典型氣流床煤氣化爐氣化過程的建模

東赫，劉金昌，，解強，黨鉀濤，王新（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 00083；九州大學(xué)電子和材料應(yīng)用科學(xué)系，日本 福岡春日 86-8580 ）

研究開發(fā)

典型氣流床煤氣化爐氣化過程的建模

東赫1，劉金昌1，2，解強1，黨鉀濤1，王新1
（1中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2九州大學(xué)電子和材料應(yīng)用科學(xué)系，日本 福岡春日 816-8580 ）

利用Aspen Plus、基于熱力學(xué)平衡模型對GSP煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐的氣化過程建模。根據(jù)煤顆粒熱轉(zhuǎn)化的歷程，將煤氣化過程劃分為熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應(yīng)4個階段，利用David Merrick模型計算熱解過程，采用Beath模型校正壓力對熱解過程的影響，選用化學(xué)計量反應(yīng)器模擬揮發(fā)分燃燒反應(yīng)，編制Fortran程序計算半焦裂解產(chǎn)物收率，最后基于Gibbs自由能最小化方法計算氣化反應(yīng)。結(jié)果表明，采用建立的氣流床氣化過程模型模擬工業(yè)氣化過程的結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，對GSP煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐等3種氣化爐有效氣成分（CO+H2）體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果的誤差均不超過2%，建立模型的可靠性得到驗證。

氣流床氣化爐；熱力學(xué)平衡模型；Aspen Plus

建立煤氣化數(shù)學(xué)模型的核心在于選擇合適的反應(yīng)模型。迄今為止，煤氣化數(shù)學(xué)模型繁多，主要為動力學(xué)模型和熱力學(xué)平衡模型［1-2］。動力學(xué)模型雖能真實地反映爐內(nèi)的氣化反應(yīng)過程，但該模型的建立依賴于詳細(xì)的動力學(xué)反應(yīng)機理及反應(yīng)速率表達式，對于復(fù)雜的煤氣化反應(yīng)體系，其應(yīng)用往往受限于清晰定義的反應(yīng)和組分個數(shù)；另一方面，由于動力學(xué)模擬方法及軟件的限制，僅能對氣化爐單一設(shè)備進行模擬研究，難以考察氣化前及氣化后的整個工藝流程。相較而言［1］，熱力學(xué)平衡模型不針對特定的氣化爐型，以一定的平衡限制條件為假定基礎(chǔ)，通過建立各元素組分的反應(yīng)平衡、質(zhì)量方程及整個氣化爐熱量平衡方程，求解煤氣的平衡組成。熱力學(xué)平衡模型設(shè)計過程簡單，雖不能考察氣化爐內(nèi)的流動傳熱、傳質(zhì)特性及氣化反應(yīng)的過程，但由于求解速度很快且在選取準(zhǔn)確的模型參數(shù)時能夠獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，故而在氣化爐工程模擬和流程模擬中獲得了廣泛的應(yīng)用［3］。

