喷流床煤气化炉的建模

喷流床煤气化炉的建模刘志宾',赵文杰',唐昕”,焦力兴',康会峰31.华北电力大学控制科学与工程学院,河北保定0710032.河南省电力公司,河南郑州4500523.兰州交通大学机电技术研究所,甘肃兰州730070[摘要]采用小室建模法建 立了喷流床(Texaco)煤气化炉的稳态数学模型,即在化学反应的动力学特性以及物质的质量平衡、能量平衡的基础上对每个小室进行建模。模型考虑了气固流动过程及包括催化水煤气反应、煤焦与O2 .CO2、H2、H2O等化学反应过程。该模型仿真结果与多个煤种的气化试验数据相吻合。[关键词]喷流床;煤气化炉;高温分解;燃烧;数学模型[中图分类号] TK229. 8[文献标识码] A[文章编号] 1002 - 3364(2009)02 - 0009 - 04Texaco煤气化炉的数学模型主要有热力学和动力学2种[1~5]。本文针对典型的煤气化炉[0],在充分I 裂解和挥发燃烧区考虑炉内气化进程及化学反应的基础上,对煤气化炉煤焦燃烧区进行了分区处理,建立了动力学模型,并对煤气化炉出口煤气成分与实际运行数据进行了比较,结果表明该气化区模型是有效的。→合成气1 Texaco 煤气化炉冷却室Texaco煤气化炉可分为气化段和煤气冷却段两查热部分(图1)。本文不考虑煤气冷却段,只对气化段进月圈1 Texaco 煤气化炉内分区行建模。煤的气化过程可分为高温裂解和挥发分燃础烧、煤焦燃烧、气化3个阶段"。生反应,产生大量的热。1970 年Bazioch 和Hawks-研ley.1976年Anthony等[7~幻] ,均研究过煤的高温裂解究1.1高温裂解和挥发分燃烧速率,1964年Loison和Chauvinl101通过试验对挥发分在Texaco煤气化炉中,煤、水和氧气同时从炉顶中各组分的最终产量进行了研究并指出:H,的产量不力部进入,由于气化炉入口温度高达2000 C左右,因此随煤种的变化而变化,且CO/ CO2和H2O/ CO2的比备δ煤的挥发分迅速析出,挥发分中的可燃气体与氧气发值相对固定[2]。从而根据元素平衡即可获得挥发分中中国煤化工收稿日期:作者简介:刘志宾(1980-),男 ,河北保定人,华北电力大学控制科学与工程学院硕士w九生，wIb心越让明m用让心程控制2008 - 09 -08TYHCNMHG,中的应用。九E- mail; siluhuayu315404@ 126. com各组分的含量。煤焦燃烧区以及气化区分成若干小室,每个小室看作-一个独立的参数单元。1.2 煤焦燃烧建模的假设条件:(1)气相在第一个区视为全混在煤焦燃烧区,剩余的(2与焦碳反应的同时CO2流,以后视为平推流。气相和固相完全混合，固体在整和H2O与焦碳反应,生成的CO和H2又迅速与()2反个气化炉内视为均匀平推流,不考虑径向温度、浓度等应。在(r存在的环境下,可燃性气体与Or完全反参数差异和物质交换;(2)不考虑反应过程中气化炉内应，即气相中已无可燃性气体川。该区域发生的反应的压力变化,认为气化区域固体颗粒表面温度和气化为:温度不同;(3)气化炉内气体近似为理想气体状态,可C.H,O,NsSA+(--+号-e)02→2(1-二)●遵循理想气体状态方程;(4)固体颗粒为粒径相同的球形。水煤浆在水分蒸发和挥发分释放后,煤颗粒不aC0+(2- 1)aCO, +(号-e)H20+结团,且相互独立;(5)建立的模型为稳态模型。eH2S+ δN; + Ash(1)2.1焦碳气体反应速率C.HpO,NsSA + (a- Y)H2O→aC0+由于Texaco煤气化炉内温度很高,反应速度很(a-r+号- e)H; +eH2S+ δN2 +Ash (2)快,所有异相反应均可看作是气相在焦碳颗粒表面发生的表面反应。由于喷流床气化炉中焦碳颗粒所占体C.HO,NSA + acCO2 + 2aC0+并H20+积很小(<1%).且停留时间一般在5~8 s,因此煤粉颗粒碰撞概率很小，可认为颗粒表面因反应形成的灰(-r+上-E)H2 +eH2S+ jN2 +Ash (3)层始终保留而不会脱落。所以,对气-固之间的异相反H2 + 1/2O2→H2O(4)应采用未反应核收缩模型,焦碳颗粒总的反应速度由CO+ 1/202→CO2(5)化学反应速率、灰层扩散速率和气膜扩散速率共同决定:1.3气化燃烧气体进入气化区,此时氧气已耗尽,发生水煤mo=[品+康+志($-1)]"(p,一p门)(9)气反应,煤焦与H2生成CH,并伴有甲烷蒸汽重整反式中:Y=r./R=[(1-x)/(1-f)]"s (其中f是热应。因此,除了式(2)和式(3)的反应外,气化阶段还发解刚结束时干煤中无灰成分的转化率;x是热解结柬生了以下3个反应:后任意时刻干煤中无灰成分的转化率);k为气体扩C.H,O,NsS.A+ (2a+Y+e-号)H2→aCH,+散到焦炭表面的速率常数,g/(cm2●s);k, 为碳核表面的化学反应速率常数,g/(cm?