煤的发热量计算公式及其在煤气化模拟中的应用研究进展.pdf

摘要论述了以煤的工业分析及元素分析为基础的煤的发热量的计算公式及其适用范围，并对煤的发热量计算公式在气流床煤气化技术模拟过程中的应用研究进展进行了分析。发热量经验公式的应用提高了气流床煤气化模拟的计算准确性，为工艺及设备改造提供了理论数据。关键词煤的发热量；计算公式；煤气化模拟；工业分析；元素分析文章编号：1005-9598(2023)-03-0035-03中图分类号：TQ533.4文献标识码：A煤的发热量计算公式及其在煤气化模拟中的应用研究进展于利红，路文学，李彩艳（兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东滕州 272100）收稿日期：2023-01-04第一作者：于利红（1983），女，汉族，山东济宁人，副高级工程师，硕士，2010 年研究生毕业于中国石油大学（北京）化学工艺专业，主要从事煤气化及煤基新材料研发工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.03.008煤的发热量是煤的重要指标之一，是工业锅炉、煤气化等设备热工计算的基础，也是燃烧及气化过程热平衡、热效率、煤耗等计算的依据。煤的发热量越高，经济价值越大；煤的高位发热量是动力煤的计价标准，也是气流床煤气化模拟中煤的热值的输入基准。煤的发热量的检测步骤繁琐、周期长、成本高、反应慢，且检测结果易受环境影响，因此在气流床煤气化模拟过程中，煤的发热量通常采用经验公式进行计算，以提高计算结果的准确性1-2。本文综述了以煤的工业分析和元素分析数据为基础的煤的发热量计算公式，并分析了发热量计算公式在煤气化模拟中的应用情况。1煤的发热量的影响因素煤的发热量与煤中组分存在一定的相关关系，通过研究不同煤种的工业分析、元素分析及发热量数据，得出了一系列煤的发热量计算公式。煤的工业分析与煤的发热量的关系：当煤中挥发分（干燥无灰基，简称 daf）28%时，煤的发热量随挥发分增高而下降，挥发分（daf）42%时，煤的发热量随挥发分增高急剧下降，挥发分（daf）28%时，煤的发热量随挥发分增高而增高；煤固定碳含量越高，高位发热量也越高，两者呈显著线性关系；对于同一矿区煤，煤的灰分越高，煤的高位发热量越低；煤的高位发热量与水分无明显的相关关系3。煤的元素分析与煤的高位发热量的关系：煤的高位发热量与碳含量呈线性关系，碳质量分数（daf）90%时，发热量随碳含量增加而增加，碳质量分数（daf）90%时，发热量随碳含量增高而降低；煤的高位发热量随氢含量增高而增高；煤的高位发热量与氧含量呈反比关系，且相关性与煤的煤化程度有关，对低煤化度的褐煤，煤的高位发热量与煤的氧含量呈现很好的反比关系3。2以煤的工业分析为基础计算煤的发热量研究进展因煤的发热量测定较为复杂，煤的水分、挥发分及灰分等测定则较为简单，国内外学者据煤的发热量与工业分析结果，提出了一系列煤的发热量计算公式，包括高特公式见式（1）、肯特公式见式（2）、格美林公式、切诺勃利公式等，但这些公式都存在使用范围较窄、误差大、计算较为复杂等问题。20 世纪引用格式：于利红，路文学，李彩艳.煤的发热量计算公式及其在煤气化模拟中的应用研究进展J.煤化工，2023，51（3）：35-37.第 51 卷第 3 期2023 年 6 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.3Jun.20232023 年煤 化 工90 年代，陈文敏3根据我国煤工业分析及发热量检测结果，推导出适用于不同煤种的高位发热量计算公式，包括公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7），提高了计算的准确性。以煤的工业分析为基础的煤的高位发热量计算公式（1）（7）列于表 1。3以煤的元素分析为基础计算煤的发热量研究进展煤的组成结构复杂，但有机组分均由碳、氢、氧、氮、硫等五种元素组成，各种元素的理论燃烧热为常数，研究者提出了一系列由煤的元素分析计算煤的发热量的经验公式，这些公式的误差通常要小于利用工业分析来计算的煤的发热量。此类公式包括杜隆公式见式（8）、门捷列夫公式见式（9）、丰德拉切克公式见式（10）、博伊公式见式（11）等，通常煤的灰分越高，此类公式计算误差越大3。以煤的元素分析为基础的煤的高位发热量计算公式列于表2。