DAI等［4］基于Gibbs自由能最小化原則對煤粉氣化過程建立模型，在此基礎(chǔ)上考察了操作參數(shù)對氣化過程的影響，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，兩者具有一致性；車德勇等［5］模擬流化床氣化時將氣化過程分為熱解及氣化兩個部分，并考慮流化床氣化爐密相區(qū)和稀相區(qū)流體動力學(xué)參數(shù)不同，利用嵌入Fortran氣化動力學(xué)子程序的2個攪拌釜式反應(yīng)器模塊分別模擬2個區(qū)內(nèi)焦炭的氣化反應(yīng)；汪洋等［6］借助Aspen Plus軟件建立了氣流床煤氣化爐的熱力學(xué)平衡模型，其中包含裂解、氣化及冷卻等3個模塊，將固體煤經(jīng)裂解轉(zhuǎn)化為Aspen Plus可處理的常規(guī)組分物質(zhì)，經(jīng)Gibbs平衡反應(yīng)器求解產(chǎn)物組成，后經(jīng)分離模塊進行分離得到產(chǎn)品合成氣和副產(chǎn)物灰渣。至今，基于熱力學(xué)平衡模型對煤氣化過程的模擬研究主要將氣化過程簡化為裂解單元和氣化單元兩部分，且側(cè)重于操作參數(shù)對氣化爐性能的分析，而關(guān)于熱力學(xué)平衡模型詳細(xì)的建立過程仍不充分，且實際的氣化反應(yīng)過程較為復(fù)雜，上述模型建立時尚未考慮煤氣化過程伴隨的熱解及揮發(fā)分燃燒反應(yīng)，難以系統(tǒng)和準(zhǔn)確地反映實際氣化過程。KONG等［7］針對水煤漿氣化過程建立了三級平衡模型，將氣化過程分為熱解和燃燒級、氣固相反應(yīng)級及氣相反應(yīng)級3個等級進行模擬，結(jié)果表明該模型具有一定的可靠性；徐越等［8］將復(fù)雜的煤氣化過程分為熱解及揮發(fā)分燃燒、半焦燃燒氣化反應(yīng)和氣化還原反應(yīng)三部分進行建模，模型預(yù)測較為準(zhǔn)確。此外，對于煤氣化“拔頭”工藝煤熱解過程，基于Aspen Plus的模擬方法主要使用相關(guān)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算熱解產(chǎn)物組成，而所擬合的相關(guān)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式多基于常壓條件下的熱解實驗結(jié)果歸納［9］。但對于氣流床氣化爐，壓力對熱解過程的影響不可忽略。BEATH［10］研究發(fā)現(xiàn)煤熱解析出的揮發(fā)分得率隨著壓力升高而減小，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出壓力與煤熱解產(chǎn)物收率的關(guān)系式；LIU等［11］在對氣流床氣化過程建模過程中，采用Beath模型校正了熱解過程，模擬結(jié)果更為貼近實際情況。

結(jié)合煤（顆粒）氣化反應(yīng)歷程，基于熱力學(xué)平衡模型對氣化反應(yīng)歷程中各環(huán)節(jié)的模擬在以求解產(chǎn)物組成及相態(tài)為目的的情況下準(zhǔn)確度高且計算量小。本文以實際生產(chǎn)指標(biāo)為依據(jù)，利用Aspen Plus軟件，對3種典型氣流床氣化爐氣化過程進行模擬，深入明晰氣化爐煤熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應(yīng)過程模型建立的機理及過程，并依據(jù)Beath壓力校準(zhǔn)模型校準(zhǔn)熱解過程。

1　煤氣化過程建模

1.1煤（顆粒）氣化歷程解析

煤炭氣化過程實際上是煤炭在高溫下的熱化學(xué)反應(yīng)過程，王輔臣［2］、于遵宏［3］等對煤炭氣化過程進行了詳細(xì)分析，認(rèn)為煤氣化反應(yīng)雖受氣化方式、氣化劑及煤種等諸多因素影響，但所有的氣化過程存在明顯的共性，即煤炭顆粒進入氣化爐內(nèi)先后經(jīng)歷了干燥、熱解、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒和氣化反應(yīng)過程。

對于氣流床氣化過程，在干燥和熱解階段，由于大部分煤顆粒小于 200目，且爐內(nèi)平均溫度在1300℃以上，煤粉受熱速度極快，因而認(rèn)為干燥階段煤中水分瞬間蒸發(fā)，同時發(fā)生快速的熱分解脫除揮發(fā)分。目前氣化過程模型的建立均將水分蒸發(fā)過程與揮發(fā)分析出過程一起考慮［12］。而后，熱解析出的揮發(fā)分和形成的半焦進行燃燒和氣化反應(yīng)，此過程中揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量以供為后階段的氣化反應(yīng)，不可忽略。氣化反應(yīng)階段包括氣化劑與煤或焦之間的反應(yīng)、煤與反應(yīng)物之間的反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物與氣化劑及反應(yīng)產(chǎn)物之間的反應(yīng)。

