典型氣流床煤氣化爐氣化過(guò)程的建模

工進(jìn)展●2426●CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2016年第35卷第8期8研究開(kāi)發(fā)典型氣流床煤氣化爐氣化過(guò)程的建模東赫'，劉金昌1，解強'，黨鉀濤'，王新'(!中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083; ?九州大學(xué)電子和材料應用科學(xué)系，日本福岡春日816-8580 )摘要:利用AspenPlus,基于熱力學(xué)平衡模型對GSP煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐的氣化過(guò)程建模。根據煤顆粒熱轉化的歷程，將煤氣化過(guò)程劃分為熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應4個(gè)階段，利用David Merrick 模型計算熱解過(guò)程，采用Beath 模型校正壓力對熱解過(guò)程的影響，選用化學(xué)計量反應器模擬揮發(fā)分燃燒反應，編制Fortran程序計算半焦裂解產(chǎn)物收率，最后基于Gibs自由能最小化方法計算氣化反應。結果表明，采用建立的氣流床氣化過(guò)程模型模擬工業(yè)氣化過(guò)程的結果與生產(chǎn)數據基本吻合，對GSP煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐等3種氣化爐有效氣成分( CO+H2)體積分數模擬結果的誤差均不超過(guò)2%，建立模型的可靠性得到驗證。關(guān)鍵詞:氣流床氣化爐;熱力學(xué)平衡模型; Aspen Plus中圖分類(lèi)號: TQ 546文獻標志碼: A文章編號: 1000- 6613 (2016) 08 - 2426 - 06DOI: 10.16085/jissn. 100-6613.2016.08.19Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coalgasifiersDONG He'，LIU Jinchang'?, XIE Qiang', DANG Jiatao'，WANG Xin'( School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology ( Beiing), Beijing100083，China; Department of Applied Science for Electronics and Materials, Kyushu University, 6-1 Kasuga- Koen,Kasuga, Fukuoka 816-8580，Japan)Abstract: This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSPpulverized coal gasification， GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple- Burnergasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermalconversion procedure of fine coal particles, the coal gasification was interpreted as consisting of fourstages including pyrolysis，volatile combustion, char decomposition and gasification reaction. Then,the pyrolysis stage was calculated by the David Merrick model and the effect of pressure on the coalpyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated byusing Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortranprogram. And finally, the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energyminimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model ofgasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulatedresults of volume fraction of the effective gas (CO+H2) of these three typical entrained-flow gasifierswere all less than 2%，which can validate the reliability of the coal gasification model.