运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉

第27卷第4期媒炭转化Vol. 27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOet.2004运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉汪洋)代正华2)于广锁3于遵宏”摘要基于Aspen Plus工业系统流程模拟软件,运用Gibbs自由能最小化方法建立了气流.床煤气化炉的模型.研究了气化炉的主要操作参数(即水煤浆浓度、氧煤比、碳转化率和气化温度)对气化结果的影响.对模拟结果进行了分析,发现模型基本正确,可应用于一些反应机理复杂的气化工艺的化学和热力学平衡计算.模拟结果表明,氧煤比和水煤浆浓度是影响气化炉出口煤气组成的主要因素,气化炉温度随着氧煤比的增加而增加,也随着水煤浆浓度的增加而增加.结果还表明,氧煤比对气化结果的影响比水煤浆浓度的影响更为显著.关键词气流床,气化炉 ,Gibbs自由能,Aspen Plus中图分类号TQ545元模型库,可用于各类过程工业流程的模拟.在提供0引言可靠的热力学数据流程操作参数和准确的设备模型的情况下,Aspen Plus可用于工厂实际生产流程的气流床气化炉的数学模型一般是平衡模型或考模拟.在AspenPlus提供的通用过程单元模型不能虑气化过程动力学的模型.平衡模型认为气化过程满足用户需求时,用户可利用AspenPlus提供的用所有化学反应达到平衡,通过对气化过程质量及能户扩展接口将自定义的过程单元模型添加到系统量平衡方程求解得到反应平衡时的煤气组成及平衡中,在Aspen Plus系统框架中使用.用户扩接口赋温度.项友谦"用能量最小原理,建立了加压气化平予AspenPlus极大的扩展能力，同时有助于保护用衡模型，并用4种方法对微分方程求解.户已有的开发成果.AspenPlus支持Fortran用户Watkinson[2提出平衡模型,通过质量和能量平衡及模型、Excel用户模型、基于CAPE OPEN COM技反应平衡方程式关联,可以得到产品煤气组成、产率术的用户模型及由建模工具导人4种用户定义模型和最佳适宜温度. Ruprechti等建立了平衡模型,并开发方式.本文基于Aspen Plus化工流程模拟软用于评价实验数据分析.平衡模型可用于对出口组件,运用Gibbs自由能最小化方法建立并模拟了气成及温度进行简单预测，由于其假定的条件较理想，流床水煤浆气化系统的气化炉模型.采用Aspen如假定所有反应都达到平衡,在实际过程中是不可Plus10. 2中的物性数据库和单元模块进行计算,并能的.因此其用途受到一定限制,对过程控制及气化引入实际工业操作过程中的碳转化率数据和估算的炉设计参考价值较少.为了更准确地用数学模型对热量损失用以修正模拟结果. [5-)气化及燃烧过程进行模拟,需要考虑气化过程三传1气流床煤气化炉模型一反及动力学行为.许多研究者对此进行了研究,建立了一维、二维及多维模型.王辅臣等[4]在气流床煤运用Gibbs自由能最小化方法建立的气流床煤气化炉的数学模拟方面做了大量工作.气化炉模型见图1,其中包含3个单元模块、9个物Aspen Plus是一种通用的化工过程模拟、优化流工艺流股和2个热流工艺流股. Decomp模块将和设计软件，在物料和热量平衡、相平衡、化学平衡粉煤分解成单元素分子和灰分并将裂解热导人及反应动力学基础上,Aspen Plus提供了大量的物Burn模块,Burn模块运用Gibbs自由能最小化方性数据、严格的热力学估算模型库和丰富的过程单法求得中国煤化工:parate模块将气*国家高技术研究发展计划项目(2003AA521020)和上海市启明星计划项目(O3MYHCNMHG1)硕士生;2)讲师;3)副教授;4)教授.博士生导师,华东理工大学洁净煤技术研究所,200237上海收稿日期,2004-07-15;修回日期:2004-08-2528煤炭转化2004年化产生的气相混合物洗涤冷却,得到粗合成气. [8]粉煤气化系统的热损失,Mixture为气化产生的气Coal为进人系统的煤,Inburner为粉煤经过热相混合物，Water1为进人激冷室的激冷水,Water2裂解后的产物,Qtransfe为粉煤裂解热,Water为进为锁斗循环水,Rawgas为粗合成气,Liquid为排放人系统的水,Oxygen为进人系统的氧气,Qlost为黑水.个C Qtransfe_Decomp[ Inburmer ]- 斗Bum[ Mixture ]》SeparateLiquid}-5RyieldGibbsflash2[Water ][Qlost][Coal]WatyL ] Wale2 ]Oxygen ]图1气流床煤气化炉模型示意图Fig. 1 Diagram of entrained-flow bed coal gasifier modelDecomp单元是一个仅计算收率的简单反应器,模块来自Aspen Plus 10.2 中的Ryield 反应模k= 1...(4-1)块. Decomp单元其主要功能是将粉煤分解转化成2m,H(Tms.)=单元素的分子,并将裂解热传递给Burn单元.此模块需给定粉煤分解温度,具体的数值大小对整个流S.t.程的模拟结果没有影响.式(1)为该单元的焓平衡方程,其中的Q即为裂解热.煤的生成焓用式(2)计2n,H(Tms) +Q(4-2)算.