气流床气化炉工程化数学模型的开发与应用?

★煤制油化工★气流床气化炉工程化数学模型的开发与应用*(北京低碳清洁能源研究所煤气化中心，北京市昌平区，102209)摘要根据气流床气化炉的技术特点，建立了一个预测气化炉性能的工程化数学模型。模型采用简化平衡模型方法，分别建立7种气体成分的质量平衡、化学反应平衡以及能量平衡。运用Excel-VBA软件进行编程，开发出了用户界面友好的模型工具;模型对多个煤种的计算结果与德士古/壳牌气化装置的运行数据吻合较好，模拟结果可靠;详细计算了气化炉的主要运行参数及其对气化炉性能的影响，在展现各种参数对最终气化产物成分影响的同时，分析了这些影响的内在机理和规律。关键词煤气化气流床气化炉 性能数学模型优化中图分类号TQ546. 2文献标识码A煤气化炉是现代煤化工和整体煤气化联合循环随时间而变化;(IGCC)的核心关键设备。准确地预测气化炉的性(2) 煤颗粒中灰分是惰性的，不参与气化反能，尤其是不同运行条件下气化炉出口合成气的组应，产品煤气中不含高分子量的碳氢化合物;分，是进行气化炉系统性能分析、工程设计的必需(3)煤中的元素H、O、S和N全部转人气条件。平衡模型以反应热力学为基础，模型算法比相，N全部转化为Nz，S全部转化为H2S，而C较简单，计算速度快，并且具有一定的通用性，对则随操作参数的变化不完全转化，参加反应的元素碳转化率高、反应接近平衡的气流床气化炉预测较为C、H、O和S;好，非常适用于技术上比较成熟的气流床气化炉的(4) 模型考虑的气化产物有CO、CO2、H工况分析和操作参数优化。CH、N2、H2S和H2O;据相关文献报道，Watkinson 等提出的化学平(5)在模型简化设定的条件下，最后的气体成衡模型对气流床气化炉的预测结果较为准确。本文分组成主要取决于均相水煤气变换反应和均相甲烷在其基础_上建立了基于水煤浆和粉煤气化过程的工化反应，因此只建立以上两个反应的平衡常数与温程化计算模型，并以德士古和壳牌气化炉的实际操度的关系式。作数据为基准，从气化反应温度和最终产物合成气1. 1质量平衡组分两方面验证了所建模型的可靠性。开发的气化根据模型假设，以粉煤气化炉为例，表1给出炉工程化数学模型可准确预测煤气化炉的性能，获了气化炉进出口的物料平衡。水煤浆气化炉的质量得不同运行条件下煤气化炉出口煤气成分，可对运平衡与粉煤气化炉类似，在此不再详述。行中的气化炉进行工况分析和操作优化。.2 化学反应平衡.气流床气化炉中发生的主要均相和异相反应见1模型描述表2。均相反应(1)、(2) 和(4)分别是CO、本模型依据气流床气化反应特性及相关文献报H2和甲烷的燃烧反应，一般发生在气化炉喷嘴附道，作如下假设:近的富氧燃烧区。这些反应的速度很快，而且几乎(1)气化炉处于稳定的运行状态，所有参数不是不可逆反应，无需考虑它们的化学平衡计算。均相反应| 中国煤化工立或均相水2013AA051202)*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划，煤气反应，是.MYHCN MHG一，在较436中国煤炭2014年第40卷增刊低的温度下就很容易进行，转化速度很快。在氧气度要比异相甲烷化反应(2)大。由于其是体积缩不充分的情况下(气化炉出口处)，它决定了最终小的反应，需要4个分子一起进行反应，因此在常合成气成分的分布。压下反应进行的几率比较小，但在气流床气化炉运均相反应(5)为均相甲烷化反应，其反应速行的较高压力调节下，此反应的速率比较快。表1粉煤气化炉进出 口物料(元素)平衡元素气化炉入口气化炉出口含量粉煤蒸汽氧气水煤气G。. (1-M,)●C。V。. (Yco+Yco2 +YcHe )G。●CsC/ kmol1222.4G。●(1-M.). H。_ G。 ●M,G。Vg . (Yco+ Yoo2 + 2YcH)H/ kmol22. 4G。●(1-M,)●0。⊥G。 ●M，_ G。V。●PV。. [0.5. (Yco+YH2o)+Yocoz]O/kmol318●218●222.4.G。●(1-M.)●N.V。●(1- p.)V.●YvgN/ kmol28G。●(1-M.) . SaVg●YH2sS/ kmol32A/kgG.●(1-M.)●A。