第25卷第2期轉(zhuǎn)化Vol.25 No. 22002年4月COAL CONVERSIONApr.2002煤氣化過程的模型和模擬與優(yōu)化操作項友謙]商要介紹了煤氣化過程的模型和煤氣化過程采用機理模型的理由、固定床煤氣化過程機理模型的建立以及模擬計算的結(jié)果,并探討了固定床水煤氣爐和流化床水煤氣爐制氣過程優(yōu)化操作參數(shù)的確定.開發(fā)的數(shù)學模型已用于制氣爐的模擬計算,與實測數(shù)據(jù)比較符合.由氣化過程的數(shù)學模擬氣化過程不同條件下各種參數(shù)的變化規(guī)律,進而可得出氣化過程的優(yōu)化操作條件,其確定過程比試驗法安全、省時、省料.關(guān)鍵詞煤炭氣化,過程模型 ,模擬計算,優(yōu)化操作中圖分類號TQ541 ,TU9961. 1機理模型法0引言該法是在邏輯推理的基礎(chǔ)上,建立描述對象的煤轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)有固定床、流化床、氣數(shù)學模型.該模型的建立需要足夠可靠的驗前知識流床三大類型,我國使用最多的是固定床氣化工藝,和物性參數(shù),才能得出可靠的模型.該模型的建立通但流化床氣化以粉煤為原料,是發(fā)展的方向.這些氣?；诿枋鰧ο笪⒃w的物料平衡和能量平衡:化爐的設(shè)計已經(jīng)比較完善,但操作技術(shù)有待繼續(xù)提單位時間內(nèi)流入物料量-單位時間內(nèi)流出物料高.過去操作條件的選擇,尤其是優(yōu)化操作條件的確量=物料的累積速率定多憑經(jīng)驗判斷,煤種及操作條件變化時，要進行較單位時間內(nèi)流入能量一單位時間內(nèi)流出能量=長時間的試驗摸索.試驗法無疑是最現(xiàn)實和可靠的能量的累積速率方法,它是在實際生產(chǎn)裝置上,改變操作條件,測定存在化學反應(yīng)的過程還需在物料平衡和能量平其熱效率,以此來確定優(yōu)化的操作條件.此法比較直衡中加入化學反應(yīng)生產(chǎn)的能量、質(zhì)量或消耗的能量、觀,但試驗次數(shù)多,人力物力消耗大,測量儀表要求質(zhì)量.當傳遞因素起重要作用時,還需考慮動量、質(zhì)較高,有時還要影響生產(chǎn).模型法是根據(jù)建立對象的量、能量的傳遞方程.數(shù)學模型,在計算機上進行模擬計算,然后根據(jù)模擬總之,建立機理模型的基本理論是動量傳遞、質(zhì)計算的結(jié)果,得出優(yōu)化的操作條件.下面介紹煤氣化量傳遞、能量傳遞和反應(yīng)工程(即三傳-反)的理論.過程的模型建立、模擬計算與優(yōu)化操作條件的確定.由于模型往往非常復雜,為了減少計算時間,需要簡化模型.模型簡化有三種方法:-是在開始建模1模型的分類與選擇時就引入簡化假定,使之得出的模型形式簡單些,如將反應(yīng)器中的流動視為理想的流動;二是在得到較一個過程建立數(shù)學模型的途徑有三個:一是從復雜的模型方程式后,對方程進行簡化或近似求解;內(nèi)在機理出發(fā).導出機理模型;二是依據(jù)輸入輸出測三是在對戶模刑言程式田計算機進行模擬計算,得中國煤化工試數(shù)據(jù),通過系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計,得出系統(tǒng)辨識模至后進行數(shù)學處理得到更.CNMHG'型;三是將前二者結(jié)合的方法. [1根據(jù)不同的對象，加還可按連續(xù)變量與離散變量數(shù)學模型進行分類. [2]模擬計算得到的數(shù)據(jù)規(guī)律性很強,但與實際生.1)教授級高級工程師.中國市政工程華北設(shè)計研究院,300074天津收稿日期:2001-12- 16第2期項友謙等煤 氣化過程的模型和模擬與優(yōu)化操作61產(chǎn)數(shù)據(jù)往往有差別，是否可行尚需驗證,就是將模擬反應(yīng)如下:計算得到的結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行比較,再對模C+ 0.5O2=CO△H=- 123.1 kJ/mol(1)型進行修正.C+O2=CO2OH= - 406.3 kJ/mol(2)1.2 系統(tǒng)辨識模型H2+0.5O2= H2OOH= -241.2 kJ/mol(3)根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù),從給定的模型中，尋C+H2O=H2+CO△H=+118.7 kJ/mol(4)找與所研究的系統(tǒng)等價的模型的方法為系統(tǒng)辨C+ 2H2O=2H2+CO20H=- - 89.8 kJ/mol(5)識3],得到的模型為系統(tǒng)辨識模型.