第27卷第4期媒炭轉(zhuǎn)化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOet.2004運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐汪洋)代正華2)于廣鎖3于遵宏”摘要基于Aspen Plus工業(yè)系統(tǒng)流程模擬軟件,運用Gibbs自由能最小化方法建立了氣流.床煤氣化爐的模型.研究了氣化爐的主要操作參數(shù)(即水煤漿濃度、氧煤比、碳轉(zhuǎn)化率和氣化溫度)對氣化結(jié)果的影響.對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)模型基本正確,可應(yīng)用于一些反應(yīng)機理復(fù)雜的氣化工藝的化學(xué)和熱力學(xué)平衡計算.模擬結(jié)果表明,氧煤比和水煤漿濃度是影響氣化爐出口煤氣組成的主要因素,氣化爐溫度隨著氧煤比的增加而增加,也隨著水煤漿濃度的增加而增加.結(jié)果還表明,氧煤比對氣化結(jié)果的影響比水煤漿濃度的影響更為顯著.關(guān)鍵詞氣流床,氣化爐 ,Gibbs自由能,Aspen Plus中圖分類號TQ545元模型庫,可用于各類過程工業(yè)流程的模擬.在提供0引言可靠的熱力學(xué)數(shù)據(jù)流程操作參數(shù)和準(zhǔn)確的設(shè)備模型的情況下,Aspen Plus可用于工廠實際生產(chǎn)流程的氣流床氣化爐的數(shù)學(xué)模型一般是平衡模型或考模擬.在AspenPlus提供的通用過程單元模型不能慮氣化過程動力學(xué)的模型.平衡模型認(rèn)為氣化過程滿足用戶需求時,用戶可利用AspenPlus提供的用所有化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡,通過對氣化過程質(zhì)量及能戶擴(kuò)展接口將自定義的過程單元模型添加到系統(tǒng)量平衡方程求解得到反應(yīng)平衡時的煤氣組成及平衡中,在Aspen Plus系統(tǒng)框架中使用.用戶擴(kuò)接口賦溫度.項友謙"用能量最小原理,建立了加壓氣化平予AspenPlus極大的擴(kuò)展能力，同時有助于保護(hù)用衡模型，并用4種方法對微分方程求解.戶已有的開發(fā)成果.AspenPlus支持Fortran用戶Watkinson[2提出平衡模型,通過質(zhì)量和能量平衡及模型、Excel用戶模型、基于CAPE OPEN COM技反應(yīng)平衡方程式關(guān)聯(lián),可以得到產(chǎn)品煤氣組成、產(chǎn)率術(shù)的用戶模型及由建模工具導(dǎo)人4種用戶定義模型和最佳適宜溫度. Ruprechti等建立了平衡模型,并開發(fā)方式.本文基于Aspen Plus化工流程模擬軟用于評價實驗數(shù)據(jù)分析.平衡模型可用于對出口組件,運用Gibbs自由能最小化方法建立并模擬了氣成及溫度進(jìn)行簡單預(yù)測，由于其假定的條件較理想，流床水煤漿氣化系統(tǒng)的氣化爐模型.采用Aspen如假定所有反應(yīng)都達(dá)到平衡,在實際過程中是不可Plus10. 2中的物性數(shù)據(jù)庫和單元模塊進(jìn)行計算,并能的.因此其用途受到一定限制,對過程控制及氣化引入實際工業(yè)操作過程中的碳轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)和估算的爐設(shè)計參考價值較少.為了更準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)模型對熱量損失用以修正模擬結(jié)果. [5-)氣化及燃燒過程進(jìn)行模擬,需要考慮氣化過程三傳1氣流床煤氣化爐模型一反及動力學(xué)行為.許多研究者對此進(jìn)行了研究,建立了一維、二維及多維模型.王輔臣等[4]在氣流床煤運用Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤氣化爐的數(shù)學(xué)模擬方面做了大量工作.氣化爐模型見圖1,其中包含3個單元模塊、9個物Aspen Plus是一種通用的化工過程模擬、優(yōu)化流工藝流股和2個熱流工藝流股. Decomp模塊將和設(shè)計軟件，在物料和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡粉煤分解成單元素分子和灰分并將裂解熱導(dǎo)人及反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)上,Aspen Plus提供了大量的物Burn模塊,Burn模塊運用Gibbs自由能最小化方性數(shù)據(jù)、嚴(yán)格的熱力學(xué)估算模型庫和豐富的過程單法求得中國煤化工:parate模塊將氣*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2003AA521020)和上海市啟明星計劃項目(O3MYHCNMHG1)碩士生;2)講師;3)副教授;4)教授.博士生導(dǎo)師,華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,200237上海收稿日期,2004-07-15;修回日期:2004-08-2528煤炭轉(zhuǎn)化2004年化產(chǎn)生的氣相混合物洗滌冷卻,得到粗合成氣. [8]粉煤氣化系統(tǒng)的熱損失,Mixture為氣化產(chǎn)生的氣Coal為進(jìn)人系統(tǒng)的煤,Inburner為粉煤經(jīng)過熱相混合物，Water1為進(jìn)人激冷室的激冷水,Water2裂解后的產(chǎn)物,Qtransfe為粉煤裂解熱,Water為進(jìn)為鎖斗循環(huán)水,Rawgas為粗合成氣,Liquid為排放人系統(tǒng)的水,Oxygen為進(jìn)人系統(tǒng)的氧氣,Qlost為黑水.個C Qtransfe_Decomp[ Inburmer ]- 斗Bum[ Mixture ]》SeparateLiquid}-5RyieldGibbsflash2[Water ][Qlost][Coal]WatyL ] Wale2 ]Oxygen ]圖1氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig. 1 Diagram of entrained-flow bed coal gasifier modelDecomp單元是一個僅計算收率的簡單反應(yīng)器,模塊來自Aspen Plus 10.2 中的Ryield 反應(yīng)模k= 1...