G。●AλG.-- 人炉粉煤量，kg/hV水煤气量，m'/h人炉蒸汽量，kg/h渣量，kg/h .入炉氧气量，m/h水煤气中CO的体积分数，vol%M,-- 煤种总水分，wt%-水煤气中H2的体积分数，vol%干煤中C含量，wt%Yon-水煤气中CO2的体积分数，vol% .符号H-干煤中H含量，wt%水煤气中CH的体积分数，vol%说明Og-干煤中O含量，wt%Yn2s-水煤气中 H2S的体积分数，vol%Na--干煤中N 含量，wt%YN2 --水煤气中N2的体积分数，vol%干煤中S含量，wtY2o一-水煤气中H2O的体积分数，vol%干煤中灰含量，wt- 渣中灰含量，wt%p,--人炉氧气纯度，wt%Ca--渣中碳含量，wt% .表2气化炉中 发生的主要化学反应K。=YcH●Y2o. p-2Yco●YH2公式均相反应异相反应(27020 )序号=6.7125X 10-lexp(2)(1)CO+0.5O2→CO2C+ H2O-→CO+ H2式中: KH2 +0.5O2→H2OC+2H2-→CH气体组分摩尔分数;(3) CO+H2O-→CO2+ H2C+1/φO2→(2-2/中)气化压力，atm;CO+ (2/φ- 1)CO2气化反应温度，K。(4) CH +2O2-→CO2 +2H2O C+CO2- →CO1.3能量平衡(5) CO+ 3H2→CH.+ H2O根据能量守恒定律，输人气化炉内的总热量应从建立工程化气化炉模型的目的考虑，本文只该等于从炉中输出的总热量，即总输人热量等于总选取了两个对气化炉出口合成气组成分布影响最大输出热量。本模型中，输人气化炉的热量主要有煤的化学反应构建平衡常数关系式，即均相水煤气变的热值以及煤和气化剂带入炉内的显热;气化炉输换和甲烷化反应，这两个反应的平衡常数与温度的出的热量主要包括合成气热值及其显热，还有排渣关系式:和^飞灰带出的热量以及气化炉的热损失。从简化模Yco2●YH2型角度考虑，中国煤化工验值，- -般K，=Yco●YH2o=0. 0265exp(3955) (1)为带人炉内煤自MYHCNMHG化炉的能气流床气化炉工程化数学模型的开发与应用"437量平衡方程可以表达为:等专业软件相比，本文开发的基于Excel-VBA平:2mh+ Em,Cp,dT台的气化炉模型工具更为简便易用，且无需支付高N昂的软件费用。「ToUT= 2m;hi+ >m;Cp;dT+hL.oss (3)开始式中: m;-质量流量，kg/h;输入数据hross--气化炉热损失，kJ/h;-热值，kJ/kg;假定气化温度TCp-比热容，kJ/ (kg. K) ;↓To-参比温度，取298 K;求平衡常数+Tn--人炉温度，K;求粗合成气组成Tour-出炉温度(即气化反应温度)，K。在本模型中，认为所有的气体为理想气体，在|根据热量平衡计算气化温度T，理想状态下，物质的定压比热容Cp与温度T有如下的经验关系式:T)T:=T- +7-7:/Cp=A+BX1000+CX( 1000)E输出数据+DX(1000 十7T\(4)结束式中: Cp-定压比热容， J/ (mol. K);图1模型计算的流程框图T--温度，K;A、B、C、D、E一系数，数值可在文献模型的准确性验证通过选取德士古和壳牌两类中查取。主流气流床气化炉的实际运行数据与模型计算值来1.4 模型求解的计算方法进行比较。验证模型所用的气化炉工况列于表3、根据建立的质量、能量平衡和化学反应平衡，表4、表5和表6，分别选取了水煤浆气化炉(德.就可以对气化反应体系进行求解计算。在该反应体.士古)和粉煤气化炉(壳牌)不同的运行条件，包系中，有8种组分(即CO、CO2、H2、CH4、括不同的煤种以及不同的气化压力。模型计算结果N2、H2S、H2O、灰)和气化温度T共9个未知中粗合成气的7种气体组分与工厂实测值的平均根变量。根据模型分析，可以建立6种组分的质量平方差(RMSD， Root Mean Square Deviation) 均衡方程(见表1)，2个化学反应平衡方程见式(1)小于2.2%，特别是与神华包头煤制烯烃厂的德士和(2)以及1个能力平衡方程，见式(3)。 通过古气化炉实测数据相比，开发的工程化模型准确性这9个方程联立求解，可求得所有9个未知变量。