煤气化过程的模型和模拟与优化操作

第25卷第2期转化Vol.25 No. 22002年4月COAL CONVERSIONApr.2002煤气化过程的模型和模拟与优化操作项友谦]商要介绍了煤气化过程的模型和煤气化过程采用机理模型的理由、固定床煤气化过程机理模型的建立以及模拟计算的结果,并探讨了固定床水煤气炉和流化床水煤气炉制气过程优化操作参数的确定.开发的数学模型已用于制气炉的模拟计算,与实测数据比较符合.由气化过程的数学模拟气化过程不同条件下各种参数的变化规律,进而可得出气化过程的优化操作条件,其确定过程比试验法安全、省时、省料.关键词煤炭气化,过程模型 ,模拟计算,优化操作中图分类号TQ541 ,TU9961. 1机理模型法0引言该法是在逻辑推理的基础上,建立描述对象的煤转化为气体燃料的技术有固定床、流化床、气数学模型.该模型的建立需要足够可靠的验前知识流床三大类型,我国使用最多的是固定床气化工艺,和物性参数,才能得出可靠的模型.该模型的建立通但流化床气化以粉煤为原料,是发展的方向.这些气常基于描述对象微元体的物料平衡和能量平衡:化炉的设计已经比较完善,但操作技术有待继续提单位时间内流入物料量-单位时间内流出物料高.过去操作条件的选择,尤其是优化操作条件的确量=物料的累积速率定多凭经验判断,煤种及操作条件变化时，要进行较单位时间内流入能量一单位时间内流出能量=长时间的试验摸索.试验法无疑是最现实和可靠的能量的累积速率方法,它是在实际生产装置上,改变操作条件,测定存在化学反应的过程还需在物料平衡和能量平其热效率,以此来确定优化的操作条件.此法比较直衡中加入化学反应生产的能量、质量或消耗的能量、观,但试验次数多,人力物力消耗大,测量仪表要求质量.当传递因素起重要作用时,还需考虑动量、质较高,有时还要影响生产.模型法是根据建立对象的量、能量的传递方程.数学模型,在计算机上进行模拟计算,然后根据模拟总之,建立机理模型的基本理论是动量传递、质计算的结果,得出优化的操作条件.下面介绍煤气化量传递、能量传递和反应工程(即三传-反)的理论.过程的模型建立、模拟计算与优化操作条件的确定.由于模型往往非常复杂,为了减少计算时间,需要简化模型.模型简化有三种方法:-是在开始建模1模型的分类与选择时就引入简化假定,使之得出的模型形式简单些,如将反应器中的流动视为理想的流动;二是在得到较一个过程建立数学模型的途径有三个:一是从复杂的模型方程式后,对方程进行简化或近似求解;内在机理出发.导出机理模型;二是依据输入输出测三是在对户模刑言程式田计算机进行模拟计算,得中国煤化工试数据,通过系统辨识和参数估计,得出系统辨识模至后进行数学处理得到更.CNMHG'型;三是将前二者结合的方法. [1根据不同的对象，加还可按连续变量与离散变量数学模型进行分类. [2]模拟计算得到的数据规律性很强,但与实际生.1)教授级高级工程师.中国市政工程华北设计研究院,300074天津收稿日期:2001-12- 16第2期项友谦等煤 气化过程的模型和模拟与优化操作61产数据往往有差别，是否可行尚需验证,就是将模拟反应如下:计算得到的结果与实际生产数据进行比较,再对模C+ 0.5O2=CO△H=- 123.1 kJ/mol(1)型进行修正.C+O2=CO2OH= - 406.3 kJ/mol(2)1.2 系统辨识模型H2+0.5O2= H2OOH= -241.2 kJ/mol(3)根据系统的输入输出数据,从给定的模型中，寻C+H2O=H2+CO△H=+118.7 kJ/mol(4)找与所研究的系统等价的模型的方法为系统辨C+ 2H2O=2H2+CO20H=- - 89.8 kJ/mol(5)识3],得到的模型为系统辨识模型.其主要任务是:CO +H2O=CO2+H2△H=-41.2 kJ/mol(6)C+CO2=2CO0H=+ 159.9 kJ/mol(7)(1)确定合适的模型结构;(2)选择适宜的实C+2H2=CH40H=- 86.3 kJ/mol(8)验方法和输入信号;(3)求取模型参数,计算出较可靠的估计值;(4)验证模型的精确性.CO+ 3H2=CH.十H2O0H=- 205.0 kJ/mol(9)采用系统辨识方法建模,也要求有足够的验前固体燃料为-多孔介质物料，其反应主要在孔知识.验前知识来自对研究对象内在规律的认识和内表面进行,因此整个反应可设想由下述步骤组成:来自事前的测试数据,也来自对日常操作记录的分气体反应剂从气相主流经气膜扩散到固体外表面;析.验前知识越丰富,就越能减少盲目性,辨识迅速,气体反应剂经孔扩散到固体内表面;气体反应剂与固体在孔内表面进行反应;气体产物由孔内表面扩辨识结果更精确.