(4-3)$m;m,H(Tus,)=式(3)为目标函数,其中s代表仅仅单独存在的相，如固体颗粒,P为系统中相的个数,C代表组.n.C1.m.s+ 2n.H(Tma) +Q (1)分数.式(4-1)为质量守恒约束条件,E为系统考虑的元素数目,m;为组分的原子矩阵;式(4-2)为焓平0Hcal.28 =HHV一(327. 63C +衡约束条件,Q为热损失;式(4-3)为非负约束条件.1 417. 92H。r + 92. 57S。+文献[9]综述了求解以上非线性规划[10]问题的算158.67M..)(2)法,主要包括Rand算法、Nasa算法.Powell's算法Burn单元是一个基于Gibbs自由能最小化原和二次规划算法等,其中以Rand算法的应用最为理的反应器，模块来自Aspen Plus 10.2 中的广泛. Rand算法首先通过Lagrange乘子法将有 约Rgibbs反应模块.对煤气化系统,考虑其中包含的束最优化问题转化为无约束最优化问题,然后通过元素为C,H,O,N和s,包含的组分为:H2O,Nz,Newton Raphson算法求解. Separate单元是一个O2, s, H2,Cl2, HCI,C(固体),CO,CO2,H2S,COS,理想分离器,模块来自Aspen Plus 10. 2中的CH,H;N,CHN,共15个.体系达到化学反应热平Flash2分离模块.其功能是将激冷室的气液混合物衡的判据式时体系的Gibbs自由能达到极小值.以完全分离成气体和液体两相.此建立反应器的数学模型为式(3)和式(4)描述的非中国煤化工线性数学规划问题.MHCNMHGmin G,G =2m+之goGjny (3)模拟计算采用的煤种为北宿煤,元素分析见第j=3+1 1=1.第4期汪洋等运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉29页表1.主要是检验Burn模块的物料(元素)平衡和热表1北宿煤的元素分析和工业分析平衡.进人Burn模块的有3个工艺流股(即.Table 1 Ultimate and proximate analysisInburner, Water和Oxygen), 两个热流股(即of Beisu coalQtransfe和Qlost),出Burn模块的有1个工艺流HA股(即Mixture).操作条件如下:水煤浆流量为7569.27 4. 561. 283.60 8. 0813. 21033 kg/h, 煤浆浓度为64%(wt),氧气流量为30煤的热值采用式(5)即Boie关系式计算,为干燥基375 m'/h,气化压力为4.0 MPa(G),碳转化率为煤的高热值.98%,热损失为0.5%.经过模拟计算可得到表2所O.h"= [ar,;w2, + axwt. + asrw凯+示的结果(热流股Qtransfe为- 1.606 9E+11 J/awI + asrwR.]X 102 + asi (5)h,Qlost为-6. 25E+9 J/h).表2进出物流明细表Table 2 Information of inlet and outlet streamsStream nameInburnerWaterOxygenMixturePressure/MPa6. 004.00Temperature/ C1 000. 050.025.01 391.1H21 086. 25401 361. 9012 154. 104CO557. 026 5H2:51.013 13COS2. 749 543CH,0. 189 379Nz21.941 890. 40680422. 309 28AR5. 0172545. 017 254Substream: MixedH3N0. 0729 22Mole Flow/(kmol●h-1)CHN5. 92E-03HCOOH8. 56E -03HCl0. 135 451O2121. 257 61 350. 5911. 78E-08H2O206.811 51 292. 5721 172. 15653. 762 68I:0. 0677 25Total flow/(kmol ●h-)1 490. 0951 356. 0155 326. 689Enthalpy/(J ●mol-I)6.61E+06-2. 84E +08-7.75E--07- 9.00E+07Substream; CIPSD Mole2 714. 084flow/(kmol●h-1)Enthalpy/(J ●kmol 1)1. 79E+07Substream; NCPSD MassASH7 008. 857flow/(kg.h-1)Enthalpy/(●kg-1)2. 24E+057. 93E +051)物料平衡0.5+8.56E- 03+0.135 451X(1)C元素守恒0.5+ 1172.156=2 585. 638进:2 714. 084 kmol/h(kmol/h)出:2 154. 104+ 557.026 5+2. 749 543+(3) 0元素守恒0.189 379+5. 92E一03+ 8. 56E-进:121.2 576X2+206. 811 5+03=2 714. 084(kmol/h)1 292. 572+1 350. 591X2=(2) H元素守恒4 443. 081(kmol/h)进:1 086. 254 +206.811 5+1 292. 572=中国煤化工K2+2 585. 638