略优于Aspen plus商用流程模拟软件，表明该工由于这3种平衡之间相互约束，直接对多元多程化模型具有较高的可信度。次方程组进行求解难度较大，因此可首先根据气化从表3和表4可以看出，德士古气化炉4种工炉特点和煤质特性，假定初始气化反应温度，由反况下CO的模型预测值--般略高于实测值，而H2应平衡方程和质量平衡方程求出气体组成，再代人的预测值则略低。从表5和表6可以看出壳牌气化能量平衡方程检验是否达到平衡，反复迭代后即可炉3种工况下的计算结果则与德士古气化炉正好相达到模型收敛。模型计算的流程框图见图1。反。由于气化炉出口粗合成气中CO与H2的相对组成主要由均相水煤气变换反应决定，分析模型对2模型计算及准确性验证德士古和壳牌两种气化炉出口CO和H2含量的预根据建立的气化炉平衡模型，在MS-Excel软测偏差可能是由于在选取的德士古气化炉工况下，件自带的VBA (Visual Basic Application) 环境下水煤气变换反中国煤化工而在选取进行编程并进行模拟计算。与Matlab、Aspen plus的壳牌气化炉]MH| CNMHG过平衡”状438中国煤炭2014年第40卷增刊态。但总体来讲，该工程化模型对7种气体产物的预测能力，可以用来预测气化操作参数对煤气化过预测比较准确，表明模型对不同工况均具有较好的程及最终合成气成分的影响。表3德士古水煤浆气化炉的操作条件煤种进煤量/kg.h- |干煤.氧煤比/kg●h-1干煤水煤浆浓度/% .压力/MPa美国伊利诺伊6号416700.86 .66.74.083澳大利亚煤/日本字部合成氨0.87624. 083石油焦1. 0360.64.083 .神东煤/包头煤制烯烃648980. 88316.5 .表4德士古水煤浆气化炉实测值与模型计算值的比较验证结果比较气化合成气组成/vol%平均根项目温度/°C CHCO2_CHH2SN2H2O方差/%美国伊利实测值13164129.810.21.10.817. 11.10诺伊6号计算值.133442.728.9.8.40.010.718. 26澳大利亚煤122335.29.912.80. 021.140.6320. 31.55/日本宇部合成氨 计算值124736. 827.810.7 0. 0222. 7135. 22.20.412. 7). 60计算值36.810.70. 170.6 12. 97神东煤/包头煤127835.0128. 9915.19trace0.220.22 20. 11制烯烃Aspen计算值119534.626.90.30.224.92.1412048.827. 111.90.0921. 542. 10表5壳牌粉煤 气化炉的操作条件进煤量氧煤比蒸汽煤比氮煤比压力/kg. h-1干/kg. kg~'干煤/kg. kg-'干煤./kg. kg-干/MPa0.080. 132. 413烟煤1#德国汉堡中试62500.08.烟煤2#美国休斯敦示范16666.70. 80. 150. 09表6壳牌粉煤气化炉实测值与模型计算值比较验证结果温度/C COCHH2O方 差/%137061.130. 31.30.045. 38干基.11133359. 929.53.41.45.9烟煤1#65. 125.60.478.032.00德国汉堡中试，145261.829.70. 038.1烟煤2#62. 131.01.00.050. 233.9). 76美国休斯敦示范60.32. 2.00. 064.01. 88转化为CO2的量也有所增加。因此，尽管温度升3气化炉操作条件影响计算与分析高，水煤气反应及其他气化反应加剧，但最终结果3.1氧煤比变化是CO浓度略有增加，而氢气浓度反而有所下降，氧煤比是气化炉的一一个重要操作条件，从气化总体上有效气浓度略有下降。机理分析，氧煤比上升意味着气化剂流量和氧气供以使用神东煤的神华包头煤制烯烃厂德士古气应量的增加，由此导致燃烧反应增加，气化炉温度化炉为例，氧煤比对水煤浆气化性能的影响见图水平提高。由于氧气供应量增加，燃烧反应加剧，2。随着氧煤比中国煤化工合成气中挥发分释放的CO和H2更多地被烧掉了，碳燃烧有效气体(COMHCNMHG气效率降气流床气化炉工程化数学模型的开发与应用”439低，模型的预测结果与反应机理分析比较符合。