对于单输入单输出系统的动态特性可以用传递散到固体外表面;气体产物由固体外表面扩散到气函数、频率响应、脉冲响应、阶跃响应等方法来表示.相主流.各步的反应速度往往相差很大,总反应速度.对于多输入多输出系统,在输入和输出之间很难建取决于反应速度最慢的阶段,即所谓“控制阶段”.对立具有对应关系的数学模型,可采用人工神经网格上述步骤进行考察,在一经反应时,总反应速度R;等建模方法.人工神经网络不需预先建立系统的模可用下式表示:型,只利用系统变化情况来分析系统的特征.神经网R,= ke.C;1/kg+ 1/(nk,)络的运算过程包括两部分:-是训练过程,即建立输式中:R;总反应速度,kmol/(m3.h);e-反入输出的映射关系;二是仿真过程,是利用建立的映应速度常数,L/h;kq-气膜传质速率常数,L/h;射关系进行运算,得到需要的结果.k,-本征反应速度常数,L/h;7-孔效率;1.3煤气化反应器模型的选择C;--i组分的浓度,kmol/m3 ;n- 反应级数.模型的选择主要取决于对象的复杂程度和拥有当物料颗粒直径小时,颗粒的比表面积大,温度数据的多少.对煤的气化反应器,人们已经基本掌握低时,反应速度低,这时扩散速度大于反应速度,内煤气化过程反应动力学与热力学的数据,就可以根表面的反应速度基本.上代表整个反应的速度,这时据“三传一反”的原理建立机理模型[,在计算机上反应速度常数为本征反应速度常数,它可用文献介进行数值求解,再根据数值解得出优化的操作条件.绍的方法测定. [5-7]由于煤的质量比体积容易测定,此法所需数据可从反应器外得到,模拟计算方便,人因此,多用质量为基准的反应速度常数km表示,即力、物力消耗少,不但能节约资金,而且安全可靠、规k,= km●ρ律性强.转化过程主要希望气化效率高,而水煤气炉式中:km=k。●e-E/NR';p煤的堆密度,kg/m*.的操作为不稳定过程,其模拟最困难,因此本文主要关于煤炭气化的数学模型,国内外已有许多研以水煤气炉为对象,以气化效率为目标函数,对采用究,多数用于流化床5.8-12、气流床,少数为固定机理模型进行优化的方法进行讨论.床5.13-18] ,水煤气炉的数学模型很少.连续运行的固2煤气化过程机理模型定中国煤化工下,其过程为稳定工况.而0HCN MH盾环操作.时刻处于不稳煤的气化过程是强烈的吸热过程,从供热方式定状态,为非稳念数子俣型. [1.16]非稳态煤气化过来分,有自热式、蓄热式、外热式等.连续式流化床气程包括水煤气炉、水煤气两段炉气化过程、流化床水化为自热式,而外热式很少用.煤气化过程的气化剂煤气炉、循环式地下气化过程以及稳态煤气化的开有空气、纯氧、水蒸气、氢气、二氧化碳等,其中空气、停车(包括操作参数的变化)过程.纯氧和水蒸气是最常用的气化剂.气化过程的主要为了使模型的计算简便,失真又不严重,特作如62煤炭转化2002年下基本假设:气化炉内气体及固体呈活塞运行,无径C,1 000 C,1 100 C,1 200 C下与水蒸气和二氧向参数差别;气体的轴向扩散忽略不计;反应器内压化碳的反应速度见表1.力视为常数;气化段内只进行气化和燃烧过程.非稳-般来讲,固定床气化炉的有效高度约2.0 m,态煤气化过程的操作参数随时间变化,其数学模型其平均体积气化强度为200 kg/(m3●h)左右,显然为-偏微分方程组.取气化炉内高度上x与x+dx比气化温度为900C时的水蒸气气化的计算气化强之间的微元体对i组分进行物料平衡得出:度低，可见气炉内的实际有效气化区并不高.XC;a(C;●U2)2，.R,(C,T)(2)水煤气型两段炉的模拟计算.表2为水煤Xtdx气型两段炉鼓风、上吹阶段的实际生产数据与模拟分别对固相和气相进行能量衡算则得到:计算数据的比较.通过比较,我们认为水煤气型两段a(Cp.●C。. T,)」a(Cp. .C。. T,●U,).炉的数学模型基本上能反映实际气化炉的状况.)taF(T。- T,)+ K●R,(C,T)●(- HR)4循环制气过程优化操作参数的确定a(CP。●C。●Tg).。a(Cp。 ●Cg . Tg●U])_ax4.1固定床水煤气炉制气过程优化参数的确定aF(T,- Tg)+ (1一K)●R,(C,T). (一HR)固定床水煤气炉的气化效率的影响比较复杂，通过上述偏微分方程组即可描述水煤气炉内随着循环周期的增加，气化效率并非单调地增加或10个未知数沿高度和时间的分布.由于反应速度随减少.[16]气化效率主要受炉内温度、煤活性和自动反应温度的变化很大,该模型为-刚性方程组.稳态控制阀门开启的滞后时间等因素的影响,这些因素煤气化过程参数不随时间而变化,将上述方程中的影响规律的摸索和寻优,一般只能通过数学仿真模.