典型气流床煤气化炉气化过程的建模

工进展●2426●CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2016年第35卷第8期8研究开发典型气流床煤气化炉气化过程的建模东赫'，刘金昌1，解强'，党钾涛'，王新'(!中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083; ?九州大学电子和材料应用科学系，日本福冈春日816-8580 )摘要:利用AspenPlus,基于热力学平衡模型对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化过程建模。根据煤颗粒热转化的历程，将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段，利用David Merrick 模型计算热解过程，采用Beath 模型校正压力对热解过程的影响，选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应，编制Fortran程序计算半焦裂解产物收率，最后基于Gibs自由能最小化方法计算气化反应。结果表明，采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合，对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分( CO+H2)体积分数模拟结果的误差均不超过2%，建立模型的可靠性得到验证。关键词:气流床气化炉;热力学平衡模型; Aspen Plus中图分类号: TQ 546文献标志码: A文章编号: 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:东赫(1991-)，女，硕士研究生。联系人:解强，教授，基金项目:国家重点基础研究发展计划( 2014CB238905)及中央高校博士生导师。E-mail dr-xieq@cumtb.edu.cn。基本科研业务费(2009KHI0)项目。第8期东赫等:典型气流床煤气化炉气化过程的建模●2427●Key words: entrained-flow gasifiers; thermodynamic equilibrium model; Aspen Plus建立煤气化数学模型的核心在于选择合适的反分为热解及挥发分燃烧、半焦燃烧气化反应和气化应模型。迄今为止，煤气化数学模型繁多，主要为还原反应三部分进行建模，模型预测较为准确。此动力学模型和热力学平衡模型-21。动力学模型虽能外，对于煤气化“拔头”工艺煤热解过程，基于Aspen真实地反映炉内的气化反应过程，但该模型的建立Plus的模拟方法主要使用相关经验关联式计算热解依赖于详细的动力学反应机理及反应速率表达式，产物组成，而所拟合的相关经验关联式多基于常压对于复杂的煤气化反应体系，其应用往往受限于清条件下的热解实验结果归纳9。但对于气流床气化晰定义的反应和组分个数:另-方面，由于动力学炉，压力对热解过程的影响不可忽略。BEATH!'0]模拟方法及软件的限制，仅能对气化炉单--设备进研究发现煤热解析出的挥发分得率随着压力升高而行模拟研究，难以考察气化前及气化后的整个工艺减小，并根据实验数据拟合出压力与煤热解产物收流程。相较而言"，热力学平衡模型不针对特定的率的关系式; LIU 等川在对气流床气化过程建模过气化炉型，以一-定的平衡限制条件为假定基础，通程中，采用Beath 模型校正了热解过程，模拟结果过建立各元素组分的反应平衡、质量方程及整个气更为贴近实际情况。化炉热量平衡方程，求解煤气的平衡组成。热力学结合煤(颗粒)气化反应历程，基于热力学平平衡模型设计过程简单，虽不能考察气化炉内的流衡模型对气化反应历程中各环节的模拟在以求解产动传热、传质特性及气化反应的过程，但由于求解物组成及相态为目的的情况下准确度高且计算量速度很快且在选取准确的模型参数时能够获得较为小。本文以实际生产指标为依据，利用Aspen Plus准确的结果，故而在气化炉工程模拟和流程模拟中软件,对3种典型气流床气化炉气化过程进行模拟，获得了广泛的应用3。深入明晰气化炉煤热解、挥发分燃烧、半焦裂解及DAI等中基于Gibbs自由能最小化原则对煤粉气化反应过程模型建立的机理及过程,并依据Beath气化过程建立模型，在此基础上考察了操作参数对压力校准模型校准热解过程。气化过程的影响，并将模拟结果与实验数据进行比1煤气化过程建模较，两者具有一致性;车德勇等5模拟流化床气化时将气化过程分为热解及气化两个部分，并考虑流1.1 煤(颗粒)气化历程解析化床气化炉密相区和稀相区流体动力学参数不同，煤炭气化过程实际上是煤炭在高温下的热化学利用嵌入Fortran气化动力学子程序的2个搅拌釜式反应过程，王辅臣B、于遵宏同等对煤炭气化过反应器模块分别模拟2个区内焦炭的气化反应:汪程进行了详细分析，认为煤气化反应虽受气化方式、洋等0借助Aspen Plus软件建立了气流床煤气化炉气化剂及煤种等诸多因素影响，但所有的气化过程的热力学平衡模型，其中包含裂解、气化及冷却等存在明显的共性，即煤炭颗粒进入气化炉内先后经3个模块，将固体煤经裂解转化为Aspen Plus可处历了干燥、热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧和气化反理的常规组分物质，经Gibbs平衡反应器求解产物应过程。组成，后经分离模块进行分离得到产品合成气和副对于气流床气化过程，在干燥和热解阶段，由产物灰渣。