第42卷第10期當代化Vo1.422013年10月Contemporary Chemical Industry煤氣化過程的數學模型史聰,楊英,夏支文(神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司,寧夏銀川750411)摘要:介紹了目前有關煤氣化爐內氣化過程的幾種典型數學模型,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。結果表明:在特定煤種和氣化爐結構的條件下,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鍵詞:煤氣化;數學模型;流程模擬中圖分類號:TQ546文獻標識碼: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煤氣化技術是目前及未來實現(xiàn)煤炭高效、清潔、為爐內存在流體力學特性各異的射流區(qū)、回流區(qū)及經濟利用的關鍵技術之一。因此,開發(fā)潔凈煤技術,管流區(qū),對應存在化學反應特性各異的一次反應區(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區(qū)和一、二次反應共存區(qū)。在此基礎上建硏制和推廣應用大型化、先進的煤炭氣化技術。當立水煤漿氣化爐數學模型、激冷室與洗滌塔數學模前,從更深層次的理解氣化機理,建立能真實反映型、文丘里洗滌器數學模型,其中氣化爐數學模型煤氣化過程的數學模型,已成為指導氣化爐設計、包含氣相物料的混合模型和殘?zhí)苛坑嬎隳Ｐ?以及評價、生產過程優(yōu)化及改進的重要發(fā)展方向,也是微量組分計算模型世界范圍內開發(fā)先進煤氣化爐的研究熱點。(1)氣相物料的混合模型自20世紀70年代以來,國內外學者對煤氣化在進行氣化爐氣相物料的計算時,必須從停留過程的反應機理、反應動力學和熱力學進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學模型,主的時間尺度。氣化爐內宏觀混合的時間尺度為M要分為動力學模型和平衡模型。其中典型動力學模0.15~0.50s。氣化爐內物料微觀混合的時間尺度型有 Watkinson等"提出的動力學模型、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行介紹Y=0-)1vRRRt|E()d(1)1三區(qū)模型R(2)R1.1模型描述當脫揮發(fā)王輔臣等提出水煤漿氣化過程三區(qū)模型,認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(北京)化學工程專業(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:煤氣化過程的數學模型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俾?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)氣化過程數學模擬是可靠的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)為氣相反應速率表達式,式(5)為氣CHNs固反應速率表達式,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號煤對動力學數據進行適當的調整,用另外2組煤種進行校核,元素分析見表k].k30978.32所示。模擬值與試驗數據基本吻合,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)的熱力學平衡為基礎,同表2元素分析和工業(yè)分析時考慮了反應動力學因素的影響,能真實地反應爐Table 2 Element Analysis and industrial analysis參數Ⅲ linois6號Austrilia/UBE Fluid coke內的氣化過程,對最終煤氣成分的預測與操作值較吻合,同時可對NH3和 HCOOH微量組分進行計算,模擬結果對工程防止灰水循環(huán)系統(tǒng)的結垢和腐蝕具有指導意義。HNs但該模型僅適用于水煤漿氣化過程,且模擬結8.3果取決于噴嘴與爐體匹配形成的流場,必須對氣化爐結構、噴嘴結構及射流特性對流場特性的影響進2.3模型評價行深入且可靠的流體力學研究。該模型較為詳細的描述爐內動力學反應過程,2小室模型模擬結果與氣化爐實際運行情況較吻合,具有較大的可信度和應用價值,建議從以下方面進一步完善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,且認為每個小室為氣(2)鑒于氣化爐內氣固流動的復雜性,模型假體組分質量、固體質量、碳質量及能量的平衡空間,設與實際流動特性存在差別,有待修正;建立起預測 Texaco煤氣化爐性能的數學模型。(3汽化爐分割成小室的分配高度和個數無明建模做如下假定:(1)氣化爐內流動為均勻平確定義,模型相對復雜,通用性較差。推流;(2)水煤漿的預熱、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模型描述結團,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和氣固異相反應兩種化學Gibs自由能最建÷了宜淚宣壓下的氣流反應,并建立及起反應速率計算公式,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。數據庫和單元CNMH見圖1所示1474當代化工2013年10月主要包含 Decomp、Burm、 Separate三大單元模塊。據式時,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,在體系達到化學反應熱平衡判- 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)傳質特性以及氣化反應的過程,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),碳轉化率為98%,熱損關4結論為0.5%。通過對Bum單元模塊的模擬計算結果進近年來國內以李政、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”煤氣化爐數學模型,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構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化機理、爐內多項流動力學特性、微量組分計算、動態(tài)模擬等方面,大量基礎研究和模擬優(yōu)化工作有8.08待進一步深入或開展。參考文獻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)模型小燃料化學學(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)數學模擬J燃料化學學度上限制了對工業(yè)實際操作的指導作用;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)數學模擬J華東化工學院學報,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,煤氣化爐數學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煤氣化爐數學模型研究(2)計算結微量組分,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有重要的指導意義;Coal gasificat(4)模型驗證采取的碳轉化率高,較低碳轉化[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