●s);kamh= kau(e*°5)yH2O +eH2S+ jN: + Ash .(6)是气体通过灰层扩散到未反应核表面的速率常数,g/热C0+ H2O≈CO2 + H2(7)(cm2●s);e为灰层的空隙率,该模型中取ε=0.75;p;基CH, + H:OC0+ 3H2(8)为气体组分分压力;p,-pi为考虑可逆反应的有效分离开气化炉的气体以CO、H2、CO2为主(假设挥压力。究发分中的可燃气体在富Or区已经完全耗尽,则最后的产品中无焦油),还包括原煤中的S和N所产生的2.2 同相反应速率热H2S和N,以及微量CH,构成的混合气体。高温裂解和挥发分燃烧以及煤焦燃烧阶段,只要有O2存在,可燃性气体(O2 ,CO,CH.焦油)就可彻底2数学建模反应;气化阶段,考虑了反应式(7)的煤灰中FexOs 的催化I中国煤化工反应。本文建立的模型为连续小室未反应核收缩模型，CHCNMHG九即将煤的高温分解 和挥发分燃烧区视为一一个独立“小。2.3 动力字参致室"(约为气化炉高度的1/20),沿气化炉高度方向将焦碳~ H2O的动力学参数:0k, = 247exp(- 21 060/T,)(10)顶端的距离; Ho.rmn为气态和壁的交换热;A,为小kam=10x10-*(20/(p,d,)(11)室的横截面积;a= (W,/A,v,)(6/p.d,)。裹1 j,k 在反应方程式的定义pi一pi = Pr0叫一Pcp(12)j固体反应式k气体反应式Kakm = exp[17. 644- 30 260/(1.8. T,)] (13)1 高温裂解I H2 +1/202→H20其余动力学参数见文献[1]。2碳和氧气反应式(1)2 C0+1/202- +COr3碳和水反应式(2)3 CH.+20>-C2 +2H2O4碳和二氧化碳反应式(3) 4 C%H6+15/202→3H20+ 6CO22.4能量和质量守恒5碳和氢气反应式(6)5 C0+ H20=COr+H22.4.1能量守恒6水煤气反应式(7)6 CH4+H20≈C0+ 3H2假定任意小室能量平衡(图2),W..为n-1小室甲烷蒸汽重整化反应式(8)的固体流量,g/s;T..为n-1小室的固体温度,K;Tg..为n-1小室的气体温度,K;W..s+s为n小室第i种裹2每个区的反应方程式气体的气体流量,g/s;Tg.+an为n小室的气体温度，每一小室反应方程式，K; W..+a为n小室的固体流量,g/s;T.+ax为n小室高滥裂解和挥发份燃烧区的固体温度,K.煤焦燃烧区2,3.41,2,3气化区.3,4.5,6,75,6WT |12.4.2质量守恒相内相为计算出每一小室的出口物质流量,需要(小室中固体颗粒在其内的停留时间)满足下式":v, = v.e+ (rg +u)(1-e-0u)(15)b=(16)用2任意小窒的质量和能平衡P。d好任意小室固相和气相的能量平衡为:v,=(P.- p)dg(17)18μ小室流出气体和固体的总焓-小室流入气体和固其中,u,7分别为固体进人小室的初始速度和平均速体的总焓=小室反应方程式释放的热量-小室对外传度,cm/s;vg为小室内气体的速度,cm/s;u为小室内热量固体颗粒的终端速度,cm/s;p.,p%分别为小室内固体由于焦碳颗粒所占体积很小(<1%),与壁接触面和气体的密度,g/cm';p为气体的粘度,Pa. s;g为重也就小，固相与壁的交换热远小于固相进出小室的变力加速度,980 cm/s*.化焓,因此固相传热H....n可忽略。.固体停留时间Ot与小室高度Oz满足如下关系:热其任意小室能量平衡式为:Oz= v,Ot(18)(SW.cmwT.+W.cnT)+a-( SW.cwT.+根据固体颗粒在小室的停留时间,可进一步计算出小室内固体颗粒的反应速率和表面积。W.cmT,).= 2a(- 0H,)r;(A,Oz)+任意小室内气态的质量守恒式为:究Za(- AH,)rn(A,0z)- Hmern (14) .E(W+u -W..)= 2(A.sz. 2vor)式中,j,k是表1和表2所对应的反应方程式;W。为n(19)小室第i种气体的气体流量,g/s;W.是n小室的固体固态的质量守恒式为:流量.g/s;CmnCpm分别是气体和固体各自的比定压热中国煤化工容;QH,OH;分别是表1各自的第k,j个反应方程式(20)?YHCNMHGi的反应热;r;r,分别为第j个气态、第k个固态反应式中 Ua是弟k个反应万程式i柙气体成分的化学计量九方程式的反应速率;Oz是小室高度;z为距离气化炉参数。3模型的验证合,而且C的转化率均在97%以上。表3干煤分析用于建模的气化炉的气化段尺寸为330 cm,水冷0 Ash C1段尺寸为279.6 cm,直径为152. 4 cm,采用llinoisIlinois No.674.05 6.25 0.71 1.77 1.32 15.53 0.37No.6和SRC-1I2种煤(表3)。模型出口流率与实.SRC-1I1 64.90 3.65 1.25 2.96 1.70 25.54际试验数据的比较如表4所示。