气流床粉煤气化性能模拟分析

转化利用. 全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CA-CD规范)执行优秀期刊-气流床粉煤气化性能模拟分析宋志春,鲍卫仁,常丽萍,李凡(太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,山西太原030024)摘要:基于Aspen Plus 工作平台,运用Gibbs自由能最小化原理,对气流床粉煤气化过程进行了数值模拟,并对流程算法进行了改进。研究了氧煤比、蒸气煤比、压力及粉煤粒径对气化炉出口气体组成、温度、冷煤气效率、碳转化率及有效气产率的影响。结果表明:模拟值和实验值有良好的相似性;氧煤比对气化进程的影响较蒸汽煤比及其它操作条件更为显著;并确定了模拟堞种的最佳氧煤比是0. 70~0.80 kg/kg, 气化炉出口CO+H的最大干基体积分数为96.48% ,冷煤气效率最高为83. 56%,最大有效气产率为1.74 m'/kg;氧煤比每升高0.1 kg/kg,气化炉出口温度升高约40 C,而蒸汽煤比每升高0.1 kg/kg, 气化炉出口温度降低约8 C。关键词:Aspen Plus;Gibbs 自由能;平衡常数;气流床;粉煤气化中图分类号:TQ54文献标识码:A文章编号:1006 -6772(2010)03 -0039 -05煤炭气化技术是洁净煤技术的重要组成部分，了 气流床气化的数学模型。Ni[6]建立了 基于气流是煤炭转化的主要途径之一门。发展基于煤气化床煤气化平衡常数的一组非线性规划的方程组,对的煤基能源及化工系统已成为能源领域科技界和于指导实践具有一定意义。Vamvuka 等[7]从气流.企业界的共识,也正在成为世界范围内高效、清洁、床反应器结构本身人手,建立了微分数学模型,考经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展察了反应条件对气化结果的影响。笔者采用了最小G值法建立了粉煤气化模型，借助过程流程模方向。模拟气化过程具有十分重要的现实意义,为工拟软件,考虑到软件本身算法的有限选择性及不程放大,操作参数、理想工况大致确定等提供参考稳定性,在前人研究的基础上,重点在数值算法依据,同时节省了大量的人力、物力及试验资金。上做了改进和补充,以保证计算能够快速、稳定模拟过程- -般从稳态和动态2种过程考虑,即热力的收敛。并对煤气化过程进行了三维热力学模学模型(2)和动力学模型。动力学模型以气化系统拟计算,为理想工况工艺参数的确定提供重要的的反应动力学为基础,能真实反映炉内的气化过理论依据。程,但这种模型相对比较复杂，通用性也较差。热1最小G值法建模及模型描述力学模型以反应热力学为基础,相对比较简单,具运用Gibbs自由能最小化方法建立的气流床煤有一定的通用性,对碳转化率高、反应接近平衡的气化炉模型如图1所示，包含5个单元模块、11个工况预测相对较好。张斌等[3]建立了处理固体物物流工艺流股和2个热流工艺流股。流的气化炉平衡模型,在煤裂解模块中考虑碳的不1.1 煤干燥单元完全转化。代正华等[4用实际工业操作过程中的为了防止煤粉粘结和堵塞反应器,煤必须进行干碳转化率数据和估算的热量损失修正模拟结果。燥,使煤中水的质量分数小于2%[8}。此干燥单元利吴学成等[5]基于化学动力学并结合化学平衡建立中国煤化工YHCNMHG收稿日期:2010-02 -02基金项目:国家自然科学基金资助项目(20776092)作者简介:宋志春(1981- -) ,男,内蒙古通辽人,硕士研究生,从事煤的优化转化研究。E-mail; smqh5207@ 126. com气流床粉槛气化性能模拟分析39转化利用f0+ -四-→空间进行高效搜索。如图2所示。→四喻-+6-→++2于Fortran语句49+输码和种群生成-种群适应度估计选择一网一夜用圄1气流床粉煤气化的计算 流程图2 GA的计算过程流程B1-干燥器;B2-闪蒸罐;B3-裂解器;B4-反应器;B5- -分离器;1-媒;2- -氮气;3→混合物:4- -废气;5- 干煤;6-裂解物;7,8-粗利用最小自由能方法的缺陷就在于无法有效煤气;9一固体渣;10-氧气;11- -水蒸气;12-裂解热;13- -热损失估计λ值(拉格朗日乘子)的大概范围或近似值,因用Rstoie绝热反应器,在模块内部利用程序语句计为牛顿-拉裴森方法对于迭代初值要求很高,要求给出的初值比较接近真实值,这在很多情况下无法算入炉煤的含水量。做到,不确定整个方程组的迭代初值,为求解非线1.2 煤裂解单元煤裂解单元是一个仅计算收率的简单反应器,性方程组造成很大障碍,迭代次数多,收敛慢,使得其主要功能是将粉煤分解转化成简单组分和灰,未误差增大。基于以上问题,在设计计算程序时,首转化碳归人灰组分,并假定该灰的组分性质稳定，先引入遗传算法得出最佳迭代初值,进而引入阻不参与反应。