至今，基于热力学平衡模型对煤气化过于大部分煤颗粒小于200目，且炉内平均温度在程的模拟研究主要将气化过程简化为裂解单元和气1300C以上，煤粉受热速度极快，因而认为干燥阶化单元两部分，且侧重于操作参数对气化炉性能的段煤中水分瞬间蒸发，同时发生快速的热分解脱除分析，而关于热力学平衡模型详细的建立过程仍不挥发分。目前气化过程模型的建立均将水分蒸发过充分，且实际的气化反应过程较为复杂，上述 模型程与挥发分析出过程一-起考虑12]。 而后，热解析出建立时尚未考虑煤气化过程伴随的热解及挥发分燃的挥发分和形成的半焦进行燃烧和气化反应，此过烧反应，难以系统和准确地反映实际气化过程。程中挥发分的燃烧反应产生的热量以供为后阶段的KONG等7针对水煤浆气化过程建立了三级平衡模气化反应，不可忽略。气化反应阶段包括气化剂与型，将气化过程分为热解和燃烧级、气固相反应级煤或焦之间的反应、煤与反应物之间的反应、反应及气相反应级3个等级进行模拟，结果表明该模型产物与气化剂及反应产物之间的反应。具有一定的可靠性;徐越等8)将复杂的煤气化过程需说明，实际气化过程中各个阶段可能同时进●2428●化I进展2016年第35卷行，难以清晰分割。为便于气化过程模型的建立，解挥发分的成分及焦炭的产率，计算简便且通用性结合煤气化反应历程，拟将复杂的煤气化过程进行较好4。假设挥发分产物有CH4、C2H6、 CO、CO2、分段，即划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气H2、H2O、 NH3、H2S和焦油，其他产物只有焦。具化反应4个阶段。体方程如式(1)所示。式(1)是由10个方程组成的101.2热解过程阶矩阵，矩阵每行代表每个方程中10个回归系数。1.2.1 David Merrick模型其中，第1行为碳平衡方程，2~5行分别为H、0、DavidMerrick建立了煤热解挥发分及焦炭产N、S平衡方程，第6行为质量平衡方程，7~10行量的计算经验模型131，该模型基于元素平衡计算热表示各个物质的收率。「w(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压力校正通过AspenPlus内嵌的Calculator计算模块中气流床气化炉内压力较高，在使用热解模型对原Fortran语言编写的程序来控制。该单元本身遵循质煤热解产物进行计算后需要通过压力校正才能更加.量守恒，只需考虑稳态情况下系统能量的守恒，且准确地模拟气流床气化过程。论文拟根据BEATHIOI由于煤气化是化学反应过程，因而可采用生成焓来实验结果提出的烟煤压力校准模型，如式(2)。计算反应中气体和固体的焓。煤裂解单元的焓平衡(2方程及生成焓5)如式(8)、式(9)。p,"MmusSHcu.2. + m.uHoaw(ea)= EnSHgco.298J +13挥发分燃烧过程8)EnH,(Tu)+Qp使用David Merrick模型可计算出的挥发分有CH4、C2H6、CO、CO2、 H2、H2O、 NH3、H2S及焦HHau2 = HHV -(327.86C。+ 1418.79H +(9)油。其中可以发生燃烧反应的有CH4、C2H6、 CO、92.84S + 158.67M )H2、H2S及焦油。假定气化反应过程中气化剂充足,式(8)表示在一-定温度T下，等号左边的两项分上述五种可燃挥发分以及焦油发生了完全燃烧反别表示进料物流的生成焓和总焓，等号右边前两项应，采用Aspen Plus软件现有的操作模块化学计量分别表示反应产物的生成焓和总焓。反应器(RST0IC) 进行模拟，主要反应方程式如在Aspen Plus软件模拟时，半焦裂解过程产物式(3)~式(7)。依据焦的工业分析和元素分析，通过Fortran 编程Cm H, +(m+0.5n)O2 == mCO2 + 0.5nH2O(3语言实现，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)裂解过程H2=ULT(3)/100*FACT煤、半焦都是复杂的混合物，在模拟软件中无N2=ULT(4)/100*FACT法对组分不清楚的混合物进行计算，将热解后的半Cl2=ULT(5)/100*FACT焦依据其工业分析和元素分析结果分解为单元素分S=ULT(6)/100*FACT子(C、H2、02、N2、S)和灰分，裂解组分的收率O2=ULT(7)/100*FACT●2430●化I进展2016年第35卷挥发分燃烧反应....一氧气RSTOIC7气花反应”-挥发分一反应器燃料产物混合器混合物RGiBBS物。反应器中原料一RYIELD中载气-混合器H煤粉一反应器1-四一反应器2-四-分离器......半焦裂热解过......」半焦.... .. . .. . ..半焦裂解反应」图1气流床煤气化过程 模拟流程图( 0XYGEN) 混合进入到RST0IC反应器表4热解产物组成( COMBUST) 中发生燃烧反应，得到产物产物产率(质量分数)1%|产物 产 率(质量分数)1%CC1.93( GASPRO)。焦油11.26H2.13(3)半焦裂解过程半焦 (CHAR)进入到H2O2.17RYIELD反应器(DECOMP)中进行裂解反应，得CH61.19NHs0.015到C、H2、 O2、N2、S及ASH混合物(DECOMP)。0.114(4)气化过程挥发分燃烧产物 (GASPRO)、半焦裂解产物(DECOMPUD)及水蒸气(STEAM)表5 Beath 模型校准的热解产物组成首先进入混合器(MIX2)中混合，混合物产物产率 (质量分数)1%|产物 产奉 (质量分数)1%(MIXTURE)进入RGIBBS反应器(GASIFIER)58.5CO21.61中进行气化，生成产物(PRODUCT)。