收稿日期: 2015-10-30: 修改稿日期: 2015-12-09。第一-作者:東赫(1991-)，女，碩士研究生。聯(lián)系人:解強，教授，基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃( 2014CB238905)及中央高校博士生導師。E-mail dr-xieq@cumtb.edu.cn?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(2009KHI0)項目。第8期東赫等:典型氣流床煤氣化爐氣化過(guò)程的建?！?427●Key words: entrained-flow gasifiers; thermodynamic equilibrium model; Aspen Plus建立煤氣化數學(xué)模型的核心在于選擇合適的反分為熱解及揮發(fā)分燃燒、半焦燃燒氣化反應和氣化應模型。迄今為止，煤氣化數學(xué)模型繁多，主要為還原反應三部分進(jìn)行建模，模型預測較為準確。此動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)平衡模型-21。動(dòng)力學(xué)模型雖能外，對于煤氣化“拔頭”工藝煤熱解過(guò)程，基于A(yíng)spen真實(shí)地反映爐內的氣化反應過(guò)程，但該模型的建立Plus的模擬方法主要使用相關(guān)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算熱解依賴(lài)于詳細的動(dòng)力學(xué)反應機理及反應速率表達式，產(chǎn)物組成，而所擬合的相關(guān)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式多基于常壓對于復雜的煤氣化反應體系，其應用往往受限于清條件下的熱解實(shí)驗結果歸納9。但對于氣流床氣化晰定義的反應和組分個(gè)數:另-方面，由于動(dòng)力學(xué)爐，壓力對熱解過(guò)程的影響不可忽略。BEATH!'0]模擬方法及軟件的限制，僅能對氣化爐單--設備進(jìn)研究發(fā)現煤熱解析出的揮發(fā)分得率隨著(zhù)壓力升高而行模擬研究，難以考察氣化前及氣化后的整個(gè)工藝減小，并根據實(shí)驗數據擬合出壓力與煤熱解產(chǎn)物收流程。相較而言"，熱力學(xué)平衡模型不針對特定的率的關(guān)系式; LIU 等川在對氣流床氣化過(guò)程建模過(guò)氣化爐型，以一-定的平衡限制條件為假定基礎，通程中，采用Beath 模型校正了熱解過(guò)程，模擬結果過(guò)建立各元素組分的反應平衡、質(zhì)量方程及整個(gè)氣更為貼近實(shí)際情況?；癄t熱量平衡方程，求解煤氣的平衡組成。熱力學(xué)結合煤(顆粒)氣化反應歷程，基于熱力學(xué)平平衡模型設計過(guò)程簡(jiǎn)單，雖不能考察氣化爐內的流衡模型對氣化反應歷程中各環(huán)節的模擬在以求解產(chǎn)動(dòng)傳熱、傳質(zhì)特性及氣化反應的過(guò)程，但由于求解物組成及相態(tài)為目的的情況下準確度高且計算量速度很快且在選取準確的模型參數時(shí)能夠獲得較為小。本文以實(shí)際生產(chǎn)指標為依據，利用Aspen Plus準確的結果，故而在氣化爐工程模擬和流程模擬中軟件,對3種典型氣流床氣化爐氣化過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得了廣泛的應用3。深入明晰氣化爐煤熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及DAI等中基于Gibbs自由能最小化原則對煤粉氣化反應過(guò)程模型建立的機理及過(guò)程,并依據Beath氣化過(guò)程建立模型，在此基礎上考察了操作參數對壓力校準模型校準熱解過(guò)程。氣化過(guò)程的影響，并將模擬結果與實(shí)驗數據進(jìn)行比1煤氣化過(guò)程建模較，兩者具有一致性;車(chē)德勇等5模擬流化床氣化時(shí)將氣化過(guò)程分為熱解及氣化兩個(gè)部分，并考慮流1.1 煤(顆粒)氣化歷程解析化床氣化爐密相區和稀相區流體動(dòng)力學(xué)參數不同，煤炭氣化過(guò)程實(shí)際上是煤炭在高溫下的熱化學(xué)利用嵌入Fortran氣化動(dòng)力學(xué)子程序的2個(gè)攪拌釜式反應過(guò)程，王輔臣B、于遵宏同等對煤炭氣化過(guò)反應器模塊分別模擬2個(gè)區內焦炭的氣化反應:汪程進(jìn)行了詳細分析，認為煤氣化反應雖受氣化方式、洋等0借助Aspen Plus軟件建立了氣流床煤氣化爐氣化劑及煤種等諸多因素影響，但所有的氣化過(guò)程的熱力學(xué)平衡模型，其中包含裂解、氣化及冷卻等存在明顯的共性，即煤炭顆粒進(jìn)入氣化爐內先后經(jīng)3個(gè)模塊，將固體煤經(jīng)裂解轉化為Aspen Plus可處歷了干燥、熱解、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒和氣化反理的常規組分物質(zhì)，經(jīng)Gibbs平衡反應器求解產(chǎn)物應過(guò)程。