对时间的偏导数取消,则可得到稳态煤气化过程的型的计算才能解决.煤的气化过程是能源转换过程,数学模型.目标函数应是热气化率.优化参数是循环周期和各3煤气化过程的模拟计算阶段的时间分配比例.循环周期长,则反应温度波动大,水蒸气分解率下降，气化效率要降低,因此从煤用上述模型对许多过程进行过模拟计算,典型.气组成稳定以及气化效率高来讲,希望循环周期越结果如下.短越好.但是从安全角度和阀门开闭、气流变向要有(1)半焦在单一条件下的计算结果.半焦在900一定时间来讲,需要一定的绝对非生产时间,因此循表1不同温度下半焦的反应温度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水煤气型两段炉煤气组成Table 2 Gas composition of two stage type water gas gasifier(%)Blowing in stageUpblowing in stageGas compositionCalculation valueMeasuring value中国煤化工,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期项友谦等煤 气化过程的模型和模拟与优化操作63环周期太短,有效的生产时间会相对减少,导致气化表4温度范围对气化强度和气化效率的影响.效率要降低.直径3.3 m水煤气炉模拟计算的气化Table 4Effects of temperature range on gasification效率与循环周期的关系见表3.由表3可知,循环周strength,gasification efficiency期有一个极值,即优化的循环周期.Temperature/ Cycle time/CoalGasification Gasificationconsumption/ strength/ efficiency/K表3仿真法计算气化效率与循环周期的关系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流化床水煤气炉制气过程优化参数的确定.of gasification eficiency.根据建立的数学模型,可以对流化床水煤气炉5结束语进行各种模拟计算,下面就几个主要的内在关系进行探讨. [叫]温度范围的提高对气化过程有利,但加(1)在煤气化反应动力学活性测定装置上测定热所需时间要增加,耗煤量增加很多,其原因之一是的气化原料与氧气、二氧化碳和水蒸气反应的动力烟气中CO含量升高,化学热损失增加;原因之二是.学参数可以用于煤制气过程数学模型的计算.烟气温度升高,其带走显热增加.因此温度范围的选(2) 开发的数学模型已用于制气炉的模拟计择要综合考虑,寻优确定.温度范围对气化强度、气算,与实测数据比较符合.化效率的影响见表4.显然,温度范围为1 273 K~(3)气化过程的数学模拟气化过程不同条件下1 323 K(即循环时间为139 s)时的气化效率最高，各种参数的变化规律,进而可得出气化过程的优化此为优化的操作温度范围..操作条件,其确定过程比试验法安全、省时、省料.参考文献[1]蒋蔚步，俞金寿.化工过程动态数学模型.北京:化学工业出版社,1986[2]塞恩费尔德JH,拉皮德思L.化工过程数学模型理论.南京:江苏科学技术出版社,1981[3]相良节夫,秋月影雄.中沟高好等.系统辨识.北京:化学工业出版社,1988[4]卢伊本WL..化学工程师使用的过程模型化、模拟和控制.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]项友谦.固体燃料转化过程动力学数据的确定.煤气与热力,1986(3):4-11[7]项友谦,王泽津 ,李顺义等.煤炭气化过程反应活性及动力学研究.煤气与热力1999<4):3-6[8] Xiang Youqian. Theoretical Calculation of Thermodynamic Equilibrium Composition on Coal Gasification. Gas &. 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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页)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中国煤化工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