粉煤氣流床氣化爐的數值模擬

第33卷 第3期煤炭轉化VoL.33 No. 32010年7月COAL CONVERSIONJul. 2010粉煤氣流床氣化爐的數值模擬”鄭煜鑫"吳 學(xué)紅2)張文慧3)呂彥力"摘要應用AspenPlus工業(yè)系統流程軟件和Gibbs 自由能最小化方法對粉煤氣流床氣化爐進(jìn)行模擬.在設定粉煤氣流床氣化爐條件下,研究空氣(O2占0.21,N2占0. 79)與煤比和氣化壓力對有效氣體(C0+ H2)含量的影響.結果表明,在設定粉煤氣流床氣化爐溫度為1 500 C和碳轉化率為99%的條件下，當煤進(jìn)料量為3 265.87 kg/h,空氣與煤比為4: 1時(shí),有效氣體含量最大.同時(shí),氣化壓力越大,有效氣體含量越大.關(guān)鍵詞氣流床氣化爐 ,Gibbs自由能,有效氣體,數值模擬.中圖分類(lèi)號TQ545,TQ541擬,同時(shí)考慮操作條件的改變對煤氣化性能的影響;0引言張宗飛等以以Aspen Plus為模擬工具,選擇反應平Aspen Plus是一種通用的化工過(guò)程模擬、優(yōu)化衡模型,并應用Gibbs自由能最小化方法建立了和設計軟件,源于美國能源部20世紀70年代后期Shell粉煤氣化模型，并應用神華、沾化和天堿煤種在麻省理工學(xué)院MIT組織會(huì )戰,要求開(kāi)發(fā)的第三代對模型進(jìn)行檢驗;項友謙[8]用能量最小化原理建立流程模擬軟件.這個(gè)項目稱(chēng)為“先進(jìn)過(guò)程工程系統”加壓氣化模型,并用四種方法對微分方程求解.以上.(advanced system for process engineering),簡(jiǎn)稱(chēng)研究發(fā)現,采用Aspen Plus軟件對粉煤氣流床氣化ASPEN.其主要功能包括:1)具有工藝過(guò)程的熱動(dòng)爐進(jìn)行模擬仍然有一定的局限性,主要是需要一些力學(xué)和傳輸特性模型;2)擁有一個(gè)完善的物性數據參數的設定,還需要考慮實(shí)際工藝設備的操作條件，庫;3)具有物性參數分析系統;4)包括50余種單元有待于建立更加細致和全面的氣化模型,使模擬結模型;5)擁有一個(gè)強大的模擬分析工具.果對實(shí)際工藝設備的運行起到- -定的理論指導作Ong'ro"早在1996年就用Aspen Plus軟件來(lái)用.本實(shí)驗采用化學(xué)計量反應器與吉布斯自由能最模擬蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)熱力學(xué)模型,并且用105 MW小的平衡反應器相結合的化學(xué)計量粉煤煤氣化模型電廠(chǎng)的實(shí)際應用數據驗證了模擬的可靠性;Wat-來(lái)研究不同的空氣與煤比,不同的氣化壓力對粉煤kinson[2] 提出平衡模型,通過(guò)質(zhì)量和能量平衡及反氣化爐中有效氣體CO+H2含量的影響.應平衡方程式的關(guān)聯(lián),可以得到產(chǎn)品組成、產(chǎn)率和最佳適宜溫度;在國內,徐越等”基于A(yíng)spen Plus的1粉煤氣流床煤氣化爐模型圖形化建模工具,與傳統的煤氣化過(guò)程計算方法相運用Gibbs自由能最小化方法建立粉煤氣流床比,可以實(shí)現快速編制模擬煤氣化過(guò)程的模擬軟件,煤氣化模型見(jiàn)圖1,其中包括:1)規定反應程度和轉并可將氣化過(guò)程與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)23一電系統的優(yōu)化設計過(guò)程整合;汪洋等[0基于A(yíng)spenB1Plus工業(yè)系統流程模擬軟件,運用Gibbs自由能最.Dcmp-- Burm-03+小化的方法建立了氣流床煤氣化模型,研究了氣化.⑥→爐的主要操作參數;代正華等5]用Gibbs自由能最00°T-Q-”中小化的方法對粉煤氣化過(guò)程和某一混合煤種進(jìn)行了中↓熱力學(xué)平衡分析,并對某一混合煤種進(jìn)行了氣化模圖1氣流床煤氣化爐 模型擬;林立[6]用Aspen Plus軟件對煤氣化過(guò)程進(jìn)行模中國煤化Iedco Baile#國家科技支撐計劃項目(2006BAJ01A10)、河南省科技攻關(guān)項目(10210221.MYHC N M H G項01J00).0)1)碩士生;2)副教授;3)講師;4)教授,鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院450002鄭州收稿日期:2010-03-12;修回8期:2010-05-05第3期鄭燦蠡等粉煤 氣流床氣化爐的數值模擬35化率的化學(xué)計量反應器(Rstioc);以物料平衡為基3計算模型設定礎的收率反應器(RYield),并將其命名為DECOMP模塊;以化學(xué)平衡和相平衡為基礎的吉布斯自由能本模型考慮了固體顆粒與氣化劑之間的反應以最小的平衡反應器(RGibbs),并將其命名為BURN及氣體之間的反應.