第33卷 第3期煤炭轉(zhuǎn)化VoL.33 No. 32010年7月COAL CONVERSIONJul. 2010粉煤氣流床氣化爐的數(shù)值模擬”鄭煜鑫"吳 學(xué)紅2)張文慧3)呂彥力"摘要應(yīng)用AspenPlus工業(yè)系統(tǒng)流程軟件和Gibbs 自由能最小化方法對(duì)粉煤氣流床氣化爐進(jìn)行模擬.在設(shè)定粉煤氣流床氣化爐條件下,研究空氣(O2占0.21,N2占0. 79)與煤比和氣化壓力對(duì)有效氣體(C0+ H2)含量的影響.結(jié)果表明,在設(shè)定粉煤氣流床氣化爐溫度為1 500 C和碳轉(zhuǎn)化率為99%的條件下，當(dāng)煤進(jìn)料量為3 265.87 kg/h,空氣與煤比為4: 1時(shí),有效氣體含量最大.同時(shí),氣化壓力越大,有效氣體含量越大.關(guān)鍵詞氣流床氣化爐 ,Gibbs自由能,有效氣體,數(shù)值模擬.中圖分類號(hào)TQ545,TQ541擬,同時(shí)考慮操作條件的改變對(duì)煤氣化性能的影響;0引言張宗飛等以以Aspen Plus為模擬工具,選擇反應(yīng)平Aspen Plus是一種通用的化工過程模擬、優(yōu)化衡模型,并應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法建立了和設(shè)計(jì)軟件,源于美國(guó)能源部20世紀(jì)70年代后期Shell粉煤氣化模型，并應(yīng)用神華、沾化和天堿煤種在麻省理工學(xué)院MIT組織會(huì)戰(zhàn),要求開發(fā)的第三代對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn);項(xiàng)友謙[8]用能量最小化原理建立流程模擬軟件.這個(gè)項(xiàng)目稱為“先進(jìn)過程工程系統(tǒng)”加壓氣化模型,并用四種方法對(duì)微分方程求解.以上.(advanced system for process engineering),簡(jiǎn)稱研究發(fā)現(xiàn),采用Aspen Plus軟件對(duì)粉煤氣流床氣化ASPEN.其主要功能包括:1)具有工藝過程的熱動(dòng)爐進(jìn)行模擬仍然有一定的局限性,主要是需要一些力學(xué)和傳輸特性模型;2)擁有一個(gè)完善的物性數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)定,還需要考慮實(shí)際工藝設(shè)備的操作條件，庫(kù);3)具有物性參數(shù)分析系統(tǒng);4)包括50余種單元有待于建立更加細(xì)致和全面的氣化模型,使模擬結(jié)模型;5)擁有一個(gè)強(qiáng)大的模擬分析工具.果對(duì)實(shí)際工藝設(shè)備的運(yùn)行起到- -定的理論指導(dǎo)作Ong'ro"早在1996年就用Aspen Plus軟件來用.本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器與吉布斯自由能最模擬蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)電廠熱力學(xué)模型,并且用105 MW小的平衡反應(yīng)器相結(jié)合的化學(xué)計(jì)量粉煤煤氣化模型電廠的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬的可靠性;Wat-來研究不同的空氣與煤比,不同的氣化壓力對(duì)粉煤kinson[2] 提出平衡模型,通過質(zhì)量和能量平衡及反氣化爐中有效氣體CO+H2含量的影響.應(yīng)平衡方程式的關(guān)聯(lián),可以得到產(chǎn)品組成、產(chǎn)率和最佳適宜溫度;在國(guó)內(nèi),徐越等”基于Aspen Plus的1粉煤氣流床煤氣化爐模型圖形化建模工具,與傳統(tǒng)的煤氣化過程計(jì)算方法相運(yùn)用Gibbs自由能最小化方法建立粉煤氣流床比,可以實(shí)現(xiàn)快速編制模擬煤氣化過程的模擬軟件,煤氣化模型見圖1,其中包括:1)規(guī)定反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)并可將氣化過程與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)23一電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程整合;汪洋等[0基于AspenB1Plus工業(yè)系統(tǒng)流程模擬軟件,運(yùn)用Gibbs自由能最.Dcmp-- Burm-03+小化的方法建立了氣流床煤氣化模型,研究了氣化.⑥→爐的主要操作參數(shù);代正華等5]用Gibbs自由能最00°T-Q-”中小化的方法對(duì)粉煤氣化過程和某一混合煤種進(jìn)行了中↓熱力學(xué)平衡分析,并對(duì)某一混合煤種進(jìn)行了氣化模圖1氣流床煤氣化爐 模型擬;林立[6]用Aspen Plus軟件對(duì)煤氣化過程進(jìn)行模中國(guó)煤化Iedco Baile#國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAJ01A10)、河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(10210221.MYHC N M H G項(xiàng)01J00).0)1)碩士生;2)副教授;3)講師;4)教授,鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院450002鄭州收稿日期:2010-03-12;修回8期:2010-05-05第3期鄭燦蠡等粉煤 氣流床氣化爐的數(shù)值模擬35化率的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器(Rstioc);以物料平衡為基3計(jì)算模型設(shè)定礎(chǔ)的收率反應(yīng)器(RYield),并將其命名為DECOMP模塊;以化學(xué)平衡和相平衡為基礎(chǔ)的吉布斯自由能本模型考慮了固體顆粒與氣化劑之間的反應(yīng)以最小的平衡反應(yīng)器(RGibbs),并將其命名為BURN及氣體之間的反應(yīng).