其主要任務(wù)是:CO +H2O=CO2+H2△H=-41.2 kJ/mol(6)C+CO2=2CO0H=+ 159.9 kJ/mol(7)(1)確定合適的模型結(jié)構(gòu);(2)選擇適宜的實C+2H2=CH40H=- 86.3 kJ/mol(8)驗方法和輸入信號;(3)求取模型參數(shù),計算出較可靠的估計值;(4)驗證模型的精確性.CO+ 3H2=CH.十H2O0H=- 205.0 kJ/mol(9)采用系統(tǒng)辨識方法建模,也要求有足夠的驗前固體燃料為-多孔介質(zhì)物料，其反應(yīng)主要在孔知識.驗前知識來自對研究對象內(nèi)在規(guī)律的認識和內(nèi)表面進行,因此整個反應(yīng)可設(shè)想由下述步驟組成:來自事前的測試數(shù)據(jù),也來自對日常操作記錄的分氣體反應(yīng)劑從氣相主流經(jīng)氣膜擴散到固體外表面;析.驗前知識越豐富,就越能減少盲目性,辨識迅速,氣體反應(yīng)劑經(jīng)孔擴散到固體內(nèi)表面;氣體反應(yīng)劑與固體在孔內(nèi)表面進行反應(yīng);氣體產(chǎn)物由孔內(nèi)表面擴辨識結(jié)果更精確.對于單輸入單輸出系統(tǒng)的動態(tài)特性可以用傳遞散到固體外表面;氣體產(chǎn)物由固體外表面擴散到氣函數(shù)、頻率響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)等方法來表示.相主流.各步的反應(yīng)速度往往相差很大,總反應(yīng)速度.對于多輸入多輸出系統(tǒng),在輸入和輸出之間很難建取決于反應(yīng)速度最慢的階段,即所謂“控制階段”.對立具有對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學模型,可采用人工神經(jīng)網(wǎng)格上述步驟進行考察,在一經(jīng)反應(yīng)時,總反應(yīng)速度R;等建模方法.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需預(yù)先建立系統(tǒng)的?？捎孟率奖硎?型,只利用系統(tǒng)變化情況來分析系統(tǒng)的特征.神經(jīng)網(wǎng)R,= ke.C;1/kg+ 1/(nk,)絡(luò)的運算過程包括兩部分:-是訓練過程,即建立輸式中:R;總反應(yīng)速度,kmol/(m3.h);e-反入輸出的映射關(guān)系;二是仿真過程,是利用建立的映應(yīng)速度常數(shù),L/h;kq-氣膜傳質(zhì)速率常數(shù),L/h;射關(guān)系進行運算,得到需要的結(jié)果.k,-本征反應(yīng)速度常數(shù),L/h;7-孔效率;1.3煤氣化反應(yīng)器模型的選擇C;--i組分的濃度,kmol/m3 ;n- 反應(yīng)級數(shù).模型的選擇主要取決于對象的復雜程度和擁有當物料顆粒直徑小時,顆粒的比表面積大,溫度數(shù)據(jù)的多少.對煤的氣化反應(yīng)器,人們已經(jīng)基本掌握低時,反應(yīng)速度低,這時擴散速度大于反應(yīng)速度,內(nèi)煤氣化過程反應(yīng)動力學與熱力學的數(shù)據(jù),就可以根表面的反應(yīng)速度基本.上代表整個反應(yīng)的速度,這時據(jù)“三傳一反”的原理建立機理模型[,在計算機上反應(yīng)速度常數(shù)為本征反應(yīng)速度常數(shù),它可用文獻介進行數(shù)值求解,再根據(jù)數(shù)值解得出優(yōu)化的操作條件.紹的方法測定. [5-7]由于煤的質(zhì)量比體積容易測定,此法所需數(shù)據(jù)可從反應(yīng)器外得到,模擬計算方便,人因此,多用質(zhì)量為基準的反應(yīng)速度常數(shù)km表示,即力、物力消耗少,不但能節(jié)約資金,而且安全可靠、規(guī)k,= km●ρ律性強.轉(zhuǎn)化過程主要希望氣化效率高,而水煤氣爐式中:km=k?！馿-E/NR';p煤的堆密度,kg/m*.的操作為不穩(wěn)定過程,其模擬最困難,因此本文主要關(guān)于煤炭氣化的數(shù)學模型,國內(nèi)外已有許多研以水煤氣爐為對象,以氣化效率為目標函數(shù),對采用究,多數(shù)用于流化床5.8-12、氣流床,少數(shù)為固定機理模型進行優(yōu)化的方法進行討論.