粉煤气流床气化炉的数值模拟

第33卷 第3期煤炭转化VoL.33 No. 32010年7月COAL CONVERSIONJul. 2010粉煤气流床气化炉的数值模拟”郑煜鑫"吴 学红2)张文慧3)吕彦力"摘要应用AspenPlus工业系统流程软件和Gibbs 自由能最小化方法对粉煤气流床气化炉进行模拟.在设定粉煤气流床气化炉条件下,研究空气(O2占0.21,N2占0. 79)与煤比和气化压力对有效气体(C0+ H2)含量的影响.结果表明,在设定粉煤气流床气化炉温度为1 500 C和碳转化率为99%的条件下，当煤进料量为3 265.87 kg/h,空气与煤比为4: 1时,有效气体含量最大.同时,气化压力越大,有效气体含量越大.关键词气流床气化炉 ,Gibbs自由能,有效气体,数值模拟.中图分类号TQ545,TQ541拟,同时考虑操作条件的改变对煤气化性能的影响;0引言张宗飞等以以Aspen Plus为模拟工具,选择反应平Aspen Plus是一种通用的化工过程模拟、优化衡模型,并应用Gibbs自由能最小化方法建立了和设计软件,源于美国能源部20世纪70年代后期Shell粉煤气化模型，并应用神华、沾化和天碱煤种在麻省理工学院MIT组织会战,要求开发的第三代对模型进行检验;项友谦[8]用能量最小化原理建立流程模拟软件.这个项目称为“先进过程工程系统”加压气化模型,并用四种方法对微分方程求解.以上.(advanced system for process engineering),简称研究发现,采用Aspen Plus软件对粉煤气流床气化ASPEN.其主要功能包括:1)具有工艺过程的热动炉进行模拟仍然有一定的局限性,主要是需要一些力学和传输特性模型;2)拥有一个完善的物性数据参数的设定,还需要考虑实际工艺设备的操作条件，库;3)具有物性参数分析系统;4)包括50余种单元有待于建立更加细致和全面的气化模型,使模拟结模型;5)拥有一个强大的模拟分析工具.果对实际工艺设备的运行起到- -定的理论指导作Ong'ro"早在1996年就用Aspen Plus软件来用.本实验采用化学计量反应器与吉布斯自由能最模拟蒸汽热电联产电厂热力学模型,并且用105 MW小的平衡反应器相结合的化学计量粉煤煤气化模型电厂的实际应用数据验证了模拟的可靠性;Wat-来研究不同的空气与煤比,不同的气化压力对粉煤kinson[2] 提出平衡模型,通过质量和能量平衡及反气化炉中有效气体CO+H2含量的影响.应平衡方程式的关联,可以得到产品组成、产率和最佳适宜温度;在国内,徐越等”基于Aspen Plus的1粉煤气流床煤气化炉模型图形化建模工具,与传统的煤气化过程计算方法相运用Gibbs自由能最小化方法建立粉煤气流床比,可以实现快速编制模拟煤气化过程的模拟软件,煤气化模型见图1,其中包括:1)规定反应程度和转并可将气化过程与整体煤气化联合循环(IGCC)发23一电系统的优化设计过程整合;汪洋等[0基于AspenB1Plus工业系统流程模拟软件,运用Gibbs自由能最.Dcmp-- Burm-03+小化的方法建立了气流床煤气化模型,研究了气化.⑥→炉的主要操作参数;代正华等5]用Gibbs自由能最00°T-Q-”中小化的方法对粉煤气化过程和某一混合煤种进行了中↓热力学平衡分析,并对某一混合煤种进行了气化模图1气流床煤气化炉 模型拟;林立[6]用Aspen Plus软件对煤气化过程进行模中国煤化Iedco Baile#国家科技支撑计划项目(2006BAJ01A10)、河南省科技攻关项目(10210221.MYHC N M H G项01J00).0)1)硕士生;2)副教授;3)讲师;4)教授,郑州轻工业学院机电工程学院450002郑州收稿日期:2010-03-12;修回8期:2010-05-05第3期郑燦蠡等粉煤 气流床气化炉的数值模拟35化率的化学计量反应器(Rstioc);以物料平衡为基3计算模型设定础的收率反应器(RYield),并将其命名为DECOMP模块;以化学平衡和相平衡为基础的吉布斯自由能本模型考虑了固体颗粒与气化剂之间的反应以最小的平衡反应器(RGibbs),并将其命名为BURN及气体之间的反应.气化过程中的化学反应在进行模块;两股出口流的闪蒸罐(Flash2);子物流分流器正反应的同时,反应产物也相互作用形成逆反应.当.(SSplit);2)十个物料工艺流股;3)热流工艺流段.正逆反应的速度相等时,化学反应达到平衡. .水煤浆气化炉模型的工艺流程为:由DECOMP用AspenPlus软件计算时,一般所涉及到的组模块将粉煤裂解成单元素分子和灰分并将裂解热分分为常规组分和非常规组分两大类.对于常规组QTRANSFER(12)导入BURN模块,粉煤裂解后分,用RK-SOAVE方程计算物质的相关热力学性的产物INBURN进入BURN模块,运用吉布斯自质.