由表4可见,用动力学模型计算的气化炉出口量与实际工业数据基本吻亵4模型出口流率与实际试验数据煤流率O2/煤水/煤CO流率Hz流率 CO2流率 CH,流率 H2S流率 Nz流率 C 转化率/g. s-I/Vol.% /Vol.% /Vol.% /Vol.% /Vol.% /Vol.% /%试验数据57.5739.132.950.120.0698. 6476.660. 88680.241模型结果56.3439.783.26.0.140.270.2097. 05试验数据53.51 .31.756. 700. 001.040. 5099.000.77模型结果_ 57.8934. 156.900. 0870.57，0.3998.774结论eling[J] . Industrial and Engineering Chemistry, 1979,18(4) :684 - 695.本文采用小室建模方法,在质量、能量平衡的基础[4] R Govind and J Shah, Modeling and simulation of an en-trained flow coal gasifier[J]. A. l.Ch. E. 1984,30(7): 79 .上建立了Texaco煤气化炉的稳态动力学模型。与已-91.有的模型相比,该模型具有以下优势。[5] P Ruprecht, W Schafer,P Wallace. A computer model of(1)模型出口流率与实际试验数据基本吻合,且entrained coal gasification[J]. Fuel, 1998,67; 673 - 678.C的转化率在97%以上,具有很高的实际应用价值.6] 李政,王天骄,韩志明,等. Texaco煤气化炉数学模型的研(2)气态固态温度参数的修正,提高了温度参数的可靠究--建模部分[J].动力工程，2001,21 (2): 1161 -性。另外,该动力学模型符合多个煤种的进料,具有普1165,1168.遍性。(3) 整个建模过程没有采用化学平衡假定,而[7]Badzioch S,P B W Hawksley. Kinetics of Thermal De-composition of Pulverized Coal Particles[J]. Ind. Eng.是较为详细地描述了化学反应的动力学特性,更符合Chem. Process Dev. ,1970,9:521.实际运行情况。(4)将气化区划分为多个不大于1 cm[8]Anthony D B,J B Howard,H C Hottel,et al. Rapid的小室,进行集中参数建模,使得整个建模过程更加精Devolatization of Pulverized Coa[J]. Fuel, 1976.55:121.确地描述了气化区参数的分布特性。[9] Anthony D B,J B Howard, Coal Devolatization and Hydro-gasification[J]. A. I. Ch, E. J,1976,22 :625.[参考文献][10] Loison R, R Chauvin. Pyrolyse Rapid Du Carbon[J].恐[1]徐强,曹江,周-工,等.整体煤气化联合循环(IGCC)特Chim. Ind. ,1964,91 :259.能基点综述及产业化前景分析[J].锅炉技术，2006,37(11):6.[11] Peter Ruprechr, Wolfgang Schafer, Paul Walle. A com-础.[2]倪维斗，郑洪韬,李政,等.多联产系统:综合解决我国能puter model of entrained coal gasification[J]. Fuel, 1988,研源领域五大问题的重要途径[J].动力工程，2003, 2367:739 -742.(2)2245 - 2251.[3] C Y Wen,T Z Chaung. Entrainment coal gasification mod-(下转第16页)中国煤化工MYHCNMHG12[5] 樊泉桂,阎维平.锅炉原理[M].北京:中国电力出版社，[6] 赵翔,任有中.锅炉课程设计[M].北京:水利电力出版2004.