運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐

第27卷第4期媒炭轉化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOet.2004運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐汪洋)代正華2)于廣鎖3于遵宏”摘要基于A(yíng)spen Plus工業(yè)系統流程模擬軟件,運用Gibbs自由能最小化方法建立了氣流.床煤氣化爐的模型.研究了氣化爐的主要操作參數(即水煤漿濃度、氧煤比、碳轉化率和氣化溫度)對氣化結果的影響.對模擬結果進(jìn)行了分析,發(fā)現模型基本正確,可應用于一些反應機理復雜的氣化工藝的化學(xué)和熱力學(xué)平衡計算.模擬結果表明,氧煤比和水煤漿濃度是影響氣化爐出口煤氣組成的主要因素,氣化爐溫度隨著(zhù)氧煤比的增加而增加,也隨著(zhù)水煤漿濃度的增加而增加.結果還表明,氧煤比對氣化結果的影響比水煤漿濃度的影響更為顯著(zhù).關(guān)鍵詞氣流床,氣化爐 ,Gibbs自由能,Aspen Plus中圖分類(lèi)號TQ545元模型庫,可用于各類(lèi)過(guò)程工業(yè)流程的模擬.在提供0引言可靠的熱力學(xué)數據流程操作參數和準確的設備模型的情況下,Aspen Plus可用于工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)流程的氣流床氣化爐的數學(xué)模型一般是平衡模型或考模擬.在A(yíng)spenPlus提供的通用過(guò)程單元模型不能慮氣化過(guò)程動(dòng)力學(xué)的模型.平衡模型認為氣化過(guò)程滿(mǎn)足用戶(hù)需求時(shí),用戶(hù)可利用AspenPlus提供的用所有化學(xué)反應達到平衡,通過(guò)對氣化過(guò)程質(zhì)量及能戶(hù)擴展接口將自定義的過(guò)程單元模型添加到系統量平衡方程求解得到反應平衡時(shí)的煤氣組成及平衡中,在A(yíng)spen Plus系統框架中使用.用戶(hù)擴接口賦溫度.項友謙"用能量最小原理,建立了加壓氣化平予AspenPlus極大的擴展能力，同時(shí)有助于保護用衡模型，并用4種方法對微分方程求解.戶(hù)已有的開(kāi)發(fā)成果.AspenPlus支持Fortran用戶(hù)Watkinson[2提出平衡模型,通過(guò)質(zhì)量和能量平衡及模型、Excel用戶(hù)模型、基于CAPE OPEN COM技反應平衡方程式關(guān)聯(lián),可以得到產(chǎn)品煤氣組成、產(chǎn)率術(shù)的用戶(hù)模型及由建模工具導人4種用戶(hù)定義模型和最佳適宜溫度. Ruprechti等建立了平衡模型,并開(kāi)發(fā)方式.本文基于A(yíng)spen Plus化工流程模擬軟用于評價(jià)實(shí)驗數據分析.平衡模型可用于對出口組件,運用Gibbs自由能最小化方法建立并模擬了氣成及溫度進(jìn)行簡(jiǎn)單預測，由于其假定的條件較理想，流床水煤漿氣化系統的氣化爐模型.采用Aspen如假定所有反應都達到平衡,在實(shí)際過(guò)程中是不可Plus10. 2中的物性數據庫和單元模塊進(jìn)行計算,并能的.因此其用途受到一定限制,對過(guò)程控制及氣化引入實(shí)際工業(yè)操作過(guò)程中的碳轉化率數據和估算的爐設計參考價(jià)值較少.為了更準確地用數學(xué)模型對熱量損失用以修正模擬結果. [5-)氣化及燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬,需要考慮氣化過(guò)程三傳1氣流床煤氣化爐模型一反及動(dòng)力學(xué)行為.許多研究者對此進(jìn)行了研究,建立了一維、二維及多維模型.王輔臣等[4]在氣流床煤運用Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤氣化爐的數學(xué)模擬方面做了大量工作.氣化爐模型見(jiàn)圖1,其中包含3個(gè)單元模塊、9個(gè)物Aspen Plus是一種通用的化工過(guò)程模擬、優(yōu)化流工藝流股和2個(gè)熱流工藝流股. Decomp模塊將和設計軟件，在物料和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡粉煤分解成單元素分子和灰分并將裂解熱導人及反應動(dòng)力學(xué)基礎上,Aspen Plus提供了大量的物Burn模塊,Burn模塊運用Gibbs自由能最小化方性數據、嚴格的熱力學(xué)估算模型庫和豐富的過(guò)程單法求得中國煤化工:parate模塊將氣*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2003AA521020)和上海市啟明星計劃項目(O3MYHCNMHG1)碩士生;2)講師;3)副教授;4)教授.博士生導師,華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,200237上海收稿日期,2004-07-15;修回日期:2004-08-2528煤炭轉化2004年化產(chǎn)生的氣相混合物洗滌冷卻,得到粗合成氣. [8]粉煤氣化系統的熱損失,Mixture為氣化產(chǎn)生的氣Coal為進(jìn)人系統的煤,Inburner為粉煤經(jīng)過(guò)熱相混合物，Water1為進(jìn)人激冷室的激冷水,Water2裂解后的產(chǎn)物,Qtransfe為粉煤裂解熱,Water為進(jìn)為鎖斗循環(huán)水,Rawgas為粗合成氣,Liquid為排放人系統的水,Oxygen為進(jìn)人系統的氧氣,Qlost為黑水.個(gè)C Qtransfe_Decomp[ Inburmer ]- 斗Bum[ Mixture ]》SeparateLiquid}-5RyieldGibbsflash2[Water ][Qlost][Coal]WatyL ] Wale2 ]Oxygen ]圖1氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig. 1 Diagram of entrained-flow bed coal gasifier modelDecomp單元是一個(gè)僅計算收率的簡(jiǎn)單反應器,模塊來(lái)自Aspen Plus 10.2 中的Ryield 反應模k= 1...