需說明，實際氣化過程中各個階段可能同時進行，難以清晰分割。為便于氣化過程模型的建立，結(jié)合煤氣化反應(yīng)歷程，擬將復(fù)雜的煤氣化過程進行分段，即劃分為熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應(yīng)4個階段。

1.2熱解過程

1.2.1David Merrick模型

David Merrick建立了煤熱解揮發(fā)分及焦炭產(chǎn)量的計算經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?3］，該模型基于元素平衡計算熱解揮發(fā)分的成分及焦炭的產(chǎn)率，計算簡便且通用性較好［14］。假設(shè)揮發(fā)分產(chǎn)物有CH4、C2H6、CO、CO2、H2、H2O、NH3、H2S和焦油，其他產(chǎn)物只有焦。具體方程如式（1）所示。式（1）是由10個方程組成的10階矩陣，矩陣每行代表每個方程中10個回歸系數(shù)。其中，第1行為碳平衡方程，2～5行分別為H、O、N、S平衡方程，第6行為質(zhì)量平衡方程，7～10行表示各個物質(zhì)的收率。

1.2.2壓力校正

氣流床氣化爐內(nèi)壓力較高，在使用熱解模型對原煤熱解產(chǎn)物進行計算后需要通過壓力校正才能更加準(zhǔn)確地模擬氣流床氣化過程。論文擬根據(jù)BEATH［10］實驗結(jié)果提出的煙煤壓力校準(zhǔn)模型，如式（2）。

1.3揮發(fā)分燃燒過程

使用David Merrick 模型可計算出的揮發(fā)分有CH4、C2H6、CO、CO2、H2、H2O、NH3、H2S及焦油。其中可以發(fā)生燃燒反應(yīng)的有CH4、C2H6、CO、H2、H2S及焦油。假定氣化反應(yīng)過程中氣化劑充足，上述五種可燃揮發(fā)分以及焦油發(fā)生了完全燃燒反應(yīng)，采用Aspen Plus軟件現(xiàn)有的操作模塊化學(xué)計量反應(yīng)器（RSTOIC）進行模擬，主要反應(yīng)方程式如式（3）～式（7）。

1.4煤（焦）裂解過程

煤、半焦都是復(fù)雜的混合物，在模擬軟件中無法對組分不清楚的混合物進行計算，將熱解后的半焦依據(jù)其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果分解為單元素分子（C、H2、O2、N2、S）和灰分，裂解組分的收率通過 Aspen Plus 內(nèi)嵌的 Calculator計算模塊中Fortran語言編寫的程序來控制。該單元本身遵循質(zhì)量守恒，只需考慮穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)能量的守恒，且由于煤氣化是化學(xué)反應(yīng)過程，因而可采用生成焓來計算反應(yīng)中氣體和固體的焓。煤裂解單元的焓平衡方程及生成焓［15］如式（8）、式（9）。

式（8）表示在一定溫度T下，等號左邊的兩項分別表示進料物流的生成焓和總焓，等號右邊前兩項分別表示反應(yīng)產(chǎn)物的生成焓和總焓。

在Aspen Plus 軟件模擬時，半焦裂解過程產(chǎn)物依據(jù)焦的工業(yè)分析和元素分析，通過 Fortran 編程語言實現(xiàn)，如下所示［16］。

FACT=（100-WATER）/100

H2O=WATER/100

ASH=ULT（1）/100*FACT

C=ULT（2）/100*FACT

H2=ULT（3）/100*FACT

N2=ULT（4）/100*FACT

Cl2=ULT（5）/100*FACT

S=ULT（6）/100*FACT

O2=ULT（7）/100*FACT

其中，F(xiàn)ortran語言中ULT為矢量，代表煤的元素分析（ULTANAL）。

1.5煤（焦）氣化過程

氣化反應(yīng)單元采用平衡反應(yīng)器RGIBBS模塊，該模塊根據(jù)系統(tǒng)Gibbs 自由能趨于最小原則，由于氣流床煤氣化本身溫度較高，約達1500℃，壓力約為 4MPa，因此可認(rèn)為反應(yīng)體系在瞬間達到化學(xué)反應(yīng)平衡，在考慮熱損失的前提下，通過建立下述非線性方程組計算同時達到化學(xué)平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和分布［17］。