效率低和气化技术难度大。此类煤的市场价值远低在正常生产中，气化炉的操作除了考虑更多的于优质煤。利用低阶煤热解半焦水煤浆加压气化技有效气产量和更高的冷煤气效率外，还要保证气化术，可将低阶煤通过中温热解获得适宜于水煤浆气炉正常排渣。因此，气化温度必须大于进料煤的灰化的产品半焦，进而探索出一条低阶煤最优利用的熔点(1220C)， 从图2中可以看到，气化温度大新途径。于1200°C时，气化炉的氧煤比不能低于0.88。在北京低碳清洁能源研究所承担的科技部863课这一约束条件下，实际操作中可尽量在较低的氧煤题《低阶煤热解半焦制浆及气流床半焦气化技术研比下运行气化炉会获得更好的气化性能指标，这也发》，研究开发了以褐煤为代表的低阶煤热解半焦与该气化炉氧煤比的设计值相一致。制备水煤浆核心技术，并计划将所开发低阶煤半焦+有效气含量.气化温度士冷煤气效旁。制备水煤浆技术放大应用于实际水煤浆气化过程，76.0通过500 t/d以上规模工业气化炉试烧试验，考核1.4↑气化炉的各项性能指标。在实施工业气化炉试烧试740 E74.0验前，分析原料半焦的煤质特性以及气化炉的操作t 73.0地节1.0t 72.0产特性，通过开发的气化炉数学模型对试烧操作参数帼0.8+71.0繁进行优化，预测气化炉的性能指标可在- -定程度上70.0仓69.0帮助研究人员深人了解原料半焦的气化特性，进而使0.40.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94为优化操作提供依据。氧煤比/kg O>;kg'干煤开展试烧试验的气化装置是清华大学开发的新图2氧煤比对水煤浆气化炉性能的影响型水煤浆水冷壁气化炉，单炉处理原煤600 t/d，气化炉运行压力4.0 MPa;产品是以CO和H2为3.2热解半焦水煤浆 气化技术评估.主的合成气，合成气经过净化、变换、脱硫脱碳后考察我国的煤炭资源特征可知，高含水量、低用于合成氨和甲醇合成。利用开发的气化炉模型，热值、高挥发分的煤种在我国的煤炭储量中所占比在不同条件下对热解半焦水煤浆气化性能的影响进例超过40%，其市场价值低、运输成本高、发电行模型计算，试烧原料半焦的煤质特性见表7。表7试烧原料半 焦的煤质特性数据工业分析/%热值/MJ . kg元索分析/%全硫/%MuAdVFC.QedQ meaerCaHsdNaOxdStd_4. 539.767.3582. 8931.2427. 7780. 190. 830. 8517.740.41图3是水煤浆浓度从58%增加到66%时，气.持不变，气化炉生产的合成气总量和有效气含量均化炉出口有效气含量、温度、冷煤气效率和比氧耗随之增加，因此水煤浆浓度的升高对比氧耗性能指的模拟计算结果。此时，单位时间供入气化炉的水标的影响不太显著。煤浆质量不变、氧煤比也不变，因此进人气化炉的+有效气含量气化温度干煤流量增加，相应地氧气供应量也增加。计算结-比氧耗一冷煤气效率T 79.0果表明:随着煤浆浓度的增加，气化炉出口温度，.4上78.58.0 &有效气含量和冷煤气效率呈上升趋势。这是由于氧-77.5.活全10-煤比不变，提高水煤浆浓度使得水分减少，导致气77.0书0.8 -化反应温度水平提高。由气化机理可知，温度升时二0.6-76.0负高，水煤气反应加剧，甲烷生成反应减弱;但同时”20.475.5由于进入气化炉内的水分减少，变换反应的平衡点中置0.2⊥75.0左移。两种因素综合，CO的含量增加，H2 的含量感5850水煤浆浓度/wt%62646(略有下降，有效气的总含量呈升高趋势。图3水中国煤化工影响.440此外，由于在提高水煤浆浓度的同时氧煤比保°MYHCNMHG中国煤炭2014年第40卷增刊tion of entrained flow coal gasifiers, Part I: modeling4结论of coal gasification in an entrained flow gasifier [J] .