煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型

第42卷第10期工2013年10月Contemporary Chemical IndustryOctober，2013煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型史聰，楊英，夏支文(神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏銀川750411 )摑要:介紹了目前有關(guān)煤氣化爐內氣化過(guò)程的幾種典型數學(xué)模型，包括基于Gibbs自由能最小化方法的模型、三區模型、小室模型等。結果表明:在特定煤種和氣化爐結構的條件下，各模型對氣化過(guò)程中主要組分的模擬誤差較小，但針對多相(如氣、固兩相)流、動(dòng)態(tài)、不同煤種等條件下的煤氣化模擬研究尚有欠缺或不關(guān)鍵詞:煤氣化;數學(xué)模型;流程模擬中圖分類(lèi)號: TQ 546文獻標識碼: A文章編號: 1671-0460 ( 2013) 10-1472-03Mathematical Model for Coal Gasification processSHI Cong, YANG Ying, XIA Zhi-wen( Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Ningxia Yinchuan 750411, China)Abstract: Several typical mathematical models for coal gasification process were introduced, including Gibbs freeenergy model, three-region model, cell model, kinetic model and chemical equilibrium model. Under the condition ofthe certain coal and gasifier structure, simulation errors of these models for main components in coal gasificationprocess are small, but these models still have some disadvantages for coal gasification under the conditions ofmulti-phase flow, dynamic state and different types of coal.Key words: Coal gasifcation; Mathematical model; Process simulation煤氣化技術(shù)是目前及未來(lái)實(shí)現煤炭高效、清潔、為爐內存在流體力學(xué)特性各異的射流區、回流區及經(jīng)濟利用的關(guān)鍵技術(shù)之- -。因此,開(kāi)發(fā)潔凈煤技術(shù)，管流區,對應存在化學(xué)反應特性各異的一-次反應區、提高煤炭利用效率、降低煤氣化成本的有效途徑是二次反應區和一、二次反應共存區。在此基礎上建研制和推廣應用大型化、先進(jìn)的煤炭氣化技術(shù)。當立水煤漿氣化爐數學(xué)模型、激冷室與洗滌塔數學(xué)模前，從更深層次的理解氣化機理，建立能真實(shí)反映型、文丘里洗滌器數學(xué)模型，其中氣化爐數學(xué)模型煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型，已成為指導氣化爐設計、包含氣相物料的混合模型和殘炭量計算模型，以及評價(jià)、生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化及改進(jìn)的重要發(fā)展方向，也是微量組分計算模型"。世界范圍內開(kāi)發(fā)先進(jìn)煤氣化爐的研究熱點(diǎn)。( 1)氣相物料的混合模型自20世紀70年代以來(lái)，國內外學(xué)者對煤氣化在進(jìn)行氣化爐氣相物料的計算時(shí)，必須從停留過(guò)程的反應機理、反應動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行了大量時(shí)間分布的角度出發(fā)，考慮到微觀(guān)混合與宏觀(guān)混合的研究工作，并建立了煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型，主的時(shí)間尺度。 氣化爐內宏觀(guān)混合的時(shí)間尺度為M=要分為動(dòng)力學(xué)模型和平衡模型。其中典型動(dòng)力學(xué)模0.15~0.50 s。氣化爐內物料微觀(guān)混合的時(shí)間尺度型有Watkinson等"提出的動(dòng)力學(xué)模型、王輔臣等B 41為~0.66s。