煤气化过程的数学模型

第42卷第10期工2013年10月Contemporary Chemical IndustryOctober，2013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 )摑要: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: TQ 546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 coal.Key words: Coal gasifcation; 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- -。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。在此基础上建研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0.15~0.50 s。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B 41为~0.66s。提出的三区模型、李政等19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8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Gibbs自由能最小化方法模型进行介绍。y-=f% (1-V)|1+-- R.t E()dt (1)R1三区模型_ R.+V.R.(2)R,R1.1模型描述当脱挥发分的速率远大于残炭的气化速率时，王辅臣等”提出水煤浆气化过程三区模型，认收稿日期: 2013-04-08作者简介:史聪 (1985-).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。E-mail: shicong@snctl.com.第42卷第10期史聪，等:煤气化过程的数学模型1473RJR,- +0, terir →1/Re，上式简化为:y= p*(-V)(I-RI)E()dr .(3)k =kgexp|R.Tg|CCe(kmolm'.s) (4)式中:V- -挥发分析出的总量,R.一挥发分析出速率,kgkg"'s;(5)R-残炭的反应速率.kgkg's'。R=(P-P")1.2模型验证 (kgkg's' )Kan Ky2° Kan(该模型选用的煤的组成及热值见表1所示，模u, =u,iel""+(ug +u)(1-e)(6)拟结果表明，模拟值与操作值吻合良好，所建立的气化过程数学模拟是可靠的。b=1842/(pd)(7)Table 1 The composition and calorific value of coal表1煤的组成及热值u,=(p,-p2)g/(bp,)(8)组成/热值单位值式(4)为气相反应速率表达式，式(5)为气77.18固反应速率表达式，式(6)(7)、(8)为固体停留4.59时间计算式。0.902.2模型验证0.22模型采用lliois 6号煤对动力学数据进行适当Ash5.78的调整，用另外2组煤种进行校核，元素分析见表热值Qkkg'30 978.32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Table 2 Element Analysis and industrial analysis时考虑了反应动力学因素的影响，能真实地反应炉参数llinois 6号Austrilia/UBEFluid ceoke内的气化过程，对最终煤气成分的预测与操作值较66.886吻合,同时可对NH;和HC00H微量组分进行计算，H5.35.02.0模拟结果对工程防止灰水循环系统的结垢和腐蚀具7.32.3有指导意义。1.3.7.0.2.3但该模型仅适用于水煤浆气化过程，且模拟结15).5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模型评价行深人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 )缺少对NH,和HC0OH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 )气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、挥发份在人炉后瞬间完成; (3)煤颗粒尺寸采用同-粒径， 水3基于Gibbs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Gibbs自由能最小化方法建立了高温高压下的气流反应，并建立及起反应速率计算公式，另外建立了床煤气化炉模型，并采用Aspen Plus10.2 中的物性固体停留时间的计算公式。数据库和单元模块进行计算。其示意图见图1所示，1474当弋化工2013年10月主要包含Decomp、Burn、 Separate 三大单元模块。据式时，基于Gibbs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Burn单元; Bur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个QtransfeRawgasDecompBurnSeparateInburnerMixtureLiquid ]下5>RyieldGibbsflash2| Water| QlostWaterl Water2Coal个个图1气流床煤气化炉模型示意图Fig.1 Entrained flow coal gasifier model diagram3.2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30375 m/h,气4结论化压力为4.0 MPa(g),碳转化率为98%，热损失为0.5%。通过对Burm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、0)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“三模型基本正确，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Table 3 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单位值值都能与实际值较吻合，具有很大的应用和推广价C%69.27值。但是，相对来说，各模型通用性较窄，在煤气4.561.28化机理、炉内多项流动力学特性、微量组分计算、3.60动态模拟等方面，大量基础研究和模拟优化工作有8.08待进一步深人或开展。13.21参考文献:3.3模型评价[1] Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibrium modeling of从理论分析来看，该模型的计算结果与实际值gasifieation: a free energy minimization approach and its application toaeireulating fuidied bed coal gaifir[] Fuel.2001, 80(2); 195-207.一致，但存在以下不足:2]于遵宏，沈才大王辅臣等水煤浆气化过程三区模型I]燃料化学学(1) Burm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，- - -定程31王辅臣刘海峰，龚欣，等水煤浆气化系统数学模拟[D]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():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[华东化工学院学报，1993, 19( 4): 393-3001.CO2)的输人，是否适用于气流床干粉煤气化炉有[5]李政,王天骄，韩志明等Texaco 煤气化炉数学模型的研究一建模部待验证;分].动力工程2001, 21(2): 1161- 1168.(3) Burm单元模块未考虑Cl元素和NOx等[6]李政,王天骄韩志明,等Texaco煤气化妒数学模型研究(2)- -计算结果及分析.动力工程,2001, 214;: 1316- 1319.微量组分，煤种选取单- -，而这些对工业实际过程[7] Ruprecht P, Schafer W. Wallace P. A Computer Model of Entrained有重要的指导意义;Coal CaifatioO] Fuel, 1988 576); 739-743.(4 )模型验证采取的碳转化率高,较低碳转化[8]汪洋,代正华,于广锁等运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤率的情况未考虑;气化炉U]煤炭转化200, 27()27- 33.