床5.13-18] ,水煤氣爐的數(shù)學模型很少.連續(xù)運行的固2煤氣化過程機理模型定中國煤化工下,其過程為穩(wěn)定工況.而0HCN MH盾環(huán)操作.時刻處于不穩(wěn)煤的氣化過程是強烈的吸熱過程,從供熱方式定狀態(tài),為非穩(wěn)念數(shù)子俁型. [1.16]非穩(wěn)態(tài)煤氣化過來分,有自熱式、蓄熱式、外熱式等.連續(xù)式流化床氣程包括水煤氣爐、水煤氣兩段爐氣化過程、流化床水化為自熱式,而外熱式很少用.煤氣化過程的氣化劑煤氣爐、循環(huán)式地下氣化過程以及穩(wěn)態(tài)煤氣化的開有空氣、純氧、水蒸氣、氫氣、二氧化碳等,其中空氣、停車(包括操作參數(shù)的變化)過程.純氧和水蒸氣是最常用的氣化劑.氣化過程的主要為了使模型的計算簡便,失真又不嚴重,特作如62煤炭轉(zhuǎn)化2002年下基本假設(shè):氣化爐內(nèi)氣體及固體呈活塞運行,無徑C,1 000 C,1 100 C,1 200 C下與水蒸氣和二氧向參數(shù)差別;氣體的軸向擴散忽略不計;反應(yīng)器內(nèi)壓化碳的反應(yīng)速度見表1.力視為常數(shù);氣化段內(nèi)只進行氣化和燃燒過程.非穩(wěn)-般來講,固定床氣化爐的有效高度約2.0 m,態(tài)煤氣化過程的操作參數(shù)隨時間變化,其數(shù)學模型其平均體積氣化強度為200 kg/(m3●h)左右,顯然為-偏微分方程組.取氣化爐內(nèi)高度上x與x+dx比氣化溫度為900C時的水蒸氣氣化的計算氣化強之間的微元體對i組分進行物料平衡得出:度低，可見氣爐內(nèi)的實際有效氣化區(qū)并不高.XC;a(C;●U2)2，.R,(C,T)(2)水煤氣型兩段爐的模擬計算.表2為水煤Xtdx氣型兩段爐鼓風、上吹階段的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬分別對固相和氣相進行能量衡算則得到:計算數(shù)據(jù)的比較.通過比較,我們認為水煤氣型兩段a(Cp.●C。. T,)」a(Cp. .C。. T,●U,).爐的數(shù)學模型基本上能反映實際氣化爐的狀況.)taF(T。- T,)+ K●R,(C,T)●(- HR)4循環(huán)制氣過程優(yōu)化操作參數(shù)的確定a(CP?！馛?！馮g).。a(Cp。 ●Cg . Tg●U])_ax4.1固定床水煤氣爐制氣過程優(yōu)化參數(shù)的確定aF(T,- Tg)+ (1一K)●R,(C,T). (一HR)固定床水煤氣爐的氣化效率的影響比較復雜，通過上述偏微分方程組即可描述水煤氣爐內(nèi)隨著循環(huán)周期的增加，氣化效率并非單調(diào)地增加或10個未知數(shù)沿高度和時間的分布.由于反應(yīng)速度隨減少.[16]氣化效率主要受爐內(nèi)溫度、煤活性和自動反應(yīng)溫度的變化很大,該模型為-剛性方程組.穩(wěn)態(tài)控制閥門開啟的滯后時間等因素的影響,這些因素煤氣化過程參數(shù)不隨時間而變化,將上述方程中的影響規(guī)律的摸索和尋優(yōu),一般只能通過數(shù)學仿真模.對時間的偏導數(shù)取消,則可得到穩(wěn)態(tài)煤氣化過程的型的計算才能解決.煤的氣化過程是能源轉(zhuǎn)換過程,數(shù)學模型.目標函數(shù)應(yīng)是熱氣化率.優(yōu)化參數(shù)是循環(huán)周期和各3煤氣化過程的模擬計算階段的時間分配比例.循環(huán)周期長,則反應(yīng)溫度波動大,水蒸氣分解率下降，氣化效率要降低,因此從煤用上述模型對許多過程進行過模擬計算,典型.氣組成穩(wěn)定以及氣化效率高來講,希望循環(huán)周期越結(jié)果如下.短越好.但是從安全角度和閥門開閉、氣流變向要有(1)半焦在單一條件下的計算結(jié)果.半焦在900一定時間來講,需要一定的絕對非生產(chǎn)時間,因此循表1不同溫度下半焦的反應(yīng)溫度Table 1 Reaction velocity of semi-coke in different temperatureReaction velocityReaction velocity Reaction velocity Reaction velocity Reaction velocity Reaction velocityTemperature/ Cwith H2O/with CO2/kmol/(kg●h)kmol/(m3●h)kg/(m3. h)kmol/(kg●h) kmol/(m3 ●h)kg/(m3●h)900.0330404750.01862226810000.123 01471 7710.048 3586951 1000.373 6485 3800. 