典型气流床煤气化炉气化过程的建模

化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2016年第35卷第8期研究开发典型气流床煤气化炉气化过程的建模东赫1,刘金昌·2,解强',党钾涛1,王新1(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京10083:2九州大学电子和材料应用科学系,日本福冈春日816-8580)摘要:利用 Aspen Plus、基于热力学平衡模型对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气仳炉的气化过程建模。根据煤颗粒热转仳的历程,将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应个阶段,利用υ avid merrick模型计算热解过程,采用 Beath模型校正压力对热解过程的影响,选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应,编制 Fortran程序计算半焦裂解产物收率,最后基于Giυbs自由能最小化方法计算气化反应。结果表明,采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合,对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分(CO+H)体积分欻模拟结果的误差均不超过2%,建立模型的可靠性得到验证。关键词:气流床气化炉;热力学平衡模型; Aspen Plus中图分类号:TQ546文献标志码:文章编号:1000-6613(2016)08-2426-06DOI:10.16085/sn.1000-6613.2016.08.19Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coalgasifierDONG He, LIU Jinchang.2, XIE Qiang, DANG Jiatao, WANG Xin'(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology( Beijing ), Beijing100083, China; Department of Applied Science for Electronics and Materials, Kyushu University, 6-1 Kasuga-KoenKasuga, Fukuoka 816-8580, JapanAbstract: This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSPpulverized coal gasification, GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple-Burnergasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermalconversion procedure of fine coal particles, the coal gasification was interpreted as consisting of fourstages including pyrolysis, volatile combustion, char decomposition and gasification reaction. Thenthe pyrolysis stage was calculated by the David Merrick model and the effect of pressure on the coalpyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated byusing Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortranprogram. And finally, the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energyminimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model ofgasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulatedresults of volume fraction of the effective gas(Co+H2) of these three typical entrained-flow gasifierswere all less than 2%o, which can validate the reliability of the coal gasification model收稿日期:2015-10-30:修改稿日期:2015-12-09第一作者:东赫(1991—),女,硕士研究生。联系人:解强,教授基金项目:国家重点基础研究发展计划(2014CB238905)及中央高校博士生导师。E基本科研业务费(2009KH10)项目。