与以往气化炉数学模型相比，本文建立的气流Chemical Engineering Science, 2000 (55)床气化炉工程化数学模型具有以下突出特点:[5Watkinson A P, LucasJ P, LimC J. A prediction ofperformance of commercial coal gasifiers[J] . Fuel,(1)通过适当提炼关键影响因素和主导反应过1991 (70)程，对模型进行了进一-步简化，开发出了能正确反[6]Dai Zhenghua, Gong Xin， Guo Xiaolei, et al. Pilo映气化炉主要变化趋势，可用于气化炉操作工况分trial and modeling of a new type of pressurized en-析和优化的简化数学模型。trained-flow pulverized coal gasification technology(2) 用户操作界面友好且功能较为全面，可以[J] . . Fuel, 2008 (11)作为气化炉操作参数研究的有力工具，即可计算燃[7江鸿，金晶，郝小红等.气流床气化炉煤粉部分气化料及气化剂流量和温度、气化炉工作压力、煤种、特性的研究[J] .煤炭转化，2010 (3)水煤比及氧煤比等主要运行参数的影响。[8D. Vamvuka, E. T. Woodburn, P. R. Senior. Mod-(3) 与大量的气化炉实际运行数据进行了比eling of an entrained flow coal gasifier I: Develop-ment of the model and general predictions[J] . Fuel较，模型的预测值和实测数据基本吻合，证明本模1995 (74)型具有较好的可信度。(4)所建立的数学模型可以详细地研究气化炉[9] Cox， J. D. Wagman, D. D. Medvedev， V.A. CO-DATA Key Values for Thermodynamics [M]主要运行参数的影响，而且趋势基本正确，可以为Hemisphere Publishing Corp.，New York, 1984操作参数优化提供依据。[10] Chase, M. w., Jr.，NIST-JANAF Themochemical参考文献:Tables, Fourth Edition[M], J. Phys. Chem. Ref.Data, 19981] 李政，王天骄，韩志明等，Texaco煤气化炉数学模型的研究一建模部分[J] .动力工程，2001 (2)[11] 贺永德。 现代煤化工技术手册[M].北京:化学2] 李政，王天骄，韩志明等。Texaco煤气化炉数学模工业出版社，2004型的研究- -计算结果及分析[J] .动力工程，2001(4作者简介:刘臻(1982-), 男，内蒙古包头人，工程[3] R. Govind, J. Shah. Modeling and simulation of an师，硕士研究生,主要从事煤气化及热解技术研究工作。entrained flow coal gasifier [J] . AIChE. Journal,1984 (30)(责任编辑 张毅玲)4] C. X Chen, M Horio, T Kojima. Numerical simula-(上接第435页)[1]蔡国峰，刘勇，安德成.气化技术的研究现状和发通过对以上5组样品的进行测定，各组分的在展[J].广州化工，2011 (23)本方法的下得到的数据具有良好的重现性。[2]华金铭，郑起，林性贻，魏可镁.水煤气变换催化剂研究新进展，分子催化，2004 (1)[3]王吉文，苏庆华，严峰.钼系耐硫变换催化剂硫化综上所述，目前在煤化工行业中，对于水煤气工艺的选择和应用[J].广州化工，2011 (21)变换不凝气的分析方法尚没有统一的标准分析方[4]孔凡玲，吴章。气锅炉中溶解气和不凝气体的检测方法[J] .四川化工，2005 (5)法，在很多相关化工单位也都没有建立适合水煤气变换不凝气组分分析的方法，本文对变换不凝气的作者简介:廖珊珊(1989-), 女，甘肃兰州人，学采样方法和分析方法的探讨和研究，可供其他化工土，助理工程师，从事分析化验工作。单位参考。中国煤化工丁言伟)MYHCNMHG气流床气化炉工程化数学模型的开发与应用*441