提出的三區模型、李政等19提出的小室模型，典型(2)殘炭量計算模型平衡模型有Ruprecht等' "提出的平衡模型和汪洋等8氣化爐出口殘炭量占煤中總有效成分量的分基于Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤氣化率用 下式計算。爐模型等。本文重點(diǎn)對典型三區模型、小室模型及基于Gibbs自由能最小化方法模型進(jìn)行介紹。y-=f% (1-V)|1+-- R.t E()dt (1)R1三區模型_ R.+V.R.(2)R,R1.1模型描述當脫揮發(fā)分的速率遠大于殘炭的氣化速率時(shí)，王輔臣等”提出水煤漿氣化過(guò)程三區模型，認收稿日期: 2013-04-08作者簡(jiǎn)介:史聰 (1985-).男，寧夏銀川人，助理工程師，碩士，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向:從事煤化工行業(yè)。E-mail: shicong@snctl.com.第42卷第10期史聰，等:煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型1473RJR,- +0, terir →1/Re，上式簡(jiǎn)化為:y= p*(-V)(I-RI)E()dr .(3)k =kgexp|R.Tg|CCe(kmolm'.s) (4)式中:V- -揮發(fā)分析出的總量,R.一揮發(fā)分析出速率,kgkg"'s;(5)R-殘炭的反應速率.kgkg's'。R=(P-P")1.2模型驗證 (kgkg's' )Kan Ky2° Kan(該模型選用的煤的組成及熱值見(jiàn)表1所示，模u, =u,iel""+(ug +u)(1-e)(6)擬結果表明，模擬值與操作值吻合良好，所建立的氣化過(guò)程數學(xué)模擬是可靠的。b=1842/(pd)(7)Table 1 The composition and calorific value of coal表1煤的組成及熱值u,=(p,-p2)g/(bp,)(8)組成/熱值單位值式(4)為氣相反應速率表達式，式(5)為氣77.18固反應速率表達式，式(6)(7)、(8)為固體停留4.59時(shí)間計算式。0.902.2模型驗證0.22模型采用lliois 6號煤對動(dòng)力學(xué)數據進(jìn)行適當Ash5.78的調整，用另外2組煤種進(jìn)行校核，元素分析見(jiàn)表熱值Qkkg'30 978.32所示。模擬值與試驗數據基本吻合，證明該模型可信度較好。1.3 模型評價(jià)該模型是以氣化系統的熱力學(xué)平衡為基礎，同表2元素分析和工業(yè)分析Table 2 Element Analysis and industrial analysis時(shí)考慮了反應動(dòng)力學(xué)因素的影響，能真實(shí)地反應爐參數llinois 6號Austrilia/UBEFluid ceoke內的氣化過(guò)程，對最終煤氣成分的預測與操作值較66.886吻合,同時(shí)可對NH;和HC00H微量組分進(jìn)行計算，H5.35.02.0模擬結果對工程防止灰水循環(huán)系統的結垢和腐蝕具7.32.3有指導意義。1.3.7.0.2.3但該模型僅適用于水煤漿氣化過(guò)程，且模擬結15).5果取決于噴嘴與爐體匹配形成的流場(chǎng)，必須對氣化爐結構、噴嘴結構及射流特性對流場(chǎng)特性的影響進(jìn)2.3模型評價(jià)行深人且可靠的流體力學(xué)研究。該模型較為詳細的描述爐內動(dòng)力學(xué)反應過(guò)程,2小室模型模擬結果與氣化爐實(shí)際運行情況較吻合，具有較大的可信度和應用價(jià)值，建議從以下方面進(jìn)-一步完善2.1模型描述和深化:李政等“采用“小室模型”方法，將氣化爐沿( 1 )缺少對NH,和HC0OH等微量組分的計算;軸向分割為多段,即為小室，且認為每個(gè)小室為氣(2)鑒于氣化爐內氣固流動(dòng)的復雜性，模型假體組分質(zhì)量、固體質(zhì)量、碳質(zhì)量及能量的平衡空間,設與實(shí)際流動(dòng)特性存在差別，有待修正;建立起預測Texaco煤氣化爐性能的數學(xué)模型。(3 )氣化爐分割成小室的分配高度和個(gè)數無(wú)明建模做如下假定: (1)氣化爐內流動(dòng)為均勻平確定義，模型相對復雜，通用性較差。推流; (2)水煤漿的預熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)份在人爐后瞬間完成; (3)煤顆粒尺寸采用同-粒徑， 水3基于Gibbs自由能最小化方法模型煤漿滴在完成水分蒸發(fā)和揮發(fā)份釋放后,煤顆粒不3.1 模 型描述結團，此獨立存在; (4)縮核不縮炭假定。汪洋等”基于A(yíng)spen Plus 流程模擬軟件，運用模型考慮了氣相反應和氣固異相反應兩種化學(xué)Gibbs自由能最小化方法建立了高溫高壓下的氣流反應，并建立及起反應速率計算公式，另外建立了床煤氣化爐模型，并采用Aspen Plus10.2 中的物性固體停留時(shí)間的計算公式。