氣化過(guò)程中的化學(xué)反應在進(jìn)行模塊;兩股出口流的閃蒸罐(Flash2);子物流分流器正反應的同時(shí),反應產(chǎn)物也相互作用形成逆反應.當.(SSplit);2)十個(gè)物料工藝流股;3)熱流工藝流段.正逆反應的速度相等時(shí),化學(xué)反應達到平衡. .水煤漿氣化爐模型的工藝流程為:由DECOMP用AspenPlus軟件計算時(shí),一般所涉及到的組模塊將粉煤裂解成單元素分子和灰分并將裂解熱分分為常規組分和非常規組分兩大類(lèi).對于常規組QTRANSFER(12)導入BURN模塊,粉煤裂解后分,用RK-SOAVE方程計算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性的產(chǎn)物INBURN進(jìn)入BURN模塊,運用吉布斯自質(zhì).非常規固體組分不參與化學(xué)平衡和相平衡,只是由能最小化方法可以確定出口溫度和組成，子物流計算密度和焓.一般用HCOALGEN模型來(lái)計算煤分離器SSplit將BURN模塊出來(lái)的氣體混合物進(jìn)的焓,這個(gè)模型包含了燃燒熱、標準生成焓和熱熔.行分離得到粗合成氣RAWGAS(15)和灰渣ASH本模型選擇反應平衡模型.基于A(yíng)spen Plus化(14).粗合成氣RAWGAS的組分包括:H2O,N，工流程模擬軟件,采用吉布斯自由能最小化方法對O2 ,S,H2 ,C,CO,COr ,H2S,COS,CH,和NH.氣流床氣化爐模擬.本次模型物性計算方法采用I-DEAL模型.基于氣流床煤氣化模型,在不同工藝2氣化機理條件下對模擬結果進(jìn)行分析,確定其最佳工藝條件.粉煤煤氣化的總過(guò)程有兩種類(lèi)型的反應,即非4操作參數的影響均相反應和均相反應.前者是氣化劑或氣態(tài)反應產(chǎn)物與固體煤或煤焦的反應;后者是氣態(tài)反應產(chǎn)物之粉煤氣流床煤氣化爐產(chǎn)生煤氣的主要成分是間的相互作用或與氣化劑的反應.生成氣體的組合CO和H,還有甲烷、二氧化碳和水蒸氣等氣體.本取決于所有這些反應的綜合.煤的分子結構很復雜,次模擬主要考慮空氣與煤比率(質(zhì)量比)和氣化壓力其中含有碳、氫氧、氮和硫等其他元素.對煤氣化的影響.通過(guò)對模擬結果進(jìn)行分析,研究有1)氣固非均相反應:氣固非均相反應主要是在效氣體CO和H:變化情況.高溫條件下,固體顆粒與氣化劑(氧氣和水蒸氣)之本次粉煤氣流床氣化爐模擬的主要工藝參數范間的反應(見(jiàn)表1).圍:空氣與煤比率為1~9,溫度1 500 C,壓力為表1氣固反應模型4 MPa~10 MPa,煤進(jìn)料量為3 265. 87 kg/h,空氣Table 1 Models of gassolid reaction(氧氣摩爾分數0.21,氮氣的摩爾分數0.79)流量范NumberGas-solid reaction圍為3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/h, 碳的轉化率C+O→+CO2 .為99%.2C+O2→2C0C+COr+2C04.1空氣與煤比率C+ H2O-CO+ H2zC+2Hz-CH設定本粉煤氣化爐的氣化溫度1500 C,氣化Sx+2Hz→2H2SS+2C0-2C0S__壓力6 MPa,煤進(jìn)料量為3265. 87 kg/h, 改變空氣2)氣體之間的均相反應:在高溫條件下,反應流量(3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/b)即空氣與煤生成的氣體活性很強,彼此之間存在著(zhù)可逆反應(見(jiàn)比率為1~9.基于氣流床氣化爐模型模擬結果,分析有效氣體CO和H2隨空氣與煤比率的變化情.表2).況,結果見(jiàn)第36頁(yè)圖2.氣體之間的交換反應模型由圖2可以看出,隨著(zhù)空氣與煤比率的增加，Table 2 Model of gas exchange reactionCO含量先增加后減小，是因為在氧氣不充分的條Gas exchange reactionCO+H2O-CO2+H2 .件” 中國煤化工co含量增加;當2C0+ 3H2- +CH4 +2H2O氧應生成CO2,所以CO2+4Hz-CH.+2H2OCCTYHC N MH或小,是因為co與2CO+ 2H2→CH, + CO2H:S+CO+COS+ Hz___H2O反應生成CO與H2;隨著(zhù)空氣量的增加,生成36煤炭轉化2010年000o4 0003 500300080-3000-2 500of7 00ol8 150021 0003 1000500°T234567891001234567890012345678910Ratiof ircalRatio of air-coal圖2不同空氣/煤 比率下的有效氣體含量Fig. 2 Content of effective gas under various ratio of aircoal的H2與O2反應生成水蒸氣.