表 1以煤的工业分析为基础的煤的高位发热量计算公式公式序号（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）名称高特公式肯特公式适用范围适用于灰分较低、黏结性较强的特定矿区炼焦煤发热量的计算对贫煤、无烟煤计算误差较低适用于无烟煤高位发热量的计算适用于烟煤高位发热量的计算适用于褐煤高位发热量的计算适用于泥炭高位发热量的计算适用于焦炭高位发热量的计算公式Qgr,ad=82棕(FCad)+a棕(Vad),cal/g式中：Qgr为煤的高位发热量；棕(FC)为煤的固定碳质量分数，%；棕(V)为煤的挥发分，%；a 为系数，其值随 棕(V)不同而不同；下标ad 表示煤的空干基；1 cal=4.184 J。Qgr,daf=36.80-6.57棕(Vdaf)-202,MJ/kg式中：下标 daf 表示煤的干燥无灰基。Qgr,ad=K0-334.5棕(Mad)-376.3棕(Aad),J/g式中：K0为常数，随氢含量的增高而增高；棕(M)为煤的水分，%；棕(A)为煤的灰分，%。Qgr,ad=4.182K1100-棕(Mad)-棕(Aad)-25.09棕(Aad)-167.3棕(Mad),J/g式中：K1为系数。Qgr,ad=K2-292.7棕(Mad)-313.6棕(Aad),J/g式中：K2为系数。Qgr,ad=23835-230棕(Mad)-251棕(Aad),J/gQgr,d=418棕(FCd)-6147,J/g式中：下标 d 表示煤的干基。表 2以煤的元素分析为基础的煤的高位发热量计算公式公式序号（8）（9）（10）（11）名称杜隆公式(Dulong)门捷列夫公式丰德拉切克公式（Vondnacek）博伊公式（Boie）适用范围低灰分煤适用性好适用于中等变质程度低灰分煤公式Qgr,daf=337.9棕(Cdaf)+1441棕(Hdaf)-棕(Odaf)8+104.5棕(Sdaf),J/g式中：棕(C)、棕(H)、棕(O)、棕(S)分别为煤中碳、氢、氧、硫元素质量分数，%。Qgr,daf=338.7棕(Cdaf)+1254.5棕(Hadf)-108.7棕(Odaf)-棕(Sdaf),J/gQgr,daf=372.6棕(Cdaf)-0.26棕(Cdaf)2+1129棕(Hdaf)-0.1棕(Odaf)+104.5棕(Sdaf),J/gQgr,daf=351.3棕(Cdaf)+1161棕(Hdaf)+62.7棕(Ndaf)+104.5棕(Sdaf)-110.8棕(Odaf),J/g式中：棕(N)为煤中氮元素质量分数，%。4煤的发热量计算公式在煤气化模拟中的应用研究进展因煤的发热量测量值一般存在误差，在进行煤气化工艺模拟中输入的煤的高位发热量数据通常根据煤的发热量经验公式计算。华东理工大学孙钟华等4利用 Aspen Plus 模拟了灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响，其中煤的热值采用博伊公式（Boie）公式（11）计算，研究表明：煤的灰分增加，有效气产率及冷煤气效率降低，比氧耗及比煤耗增加；灰分波动 1%，北宿煤气化温度波动 27，开阳煤气化温度波动 5%。36-第 51 卷第 3 期汪洋等5运用吉布斯自由能最小化方法建立了气流床气化炉模型，研究了气化炉主要操作参数对煤气化结果的影响，其中，煤的热值采用博伊公式（Boie）计算。中国石油大学刘欢6模拟了 Texaco 水煤浆气化工艺及 Shell 粉煤气化工艺，并对比了不同工艺的用损失及效率，结果表明：Shell 粉煤气化工艺用效率最高，Texaco 废锅流程工艺次之，用效率最低的是Texaco 激冷流程工艺。模拟计算过程中，煤的干基高位热值计算采用 IGT 关联式。华东理工大学代正华课题组7在进行气流床煤气化模拟时，采用博伊公式（Boie）计算煤的高位发热量，通过吉布斯自由能最小化方法对粉煤气化过程进行了热力学分析，研究了进料流量、碳转化率及热损失等对煤气化指标的影响，结果表明：氧煤比及蒸汽煤比存在可行的操作域，提高碳转化率、降低热损失是提高粉煤气化工艺指标的必要条件。汪洋等8利用 Aspen Plus 对激冷型气流床气化系统进行模拟，采用清华大学朱明善9给出的公式计算煤的用值，更准确地计算了煤气化系统用损失情况，为工艺及设备节能改造提供理论支持。