數據庫和單元模塊進(jìn)行計算。其示意圖見(jiàn)圖1所示，1474當弋化工2013年10月主要包含Decomp、Burn、 Separate 三大單元模塊。據式時(shí)，基于Gibbs自由能最小化原理模擬計算氣Decomp單元是將粉煤分解轉化成單原子的分化爐的出口組成和溫度; Separate 模塊是將氣化爐子并將裂解熱傳遞給Burn單元; Bur單元考慮了5激冷 室排出的氣液混合物完全分離成氣、液兩相。種元素和15個(gè)組分,在體系達到化學(xué)反應熱平衡判個(gè)QtransfeRawgasDecompBurnSeparateInburnerMixtureLiquid ]下5>RyieldGibbsflash2| Water| QlostWaterl Water2Coal個(gè)個(gè)圖1氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig.1 Entrained flow coal gasifier model diagram3.2模型驗證(5)由于該模型，不考慮氣化爐的流動(dòng)傳熱、該模型采用的煤種( 北宿煤)元素分析和工業(yè)傳質(zhì)特性以及氣化反應的過(guò)程，相對比較簡(jiǎn)單，尚分析見(jiàn)表3。操作條件為:水煤漿流量為75033kg/h,不能真實(shí)反映氣化爐內的氣化過(guò)程。煤漿濃度為64% (wt),氧氣流量為30375 m/h,氣4結論化壓力為4.0 MPa(g),碳轉化率為98%，熱損失為0.5%。通過(guò)對Burm單元模塊的模擬計算結果進(jìn)近年來(lái)國內以李政、王輔臣、汪洋等為代表的行元素(C、H、0)平衡和熱平衡分析，所建立的不少學(xué)者作了大量的研究工作，并建立了典型“三模型基本正確，模型計算結果比較可靠。區模型”、“小室模型”、“基于Gibbs自由能最小化北宿煤的元素分析和工業(yè)分析方法模型”煤氣化爐數學(xué)模型，總體來(lái)說(shuō)，各模型Table 3 Beisu coal elemental analysis and industry analysis較為可靠，在特定煤種和氣化爐結構的條件下模型組成單位值值都能與實(shí)際值較吻合，具有很大的應用和推廣價(jià)C%69.27值。但是，相對來(lái)說(shuō)，各模型通用性較窄，在煤氣4.561.28化機理、爐內多項流動(dòng)力學(xué)特性、微量組分計算、3.60動(dòng)態(tài)模擬等方面，大量基礎研究和模擬優(yōu)化工作有8.08待進(jìn)一步深人或開(kāi)展。13.21參考文獻:3.3模型評價(jià)[1] Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibrium modeling of從理論分析來(lái)看，該模型的計算結果與實(shí)際值gasifieation: a free energy minimization approach and its application toaeireulating fuidied bed coal gaifir[] Fuel.2001, 80(2); 195-207.一致，但存在以下不足:2]于遵宏，沈才大王輔臣等水煤漿氣化過(guò)程三區模型I]燃料化學(xué)學(xué)(1) Burm單元模塊模擬計算出的氣化爐出口報,1993, 21(1): 90- 951.組成與溫度未與工業(yè)實(shí)際操作值進(jìn)行比較，- - -定程31王輔臣劉海峰，龔欣，等水煤漿氣化系統數學(xué)模擬[D]燃料化學(xué)學(xué)度上限制了對工業(yè)實(shí)際操作的指導作用;報,2001, 29():33- 38.(2) Decomp 單元模塊未考慮載氣(如N2、4]王輔臣，于遵宏，沈才大等德士古渣油氣化系統數學(xué)模擬[華東化工學(xué)院學(xué)報，1993, 19( 4): 393-3001.CO2)的輸人，是否適用于氣流床干粉煤氣化爐有[5]李政,王天驕，韓志明等Texaco 煤氣化爐數學(xué)模型的研究一建模部待驗證;分].動(dòng)力工程2001, 21(2): 1161- 1168.(3) Burm單元模塊未考慮Cl元素和NOx等[6]李政,王天驕韓志明,等Texaco煤氣化妒數學(xué)模型研究(2)- -計算結果及分析.動(dòng)力工程,2001, 214;: 1316- 1319.微量組分，煤種選取單- -，而這些對工業(yè)實(shí)際過(guò)程[7] Ruprecht P, Schafer W. Wallace P. A Computer Model of Entrained有重要的指導意義;Coal CaifatioO] Fuel, 1988 576); 739-743.(4 )模型驗證采取的碳轉化率高,較低碳轉化[8]汪洋,代正華,于廣鎖等運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤率的情況未考慮;氣化爐U]煤炭轉化200, 27()27- 33.