TH吧中国煤化工NMHG第8期东赫等:典型气流床煤气化炉气化过程的建模Key words: entrained-flow gasifiers; thermodynamic equilibrium model; Aspen Plus建立煤气化数学模型的核心在于选择合适的反分为热解及挥发分燃烧、半焦燃烧气化反应和气化应模型。迄今为止,煤气化数学模型繁多,主要为还原反应三部分进行建模,模型预测较为准确。此动力学模型和热力学平衡模型3。动力学模型虽能外,对于煤气化“拔头”工艺煤热解过程,基于 Aspen真实地反映炉内的气化反应过程,但该模型的建立Pus的模拟方法主要使用相关经验关联式计算热解依赖于详细的动力学反应机理及反应速率表达式,产物组成,而所拟合的相关经验关联式多基于常压对于复杂的煤气化反应体系,其应用往往受限于清条件下的热解实验结果归纳。但对于气流床气化晰定义的反应和组分个数;另一方面,由于动力学炉,压力对热解过程的影响不可忽略。 BEATH0模拟方法及软件的限制,仅能对气化炉单一设备进研究发现煤热解析出的挥发分得率随着压力升高而行模拟硏究,难以考察气化前及气化后的整个工艺减小,并根据实验数据拟合出压力与煤热解产物收流程。相较而言,热力学平衡模型不针对特定的率的关系式;LIU等山在对气流床气化过程建模过气化炉型,以一定的平衡限制条件为假定基础,通程中,采用 Beath模型校正了热解过程,模拟结果过建立各元素组分的反应平衡、质量方程及整个气更为贴近实际情况。化炉热量平衡方程,求解煤气的平衡组成。热力学结合煤(颗粒)气化反应历程,基于热力学平平衡模型设计过程简单,虽不能考察气化炉内的流衡模型对气化反应历程中各环节的模拟在以求解产动传热、传质特性及气化反应的过程,但由于求解物组成及相态为目的的情况下准确度高且计算量速度很快且在选取准确的模型参数时能够获得较为小。本文以实际生产指标为依据,利用 Aspen Plus准确的结果,故而在气化炉工程模拟和流程模拟中软件,对3种典型气流床气化炉气化过程进行模拟,获得了广泛的应用。深入明晰气化炉煤热解、挥发分燃烧、半焦裂解及DAⅠ等基于 Gibbs自由能最小化原则对煤粉气化反应过程模型建立的机理及过程,并依据 Beath气化过程建立模型,在此基础上考察了操作参数对压力校准模型校准热解过程。气化过程的影响,并将模拟结果与实验数据进行比较,两者具有一致性;车德勇等模拟流化床气化煤气化过程建模时将气化过程分为热解及气化两个部分,并考虑流1.1煤(颗粒)气化历程解析化床气化炉密相区和稀相区流体动力学参数不同,煤炭气化过程实际上是煤炭在高温下的热化学利用嵌入 Fortran气化动力学子程序的2个搅拌釜式反应过程,王辅臣、于遵宏等对煤炭气化过反应器模块分别模拟2个区内焦炭的气化反应;汪程进行了详细分析,认为煤气化反应虽受气化方式、洋等借助 Aspen Plus软件建立了气流床煤气化炉气化剂及煤种等诸多因素影响,但所有的气化过程的热力学平衡模型,其中包含裂解、气化及冷却等存在明显的共性,即煤炭颗粒进入气化炉内先后经3个模块,将固体煤经裂解转化为Δ spen plus可处历了干燥、热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧和气化反理的常规组分物质,经 Gibbs平衡反应器求解产物应过程。组成,后经分离模块进行分离得到产品合成气和副对于气流床气化过程,在干燥和热解阶段,由产物灰渣。至今,基于热力学平衡模型对煤气化过于大部分煤颗粒小于200日,且炉内平均温度在程的模拟研究主要将气化过程简化为裂解单元和气1300℃以上,煤粉受热速度极快,因而认为干燥阶化单元两部分,且侧重于操作参数对气化炉性能的段煤中水分瞬间蒸发,同时发生快速的热分解脱除分析,而关于热力学平衡模型详细的建立过程仍不挥发分。目前气化过程模型的建立均将水分蒸发过充分,且实际的气化反应过程较为复杂,上述模型程与挥发分析出过程一起考虑2。而后,热解析出建立时尚未考虑煤气化过程伴随的热解及挥发分燃的挥发分和形成的半焦进行燃烧和气化反应,此过烧反应,难以系统和准确地反映实际气化过程。程中挥发分的燃烧反应产生的热量以供为后阶段的KONG等针对水煤浆气化过程建立了三级平衡模气化反应,不可忽略。气化反应阶段包括气化剂与型,将气化过程分为热解和燃烧级、气固相反应级煤或焦之间的反应、煤与反应物之间的反应、反应及气相反应级3个等级进行模拟,结果表明该模型产物与气化剂及反应产物之间的反应具有一定的可靠性;徐越等将复杂的煤气化过程TYH史牌·2428·化工进展2016年第35卷行,难以清晰分割。为便于气化过程模型的建立,解挥发分的成分及焦炭的产率,计算简便且通用性结合煤气化反应历程,拟将复杂的煤气化过程进行较好4。假设挥发分产物有CH4、C2H、CO、CO2分段,即划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气H2、H2O、NH3、H2S和焦油,其他产物只有焦。具化反应4个阶段。体方程如式(1)所示。式(1)是由10个方程组成的10热解过程阶矩阵,矩阵每行代表每个方程中10个回归系数。1.2.1 David merrick模型其中,第1行为碳平衡方程,2~5行分别为H、O、David merrick建立了煤热解挥发分及焦炭产N、S平衡方程,第6行为质量平衡方程,7~10行量的计算经验模型13,该模型基于元素平衡计算热表示各个物质的收率。