同时将裂解热传递给Gibbs反应器单尼因子的麦夸特方法进行数值求解。元。通过输人程序语句实现裂解组分H20、N2、02、2 模型验证S.H2、C(固体)、灰的收率。此单元本身遵循质量守气化用煤的元素分析和工业分析见表1,气化恒,只需考虑稳态情况下系统能量守恒。因气化过炉的进口参数见文献[8] ,模拟值、与试验值[8]的比程是化学反应,气体和固体的焓均采用生成焓计较见表2。从表中可以看出2种模拟方法的结果与算,即输入系统的焓与输出系统的焓相等,由盖斯试验结果基本吻合,说明该模型能够较为准确的模定律可得具体表达式如下:拟气流床气化炉的性能。EmNf.om+ EmI GrdT=表1煤样的工业分 析和元素分析%工业分析元素分析Gr,rJdT+Qr (1).A.VFC.CauHurNurSu0u煤的生成焓可采用如下表达式[9]:7.3010.37 36.54 45.79 81.37 5.33 1.36 4.11 7.83AH.cm.8 = HHV- (327. 86C. + 1418. 79H。表2气化模拟结果与试验结果比较+ 92.84Sar + 158. 67M_)(2)气体产率其中:Qp为粉煤裂解热,HHV代表煤收到基高项目COHCO2CH。H2SN2H2O位发热量。模拟值62.72 30.27 1.39 0.04 1.12 2.71 1. 56实验值62.48 30.55 1.75 0.03 1.17 2.96 0.281.3 Gibbs反应器单元该单元是一-个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器。煤气化系统包含的组分为:H20、N2.02 .S、3模拟分析H2、C(固体)、CO、CO2、H2S、COS、CH、NH,、HCN。3.1 流量配比对气化性能的影响分析由于气流床粉煤气化本身温度高达1300 C以上,反在煤气化过程中,氧煤比是控制气化炉气化过应在瞬间完成，可认为体系达到化学反应平衡,通，程反应操作的主要条件之- - ,耗氧量是煤气化过程过建立- -组非线性方程(4]确定煤气中各组分的中的主要经济指标。通常氧煤比中氧的理论用量含量。应该是氧原子数与煤中的碳原子数相等,使煤中的1.4 计算过程碳全部转变为煤气中的CO ,若氧的用量超过这一-比遗传算法(GA)是- -种基于生物自然选择与遗直,中国煤化工CO2。实际气化传机理的随机搜索算法,与传统搜索算法不同,它.中,1带人的氧。氧煤从一组随机产生的称为“种群( Population)"的初始比对:YHCNMHGA,-方面,氧煤比解开始搜索过程。GA以一种群体中的所有个体为增加使燃烧反应放出的热量增加,从而提高了反应对象,并利用随机化技术指导对一个被编码的参数温度,有利于CO2的还原和水蒸气分解反应的进行，10《洁净煤技术>2010年第16卷第3期转化利用全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CA-CD 规范)执行优秀期刊-从而增加煤气中的有效成分,提高碳的转化率;另-方面,燃烧反应又直接生成CO2和水蒸气,增加了煤气中的无用成分。因此其他条件- -定时,必有134个最适宜的氧煤比，以得到较好的气化结果。当氧煤比一定时,蒸气煤比太小使气化温度过高,所需设备材料要求相应提高,成本增加;蒸气煤比太.大使系统气化温度太低,不利于CO2的还原和水至2蒸气的分解反应,使得煤气品质下降,碳转化率降低。" 0.1↑0.730.1030.790.76汽煤比(kg.kg)n. 0.10.850.82氧煤比/kg.kg")圉4流量配比对出口 H2摩尔分率的影响碳转化率。水蒸气含量的增加，促进了半焦与水蒸气反应的速度,从而提高了碳转化率。因此,相对提高蒸汽煤比可以降低煤气化过程的氧耗量。从861图中亦可看出氧煤比对碳转化率的影响远大于蒸0.1汽煤比。这主要是受炉内温度所控制,由表3的分0.75一 0.80 .析可知,加入相同的氧气及蒸汽,温度的变化对于汽煤比(kg.kg"0.150.160.65“氧煤比(kg.kg')一.70氧气的加人更为显著。圈3流量配比对出口co摩尔分率的影响煤气中CO的变化趋势如图3所示，在氧碳比达到理论值前,煤气中Co呈上升趋势,氧碳比超过哥2.5-理论值后,煤气中的CO将转变成CO2 ,此时煤气中客窘2.0f的CO含量呈下降趋势。同时可看到,随着蒸汽煤81.5比的增加,煤气中CO含量呈下降趋势。这主要是在气化过程中蒸汽分压的增大，降低了炉内的温810 80度,致使气化反应速率减慢,从而使CO的含量降低。如图4所示,在低氧煤比状态下,随着氧煤比的汽煤比(kg.kg )0.110.85 氧煤比/(kg.kg)增加,半焦及气相燃烧反应加剧,使炉内温度迅速升高,C +H20一=C0+H2反应加快,H2的含量增圈5流量配比对出口CO2摩尔分率的影响加。当氧煤比达到某一定值时,H2分压达到极值,而后会使其与O2的反应占优。