要來源于燃燒不可逆損和傳熱不可逆損,通過損的分析可以看出,采用輔助通道供風(fēng)氣化、雙火源氣化可以減少氣化過程的不可逆損。