由圖2c可以看出,有時(shí),改變 氣化壓力(4 MPa~ 10 MPa),基于氣流床效氣體CO+H2含量在空氣與煤比為4的時(shí)候達氣化爐 模型模擬結果,分析有效氣體CO和H2隨到最優(yōu)值,也就是說(shuō)當空氣流量為13 063. 48 kg/h壓力 的變化情況,結果見(jiàn)圖3.時(shí),有效氣體CO+H2含量最大.由圖3可以看出,有效氣體CO+H2含量隨著(zhù)壓力增加,在4 MPa~6 MPa之間,出現緩慢的下4.2氣化壓力降,達到6 MPa以后,隨著(zhù)壓力的增大,有效氣體含設定本粉煤氣化爐的氣化溫度1 500 C,煤進(jìn)量CO+H2增加.但是,不是壓力越大越好,它的確料量3 265. 87 kg/h,空氣流量為29 392. 79 kg/h定還需要考慮工藝制造和操作管理方面的問(wèn)題.0.14。22-0.12-20-194567891001145678910p/MPa圖3不同壓力下的有效氣體含量Fig. 3 Content of efective gas under various pressures8一-CO;b- - - - -H21C- co+ Hz比為4時(shí),有效氣體CO+H2含量達到最大值.5結論2)在氣化壓力2 MPa~10 MPa變化范圍,有效氣體CO+H2含量先緩慢下降后出現上升趨勢.1)在空氣與煤進(jìn)料比為1~9的范圍內,有效壓力越大,有效氣體CO+ H2含量越多,但是需要氣體CO+H2含量先增大后減小.當空氣與煤進(jìn)料考慮工藝設備的條件.參考文獻[1] Ong'iro A,Ugursal V I,Al Taweel A M et al. Thermodynamic Simulation and Evaluation of a Steam CHP Plant Using AspenPlus[]. Applied Thermal Enginring. 1996,16(3) :263-271.[2] Watkinson A P,Lucas J P,Lira C J. A Prediction of Performance of Commercial Coal Gasifiers[J]. Fuel, 1991,70.519-527.[3]徐越,吳一寧,危師讓. 基于A(yíng)spen Plus平臺的干粉加壓氣流床氣化性能模擻[].西安交通大學(xué)學(xué)報,003.37<7)7692-694..[4] 任洋,代正華,于廣鎖等.運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化,2004,4(27)28-33.[5]代正華,龔 欣,王輸臣等. 氣流床煤氣化的Gibbs自由能最小化模擬[].燃料化學(xué)學(xué)報,2005,23<2);129-133.[6]林立. Aspen Plus軟件應用于煤氣化的模撒[J].上?；?2006,3中國煤化工[7]張宗飛，湯連英， 呂慶元等.基于A(yíng)spen Plus的粉煤氣化模擬[J].化[8]項友謙. 煤氣化過(guò)程熱力學(xué)早衢組成的理論計算[].煤氣與熱力,19YHCNMHG第3期鄭煜鑫等粉煤氣流床氣化爐 的數值模擬37NUMERICAL SIMULATION OF PULVERIZED COALENTRAINED-FLOW GASIFIERZheng Yuxin Wu Xuehong Zhang Wenhui and Li Yanli(School of Electromechanical Science and Engineering , Zheng zhou Universityof Light Industry, 450002 Zhengzhou)ABSTRACT The pulverized coal entrained-flow gasifier is simulated by Aspen Plus industri-al systems flower software and the minimization method of Gibbs free energy. Under the givenconditions of pulverized coal entrained-flow gasifier, the effects of content of effective gas (CO+H2) are studied under various ratios of air-coal and various pressures. Under the given conditionsof 1 500 C and carbon conversion of 99%, when coal flow volurme is 3 265. 