煤气化过程的数学模型

第42卷第10期当代化Vo1.422013年10月Contemporary Chemical Industry煤气化过程的数学模型史聪,杨英,夏支文(神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏银川750411)摘要:介绍了目前有关煤气化炉内气化过程的几种典型数学模型,包括基于 Gibbs自由能最小化方法的模型、三区模型、小室模型等。结果表明:在特定煤种和气化炉结构的条件下,各模型对气化过程中主要组分的模拟误差较小,但针对多相(如气、固两相)流、动态、不同煤种等条件下的煤气化模拟研究尚有欠缺或不关键词:煤气化;数学模型;流程模拟中图分类号:TQ546文献标识码:A文章编号:1671-0460(2013)10-1472-03Mathematical Model for Coal Gasification processSHI Cong, YANG Ying, XIA Zhi-wen( Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Ningxia Yinchuan 750411, China)Abstract: Several typical mathematical models for coal gasification process were introduced, including Gibbs freeenergy model, three-region model, cell model, kinetic model and chemical equilibrium model. Under the condition ofthe certain coal and gasifier structure, simulation errors of these models for main components in coal gasificationprocess are small, but these models still have some disadvantages for coal gasification under the conditions ofmulti-phase flow, dynamic state and different types of coalKey words: Coal gasification; Mathematical model; Process simulation煤气化技术是目前及未来实现煤炭高效、清洁、为炉内存在流体力学特性各异的射流区、回流区及经济利用的关键技术之一。因此,开发洁净煤技术,管流区,对应存在化学反应特性各异的一次反应区提高煤炭利用效率、降低煤气化成本的有效途径是二次反应区和一、二次反应共存区。在此基础上建硏制和推广应用大型化、先进的煤炭气化技术。当立水煤浆气化炉数学模型、激冷室与洗涤塔数学模前,从更深层次的理解气化机理,建立能真实反映型、文丘里洗涤器数学模型,其中气化炉数学模型煤气化过程的数学模型,已成为指导气化炉设计、包含气相物料的混合模型和残炭量计算模型,以及评价、生产过程优化及改进的重要发展方向,也是微量组分计算模型世界范围内开发先进煤气化炉的研究热点。(1)气相物料的混合模型自20世纪70年代以来,国内外学者对煤气化在进行气化炉气相物料的计算时,必须从停留过程的反应机理、反应动力学和热力学进行了大量时间分布的角度出发,考虑到微观混合与宏观混合的研究工作,并建立了煤气化过程的数学模型,主的时间尺度。气化炉内宏观混合的时间尺度为M要分为动力学模型和平衡模型。其中典型动力学模0.15~0.50s。气化炉内物料微观混合的时间尺度型有 Watkinson等"提出的动力学模型、王辅臣等2为~0.66s提出的三区模型、李政等提出的小室模型,典型(2)残炭量计算模型平衡模型有 Ruprecht等提出的平衡模型和汪洋等气化炉出口残炭量占煤中总有效成分量的分基于 Gibbs自由能最小化方法建立的气流床煤气化率用下式计算。炉模型等。本文重点对典型三区模型、小室模型及基于Gibs自由能最小化方法模型进行介绍Y=0-)1vRRRt|E()d(1)1三区模型R(2)R1.1模型描述当脱挥发王辅臣等提出水煤浆气化过程三区模型,认中国煤化工化速率时,CNMHG收稿日期:2013-作者简介:史聪),男,宁夏银川人,助理工程师,硕士,2010年毕业于中国石油大学(北京)化学工程专业,研究方向:从事煤化工行业I:shicong@snotl.com第42卷第10期史聪,等:煤气化过程的数学模型1473RR→0,tmi→1/R,上式简化为:Ek=ko expCC( kmol/m3·s)(4)Y=(-H)(1-R)EO(3)R式中:V挥发分析出的总量R挥发分析出速率kgkgR一残炭的反应速率 kg-kg"SR12模型验证( kgkg"S)K Ky K该模型选用的煤的组成及热值见表1所示,模拟结果表明,模拟值与操作值吻合良好,所建立的)(1-e)(6)气化过程数学模拟是可靠的b=18x,/(d2)(7)表1煤的组成及热值Table 1 The composition and calorific value of coal4=(p2-p2)g/(bp,)(8)组成热值式(4)为气相反应速率表达式,式(5)为气CHNs固反应速率表达式,式(6)、(7)、(8)为固体停留时间计算式%%%%22模型验证模型采用Ⅲ linois6号煤对动力学数据进行适当的调整,用另外2组煤种进行校核,元素分析见表k].k30978.32所示。模拟值与试验数据基本吻合,证明该模型可信度较好。