組成，后經(jīng)分離模塊進(jìn)行分離得到產(chǎn)品合成氣和副對于氣流床氣化過(guò)程，在干燥和熱解階段，由產(chǎn)物灰渣。至今，基于熱力學(xué)平衡模型對煤氣化過(guò)于大部分煤顆粒小于200目，且爐內平均溫度在程的模擬研究主要將氣化過(guò)程簡(jiǎn)化為裂解單元和氣1300C以上，煤粉受熱速度極快，因而認為干燥階化單元兩部分，且側重于操作參數對氣化爐性能的段煤中水分瞬間蒸發(fā)，同時(shí)發(fā)生快速的熱分解脫除分析，而關(guān)于熱力學(xué)平衡模型詳細的建立過(guò)程仍不揮發(fā)分。目前氣化過(guò)程模型的建立均將水分蒸發(fā)過(guò)充分，且實(shí)際的氣化反應過(guò)程較為復雜，上述 模型程與揮發(fā)分析出過(guò)程一-起考慮12]。 而后，熱解析出建立時(shí)尚未考慮煤氣化過(guò)程伴隨的熱解及揮發(fā)分燃的揮發(fā)分和形成的半焦進(jìn)行燃燒和氣化反應，此過(guò)燒反應，難以系統和準確地反映實(shí)際氣化過(guò)程。程中揮發(fā)分的燃燒反應產(chǎn)生的熱量以供為后階段的KONG等7針對水煤漿氣化過(guò)程建立了三級平衡模氣化反應，不可忽略。氣化反應階段包括氣化劑與型，將氣化過(guò)程分為熱解和燃燒級、氣固相反應級煤或焦之間的反應、煤與反應物之間的反應、反應及氣相反應級3個(gè)等級進(jìn)行模擬，結果表明該模型產(chǎn)物與氣化劑及反應產(chǎn)物之間的反應。具有一定的可靠性;徐越等8)將復雜的煤氣化過(guò)程需說(shuō)明，實(shí)際氣化過(guò)程中各個(gè)階段可能同時(shí)進(jìn)●2428●化I進(jìn)展2016年第35卷行，難以清晰分割。為便于氣化過(guò)程模型的建立，解揮發(fā)分的成分及焦炭的產(chǎn)率，計算簡(jiǎn)便且通用性結合煤氣化反應歷程，擬將復雜的煤氣化過(guò)程進(jìn)行較好4。假設揮發(fā)分產(chǎn)物有CH4、C2H6、 CO、CO2、分段，即劃分為熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣H2、H2O、 NH3、H2S和焦油，其他產(chǎn)物只有焦。具化反應4個(gè)階段。體方程如式(1)所示。式(1)是由10個(gè)方程組成的101.2熱解過(guò)程階矩陣，矩陣每行代表每個(gè)方程中10個(gè)回歸系數。1.2.1 David Merrick模型其中，第1行為碳平衡方程，2~5行分別為H、0、DavidMerrick建立了煤熱解揮發(fā)分及焦炭產(chǎn)N、S平衡方程，第6行為質(zhì)量平衡方程，7~10行量的計算經(jīng)驗模型131，該模型基于元素平衡計算熱表示各個(gè)物質(zhì)的收率?！竪(C) 0.75 0.8 0.4286 0.2727 0.85 0 0 00]「CHARCw(H) 0.25 0.20 0 0.082 1 .11111 0.1765 0.0588CH,Hw(O) 0 0 0.5714 0.7273 0.049 0 0.8889 00C,H。0.009 0CON0.01 0 0 0.8325 0.9412 CO,S(1)TAR .1-VH2| 1.31HH,0| 0.22HNH,0.320H2SL 0.150]1.2.2壓力校正通過(guò)AspenPlus內嵌的Calculator計算模塊中氣流床氣化爐內壓力較高，在使用熱解模型對原Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的程序來(lái)控制。該單元本身遵循質(zhì)煤熱解產(chǎn)物進(jìn)行計算后需要通過(guò)壓力校正才能更加.量守恒，只需考慮穩態(tài)情況下系統能量的守恒，且準確地模擬氣流床氣化過(guò)程。論文擬根據BEATHIOI由于煤氣化是化學(xué)反應過(guò)程，因而可采用生成焓來(lái)實(shí)驗結果提出的煙煤壓力校準模型，如式(2)。計算反應中氣體和固體的焓。煤裂解單元的焓平衡(2方程及生成焓5)如式(8)、式(9)。p,"MmusSHcu.2. + m.uHoaw(ea)= EnSHgco.298J +13揮發(fā)分燃燒過(guò)程8)EnH,(Tu)+Qp使用David Merrick模型可計算出的揮發(fā)分有CH4、C2H6、CO、CO2、 H2、H2O、 NH3、H2S及焦HHau2 = HHV -(327.86C。+ 1418.79H +(9)油。