108012915551 2000.96961 16313 9620.216 62603 119Note: The density of coal plarticles is 1 200 kg/m*.表2水煤氣型兩段爐煤氣組成Table 2 Gas composition of two stage type water gas gasifier(%)Blowing in stageUpblowing in stageGas compositionCalculation valueMeasuring value中國煤化工,Gasifcatic4ixed gasO20.63YHCNMHG=CO6.107. 5434.8412. 9631. 8331.1116. 6714.7210. 1013. 2610. 537.66.55. 0629. 1251. 50.46.94CH44. 666.135. 80_N76. 6077. 548. 29第2期項友謙等煤 氣化過程的模型和模擬與優(yōu)化操作63環(huán)周期太短,有效的生產(chǎn)時間會相對減少,導致氣化表4溫度范圍對氣化強度和氣化效率的影響.效率要降低.直徑3.3 m水煤氣爐模擬計算的氣化Table 4Effects of temperature range on gasification效率與循環(huán)周期的關(guān)系見表3.由表3可知,循環(huán)周strength,gasification efficiency期有一個極值,即優(yōu)化的循環(huán)周期.Temperature/ Cycle time/CoalGasification Gasificationconsumption/ strength/ efficiency/K表3仿真法計算氣化效率與循環(huán)周期的關(guān)系kpkg/(m3●h)Table 3 Relationship between gasification fficency and cy-1 023~1 0732836. 8791. 8626.611 073~1 1236047.36131.1541.57cle time by simulation method calculation (%)1 123~1 17322561. 99198. 3655.45CycleGasificationValveTotal1 173~1 22318979. 94304. 6565.24timesefficiency1 223~1 27315999. 28449.5770.3016066. 1886. 2557. 081 273~1 323611. 43.71.8318065. 0587. 78.57. 10.1 323~1 373130136. 47755. 83.71.2320063. 9789. 00.56. 93.1 373~1 423 .132155. 74849. 4968.0222062. 8390. 0056. 551 423~1 473180.51884. 13 .62.8324061. 7990. 8356. 121 473~1 523213. 34853. 3653.84Note :Heat loss of carbon in ash slag isn' t inceluded in caluclation4.2流化床水煤氣爐制氣過程優(yōu)化參數(shù)的確定.of gasification eficiency.根據(jù)建立的數(shù)學模型,可以對流化床水煤氣爐5結(jié)束語進行各種模擬計算,下面就幾個主要的內(nèi)在關(guān)系進行探討. [叫]溫度范圍的提高對氣化過程有利,但加(1)在煤氣化反應(yīng)動力學活性測定裝置上測定熱所需時間要增加,耗煤量增加很多,其原因之一是的氣化原料與氧氣、二氧化碳和水蒸氣反應(yīng)的動力煙氣中CO含量升高,化學熱損失增加;原因之二是.學參數(shù)可以用于煤制氣過程數(shù)學模型的計算.煙氣溫度升高,其帶走顯熱增加.因此溫度范圍的選(2) 開發(fā)的數(shù)學模型已用于制氣爐的模擬計擇要綜合考慮,尋優(yōu)確定.溫度范圍對氣化強度、氣算,與實測數(shù)據(jù)比較符合.化效率的影響見表4.顯然,溫度范圍為1 273 K~(3)氣化過程的數(shù)學模擬氣化過程不同條件下1 323 K(即循環(huán)時間為139 s)時的氣化效率最高，各種參數(shù)的變化規(guī)律,進而可得出氣化過程的優(yōu)化此為優(yōu)化的操作溫度范圍..