87 kg/h and the ratioof air/coalis4* 1, the computational results show that the content of effective gas is maximal.At the same time, the content of effective gas increases with the increasing of the pressure.KEY WORDS entrained-flow gasifier ,Gibbs free energy ,effective gas , numerical simulation(上接第14頁(yè))11] Vuthaluru H B. Thermal Behaviour of Biomass/Coal Blends During Co pyrolyis[J]. Fuel Processing Technology ,2004,85(2)141-155.[12]徐建國,魏兆龍用熱分析法研究煤的熱解特性[].燃燒科學(xué)與技術(shù)1999.5(2);176-179.[13] 劉先建,范肖南,武建軍等.溶脹煤的紅外光譜及熱重分析研兗[J].安徽理I大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2005 ,25(1);48-52.[14] 任強強 ,趙長(cháng)遂,龐克亮.生物質(zhì)熱解的TGA-FTIR分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報.2008,29(7) ;910-914.[1s] 姚燕,王樹(shù)榮,鄭 贊等.基于熱紅聯(lián)用分析的木質(zhì)素熱裂解動(dòng)力學(xué)研究[J].2007,13(1) :50-54.[16] Jones J M,Kubacki M. Kubica K et al. Devolatilisation Characteristics of Coal and Biomass Blends[J] Journal of Analyticaland Applied Pyrolysis,2005,74(2) :502-511.[17] Darmstadt H, Manuel,Garcia -perez et al. Co-pyrolysis Under Vacuum of Sugar Cane Bagasse and Petroleum Residue Proper-ties of the Char and Activated Char Products[J]. Carbon,2001 ,39.815-825.[18]陳吟穎. 生物質(zhì)與煤共熱解試驗研兗[D].保定:華北電力大學(xué),2007.STUDY ON CO-PYROLYSIS BEHA VIOR OF COAL AND BIOMASSBLENDING BY USING TGA-FTIRZhu Kongyuan Chen Lunjian Huang Guangxu and Ma Ailing(School of Materials Scence and Engineering, He' nan PolytechnicUniversity, 454000 J iaozuo, He' nan)ABSTRACT The pyrolysis characteristics of the coals and sawdust in an inertia atmospherewere investigated using a thermo gravimetric apparatus with a on-line infrared-spectrum analyzer.The influence of blend ratio and coal rank on the pyrolysis of coal with sawdust blends was exam-ined. The experimental results show that the pyrolysis characteristics of coal with sawdust blendsare not similar to that of every single sample addition of single coal with single sawdust. The highrank coal with sawdust is more beneficial to interaction effects than low rank coal. By investiga-ting the infrared spectrogram, there is a difference in中國煤化工-nt coals withsawdust. It is discovered that the coal rank has imp:olysis of theblends. The interaction effects in the co-pyrolysis of coMYHCNMHGd.KEY WORDS biomass, coal, pyrolysis, TGA-FTIR