其中可以發(fā)生燃燒反應的有CH4、C2H6、 CO、92.84S + 158.67M )H2、H2S及焦油。假定氣化反應過(guò)程中氣化劑充足,式(8)表示在一-定溫度T下，等號左邊的兩項分上述五種可燃揮發(fā)分以及焦油發(fā)生了完全燃燒反別表示進(jìn)料物流的生成焓和總焓，等號右邊前兩項應，采用Aspen Plus軟件現有的操作模塊化學(xué)計量分別表示反應產(chǎn)物的生成焓和總焓。反應器(RST0IC) 進(jìn)行模擬，主要反應方程式如在A(yíng)spen Plus軟件模擬時(shí)，半焦裂解過(guò)程產(chǎn)物式(3)~式(7)。依據焦的工業(yè)分析和元素分析，通過(guò)Fortran 編程Cm H, +(m+0.5n)O2 == mCO2 + 0.5nH2O(3語(yǔ)言實(shí)現，如下所示!6。CH.+2O2CO2 +2H2OFACT=(100- _WATER)/100H2+0.5O2= == = H2O(5H2O=WATER/100H2S+1.5O2== = H2O+SO2(6ASH=ULT(1)/100*FACTCH。+3.50,== =2CO2 +3H2O(7C=ULT(2)/100*FACT1,4 煤(焦)裂解過(guò)程H2=ULT(3)/100*FACT煤、半焦都是復雜的混合物，在模擬軟件中無(wú)N2=ULT(4)/100*FACT法對組分不清楚的混合物進(jìn)行計算，將熱解后的半Cl2=ULT(5)/100*FACT焦依據其工業(yè)分析和元素分析結果分解為單元素分S=ULT(6)/100*FACT子(C、H2、02、N2、S)和灰分，裂解組分的收率O2=ULT(7)/100*FACT●2430●化I進(jìn)展2016年第35卷?yè)]發(fā)分燃燒反應....一氧氣RSTOIC7氣花反應”-揮發(fā)分一反應器燃料產(chǎn)物混合器混合物RGiBBS物。反應器中原料一RYIELD中載氣-混合器H煤粉一反應器1-四一反應器2-四-分離器......半焦裂熱解過(guò)......」半焦.... .. . .. . ..半焦裂解反應」圖1氣流床煤氣化過(guò)程 模擬流程圖( 0XYGEN) 混合進(jìn)入到RST0IC反應器表4熱解產(chǎn)物組成( COMBUST) 中發(fā)生燃燒反應，得到產(chǎn)物產(chǎn)物產(chǎn)率(質(zhì)量分數)1%|產(chǎn)物 產(chǎn) 率(質(zhì)量分數)1%CC1.93( GASPRO)。焦油11.26H2.13(3)半焦裂解過(guò)程半焦 (CHAR)進(jìn)入到H2O2.17RYIELD反應器(DECOMP)中進(jìn)行裂解反應，得CH61.19NHs0.015到C、H2、 O2、N2、S及ASH混合物(DECOMP)。0.114(4)氣化過(guò)程揮發(fā)分燃燒產(chǎn)物 (GASPRO)、半焦裂解產(chǎn)物(DECOMPUD)及水蒸氣(STEAM)表5 Beath 模型校準的熱解產(chǎn)物組成首先進(jìn)入混合器(MIX2)中混合，混合物產(chǎn)物產(chǎn)率 (質(zhì)量分數)1%|產(chǎn)物 產(chǎn)奉 (質(zhì)量分數)1%(MIXTURE)進(jìn)入RGIBBS反應器(GASIFIER)58.5CO21.61中進(jìn)行氣化，生成產(chǎn)物(PRODUCT)。1.78CH45.91.813模擬與校核數據99NH;0.01co3.440.13.1分析數據(1)煤質(zhì)分析數據選用寧東重化工基地某 煤3.3 氣化模型驗證氣化廠(chǎng)中GSP、GE及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐實(shí)應用建立的氣化模型進(jìn)行模擬的結果匯總于表際運行過(guò)程的氣化原煤，其主要煤質(zhì)指標如表2所示。6。表6也給出了氣化生產(chǎn)的實(shí)際數據。表2煤的工業(yè)分 析和元素分析單位: %由表6可知，模擬結果與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)數據基Mas AVa FCa Ca Na SuaHa C本吻合，GSP、GE及四噴嘴對置水煤漿氣化爐合成7.22 17.04 28.51 54.45 66.02 0.73 0.97 4.51 10.73氣有效成分(CO+H2) 體積分數模擬結果誤差分別為1.48%、0.53%及 0.31%，說(shuō)明該模型能夠較為準(2)半焦分析數據利用David Merrick模型表6 GSP 煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式估算熱解產(chǎn)物需用到半焦的工業(yè)分析和元素分析數水煤漿氣化爐模擬結果驗證據，將原煤通過(guò)熱解實(shí)驗制得半焦，熱解后的半焦四噴嘴對置式水組分(體積GSPGI工業(yè)分析與元素分析數據如表3所示。