操作條件,其確定過程比試驗法安全、省時、省料.參考文獻[1]蔣蔚步，俞金壽.化工過程動態(tài)數(shù)學模型.北京:化學工業(yè)出版社,1986[2]塞恩費爾德JH,拉皮德思L.化工過程數(shù)學模型理論.南京:江蘇科學技術(shù)出版社,1981[3]相良節(jié)夫,秋月影雄.中溝高好等.系統(tǒng)辨識.北京:化學工業(yè)出版社,1988[4]盧伊本W(wǎng)L..化學工程師使用的過程模型化、模擬和控制.北京:原子能出版社,1987[5] Xiang Youqian. Teoretische Berechnugen der Gleichgewichtszusamen -setzung，Bestimung und Mathematisches Model Fuerdie Kohlevergasung. Engler- Bunte- Institut der Universitaet Karlsruhe(TH),Deutschland, 1985[6]項友謙.固體燃料轉(zhuǎn)化過程動力學數(shù)據(jù)的確定.煤氣與熱力,1986(3):4-11[7]項友謙,王澤津 ,李順義等.煤炭氣化過程反應(yīng)活性及動力學研究.煤氣與熱力1999<4):3-6[8] Xiang Youqian. 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The results indicated that the conversionsof toluene insoluble and quinoline insoluble components in coal-tar pitch during heat polymeriza-tion have some laws. Its instruction meaning in the coal-tar pitch production has been pointedout.KEY WORDS coal-tar pitch, thermal polymerization modification, components(上接第63頁)MATHEMATICAL MODE，MODELING CALCULATION ANDOPTIMAL OPERATION FOR COAL GASIFICATIONXiang Y ouqian(North China Municipal Engineering Design and Research Institute, 300074 Tianjin)ABSTRACTThe mathematical model for coal gasification process has been introdused andthe reason of using physical model in coal gasification process has been analyzed. The establishingof the model and modeling calculation result for the coal gasification process has introduced em-phasisly. The determination of optimal operation pa中國煤化工er gas gasifier andfluidized bed water gas gasifier is studied. The devo:YHCNMH Gl has been alreadyused to the simulating calculation of gasifier, its results are' accorded with practial measuring da-ta. Based on parameters variation law obtained in different modeling conditions of coal gasifica-tion process. And then the optimal operating condition has been obtained. Compared to experi-ment methode this determination process is safely, saving in time, saving in material.KEY WORDS coal gasification, process model, modeling calculation, optimal operation