非常规固体组分不参与化学平衡和相平衡,只是由能最小化方法可以确定出口温度和组成，子物流计算密度和焓.一般用HCOALGEN模型来计算煤分离器SSplit将BURN模块出来的气体混合物进的焓,这个模型包含了燃烧热、标准生成焓和热熔.行分离得到粗合成气RAWGAS(15)和灰渣ASH本模型选择反应平衡模型.基于Aspen Plus化(14).粗合成气RAWGAS的组分包括:H2O,N，工流程模拟软件,采用吉布斯自由能最小化方法对O2 ,S,H2 ,C,CO,COr ,H2S,COS,CH,和NH.气流床气化炉模拟.本次模型物性计算方法采用I-DEAL模型.基于气流床煤气化模型,在不同工艺2气化机理条件下对模拟结果进行分析,确定其最佳工艺条件.粉煤煤气化的总过程有两种类型的反应,即非4操作参数的影响均相反应和均相反应.前者是气化剂或气态反应产物与固体煤或煤焦的反应;后者是气态反应产物之粉煤气流床煤气化炉产生煤气的主要成分是间的相互作用或与气化剂的反应.生成气体的组合CO和H,还有甲烷、二氧化碳和水蒸气等气体.本取决于所有这些反应的综合.煤的分子结构很复杂,次模拟主要考虑空气与煤比率(质量比)和气化压力其中含有碳、氢氧、氮和硫等其他元素.对煤气化的影响.通过对模拟结果进行分析,研究有1)气固非均相反应:气固非均相反应主要是在效气体CO和H:变化情况.高温条件下,固体颗粒与气化剂(氧气和水蒸气)之本次粉煤气流床气化炉模拟的主要工艺参数范间的反应(见表1).围:空气与煤比率为1~9,温度1 500 C,压力为表1气固反应模型4 MPa~10 MPa,煤进料量为3 265. 87 kg/h,空气Table 1 Models of gassolid reaction(氧气摩尔分数0.21,氮气的摩尔分数0.79)流量范NumberGas-solid reaction围为3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/h, 碳的转化率C+O→+CO2 .为99%.2C+O2→2C0C+COr+2C04.1空气与煤比率C+ H2O-CO+ H2zC+2Hz-CH设定本粉煤气化炉的气化温度1500 C,气化Sx+2Hz→2H2SS+2C0-2C0S__压力6 MPa,煤进料量为3265. 87 kg/h, 改变空气2)气体之间的均相反应:在高温条件下,反应流量(3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/b)即空气与煤生成的气体活性很强,彼此之间存在着可逆反应(见比率为1~9.基于气流床气化炉模型模拟结果,分析有效气体CO和H2随空气与煤比率的变化情.表2).况,结果见第36页图2.气体之间的交换反应模型由图2可以看出,随着空气与煤比率的增加，Table 2 Model of gas exchange reactionCO含量先增加后减小，是因为在氧气不充分的条Gas exchange reactionCO+H2O-CO2+H2 .件” 中国煤化工co含量增加;当2C0+ 3H2- +CH4 +2H2O氧应生成CO2,所以CO2+4Hz-CH.+2H2OCCTYHC N MH或小,是因为co与2CO+ 2H2→CH, + CO2H:S+CO+COS+ Hz___H2O反应生成CO与H2;随着空气量的增加,生成36煤炭转化2010年000o4 0003 500300080-3000-2 500of7 00ol8 150021 0003 1000500°T234567891001234567890012345678910Ratiof ircalRatio of air-coal图2不同空气/煤 比率下的有效气体含量Fig. 2 Content of effective gas under various ratio of aircoal的H2与O2反应生成水蒸气.由图2c可以看出,有时,改变 气化压力(4 MPa~ 10 MPa),基于气流床效气体CO+H2含量在空气与煤比为4的时候达气化炉 模型模拟结果,分析有效气体CO和H2随到最优值,也就是说当空气流量为13 063. 48 kg/h压力 的变化情况,结果见图3.时,有效气体CO+H2含量最大.由图3可以看出,有效气体CO+H2含量随着压力增加,在4 MPa~6 MPa之间,出现缓慢的下4.2气化压力降,达到6 MPa以后,随着压力的增大,有效气体含设定本粉煤气化炉的气化温度1 500 C,煤进量CO+H2增加.但是,不是压力越大越好,它的确料量3 265. 87 kg/h,空气流量为29 392. 