分數)生產(chǎn)模擬生產(chǎn)模擬煤漿氣化爐數據結果數據結果生產(chǎn)模擬3.2熱解模型計算數據結果根據DavidMerrick模型計算熱解產(chǎn)物的結果如25.5 25.88 37.30 36. 1833.77 33.96表4所示;根據Beath模型校準的熱解產(chǎn)物結果如CO69.2567.39Co24.42 3.92 .21.59 15.3318.96 12.60表5所示。0.050.08.25200.2表3半焦的工業(yè)分析和元素分析N20.69 0.38 0.69 0.440.31 0.33MasAsVjFCaCNosHs OuH2S0.090.12.16.190.16 0.120.58 23.98 9.85 66.17 70.26 0.58 0.86 1.23 3.0CO+H2 94.75 93.27 77.25 77.7880.35 80.04第8期東赫等:典型氣流床煤氣化爐氣化過(guò)程的建?！?431●確的模擬3種典型氣流床氣化爐氣化過(guò)程。w(C)半焦干燥無(wú)灰基中C的質(zhì)量分數4結論w(H)半焦干燥無(wú)灰基中H的質(zhì)量分數w(N)半焦干燥無(wú)灰基中N的質(zhì)量分數(1)根據煤(顆粒)氣化歷程，詳細解析了煤w(O)半焦干燥無(wú)灰基中O的質(zhì)量分數熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應各個(gè)階段半焦干燥無(wú)灰基中S的質(zhì)量分數的機理及過(guò)程。z一系統中 元素的個(gè)數(2)基于熱力學(xué)平衡模型，利用Aspen Plus參考文獻軟件建立了氣化過(guò)程各個(gè)階段的模型，其中熱解過(guò)程依據David Merrick模型計算，并采用BEATH模1] 亢萬(wàn)忠.粉煤氣化爐的模擬計算及其分析D]. 石油化工設計，型校正了壓力對熱解過(guò)程的影響，揮發(fā)分燃燒反應2008，25 (1): 29-33.過(guò)程選用了化學(xué)計量反應器模擬，通過(guò)Fortran程序2] 王輔臣，龔欣，代正華，等，Shell粉煤氣化爐的分析與模擬[].華東理工大學(xué)學(xué)報，2003, 29 (2): 202-216.計算了半焦裂解產(chǎn)物收率并基于Gibbs自由能最小3] 于遵宏，王輔臣，等煤炭氣化技術(shù)IMI. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，化方法計算了氣化反應的產(chǎn)物組成。2010.[4] DAI Zhenghua, GONG Xin, GUO Xiaolei, et al. Pilotial and(3)以GSP、GE及四噴嘴對置式水煤漿氣化modeling of a new type of pressurized entraned-flow pulverized coal裝置生產(chǎn)數據為依據，基于所建模型對3種典型氣gification technology[]. Fuel, 2008， 87: 2304-2313.流床氣化爐氣化過(guò)程進(jìn)行模擬，結果表明，模擬計5] 車(chē)德勇，韓寧寧，李少華，水蒸氣對生物質(zhì)和煤流化床共氣化的算結果與實(shí)際生產(chǎn)數據基本吻合，3種氣化爐的模影響模擬田].中國電機工程學(xué)報，2013， 33 (32); 40-45.擬結果中有效氣成分(CO+H2) 體積分數的誤差均6] 汪洋，于廣鎖，于遵宏。運用Gibbs 自由能最小化模擬氣流床煤氣化爐D]煤炭轉化，2004, 27 (4): 27-3.不超過(guò)2%，驗證了該模型用于模擬氣流床氣化爐氣化過(guò)程的可靠性。Equilibrium model for gasification in entrained flow gasifiers basedon Aspen Plus[J]. Chinese Jourmal of Chemical Engineering，2013,符號說(shuō)明21 (1): 79-84.[8]徐越， 吳一寧，危師讓.二段式干煤粉氣流床氣化技術(shù)的模擬研b,元素的摩爾數，mol究與分析D中國電機工程學(xué)報，2003， 23 (10): 187-190.9] 張彥，趙月紅，何險峰?；贏(yíng)spen Plus的“煤拔頭"工藝熱解過(guò)組分數程的模擬[D].計算機與應用化學(xué)，2014, 31 (7): 7-778.煤收到基中C的含量，%[10] BEATH A C. Mahematical modeling of entrained flow coalGGibbs自由能gasification[D]. Australia: The University of Newcastle, 1996.11] LIU G s, REZAEI H R, LUCAS JA, et al. 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