煤的用值计算公式见式（12）：ec=34 215.87棕(C)+21.97棕(N)+116 702.76棕(H)+18 260.357棕(S)-13 278.593棕(O)-298.150.717 68 mA+0.627 6棕(O)32 792.8棕(C)+141 791.11棕(H)-17 723.842棕(O)+16 019.49棕(S),kJ/kg（12）式中：ec为燃料的用值；mA为每千克干煤中所含灰分的质量，kg。5结语国内外研究者利用煤的工业分析及元素分析数据与煤的发热量数据，推导了多种煤的发热量的计算公式，但每种计算公式均存在适用范围及计算误差，在实际应用过程中，需根据检测数据对计算公式进行修正，以满足实际需要。在气流床煤气化技术模拟过程中，为保证计算准确性及过程简化，采用煤的高位发热量计算公式为煤的热值的输入数据，在实践应用中取得了较为理想的应用效果，为工艺及设备改造提供了理论数据。参考文献：1 黄永江，林力.煤炭高位发热量计算公式的探讨J.煤炭技术，2001（2）：56-57.2 王惠新，陈致远，王永红，等.贵州煤发热量与工业分析指标预测模型J.洁净煤技术，2020，26（S1）：112-115.3 陈文敏.煤的发热量和计算公式M.北京：煤炭工业出版社，1989：181.4 孙钟华，代正华，周志杰，等.灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响J.中国电机工程学报，2011，31（20）：7-12.5 汪洋，代正华，于广锁，等.运用 Gibbs 自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉J.煤炭转化，2004，27（4）：27-33.6 刘欢.水煤浆和干煤粉气化工艺的能效对比D.北京：中国石油大学（北京），2017：17.7 代正华，龚欣，王辅臣，等.气流床粉煤气化的 Gibbs自由能最小化模拟J.燃料化学学报，2005，33（2）：129-133.8 汪洋，于广锁，代正华，等.气流床煤气化系统的热力学分析J.化学工程，2007，35（2）：75-78.9 朱明善.能量系统的用分析M.北京：清华大学出版社，1998.Research progress on calculation formula of coal calorific value andits application in coal gasification simulationYu Lihong,Lu Wenxue,Li Caiyan(Yankuang Coal Water Slurry Gasification and Coal Chemical National Engineering Research Center Co.,Ltd.,Tengzhou Shandong 272100,China)AbstractThe calculation formula of coal calorific value and its application scope was discussed based on the proximateanalysis and elemental analysis of coal,and the analysis was made on the research progress on the application of thecalculation formula of coal calorific value in the simulation process of entrained flow coal gasification technology.Theapplication of empirical formula of calorific value improved the calculation accuracy of entrained flow coal gasificationsimulation,and provided theoretical data for the process and equipment transformation.Key wordscalorific value of coal;calculation formula;coal gasification simulation;proximate analysis;elementalanalysis于利红等：煤的发热量计算公式及其在煤气化模拟中的应用研究进展37-