氣化過程中的化學(xué)反應(yīng)在進(jìn)行模塊;兩股出口流的閃蒸罐(Flash2);子物流分流器正反應(yīng)的同時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物也相互作用形成逆反應(yīng).當(dāng).(SSplit);2)十個(gè)物料工藝流股;3)熱流工藝流段.正逆反應(yīng)的速度相等時(shí),化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡. .水煤漿氣化爐模型的工藝流程為:由DECOMP用AspenPlus軟件計(jì)算時(shí),一般所涉及到的組模塊將粉煤裂解成單元素分子和灰分并將裂解熱分分為常規(guī)組分和非常規(guī)組分兩大類.對(duì)于常規(guī)組QTRANSFER(12)導(dǎo)入BURN模塊,粉煤裂解后分,用RK-SOAVE方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性的產(chǎn)物INBURN進(jìn)入BURN模塊,運(yùn)用吉布斯自質(zhì).非常規(guī)固體組分不參與化學(xué)平衡和相平衡,只是由能最小化方法可以確定出口溫度和組成，子物流計(jì)算密度和焓.一般用HCOALGEN模型來計(jì)算煤分離器SSplit將BURN模塊出來的氣體混合物進(jìn)的焓,這個(gè)模型包含了燃燒熱、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和熱熔.行分離得到粗合成氣RAWGAS(15)和灰渣ASH本模型選擇反應(yīng)平衡模型.基于Aspen Plus化(14).粗合成氣RAWGAS的組分包括:H2O,N，工流程模擬軟件,采用吉布斯自由能最小化方法對(duì)O2 ,S,H2 ,C,CO,COr ,H2S,COS,CH,和NH.氣流床氣化爐模擬.本次模型物性計(jì)算方法采用I-DEAL模型.基于氣流床煤氣化模型,在不同工藝2氣化機(jī)理?xiàng)l件下對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,確定其最佳工藝條件.粉煤煤氣化的總過程有兩種類型的反應(yīng),即非4操作參數(shù)的影響均相反應(yīng)和均相反應(yīng).前者是氣化劑或氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物與固體煤或煤焦的反應(yīng);后者是氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之粉煤氣流床煤氣化爐產(chǎn)生煤氣的主要成分是間的相互作用或與氣化劑的反應(yīng).生成氣體的組合CO和H,還有甲烷、二氧化碳和水蒸氣等氣體.本取決于所有這些反應(yīng)的綜合.煤的分子結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,次模擬主要考慮空氣與煤比率(質(zhì)量比)和氣化壓力其中含有碳、氫氧、氮和硫等其他元素.對(duì)煤氣化的影響.通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,研究有1)氣固非均相反應(yīng):氣固非均相反應(yīng)主要是在效氣體CO和H:變化情況.高溫條件下,固體顆粒與氣化劑(氧氣和水蒸氣)之本次粉煤氣流床氣化爐模擬的主要工藝參數(shù)范間的反應(yīng)(見表1).圍:空氣與煤比率為1~9,溫度1 500 C,壓力為表1氣固反應(yīng)模型4 MPa~10 MPa,煤進(jìn)料量為3 265. 87 kg/h,空氣Table 1 Models of gassolid reaction(氧氣摩爾分?jǐn)?shù)0.21,氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)0.79)流量范NumberGas-solid reaction圍為3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/h, 碳的轉(zhuǎn)化率C+O→+CO2 .為99%.2C+O2→2C0C+COr+2C04.1空氣與煤比率C+ H2O-CO+ H2zC+2Hz-CH設(shè)定本粉煤氣化爐的氣化溫度1500 C,氣化Sx+2Hz→2H2SS+2C0-2C0S__壓力6 MPa,煤進(jìn)料量為3265. 87 kg/h, 改變空氣2)氣體之間的均相反應(yīng):在高溫條件下,反應(yīng)流量(3 265. 87 kg/h~29 392. 79 kg/b)即空氣與煤生成的氣體活性很強(qiáng),彼此之間存在著可逆反應(yīng)(見比率為1~9.基于氣流床氣化爐模型模擬結(jié)果,分析有效氣體CO和H2隨空氣與煤比率的變化情.表2).況,結(jié)果見第36頁(yè)圖2.氣體之間的交換反應(yīng)模型由圖2可以看出,隨著空氣與煤比率的增加，Table 2 Model of gas exchange reactionCO含量先增加后減小，是因?yàn)樵谘鯕獠怀浞值臈lGas exchange reactionCO+H2O-CO2+H2 .件” 中國(guó)煤化工co含量增加;當(dāng)2C0+ 3H2- +CH4 +2H2O氧應(yīng)生成CO2,所以CO2+4Hz-CH.