第42卷第10期當(dāng)代化Vo1.422013年10月Contemporary Chemical Industry煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型史聰,楊英,夏支文(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,寧夏銀川750411)摘要:介紹了目前有關(guān)煤氣化爐內(nèi)氣化過程的幾種典型數(shù)學(xué)模型,包括基于 Gibbs自由能最小化方法的模型、三區(qū)模型、小室模型等。結(jié)果表明:在特定煤種和氣化爐結(jié)構(gòu)的條件下,各模型對氣化過程中主要組分的模擬誤差較小,但針對多相(如氣、固兩相)流、動態(tài)、不同煤種等條件下的煤氣化模擬研究尚有欠缺或不關(guān)鍵詞:煤氣化;數(shù)學(xué)模型;流程模擬中圖分類號:TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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煤氣化技術(shù)是目前及未來實現(xiàn)煤炭高效、清潔、為爐內(nèi)存在流體力學(xué)特性各異的射流區(qū)、回流區(qū)及經(jīng)濟(jì)利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,開發(fā)潔凈煤技術(shù),管流區(qū),對應(yīng)存在化學(xué)反應(yīng)特性各異的一次反應(yīng)區(qū)提高煤炭利用效率、降低煤氣化成本的有效途徑是二次反應(yīng)區(qū)和一、二次反應(yīng)共存區(qū)。在此基礎(chǔ)上建硏制和推廣應(yīng)用大型化、先進(jìn)的煤炭氣化技術(shù)。當(dāng)立水煤漿氣化爐數(shù)學(xué)模型、激冷室與洗滌塔數(shù)學(xué)模前,從更深層次的理解氣化機(jī)理,建立能真實反映型、文丘里洗滌器數(shù)學(xué)模型,其中氣化爐數(shù)學(xué)模型煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型,已成為指導(dǎo)氣化爐設(shè)計、包含氣相物料的混合模型和殘?zhí)苛坑嬎隳Ｐ?以及評價、生產(chǎn)過程優(yōu)化及改進(jìn)的重要發(fā)展方向,也是微量組分計算模型世界范圍內(nèi)開發(fā)先進(jìn)煤氣化爐的研究熱點。(1)氣相物料的混合模型自20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外學(xué)者對煤氣化在進(jìn)行氣化爐氣相物料的計算時,必須從停留過程的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行了大量時間分布的角度出發(fā),考慮到微觀混合與宏觀混合的研究工作,并建立了煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型,主的時間尺度。氣化爐內(nèi)宏觀混合的時間尺度為M要分為動力學(xué)模型和平衡模型。其中典型動力學(xué)模0.15~0.50s。氣化爐內(nèi)物料微觀混合的時間尺度型有 Watkinson等"提出的動力學(xué)模型、王輔臣等2為~0.66s提出的三區(qū)模型、李政等提出的小室模型,典型(2)殘?zhí)苛坑嬎隳Ｐ推胶饽Ｐ陀?Ruprecht等提出的平衡模型和汪洋等氣化爐出口殘?zhí)苛空济褐锌傆行С煞至康姆只?Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤氣化率用下式計算。爐模型等。本文重點對典型三區(qū)模型、小室模型及基于Gibs自由能最小化方法模型進(jìn)行介紹Y=0-)1vRRRt|E()d(1)1三區(qū)模型R(2)R1.1模型描述當(dāng)脫揮發(fā)王輔臣等提出水煤漿氣化過程三區(qū)模型,認(rèn)中國煤化工化速率時,CNMHG收稿日期:2013-作者簡介:史聰),男,寧夏銀川人,助理工程師,碩士,2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程專業(yè),研究方向:從事煤化工行業(yè)I:shicong@snotl.com第42卷第10期史聰,等:煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型1473RR→0,tmi→1/R,上式簡化為:Ek=ko expCC( kmol/m3·s)(4)Y=(-H)(1-R)EO(3)R式中:V揮發(fā)分析出的總量R揮發(fā)分析出速率kgkgR一殘?zhí)康姆磻?yīng)速率 kg-kg"SR12模型驗證( kgkg"S)K Ky K該模型選用的煤的組成及熱值見表1所示,模擬結(jié)果表明,模擬值與操作值吻合良好,所建立的)(1-e)(6)氣化過程數(shù)學(xué)模擬是可靠的b=18x,/(d2)(7)表1煤的組成及熱值Table 1 The composition and calorific value of coal4=(p2-p2)g/(bp,)(8)組成熱值式(4)為氣相反應(yīng)速率表達(dá)式,式(5)為氣CHNs固反應(yīng)速率表達(dá)式,式(6)、(7)、(8)為固體停留時間計算式%%%%22模型驗證模型采用Ⅲ linois6號煤對動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,用另外2組煤種進(jìn)行校核,元素分析見表k].k30978.32所示。模擬值與試驗數(shù)據(jù)基本吻合,證明該模型可信度較好。1.3模型評價該模型是以氣化系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡為基礎(chǔ),同表2元素分析和工業(yè)分析時考慮了反應(yīng)動力學(xué)因素的影響,能真實地反應(yīng)爐Table 2 Element Analysis and industrial analysis參數(shù)Ⅲ linois6號Austrilia/UBE Fluid coke內(nèi)的氣化過程,對最終煤氣成分的預(yù)測與操作值較吻合,同時可對NH3和 HCOOH微量組分進(jìn)行計算,模擬結(jié)果對工程防止灰水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕具有指導(dǎo)意義。