79 kg/h定还需要考虑工艺制造和操作管理方面的问题.0.14。22-0.12-20-194567891001145678910p/MPa图3不同压力下的有效气体含量Fig. 3 Content of efective gas under various pressures8一-CO;b- - - - -H21C- co+ Hz比为4时,有效气体CO+H2含量达到最大值.5结论2)在气化压力2 MPa~10 MPa变化范围,有效气体CO+H2含量先缓慢下降后出现上升趋势.1)在空气与煤进料比为1~9的范围内,有效压力越大,有效气体CO+ H2含量越多,但是需要气体CO+H2含量先增大后减小.当空气与煤进料考虑工艺设备的条件.参考文献[1] Ong'iro A,Ugursal V I,Al Taweel A M et al. 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Under the givenconditions of pulverized coal entrained-flow gasifier, the effects of content of effective gas (CO+H2) are studied under various ratios of air-coal and various pressures. Under the given conditionsof 1 500 C and carbon conversion of 99%, when coal flow volurme is 3 265. 87 kg/h and the ratioof air/coalis4* 1, the computational results show that the content of effective gas is maximal.At the same time, the content of effective gas increases with the increasing of the pressure.KEY WORDS entrained-flow gasifier ,Gibbs free energy ,effective gas , numerical simulation(上接第14页)11] Vuthaluru H B. Thermal Behaviour of Biomass/Coal Blends During Co pyrolyis[J]. Fuel Processing Technology ,2004,85(2)141-155.[12]徐建国,魏兆龙用热分析法研究煤的热解特性[].燃烧科学与技术1999.5(2);176-179.[13] 刘先建,范肖南,武建军等.溶胀煤的红外光谱及热重分析研兖[J].安徽理I大学学报(自然科学版) ,2005 ,25(1);48-52.[14] 任强强 ,赵长遂,庞克亮.生物质热解的TGA-FTIR分析[J].太阳能学报.2008,29(7) ;910-914.[1s] 姚燕,王树荣,郑 赞等.基于热红联用分析的木质素热裂解动力学研究[J].2007,13(1) :50-54.[16] Jones J M,Kubacki M. 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The experimental results show that the pyrolysis characteristics of coal with sawdust blendsare not similar to that of every single sample addition of single coal with single sawdust. The highrank coal with sawdust is more beneficial to interaction effects than low rank coal. By investiga-ting the infrared spectrogram, there is a difference in中国煤化工-nt coals withsawdust. It is discovered that the coal rank has imp:olysis of theblends. The interaction effects in the co-pyrolysis of coMYHCNMHGd.KEY WORDS biomass, coal, pyrolysis, TGA-FTIR