(4-1)塊. Decomp單元其主要功能是將粉煤分解轉(zhuǎn)化成2m,H(Tms.)=單元素的分子,并將裂解熱傳遞給Burn單元.此模塊需給定粉煤分解溫度,具體的數(shù)值大小對整個流S.t.程的模擬結(jié)果沒有影響.式(1)為該單元的焓平衡方程,其中的Q即為裂解熱.煤的生成焓用式(2)計2n,H(Tms) +Q(4-2)算.(4-3)$m;m,H(Tus,)=式(3)為目標(biāo)函數(shù),其中s代表僅僅單獨存在的相，如固體顆粒,P為系統(tǒng)中相的個數(shù),C代表組.n.C1.m.s+ 2n.H(Tma) +Q (1)分?jǐn)?shù).式(4-1)為質(zhì)量守恒約束條件,E為系統(tǒng)考慮的元素數(shù)目,m;為組分的原子矩陣;式(4-2)為焓平0Hcal.28 =HHV一(327. 63C +衡約束條件,Q為熱損失;式(4-3)為非負(fù)約束條件.1 417. 92H。r + 92. 57S。+文獻(xiàn)[9]綜述了求解以上非線性規(guī)劃[10]問題的算158.67M..)(2)法,主要包括Rand算法、Nasa算法.Powell's算法Burn單元是一個基于Gibbs自由能最小化原和二次規(guī)劃算法等,其中以Rand算法的應(yīng)用最為理的反應(yīng)器，模塊來自Aspen Plus 10.2 中的廣泛. Rand算法首先通過Lagrange乘子法將有 約Rgibbs反應(yīng)模塊.對煤氣化系統(tǒng),考慮其中包含的束最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化問題,然后通過元素為C,H,O,N和s,包含的組分為:H2O,Nz,Newton Raphson算法求解. Separate單元是一個O2, s, H2,Cl2, HCI,C(固體),CO,CO2,H2S,COS,理想分離器,模塊來自Aspen Plus 10. 2中的CH,H;N,CHN,共15個.體系達(dá)到化學(xué)反應(yīng)熱平Flash2分離模塊.其功能是將激冷室的氣液混合物衡的判據(jù)式時體系的Gibbs自由能達(dá)到極小值.以完全分離成氣體和液體兩相.此建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型為式(3)和式(4)描述的非中國煤化工線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題.MHCNMHGmin G,G =2m+之goGjny (3)模擬計算采用的煤種為北宿煤,元素分析見第j=3+1 1=1.第4期汪洋等運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐29頁表1.主要是檢驗Burn模塊的物料(元素)平衡和熱表1北宿煤的元素分析和工業(yè)分析平衡.進(jìn)人Burn模塊的有3個工藝流股(即.Table 1 Ultimate and proximate analysisInburner, Water和Oxygen), 兩個熱流股(即of Beisu coalQtransfe和Qlost),出Burn模塊的有1個工藝流HA股(即Mixture).操作條件如下:水煤漿流量為7569.27 4. 561. 283.60 8. 0813. 21033 kg/h, 煤漿濃度為64%(wt),氧氣流量為30煤的熱值采用式(5)即Boie關(guān)系式計算,為干燥基375 m'/h,氣化壓力為4.0 MPa(G),碳轉(zhuǎn)化率為煤的高熱值.98%,熱損失為0.5%.經(jīng)過模擬計算可得到表2所O.h"= [ar,;w2, + axwt. + asrw凱+示的結(jié)果(熱流股Qtransfe為- 1.606 9E+11 J/awI + asrwR.]X 102 + asi (5)h,Qlost為-6. 25E+9 J/h).表2進(jìn)出物流明細(xì)表Table 2 Information of inlet and outlet streamsStream nameInburnerWaterOxygenMixturePressure/MPa6. 004.00Temperature/ C1 000. 050.025.01 391.1H21 086. 25401 361. 9012 154. 104CO557. 026 5H2:51.013 13COS2. 749 543CH,0. 189 379Nz21.941 890. 40680422. 309 28AR5. 0172545. 017 254Substream: MixedH3N0. 0729 22Mole Flow/(kmol●h-1)CHN5. 92E-03HCOOH8. 56E -03HCl0. 135 451O2121. 257 61 350. 5911. 78E-08H2O206.811 51 292. 5721 172. 15653. 762 68I:0. 0677 25Total flow/(kmol ●h-)1 490. 0951 356. 0155 326. 689Enthalpy/(J ●mol-I)6.61E+06-2. 84E +08-7.75E--07- 9.00E+07Substream; CIPSD Mole2 714. 084flow/(kmol●h-1)Enthalpy/(J ●kmol 1)1. 79E+07Substream; NCPSD MassASH7 008. 857flow/(kg.h-1)Enthalpy/(●kg-1)2. 24E+057. 93E +051)物料平衡0.5+8.56E- 03+0.135 451X(1)C元素守恒0.5+ 1172.156=2 585. 638進(jìn):2 714. 084 kmol/h(kmol/h)出:2 154. 104+ 557.026 5+2. 749 543+(3) 0元素守恒0.189 379+5. 92E一03+ 8. 56E-進(jìn):121.2 576X2+206. 811 5+03=2 714. 084(kmol/h)1 292. 572+1 350. 591X2=(2) H元素守恒4 443. 081(kmol/h)進(jìn):1 086. 254 +206.811 5+1 292. 572=中國煤化工K2+2 585. 638