社,1991.ANALYSIS OF EXERGY TRANSFER IN UTILITY BOILERSWANG Bing ~ li' ,CHEN Hai - ping' , HUANG Zhi - yuan2 ,MA Qiang' ,ZHOU Yong - jie'1. Key Laboratory of Power Plant Equipments Condition Detecting and Controlling under EducationalMinistry , North China Electric Power University，Baoding 071003 , Hebei Province, PRC2. Construction Engineering Company NO. 1 under North - east China Electric Power Administration, Tieling112000,Liaoning Province, PRCAbstract; The exergy transfer analysis model for utility boilers has been estabished. In the light of《Exergy Evaluation Criterion InEngineering》,the evaluation principle for exergy transler. exergy f{lux density, and exergy resistance etc. has been put forward,andthe exergy transfer coefficient being defined, the exergy transfer analysis for boilers of 100 MW unit being completed. Through com-parision with the conventional heat transfer and excergy analysis , it is believed that the exergy transfer analysis can provide new infor-mation about technical evaluation, thereby,the energy transfer can have a more complete and comprehensive dynamic analysis.Key words; utility boiler;exergy transfer; exergy flux density;heat transfer(上接第12页)ESTABLISHMENT OF MODEL FOR SPURTING BED COALGASIFICATION FURNACELIU Zhi - bin' ,ZHAO Wen - jie' ,TANG Xin2 ,JIAO Li- xing' ,KANG Hui - feng'1. College of Control Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 07 1003，Hebei,Province,PRC2. Henan Eletric Power Corp. ,Zhengzhou 450052, Henan Province,PRC3. Electromechanical Research Institute, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,Gansu Province, PRCAbstract; A stable mathematice model of spurting bed coal gasification furnace has been established by adopting method of establishingmodel for each cubiclei. e. the model for each cubicle is established on the basis of dynamics characters of chemical reactions,as wellas mass balance and energy balance in the substance. In the model,gas - solid flow process as well as chemical reactions, including cat-alytic water - coal gas reaction and reaction of coal coke with O2 ,CO2 ,H2 and H2O etc. ,have been considered. The result of emula-tion tllies with the gasification test data of many coal sorts.基Key words: spurting bedscoal gasification furnace;high - temperature pyrolysiscombustion; mathematic model研究势第3中国煤化工箩MYHCNMHG九6