另外可看到，105在氧煤比一-定时,蒸汽煤比增加,煤气中H2的含量略有增加。主要是反应中温度的下降对半焦; 95气化反应的影响较水煤气变换反应更为显著t 90所致。858如图5所示,随着蒸汽煤比的增加,煤气中CO2的含量增加,水煤气变换反应占优,在蒸汽煤比一20.90定的条件下,CO2的含量随着氧煤比的增加而增加，中国煤化工。50.800.85说明燃烧反应起主导作用。如图6所示,氧气含量.MYHC N M H G氧煤比Ng.kg)的增加加快了半焦燃烧以及气化反应的速度,提高图6流量配比对碳转化率 的影响了系统炉内反应的温度,反应加剧,相应地提高了气流床粉煤气化性能樸拟分析4“转化利用表3流量配比对气化炉温 度的影响高。当氧煤比达到一定值后,冷煤气效率达到最大氧煤比(kg.kg-) 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85值83.56%,有效气产率达到最大值1. 74 m/kg。气化炉温度/C 1458.2 1501.0 1542.5 1584.3 1626.0 166.6 4而后过量的氧气促使半焦燃烧反应的速度增加,造成煤气中的无效成分CO2和H20含量提高,冷煤气汽煤比/(kg.kg-") 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16效率及有效气产率随之下降。在低氧煤比的条件气化炉温度/C 1601.2 1593.1 1585.0 1576.9 1569.8 1562.0下,提高蒸汽煤比亦可以提高冷煤气效率及有效气由表3可知,煤气温度随着氧煤比的增加而增产率,在高氧煤比的条件下对二者则影响不大,这大,随着蒸汽煤比的增加而降低。主要是由于氧煤主要是受碳转化率所控制。比的提高促进了半焦的燃烧和气化反应,随反应的4结论不断进行,放出的热量逐渐增多,因此煤气的温度.(1)基于Aspen plus工作平台对粉煤气化过程呈上升趋势。当蒸汽煤比增加时,半焦与蒸汽反进行了分析,采用最小C值法建立了气化炉的数学应会吸收大量的热,使气化炉内的温度下降。氧模型。对粉煤气化炉的模拟结果表明，模拟值和试煤比每升高0.1 kg/kg 时,炉内温度升高约验值基本吻合,说明该模型能够较为准确的模拟气40C;蒸汽煤比升高0.1kg/kg时,炉内温度下流床气化炉的性能。降约8 C。(2)研究了工艺条件对粉煤气化炉气化结果的影响,认为对于给定气化炉,存在最佳氧煤比，使气化过程煤气组分达到最优,并对于模拟煤种给出了最佳氧煤质量比的范围。在气化剂中加.人适量的水蒸气能增加煤气中H2的体积分数,控梦80制炉温不致过高,同时还能降低氧耗量(因H20登78中含有氧) ;但水蒸气过多将使炉温降低,影响气化过程。.0.1李0.700.650.1010.800.75参考文献:汽煤比/(kg.kg")“ 0.160.85 氧煤比/(g.kg")[1] 邱立新,雷仲敏,周田君.洁净煤技术的评价方法研究[J].洁净煤技术2006,11(1);:5-8.图7流t配比对冷煤气效率的影响[2] Kovacik G, Ogutorei M, Chambers A, et al. Equilibiumcalculations in coal gasification [J]. Hydrogen Energy ,1990,15(2):125 - 131.[3] 张斌,李政,江宁,等.基于Aspen Plus建立喷流床气化炉模型[J].化工学报, 2003,54(8):1179- 1182.量1.6-[4] 代正华,龚欣,王辅臣,等.气流床煤气化的Gibbs自名1.5由能最小化模拟[J].燃料化学学报,2005 ,23(2):129- 133.10.1[5] 吴学成,王勤辉,骆仲泱,等.气化参数影响气流床煤0.15).90气化的模型研究( I)-模型建立及验证[J].浙江大0.140.13学学报(工学版) ,2004 ,38(10) :1361 - 1365.汽煤比(kg.kg")0.120.60-65 氧煤比(kg.kg)[6] Ni Q Z, Wlliamns A. A simulation study on the perorm-中国煤化工sfer[J]. Fuel, 1995,图8流配比对有效气产率的影响[7]. CNMHG soerReSsie如图7.图8所示,随着氧煤比增加,碳转化率Melling of an entained flow coal gaifir. 1. Development提高,煤气的有效气产率增加,因而冷煤气效率提of the model and general pedictions[J]. Fuel,1995,74(1):42《洁净煤技术)2010年第16卷第3期转化利用全国中文核心期刊矿业类核心期刊《CAJ-CD 规范)执行优秀期刊-1452 -1460.modeling of gasification: A free energy minimization a-[8]许世森,张东亮 ,任永强.