1.78CH45.91.813模拟与校核数据99NH;0.01co3.440.13.1分析数据(1)煤质分析数据选用宁东重化工基地某 煤3.3 气化模型验证气化厂中GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化炉实应用建立的气化模型进行模拟的结果汇总于表际运行过程的气化原煤，其主要煤质指标如表2所示。6。表6也给出了气化生产的实际数据。表2煤的工业分 析和元素分析单位: %由表6可知，模拟结果与实际工业生产数据基Mas AVa FCa Ca Na SuaHa C本吻合，GSP、GE及四喷嘴对置水煤浆气化炉合成7.22 17.04 28.51 54.45 66.02 0.73 0.97 4.51 10.73气有效成分(CO+H2) 体积分数模拟结果误差分别为1.48%、0.53%及 0.31%，说明该模型能够较为准(2)半焦分析数据利用David Merrick模型表6 GSP 煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式估算热解产物需用到半焦的工业分析和元素分析数水煤浆气化炉模拟结果验证据，将原煤通过热解实验制得半焦，热解后的半焦四喷嘴对置式水组分(体积GSPGI工业分析与元素分析数据如表3所示。分数)生产模拟生产模拟煤浆气化炉数据结果数据结果生产模拟3.2热解模型计算数据结果根据DavidMerrick模型计算热解产物的结果如25.5 25.88 37.30 36. 1833.77 33.96表4所示;根据Beath模型校准的热解产物结果如CO69.2567.39Co24.42 3.92 .21.59 15.3318.96 12.60表5所示。0.050.08.25200.2表3半焦的工业分析和元素分析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期东赫等:典型气流床煤气化炉气化过程的建模●2431●确的模拟3种典型气流床气化炉气化过程。w(C)半焦干燥无灰基中C的质量分数4结论w(H)半焦干燥无灰基中H的质量分数w(N)半焦干燥无灰基中N的质量分数(1)根据煤(颗粒)气化历程，详细解析了煤w(O)半焦干燥无灰基中O的质量分数热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应各个阶段半焦干燥无灰基中S的质量分数的机理及过程。z一系统中 元素的个数(2)基于热力学平衡模型，利用Aspen Plus参考文献软件建立了气化过程各个阶段的模型，其中热解过程依据David Merrick模型计算，并采用BEATH模1] 亢万忠.粉煤气化炉的模拟计算及其分析D]. 石油化工设计，型校正了压力对热解过程的影响，挥发分燃烧反应2008，25 (1): 29-33.过程选用了化学计量反应器模拟，通过Fortran程序2] 王辅臣，龚欣，代正华，等，Shell粉煤气化炉的分析与模拟[].华东理工大学学报，2003, 29 (2): 202-216.计算了半焦裂解产物收率并基于Gibbs自由能最小3] 于遵宏，王辅臣，等煤炭气化技术IMI. 北京:化学工业出版社，化方法计算了气化反应的产物组成。2010.[4] DAI Zhenghua, GONG Xin, GUO Xiaolei, et al. Pilotial and(3)以GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化modeling of a new type of pressurized entraned-flow pulverized coal装置生产数据为依据，基于所建模型对3种典型气gification technology[]. Fuel, 2008， 87: 2304-2313.流床气化炉气化过程进行模拟，结果表明，模拟计5] 车德勇，韩宁宁，李少华，水蒸气对生物质和煤流化床共气化的算结果与实际生产数据基本吻合，3种气化炉的模影响模拟田].中国电机工程学报，2013， 33 (32); 40-45.拟结果中有效气成分(CO+H2) 体积分数的误差均6] 汪洋，于广锁，于遵宏。运用Gibbs 自由能最小化模拟气流床煤气化炉D]煤炭转化，2004, 27 (4): 27-3.不超过2%，验证了该模型用于模拟气流床气化炉气化过程的可靠性。Equilibrium model for gasification in entrained flow gasifiers basedon Aspen Plus[J]. Chinese Jourmal of Chemical Engineering，2013,符号说明21 (1): 79-84.[8]徐越， 吴一宁，危师让.二段式干煤粉气流床气化技术的模拟研b,元素的摩尔数，mol究与分析D中国电机工程学报，2003， 23 (10): 187-190.9] 张彦，赵月红，何险峰。基于Aspen Plus的“煤拔头"工艺热解过组分数程的模拟[D].计算机与应用化学，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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