鲁奇加压气化工艺优化设计

第5期(总第108期)煤化工No.5(Total No. 108)_2003年 10月Coal Chemical IndustryOet.2003鲁奇加压气化工艺优化设计贾春友魏利棹(化学工业第二设计院.太原030001)摘要对鲁奇炉气化进行了数学模拟，通过了工程实际数据的检验.可对各型号的餐奇炉进行优化设计.关键词鲁奇炉气化模拟文章编号1005-9598(2003)05-0030-06中国分类号:TQ546.2 文献标识码:A以人为假定- -些边界条件,将整个床层划分为由不1鲁奇气化工艺简介同反应区构成的连串反应器构造,见图2(a)和(b)，比如将燃烧反应开始(650K)直到氧气耗尽之间的用O2/H2O、Air/H2O等气化剂将煤转化为合区域定为燃烧区,之后是气化区，当温度低到气化反成气的过程称为煤的气化。煤气化反应中的气化剂应可以忽略不计时,气化区结束。一般包括02、H2O、CO2和H2.产物一般为CO.H:和CH。煤炭气化是煤炭转化中实现煤的清洁高效利用的重要过程之一,对其进行精确的定量描述是过程设计与控制最优化的先决条件。煤气化过程不同于简单的化学反应体系,它不仅涉及到复杂的化学反应体系，还包括了物理过程干燥千350-10100T-酒TD煤一→半焦+挥发分的脱水干燥和半物理半化学过程的热解干馏。仅就气化100-1500CtCocu气化反应而言,既有多个平行反应,又有连申反应和燃烧0002000KOY _二次气相反应。由于反应速率上的差异,较慢的一些4灰406004..1... 200反应要用动力学方程来描述,较快的气固反应要由*0-H;O2-H扩散传质方程来描述，较快的均相反应则可用热力3-C0学平衡方程来描述。庞大的反应体系和繁杂的传热④-其他过程使得对气化反应器的数学描述十分困难,然而灰锁鲁奇炉的广泛应用也促进了其数学模拟的不断发圈1 Lorgi 加压固定床气化反应器示意圈展.反应器的设计、生产过程的控制和产物组成的预测不断向数学模拟提出更高的要求.鲁奇炉的示意图见图1.从基本概念上讲,固定2鲁奇炉的数学表述床层由上而下可分为干燥区、千馏区、气化区燃烧在对鲁奇炉进行数学表述时,认为煤进入反应区和灰渣区五部分。在实际反应过程中.除了燃烧区器后自上而下依次经历以下过程:和气化区之间是以O;依度为零来划分外,其余各(1)干燥煤被来自热解区的热气体加热并失区并无明确的边界定义,各区之间可以重叠覆盖。不去水分。过,在数学模拟过程中,为了简化问题、方便求解,可.(2)干馏干燥煤进一步 受热发生热解反应生成半焦，焦油和气体产物。为简化计算.假定半焦组收稿日期:2003-05-18作者简介;贾春友.男，1974年生.工程师。1996年毕业于天成为C.其余元素H、N.O.S全部进人气体和液体律大学化工系.后从中国人民大学研究生班毕业，现从事化产物.有关千馏产物的计算将在下一部分详细讨论。(3)气化多相气化反应 和均相水煤气变换反工工程设计与管理工作。2003年10月贾春友等:鲁奇加压气化工艺优化设计，31●谋，产晶气表]化学反应和组分编码自由区反座组分元素II CO2干燥区干爆/干馏区A 1+02→+2(2-1)C0+(2-CO2? C0半焦热气体.”3 O2干馏区B C+CO2 +200H20气化区c C+H20(g)-+C0+H21C|半熊D C+2H→CH7 N2(含所有隋性气|2 H{↓靴性气体$)30|燃施区E C0+H20(g)+C02+H2， NH、4 N|燃烧区H2SF干馆气体生成反座，矢区0半焦灰渣反应气体;干馏焦溜生成反应11灰分a)(b)|H于燥过程3水分圈2Lurgi固定床气化器分区及连串构造横型示意图14干馏气应为:这些反应的生成物均为重量基准。在模拟计算C+H20(g)→CO+Hz AH= 131.306 kJ/mol中,所有反应的化学计量系数.,取反应方程式右侧............................... (1)为正,左侧为负。C+CO2→2CO OH=172. 47 kJ/mol .. (2)对气体组分物料衡算、固体组分物料衡算、气体C+2H:-→CH，0H=-74. 84 kJ/mol ... (3)总能量衡算.固体总能量衡算的表述如下:C0+ H2O(g)→CO.+H2=A,SUR，................ (6)△H=-41. 16 kJ/mol●d7"其中前两个反应为强吸热反应,后两个反应为弱放热反应,故气相自燃烧区进入气化区后,在向上流动的过程中温度迅速降低。出-[-/sROH,+se. +Q.- Q.m]/Cr(4)燃烧半焦在燃烧区氧化生成CO和CO,考虑到燃烧产物的分布，给出如下综合反应i= A.[- f,sR,0H,-sQ, -Q.- Q]/Cp .XC+O2-→2(λ-1)C0+ (2- X)CO2................................ (9)OH= - 565.98+ 172.47AkJ/mol ..... (5)干燥区仅涉及煤中水分向气相的转移,故i=其中λ介于1~2之间。(5)灰分的热交换半焦在燃烧区发生剧烈的8,j=4,13。相应的衡算方程为:dM,氧化燃烧反应后,炽热的灰分进入灰分区,同温度较.... (10)低的气化剂发生热交换,一方面对气化剂进行预热;dU!.另一方面使灰分的温度降至适宜排放的温度。在对鲁奇炉进行数学表述时,由于涉及的反应、反应速率R。和R:之间存在如下关系:组分、温度、组成等变量数目很多,故需要首先对各Rs=Rt/18 .....化学反应和组分以及元素进行编码，以方便对反应干馏区的物料衡算方式同干燥区类似，也存在器内不同过程的表述。各化学反应及相关组分和元着重量基准和摩尔基准之间的换算问题。按照前面素的编码结果见表1。的讨论结果,对多相气化和燃烧反应,按缩核反应模表1中反应F~H的具体表达式如下:型,引入Biba近似动力学:反应F:煤→yem干馏煤气(k,A,C,T88315561E-mail :paperchemj@mail. bz. zj cn