+2H2OCCTYHC N MH或小,是因?yàn)閏o與2CO+ 2H2→CH, + CO2H:S+CO+COS+ Hz___H2O反應(yīng)生成CO與H2;隨著空氣量的增加,生成36煤炭轉(zhuǎn)化2010年000o4 0003 500300080-3000-2 500of7 00ol8 150021 0003 1000500°T234567891001234567890012345678910Ratiof ircalRatio of air-coal圖2不同空氣/煤 比率下的有效氣體含量Fig. 2 Content of effective gas under various ratio of aircoal的H2與O2反應(yīng)生成水蒸氣.由圖2c可以看出,有時(shí),改變 氣化壓力(4 MPa~ 10 MPa),基于氣流床效氣體CO+H2含量在空氣與煤比為4的時(shí)候達(dá)氣化爐 模型模擬結(jié)果,分析有效氣體CO和H2隨到最優(yōu)值,也就是說當(dāng)空氣流量為13 063. 48 kg/h壓力 的變化情況,結(jié)果見圖3.時(shí),有效氣體CO+H2含量最大.由圖3可以看出,有效氣體CO+H2含量隨著壓力增加,在4 MPa~6 MPa之間,出現(xiàn)緩慢的下4.2氣化壓力降,達(dá)到6 MPa以后,隨著壓力的增大,有效氣體含設(shè)定本粉煤氣化爐的氣化溫度1 500 C,煤進(jìn)量CO+H2增加.但是,不是壓力越大越好,它的確料量3 265. 87 kg/h,空氣流量為29 392. 79 kg/h定還需要考慮工藝制造和操作管理方面的問題.0.14。22-0.12-20-194567891001145678910p/MPa圖3不同壓力下的有效氣體含量Fig. 3 Content of efective gas under various pressures8一-CO;b- - - - -H21C- co+ Hz比為4時(shí),有效氣體CO+H2含量達(dá)到最大值.5結(jié)論2)在氣化壓力2 MPa~10 MPa變化范圍,有效氣體CO+H2含量先緩慢下降后出現(xiàn)上升趨勢(shì).1)在空氣與煤進(jìn)料比為1~9的范圍內(nèi),有效壓力越大,有效氣體CO+ H2含量越多,但是需要?dú)怏wCO+H2含量先增大后減小.當(dāng)空氣與煤進(jìn)料考慮工藝設(shè)備的條件.參考文獻(xiàn)[1] Ong'iro A,Ugursal V I,Al Taweel A M et al. 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Under the given conditionsof 1 500 C and carbon conversion of 99%, when coal flow volurme is 3 265. 87 kg/h and the ratioof air/coalis4* 1, the computational results show that the content of effective gas is maximal.At the same time, the content of effective gas increases with the increasing of the pressure.KEY WORDS entrained-flow gasifier ,Gibbs free energy ,effective gas , numerical simulation(上接第14頁(yè))11] Vuthaluru H B. Thermal Behaviour of Biomass/Coal Blends During Co pyrolyis[J]. Fuel Processing Technology ,2004,85(2)141-155.[12]徐建國(guó),魏兆龍用熱分析法研究煤的熱解特性[].燃燒科學(xué)與技術(shù)1999.5(2);176-179.[13] 劉先建,范肖南,武建軍等.溶脹煤的紅外光譜及熱重分析研兗[J].安徽理I大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2005 ,25(1);48-52.[14] 任強(qiáng)強(qiáng) ,趙長(zhǎng)遂,龐克亮.生物質(zhì)熱解的TGA-FTIR分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào).2008,29(7) ;910-914.[1s] 姚燕,王樹榮,鄭 贊等.基于熱紅聯(lián)用分析的木質(zhì)素?zé)崃呀鈩?dòng)力學(xué)研究[J].2007,13(1) :50-54.[16] Jones J M,Kubacki M. Kubica K et al. 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The experimental results show that the pyrolysis characteristics of coal with sawdust blendsare not similar to that of every single sample addition of single coal with single sawdust. The highrank coal with sawdust is more beneficial to interaction effects than low rank coal. By investiga-ting the infrared spectrogram, there is a difference in中國(guó)煤化工-nt coals withsawdust. It is discovered that the coal rank has imp:olysis of theblends. The interaction effects in the co-pyrolysis of coMYHCNMHGd.KEY WORDS biomass, coal, pyrolysis, TGA-FTIR