(4-1)塊. Decomp單元其主要功能是將粉煤分解轉化成2m,H(Tms.)=單元素的分子,并將裂解熱傳遞給Burn單元.此模塊需給定粉煤分解溫度,具體的數值大小對整個(gè)流S.t.程的模擬結果沒(méi)有影響.式(1)為該單元的焓平衡方程,其中的Q即為裂解熱.煤的生成焓用式(2)計2n,H(Tms) +Q(4-2)算.(4-3)$m;m,H(Tus,)=式(3)為目標函數,其中s代表僅僅單獨存在的相，如固體顆粒,P為系統中相的個(gè)數,C代表組.n.C1.m.s+ 2n.H(Tma) +Q (1)分數.式(4-1)為質(zhì)量守恒約束條件,E為系統考慮的元素數目,m;為組分的原子矩陣;式(4-2)為焓平0Hcal.28 =HHV一(327. 63C +衡約束條件,Q為熱損失;式(4-3)為非負約束條件.1 417. 92H。r + 92. 57S。+文獻[9]綜述了求解以上非線(xiàn)性規劃[10]問(wèn)題的算158.67M..)(2)法,主要包括Rand算法、Nasa算法.Powell's算法Burn單元是一個(gè)基于Gibbs自由能最小化原和二次規劃算法等,其中以Rand算法的應用最為理的反應器，模塊來(lái)自Aspen Plus 10.2 中的廣泛. Rand算法首先通過(guò)Lagrange乘子法將有 約Rgibbs反應模塊.對煤氣化系統,考慮其中包含的束最優(yōu)化問(wèn)題轉化為無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題,然后通過(guò)元素為C,H,O,N和s,包含的組分為:H2O,Nz,Newton Raphson算法求解. Separate單元是一個(gè)O2, s, H2,Cl2, HCI,C(固體),CO,CO2,H2S,COS,理想分離器,模塊來(lái)自Aspen Plus 10. 2中的CH,H;N,CHN,共15個(gè).體系達到化學(xué)反應熱平Flash2分離模塊.其功能是將激冷室的氣液混合物衡的判據式時(shí)體系的Gibbs自由能達到極小值.以完全分離成氣體和液體兩相.此建立反應器的數學(xué)模型為式(3)和式(4)描述的非中國煤化工線(xiàn)性數學(xué)規劃問(wèn)題.MHCNMHGmin G,G =2m+之goGjny (3)模擬計算采用的煤種為北宿煤,元素分析見(jiàn)第j=3+1 1=1.第4期汪洋等運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐29頁(yè)表1.主要是檢驗Burn模塊的物料(元素)平衡和熱表1北宿煤的元素分析和工業(yè)分析平衡.進(jìn)人Burn模塊的有3個(gè)工藝流股(即.Table 1 Ultimate and proximate analysisInburner, Water和Oxygen), 兩個(gè)熱流股(即of Beisu coalQtransfe和Qlost),出Burn模塊的有1個(gè)工藝流HA股(即Mixture).操作條件如下:水煤漿流量為7569.27 4. 561. 283.60 8. 0813. 21033 kg/h, 煤漿濃度為64%(wt),氧氣流量為30煤的熱值采用式(5)即Boie關(guān)系式計算,為干燥基375 m'/h,氣化壓力為4.0 MPa(G),碳轉化率為煤的高熱值.98%,熱損失為0.5%.經(jīng)過(guò)模擬計算可得到表2所O.h"= [ar,;w2, + axwt. + asrw凱+示的結果(熱流股Qtransfe為- 1.606 9E+11 J/awI + asrwR.]X 102 + asi (5)h,Qlost為-6. 25E+9 J/h).表2進(jìn)出物流明細表Table 2 Information of inlet and outlet streamsStream nameInburnerWaterOxygenMixturePressure/MPa6. 004.00Temperature/ C1 000. 050.025.01 391.1H21 086. 25401 361. 9012 154. 104CO557. 026 5H2:51.013 13COS2. 749 543CH,0. 189 379Nz21.941 890. 40680422. 309 28AR5. 0172545. 017 254Substream: MixedH3N0. 0729 22Mole Flow/(kmol●h-1)CHN5. 92E-03HCOOH8. 56E -03HCl0. 135 451O2121. 257 61 350. 5911. 78E-08H2O206.811 51 292. 5721 172. 15653. 762 68I:0. 0677 25Total flow/(kmol ●h-)1 490. 0951 356. 0155 326. 689Enthalpy/(J ●mol-I)6.61E+06-2. 84E +08-7.75E--07- 9.00E+07Substream; CIPSD Mole2 714. 084flow/(kmol●h-1)Enthalpy/(J ●kmol 1)1. 79E+07Substream; NCPSD MassASH7 008. 857flow/(kg.h-1)Enthalpy/(●kg-1)2. 24E+057. 93E +051)物料平衡0.5+8.56E- 03+0.135 451X(1)C元素守恒0.5+ 1172.156=2 585. 638進(jìn):2 714. 084 kmol/h(kmol/h)出:2 154. 104+ 557.026 5+2. 749 543+(3) 0元素守恒0.189 379+5. 92E一03+ 8. 56E-進(jìn):121.2 576X2+206. 811 5+03=2 714. 084(kmol/h)1 292. 572+1 350. 591X2=(2) H元素守恒4 443. 081(kmol/h)進(jìn):1 086. 254 +206.811 5+1 292. 572=中國煤化工K2+2 585. 638