第5期(總第108期)煤化工2003年1No, 5(Total No 103Coal Chemical Industr2003魯奇加壓氣化工藝優(yōu)化設(shè)計賈春友魏利梅(化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計院,太原03001)摘要對魯奇爐氣化進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬,通過了工程實(shí)際數(shù)據(jù)的檢驗可對各型號的魯奇爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計關(guān)詞魯奇爐氣化模擬文章編號:1005-9598(2003)050030-06中圖分類號:TQ516.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A以人為假定一些邊界條件,將整個床層劃分為由不1魯奇氣化工藝簡介同反應(yīng)區(qū)構(gòu)成的連串反應(yīng)器構(gòu)造,見圖2(a)和(b),比如將燃燒反應(yīng)開始(650K)直到氧氣耗盡之間的用O2/H2O、Air/H2O等氣化劑將煤轉(zhuǎn)化為合區(qū)域定為燃燒區(qū),之后是氣化區(qū),當(dāng)溫度低到氣化反成氣的過程稱為煤的氣化。煤氣化反應(yīng)中的氣化劑應(yīng)可以忽略不計時,氣化區(qū)結(jié)束般包括O2H2O、CO2和H2,產(chǎn)物一般為CO、H和CH4。煤炭氣化是煤炭轉(zhuǎn)化中實(shí)現(xiàn)煤的清潔高效利用的重要過程之一,對其進(jìn)行精確的定量描述過程設(shè)計與控制最優(yōu)化的先決條件。煤氣化過程不同于簡單的化學(xué)反應(yīng)體系,它不僅涉及到復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系,還包括了物理過程干燥餾350-100的脫水于燥和半物理半化學(xué)過程的熱解干餾。僅就氣化1000~1500K氣化反應(yīng)而言既有多個平行反應(yīng),又有連串反應(yīng)和燃燒10002000K次氣相反應(yīng)由于反應(yīng)速率上的差異,較慢的一些灰渣400600K反應(yīng)要用動力學(xué)方程來描述,較快的氣固反應(yīng)要由擴(kuò)散傳質(zhì)方程來描述,較快的均相反應(yīng)則可用熱力學(xué)平衡方程來描述。龐大的反應(yīng)體系和繁雜的傳熱④=其他過程使得對氣化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述十分困難,然而魯奇爐的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了其數(shù)學(xué)模擬的不斷發(fā)展反應(yīng)器的設(shè)計、生產(chǎn)過程的控制和產(chǎn)物組成的預(yù)圖1 Lurgi加壓固定床氣化反應(yīng)器示意圖測不斷向數(shù)學(xué)模擬提出更高的要求魯奇爐的示意圖見圖1。從基本概念上講,固定魯奇爐的數(shù)學(xué)表述床層由上面下可分為干燥區(qū)、干餾區(qū)、氣化區(qū)、燃燒區(qū)和灰渣區(qū)五部分。在實(shí)際反應(yīng)過程中除了燃燒區(qū)在對魯奇爐進(jìn)行數(shù)學(xué)表述時,認(rèn)為煤進(jìn)入反應(yīng)和氣化區(qū)之間是以O(shè)2濃度為零來劃分外,其余各器后自上而下依次經(jīng)歷以下過程:區(qū)并無明確的邊界定義各區(qū)之間可以重疊覆蓋。不(1)干燥煤被來自熱解區(qū)的熱氣體加熱并失過,在數(shù)學(xué)模擬過程中,為了簡化問題、方便求解,可去水分。(2)干餾干燥煤進(jìn)一步受熱發(fā)生熱解反應(yīng)生收稿日期:2003-05-18成半焦焦油和氣體產(chǎn)物。為簡化計算,假定半焦組作者簡介:賈春友,男,1974年生,工程師,1996年畢業(yè)于天成為C,其余元素HN、O、S全部進(jìn)入氣體和液體津大學(xué)化工系,后從中國人民大學(xué)研究生班畢業(yè),現(xiàn)從事化中國煤化工一部分詳細(xì)討論。工工程設(shè)計與管理工作CNMHG相水煤氣變換反003年10月賈春友等:魯奇加壓氣化工藝優(yōu)化設(shè)計31表1化學(xué)反應(yīng)和組分編碼自由區(qū)干燥區(qū)干燥餾區(qū)Ax+02-2-10+2-0020熱氣體干餾區(qū)4 H20氣化區(qū)CC+H2g)→C0+H2氣化區(qū)6 CH半焦D C+2H2-CHaN2(含所有隋性氣2解化性氣體ECO+H2O(g)→CO2+H2CHoN燃燒區(qū)燃燒區(qū)F干餾氣體生成反應(yīng)9 HrS灰區(qū)10半焦渣反應(yīng)氣體千餾焦溜生成反應(yīng)11灰分(a)H于燥過程3水分圖2 Lurgi固定床氣化錫分區(qū)及連串構(gòu)造模型示意圖應(yīng)為這些反應(yīng)的生成物均為重量基準(zhǔn)。在模擬計算C+HO(g)→CO+H2△H=131.306k]/mol中,所有反應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)取反應(yīng)方程式右側(cè)(1)為正,左側(cè)為負(fù)C+CO2→2CO△H=172.47kJ/mol…(2)對氣體組分物料衡算、固體組分物料衡算、氣體C+2H2→CH4△H=-74.84kJ/mol…(3)總能量衡算、固體總能量衡算的表述如下CO+H2O(g)→CO2+HdM△H=-41.16kJ/mol…(4)…………(6)其中前兩個反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng),后兩個反應(yīng)=AU,R+…弱放熱反應(yīng),故氣相自燃燒區(qū)進(jìn)入氣化區(qū)后,在向上流動的過程中溫度迅速降低。4)燃燒半焦在燃燒區(qū)氧化生成CO)和dz=A,[-feER, 4H+sQ+Q - QmJ/CpCO2,考慮到燃燒產(chǎn)物的分布,給出如下綜合反應(yīng)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之間。干燥區(qū)僅涉及煤中水分向氣相的轉(zhuǎn)移,故(5)灰分的熱交換半焦在燃燒區(qū)發(fā)生劇烈的j=4,13。相應(yīng)的衡算方程為:氧化燃燒反應(yīng)后,熾熱的灰分進(jìn)入灰分區(qū),同溫度較az=ARs……(10)低的氣化劑發(fā)生熱交換,一方面對氣化劑進(jìn)行預(yù)熱;另一方面使灰分的溫度降至適宜排放的溫度。dC=a,Rs.……(11)在對魯奇爐進(jìn)行數(shù)學(xué)表述時,由于涉及的反應(yīng)反應(yīng)速率R8和R扌之間存在如下關(guān)系:組分、溫度、組成等變量數(shù)目很多故需要首先對各R8=R/18…化學(xué)反應(yīng)和組分以及元素進(jìn)行編碼,以方便對反應(yīng)干餾區(qū)的物料衡算方式同干燥區(qū)類似,也存在器內(nèi)不同過程的表述。各化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)組分和元著重量基準(zhǔn)和摩爾基準(zhǔn)之間的換算問題。按照前面素的編碼結(jié)果見表1。的討論結(jié)果,對多相氣化和燃燒反應(yīng),按縮核反應(yīng)模表1中反應(yīng)F~H的具體表達(dá)式如下型,引入Bba近似動力學(xué):反應(yīng)F1:煤→y干餾煤氣k.A. cT