鲁奇加压气化工艺优化设计

第5期(总第108期)煤化工2003年1No, 5(Total No 103Coal Chemical Industr2003鲁奇加压气化工艺优化设计贾春友魏利梅(化学工业第二设计院,太原03001)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鲁奇炉进行优化设计关词鲁奇炉气化模拟文章编号:1005-9598(2003)050030-06中图分类号:TQ516.2文獻标识码:A以人为假定一些边界条件,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,气化区结束般包括O2H2O、CO2和H2,产物一般为CO、H和CH4。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馏350-100的脱水于燥和半物理半化学过程的热解干馏。仅就气化1000~1500K气化反应而言既有多个平行反应,又有连串反应和燃烧10002000K次气相反应由于反应速率上的差异,较慢的一些灰渣400600K反应要用动力学方程来描述,较快的气固反应要由扩散传质方程来描述,较快的均相反应则可用热力学平衡方程来描述。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,然而鲁奇炉的广泛应用也促进了其数学模拟的不断发展反应器的设计、生产过程的控制和产物组成的预图1 Lurgi加压固定床气化反应器示意图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,固定鲁奇炉的数学表述床层由上面下可分为干燥区、干馏区、气化区、燃烧区和灰渣区五部分。在实际反应过程中除了燃烧区在对鲁奇炉进行数学表述时,认为煤进入反应和气化区之间是以O2浓度为零来划分外,其余各器后自上而下依次经历以下过程:区并无明确的边界定义各区之间可以重叠覆盖。不(1)干燥煤被来自热解区的热气体加热并失过,在数学模拟过程中,为了简化问题、方便求解,可去水分。(2)干馏干燥煤进一步受热发生热解反应生收稿日期:2003-05-18成半焦焦油和气体产物。为简化计算,假定半焦组作者简介:贾春友,男,1974年生,工程师,1996年毕业于天成为C,其余元素HN、O、S全部进入气体和液体津大学化工系,后从中国人民大学研究生班毕业,现从事化中国煤化工一部分详细讨论。工工程设计与管理工作CNMHG相水煤气变换反003年10月贾春友等:鲁奇加压气化工艺优化设计31表1化学反应和组分编码自由区干燥区干燥馏区Ax+02-2-10+2-0020热气体干馏区4 H20气化区CC+H2g)→C0+H2气化区6 CH半焦D C+2H2-CHaN2(含所有隋性气2解化性气体ECO+H2O(g)→CO2+H2CHoN燃烧区燃烧区F干馏气体生成反应9 HrS灰区10半焦渣反应气体千馏焦溜生成反应11灰分(a)H于燥过程3水分图2 Lurgi固定床气化锡分区及连串构造模型示意图应为这些反应的生成物均为重量基准。在模拟计算C+HO(g)→CO+H2△H=131.306k]/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△H=172.47kJ/mol…(2)对气体组分物料衡算、固体组分物料衡算、气体C+2H2→CH4△H=-74.84kJ/mol…(3)总能量衡算、固体总能量衡算的表述如下CO+H2O(g)→CO2+HdM△H=-41.16kJ/mol…(4)…………(6)其中前两个反应为强吸热反应,后两个反应=AU,R+…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。4)燃烧半焦在燃烧区氧化生成CO)和dz=A,[-feER, 4H+sQ+Q - QmJ/CpCO2,考虑到燃烧产物的分布,给出如下综合反应式z=A-JsR△H-Q.-Qx-QmJ(Cm…AC+Q2→2(X-1)CO+(2-入)CO△H=-565.98+172.47kJ/mol其中λ介于1~2之间。干燥区仅涉及煤中水分向气相的转移,故(5)灰分的热交换半焦在燃烧区发生剧烈的j=4,13。相应的衡算方程为:氧化燃烧反应后,炽热的灰分进入灰分区,同温度较az=ARs……(10)低的气化剂发生热交换,一方面对气化剂进行预热;另一方面使灰分的温度降至适宜排放的温度。dC=a,Rs.……(11)在对鲁奇炉进行数学表述时,由于涉及的反应反应速率R8和R扌之间存在如下关系:组分、温度、组成等变量数目很多故需要首先对各R8=R/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Bba近似动力学:反应F1:煤→y干馏煤气k.A. cT