大规模煤气化技术[M].北proach and its application to a circulating fluidized bed京:化学工业出版社,2008.coal gasifer [J]. Fuel,2001 ,80:195 -207.[9] u X,CRACE J R, WATKINSON A P,et al. EqibrumEntrained-flow pulverized coal gasificationperformance simulation analysisSONG Zhi -chun, BAO Wei-ren, CHANG Li-ping, U Fan(Key Laboratory of Coal Science and Technology, Taiyuan University of Technology，Ministry of Education and Shanxi Prorince , Taiyuan 030024, China)Abstract:Based on the process simulator- Aspen Plus software, the entrained - flow pulverized coal gasificationprocess was simulated by Gibbs free energy minimization method, the flow arithmetic was improved also. Theffects of oxygen-coal ratio , steam-coal ratio, pressure and pulverized coal particle size on the crude syngas compo-sition, gasification temperature , cold gas efciency , carbon conversion eficiency and productivity of Co + H2 werestudied. The results show that the simulation and the experiment results fit well. Oxygen-coal ratio is one of themost important conditions for gasification process，which is more significant than the other conditions, and the bestoxygen-coal ratio is 0. 70 ~0. 80 kg/kg for simulated coal. The best parameters corresponding gasification processare CO + H2 volume fraction of 96. 48% (dry base), cold gas eficiency of 83.56% and CO + H2 yield of 1. 74m3/kg coal. The gasification temperature is elevated about 40 C when the oxygen-coal ratio is increased by 0. 1kg/kg and reduced about 8°C when the stream-coal ratio is increased by 0.1 kg/kg.Key words:Aspen Plus; Gibbs free energy; equilibrium constant; entrained-low bed; pulverized coal gasifi-cation图书订购书名定价(元)另外在汇款时,需付书款20%的邮费。动力配煤32. 00订购方法:邮局汇款按编辑部地址汇款即可;动力煤利用技术44. 00银行信汇方式如下:煤矿环境监测56. 00单位名称:煤炭科学研究总院煤矿固体废物治理与利用31. 00银行帐号:200004209089115910煤矿矿井水及废水处理利用技术38. 00.开户行:工行和平里支行营业室洁净煤技术与矿区大气污染防治39. 00开户地:北京市朝阳区煤质管理与经营40. 00.编辑部地址:北京市和平里煤科院内《洁净煤技术》煤炭化验结果的审核与计算38. 00编辑部中国动力煤资源及利用35. 00中国无烟煤利用技术联系人:宫在芹中国炼焦煤的资源与利用48. 00邮政编码:100013电话: (010)84262927中国煤的的洁净利用58. 00.中国煤化工矿井惰性气体防灭火技术“THCNMHG气流床粉煤气化性能模拟分析43万万数据“