W(C)0.750.80.42860.27270.8500CHARCw(H)0.250.2000.08210.110176500588CH4H(O)000.57140.72730.04900.888900CN)0000.0090000Nw(S)00000000001000.83250.9412C02S000TAR00001000H0000000000000000000H, O0.22HNH30.3200000HS0.150122压力校正通过 Aspen Plus内嵌的 Calculator计算模块中气流床气化炉内压力较髙,在使用热解模型对原 Fortran语言编写的程序来控制。该单元本身遵循质煤热解产物进行计算后需要通过压力校正才能更加量守恒,只需考虑稳态情况下系统能量的守恒,且准确地模拟气流床气化过程。论文拟根据 BEATH由于煤气化是化学反应过程,因而可采用生成焓来实验结果提岀的烟煤压力校准模型,如式(2计算反应中气体和固体的焓。煤裂解单元的焓平衡方程及生成焓如式(8)、式(9)ma△Hrsa.w+maod△Hau(Tesd)=∑n△H1lmd2+1.3挥发分燃烧过程使用 David merrick模型可计算出的挥发分有∑n,H(Tms)+QCH4、C2H6、CO、CO2、H2、H2O、NH3、H2S及焦△Ho28=HHV-(32786C+1418.79Ha+油。其中可以发生燃烧反应的有CH4、C2H6、CO9284S+15867M)2、H2S及焦油。假定气化反应过程中气化剂充足,式(8)表示在一定温度T下,等号左边的两项分上述五种可燃挥发分以及焦油发生了完全燃烧反别表示进料物流的生成焓和总焓,等号右边前两项应,采用 Aspen Plus软件现有的操作模块化学计量分别表示反应产物的生成焓和总焓反应器( RSTOIC)进行模拟,主要反应方程式如在 Aspen Plus软件模拟时,半焦裂解过程产物式(3)~式(7)。依据焦的工业分析和元素分析,通过 Fortran编程CmH4+(m+05n)O2==mCO2+0.5H0(3)语言实现,如下所示H4+2O2=CO2+2H2O(4FACT=(100-WATER)100H2+0.502==H2OH2O=WATER/100H2S+1.502=H2O+SO2(6ASH=ULT(1)/100*FACTC2H6+3.502=2CO2+3H2OC=ULT(2)/100FACT14煤(焦)裂解过程H2=ULT(3)/100*FACT煤、半焦都是复杂的混合物,在模拟软件中无N2=ULT(4)/100*FACT法对组分不清楚的混合物进行计算,将热解后的半Ch=ULT(5 100"FACT焦依据其工业分析和元素分析结果分解为单元素分S=ULT(6/ FACT子(C、H2、O2、N2、S)和灰分,裂解组分的收率O2=ULTOTH中国煤化工CNMHG第8期东赫等:典型气流床煤气化炉气化过程的建模·2429其中, Fortran语言中ULT为矢量,代表煤的(7)整个气化过程都瞬间完成,且所有煤粒都元素分析( ULTANAL)参与到气化反应中1.5煤(焦)气化过程2.2模型选择气化反应单元采用平衡反应器 RGIBBS模块建模过程所选用的 Aspen Plus中的模块如表1该模块根据系统 Gibbs自由能趋于最小原则,由于所示气流床煤气化本身温度较高,约达1500℃,压力约2.3模拟流程为4MPa,因此可认为反应体系在瞬间达到化学反基于前述假设,选择适于处理高压烃热力学性应平衡,在考虑热损失的前提下,通过建立下述非质的PRBM状态方程8,采用 Aspen Plus现有的线性方程组计算同时达到化学平衡和相平衡时的系单元操作模块对整个煤气化过程进行建模,整个气统组成和分布1。化过程模拟流程如图1所示目标函数如式(10)。(1)热解过程原料(COAL)和载气mnGG=SnG+∑∑( CARRIERG)进入混合器(MIX1)中混合,混合之后(FEED)煤粉在 RYIELD反应器( PYROLY1)质量守恒约束条件如式(11)。中发生常压下的热解反应生成挥发分和半焦的混合b=∑nmk+∑∑nmkk=12,3…,z(1)物P1。P1进入 RYIELD反应器( PYROLY2)中进行热解压力校正,得到热解产物P2。P2经过分离焓平衡约束条件如式(12)。器(SEP2)进行气固相分离,得到挥发分(GAS)n△Hm+∑n△AH,r(mi+Q2=半焦(CHAR)和焦油(TAR)。由于气流床煤气化(12)反应在高温高压富氧条件下进行,热解产生的焦油∑n,△HAm+∑n△H1rm+Q瞬间发生了完全燃烧反应,因而将热解产生的焦油非负约束条件如式(13)作为气相的热解挥发分处理(13)(2)挥发分燃烧过程挥发分(GAS)氧化剂2 Aspen Plus模拟流程表1 Aspen Plus模块应用汇总2.1建模假设条件元模型作用MIXI结合煤气化反应特征及 Aspen Plus模拟的适用MIXER物流混合器,将多煤粉与载气混合,模股物流汇合成一股拟载气输送煤粉过程性,建模需作如下假设η煤粉与水混合,模拟水煤浆的制备过程(1)整个气化反应可以分为热解、挥发分燃烧、 PYROLY! RYIELD产率收率反应器,根据 David Merrick半焦裂解和气化4个步骤进行在产品收率己知的模型计算热解产物,模情况下模拟化学反拟煤常压热解过程(2)热解过程不受气化炉内气氛条件的影响应过程热解产物主要考虑焦、焦油(CmHn)、CH4、COPYROLY2 RYIELD产率收率反应器,根据挥发分压力校在产品收率已知的正方程计算煤热解挥CO2、H2、H2O、N2和H2S况下模拟化学反发分产物在实际气化应过程力下的收(3)挥发分燃烧过程中,由热解产生挥发分的 SEPARATE