HNs但該模型僅適用于水煤漿氣化過程,且模擬結(jié)8.3果取決于噴嘴與爐體匹配形成的流場,必須對氣化爐結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)及射流特性對流場特性的影響進(jìn)2.3模型評價行深入且可靠的流體力學(xué)研究。該模型較為詳細(xì)的描述爐內(nèi)動力學(xué)反應(yīng)過程,2小室模型模擬結(jié)果與氣化爐實際運行情況較吻合,具有較大的可信度和應(yīng)用價值,建議從以下方面進(jìn)一步完善2.1模型描述和深化:李政等采用“小室模型”方法,將氣化爐沿(1)少對NH和 HCOOH等微量組分的計算軸向分割為多段,即為小室,且認(rèn)為每個小室為氣(2)鑒于氣化爐內(nèi)氣固流動的復(fù)雜性,模型假體組分質(zhì)量、固體質(zhì)量、碳質(zhì)量及能量的平衡空間,設(shè)與實際流動特性存在差別,有待修正;建立起預(yù)測 Texaco煤氣化爐性能的數(shù)學(xué)模型。(3汽化爐分割成小室的分配高度和個數(shù)無明建模做如下假定:(1)氣化爐內(nèi)流動為均勻平確定義,模型相對復(fù)雜,通用性較差。推流;(2)水煤漿的預(yù)熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)份在入爐后瞬間完成:(3)煤顆粒尺寸采用同一粒徑,水3基于Gibs自由能最小化方法模型煤漿滴在完成水分蒸發(fā)和揮發(fā)份釋放后,煤顆粒不3.1模型描述結(jié)團(tuán),此獨立存在;(4)縮核不縮炭假定。汪洋等基于 Aspen Plus流程模擬軟件,運用模型考慮了氣相反應(yīng)和氣固異相反應(yīng)兩種化學(xué)Gibs自由能最建÷了宜淚宣壓下的氣流反應(yīng),并建立及起反應(yīng)速率計算公式,另外建立了床煤氣化爐模中國煤化工.2中的物性固體停留時間的計算公式。數(shù)據(jù)庫和單元CNMH見圖1所示1474當(dāng)代化工2013年10月主要包含 Decomp、Burm、 Separate三大單元模塊。據(jù)式時,基于Gibs自由能最小化原理模擬計算氣Decomp單元是將粉煤分解轉(zhuǎn)化成單原子的分化爐的出口組成和溫度; Separate模塊是將氣化爐子并將裂解熱傳遞給Bum單元;Bum單元考慮了5激冷室排出的氣液混合物完全分離成氣、液兩相。種元素和15個組分,在體系達(dá)到化學(xué)反應(yīng)熱平衡判- TransfeRagaDecompBurnSeparateburnerMixtureYieldflash2WaterWaterlWater2圖1氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig. I Entrained flow coal gasifier model diagram32模型驗證(5)由于該模型,不考慮氣化爐的流動傳熱該模型采用的煤種(北宿煤)元素分析和工業(yè)傳質(zhì)特性以及氣化反應(yīng)的過程,相對比較簡單,尚分析見表3操作條件為:水煤漿流量為75033kg/h,不能真實反映氣化爐內(nèi)的氣化過程。煤漿濃度為64%(wt),氧氣流量為30375m/h,氣化壓力為40MPa(g),碳轉(zhuǎn)化率為98%,熱損關(guān)4結(jié)論為0.5%。通過對Bum單元模塊的模擬計算結(jié)果進(jìn)近年來國內(nèi)以李政、王輔臣、汪洋等為代表的行元素(C、H、O)平衡和熱平衡分析,所建立的不少學(xué)者作了大量的研究工作,并建立了典型模型基本正確,模型計算結(jié)果比較可靠。區(qū)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業(yè)分析方法模型”煤氣化爐數(shù)學(xué)模型,總體來說,各模型Table3 Beisu coal elemental analysis and industry analysis較為可靠,在特定煤種和氣化爐結(jié)構(gòu)的條件下模型組成值值都能與實際值較吻合,具有很大的應(yīng)用和推廣價C69值。但是,相對來說,各模型通用性較窄,在煤氣1.28化機(jī)理、爐內(nèi)多項流動力學(xué)特性、微量組分計算、動態(tài)模擬等方面,大量基礎(chǔ)研究和模擬優(yōu)化工作有8.08待進(jìn)一步深入或開展。參考文獻(xiàn)3.3模型評價[1 Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibriumling of從理論分析來看,該模型的計算結(jié)果與實際值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]于遵宏沈才大王輔臣等水煤漿氣化過程三區(qū)模型小燃料化學(xué)學(xué)(1)Burn單元模塊模擬計算出的氣化爐出口報,1993,21(1):90-951.組成與溫度未與工業(yè)實際操作值進(jìn)行比較,一定程[3]王輔臣,劉海峰,龔欣,等水煤漿氣化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬J燃料化學(xué)學(xué)度上限制了對工業(yè)實際操作的指導(dǎo)作用;報,2001,29(1):33-38(2) Decomp單元模塊未考慮載氣(如N2、[4]王輔臣,于遵宏,沈才大等德士古渣油氣化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬J華東化工學(xué)院學(xué)報,1993,19(4):393-3001CO2)的輸入,是否適用于氣流床干粉煤氣化爐有51李政王天驕韓志明等Tco,煤氣化爐數(shù)學(xué)模型的研究一建模部待驗證;分肌動力工程2001,21(2:1161-1168(3)Bum單元模塊未考慮Cl元素和NOx等6]李政王天驕韓志明等 Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究(2)計算結(jié)微量組分,煤種選取單一,而這些對工業(yè)實際過程及分析動力工程001,21(4:1316-1319[71 Ruprecht P, Schafer W. Wallace P. A Computer Model of Entrained有重要的指導(dǎo)意義;Coal gasificat(4)模型驗證采取的碳轉(zhuǎn)化率高,較低碳轉(zhuǎn)化[8]汪洋代正華率的情況未考慮;氣化爐J煤YH中國煤化工法模擬氣流床煤CNMHG