1.3模型评价该模型是以气化系统的热力学平衡为基础,同表2元素分析和工业分析时考虑了反应动力学因素的影响,能真实地反应炉Table 2 Element Analysis and industrial analysis参数Ⅲ linois6号Austrilia/UBE Fluid coke内的气化过程,对最终煤气成分的预测与操作值较吻合,同时可对NH3和 HCOOH微量组分进行计算,模拟结果对工程防止灰水循环系统的结垢和腐蚀具有指导意义。HNs但该模型仅适用于水煤浆气化过程,且模拟结8.3果取决于喷嘴与炉体匹配形成的流场,必须对气化炉结构、喷嘴结构及射流特性对流场特性的影响进2.3模型评价行深入且可靠的流体力学研究。该模型较为详细的描述炉内动力学反应过程,2小室模型模拟结果与气化炉实际运行情况较吻合,具有较大的可信度和应用价值,建议从以下方面进一步完善2.1模型描述和深化:李政等采用“小室模型”方法,将气化炉沿(1)少对NH和 HCOOH等微量组分的计算轴向分割为多段,即为小室,且认为每个小室为气(2)鉴于气化炉内气固流动的复杂性,模型假体组分质量、固体质量、碳质量及能量的平衡空间,设与实际流动特性存在差别,有待修正;建立起预测 Texaco煤气化炉性能的数学模型。(3汽化炉分割成小室的分配高度和个数无明建模做如下假定:(1)气化炉内流动为均匀平确定义,模型相对复杂,通用性较差。推流;(2)水煤浆的预热、水分蒸发、挥发份在入炉后瞬间完成:(3)煤颗粒尺寸采用同一粒径,水3基于Gibs自由能最小化方法模型煤浆滴在完成水分蒸发和挥发份释放后,煤颗粒不3.1模型描述结团,此独立存在;(4)缩核不缩炭假定。汪洋等基于 Aspen Plus流程模拟软件,运用模型考虑了气相反应和气固异相反应两种化学Gibs自由能最建÷了宜泪宣压下的气流反应,并建立及起反应速率计算公式,另外建立了床煤气化炉模中国煤化工.2中的物性固体停留时间的计算公式。数据库和单元CNMH见图1所示1474当代化工2013年10月主要包含 Decomp、Burm、 Separate三大单元模块。据式时,基于Gibs自由能最小化原理模拟计算气Decomp单元是将粉煤分解转化成单原子的分化炉的出口组成和温度; Separate模块是将气化炉子并将裂解热传递给Bum单元;Bum单元考虑了5激冷室排出的气液混合物完全分离成气、液两相。种元素和15个组分,在体系达到化学反应热平衡判- TransfeRagaDecompBurnSeparateburnerMixtureYieldflash2WaterWaterlWater2图1气流床煤气化炉模型示意图Fig. I Entrained flow coal gasifier model diagram32模型验证(5)由于该模型,不考虑气化炉的流动传热该模型采用的煤种(北宿煤)元素分析和工业传质特性以及气化反应的过程,相对比较简单,尚分析见表3操作条件为:水煤浆流量为75033kg/h,不能真实反映气化炉内的气化过程。煤浆浓度为64%(wt),氧气流量为30375m/h,气化压力为40MPa(g),碳转化率为98%,热损关4结论为0.5%。通过对Bum单元模块的模拟计算结果进近年来国内以李政、王辅臣、汪洋等为代表的行元素(C、H、O)平衡和热平衡分析,所建立的不少学者作了大量的研究工作,并建立了典型模型基本正确,模型计算结果比较可靠。区模型”、“小室模型”、“基于 Gibbs自由能最小化表3北宿煤的元素分析和工业分析方法模型”煤气化炉数学模型,总体来说,各模型Table3 Beisu coal elemental analysis and industry analysis较为可靠,在特定煤种和气化炉结构的条件下模型组成值值都能与实际值较吻合,具有很大的应用和推广价C69值。但是,相对来说,各模型通用性较窄,在煤气1.28化机理、炉内多项流动力学特性、微量组分计算、动态模拟等方面,大量基础研究和模拟优化工作有8.08待进一步深入或开展。参考文献3.3模型评价[1 Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibriumling of从理论分析来看,该模型的计算结果与实际值gasification: a free energy minimization approach and its appl致,但存在以下不足circulating fluidized bed coal gasifier!J). Fuel, 2001, 80(2): 195-2072]于遵宏沈才大王辅臣等水煤浆气化过程三区模型小燃料化学学(1)Burn单元模块模拟计算出的气化炉出口报,1993,21(1):90-951.组成与温度未与工业实际操作值进行比较,一定程[3]王辅臣,刘海峰,龚欣,等水煤浆气化系统数学模拟J燃料化学学度上限制了对工业实际操作的指导作用;报,2001,29(1):33-38(2) Decomp单元模块未考虑载气(如N2、[4]王辅臣,于遵宏,沈才大等德士古渣油气化系统数学模拟J华东化工学院学报,1993,19(4):393-3001CO2)的输入,是否适用于气流床干粉煤气化炉有51李政王天骄韩志明等Tco,煤气化炉数学模型的研究一建模部待验证;分肌动力工程2001,21(2:1161-1168(3)Bum单元模块未考虑Cl元素和NOx等6]李政王天骄韩志明等 Texaco煤气化炉数学模型研究(2)计算结微量组分,煤种选取单一,而这些对工业实际过程及分析动力工程001,21(4:1316-1319[71 Ruprecht P, Schafer W. Wallace P. A Computer Model of Entrained有重要的指导意义;Coal gasificat(4)模型验证采取的碳转化率高,较低碳转化[8]汪洋代正华率的情况未考虑;气化炉J煤YH中国煤化工法模拟气流床煤CNMHG