SEF2组分分离器,根据热解产物中气固相可燃成分在富氧的条件下完全燃烧规定的流率、分率或分离纯度,将一股物流分(4)热解产生的半焦根据工业分析和元素分析成两股物流结果裂解为C、H、O、N、S的单质和灰分进行气OMBUST RSTOIC化学计量转化反根据化学反应方程应器,根据反应计量模拟挥发分的燃烧化反应学计算化学反应反应(5)气化炉处于稳定运行状态,所有参数不随DECOMP RYIELD产率收率反应器,在产品收率已知的根据半焦的工业分时间发生变化,无压力降,且不考虑气化炉内的浓情况下模拟化学反析和元素分析结果模应过程拟半焦的裂解反应度梯度和温度梯度MIX2MIXER物流混合器,将多模拟半焦裂解产物(6)半焦中的C、H、O、N、S等元素经过股物流汇合成一股气化剂和挥发分燃烧产物的混合过程反应之后全部转化为气相,而C根据反应条件的不 GASIFER RGIBBS多相化学平衡反应根据Gibs自由能最同不完全转化;其中ASH为惰性组分,不参与气化器,根据Gibs自由小化法模拟计算气化能最小化法计算气化过程反应;中国煤化工CNMHG2430·化工进展2016年第35卷挥发分燃烧反应氧气发分气化反应RGiBBS原料混合器合粉十反应器物可合器医反应器回仪四分器YL幽产粉半焦裂解反应图1气流床煤气化过程模拟流程图( OXYGEN)混合进入到 RSTOIO反应器表4热解产物组成( COMBUST)中发生燃烧反应,得到产物率(质量分数)%产物产率(质量分数)%( GASPRO)。1.93(3)半焦裂解过程半焦(CHAR)进入到l1.26CHa7.0RYIELD反应器( DECOMP)中进行裂解反应,得H,O2.17C到C、H2、O2、N2、S及ASH混合物( DECOMP)。4.12(4)气化过程挥发分燃烧产物( GASPRO)半焦裂解产物( DECOMPUD)及水蒸气( STEAM)表5 Beath模型校准的热解产物组成首先进入混合器(MX2)中混合,混合物产物产率(质量分数)%产物产率(质量分数)( MIXTURE)进入 RGIBBS反应器( GASIFIER)中进行气化,生成产物( PRODUCT)。1.78H,O3模拟与校核数据C2H6NH30.010.13.1分析数据H,S(1)煤质分析数据选用宁东重化工基地某煤33气化模型验证气化厂中GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化炉实应用建立的气化模型进行模拟的结果汇总于表际运行过程的气化原煤其主要煤质指标如表2所示。6。表6也给出了气化生产的实际数据。表2煤的工业分析和元素分析单位:%由表6可知,模拟结果与实际工业生产数据基Mad Ad va FCa Ca本吻合,GSP、GE及四喷嘴对置水煤浆气化炉合成722170428.51544566020.730.974.5110.73气有效成分(CO+H2)体积分数模拟结果误差分别为1.48%、0.53%及0.31%,说明该模型能够较为准(2)半焦分析数据利用 David merrick模型估算热解产物需用到半焦的工业分析和元素分析数表6P棵粉气控水煤里化护及四喷哪对道式据,将原煤通过热解实验制得半焦,热解后的半焦组分(体积四喷嘴对置式水工业分析与元素分析数据如表3所示。分数)生产模拟生产模拟生产模拟3.2热解模型计算数据结果根据 David merrick模型计算热解产物的结果如25.525.88373036.1833.7733.96表4所示;根据 Beath模型校准的热解产物结果如CO692567.39399541.6046.584688表5所示21.5915.3318.9612.600.050.08表3半焦的工业分析和元素分析单位:%0.690.380.690440.310.33Mad AdFCa CH,S0.160.190.160.1205823.9898566.1770.260.580.861.233.09CO+H294.7中国煤化工CNMHG第8期东赫等:典型气流床煤气化炉气化过程的建模2431·确的模拟3种典型气流床气化炉气化过程半焦干燥无灰基中C的质量分数4结论半焦干燥无灰基中H的质量分数半焦干燥无灰基中N的质量分数(1)根据煤(颗粒)气化历程,详细解析了煤半焦干燥无灰基中O的质量分数热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应各个阶段半焦干燥无灰基中S的质量分数的机理及过程。系统中元素的个数(2)基于热力学平衡模型,利用 Aspen Plus软件建立了气化过程各个阶段的模型,其中热解过参考文献程依据 David merrick模型计算,并采用 BEATH模1亢万忠,粉煤气化炉的模拟计算及其分析石油化工设计型校正了压力对热解过程的影响,挥发分燃烧反应2008,25(1):29-33过程选用了化学计量反应器模拟,通过 Fortran程序2)王辅臣,龚欣,代正华,等,Sme粉煤气化炉的分析与模拟华东理工大学学报,2003,29(2):202-216计算了半焦裂解产物收率并基于 Gibbs自由能最小(3]于遵宏,王辅臣,等.煤炭气化技术M.北京:化学工业出版社化方法计算了气化反应的产物组成。2010(3)以GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化[4] DAI Zhenghua, GONG Xin, GUO Xiaolei, et al. 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