目標(biāo)函數(shù)如式（10）。

質(zhì)量守恒約束條件如式（11）。

焓平衡約束條件如式（12）。

非負(fù)約束條件如式（13）。

2　Aspen Plus模擬流程

2.1建模假設(shè)條件

結(jié)合煤氣化反應(yīng)特征及Aspen Plus模擬的適用性，建模需作如下假設(shè)［7］。

（1）整個氣化反應(yīng)可以分為熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解和氣化4個步驟進行；

（2）熱解過程不受氣化爐內(nèi)氣氛條件的影響，熱解產(chǎn)物主要考慮焦、焦油（CmHn）、CH4、CO、CO2、H2、H2O、N2和H2S；

（3）揮發(fā)分燃燒過程中，由熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的可燃成分在富氧的條件下完全燃燒；

（4）熱解產(chǎn)生的半焦根據(jù)工業(yè)分析和元素分析結(jié)果裂解為C、H、O、N、S 的單質(zhì)和灰分進行氣化反應(yīng)；

（5）氣化爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，所有參數(shù)不隨時間發(fā)生變化，無壓力降，且不考慮氣化爐內(nèi)的濃度梯度和溫度梯度；

（6）半焦中的 C、H、O、N、S 等元素經(jīng)過反應(yīng)之后全部轉(zhuǎn)化為氣相，而C 根據(jù)反應(yīng)條件的不同不完全轉(zhuǎn)化；其中ASH為惰性組分，不參與氣化反應(yīng)；

（7）整個氣化過程都瞬間完成，且所有煤粒都參與到氣化反應(yīng)中。

2.2模型選擇

建模過程所選用的Aspen Plus中的模塊如表1所示。

2.3模擬流程

基于前述假設(shè)，選擇適于處理高壓烴熱力學(xué)性質(zhì)的PR-BM狀態(tài)方程［18］，采用Aspen Plus現(xiàn)有的單元操作模塊對整個煤氣化過程進行建模，整個氣化過程模擬流程如圖1所示。

（1）熱解過程原料（COAL）和載氣（CARRIERG）進入混合器（MIX1）中混合，混合之后（FEED）煤粉在RYIELD反應(yīng)器（PYROLY1）中發(fā)生常壓下的熱解反應(yīng)生成揮發(fā)分和半焦的混合物P1。P1進入RYIELD反應(yīng)器（PYROLY2）中進行熱解壓力校正，得到熱解產(chǎn)物P2。P2經(jīng)過分離器（SEP2）進行氣固相分離，得到揮發(fā)分（GAS）、半焦（CHAR）和焦油（TAR）。由于氣流床煤氣化反應(yīng)在高溫高壓富氧條件下進行，熱解產(chǎn)生的焦油瞬間發(fā)生了完全燃燒反應(yīng)，因而將熱解產(chǎn)生的焦油作為氣相的熱解揮發(fā)分處理。

（2）揮發(fā)分燃燒過程揮發(fā)分（GAS）氧化劑（OXYGEN）混合進入到 RSTOIC反應(yīng)器（COMBUST）中發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到產(chǎn)物（GASPRO）。

表1　Aspen Plus模塊應(yīng)用匯總

圖1　氣流床煤氣化過程模擬流程圖

（3）半焦裂解過程半焦（CHAR）進入到RYIELD 反應(yīng)器（DECOMP）中進行裂解反應(yīng)，得到C、H2、O2、N2、S及ASH混合物（DECOMP）。

（4）氣化過程揮發(fā)分燃燒產(chǎn)物（GASPRO）、半焦裂解產(chǎn)物（DECOMPUD）及水蒸氣（STEAM）首先進入混合器（MIX2）中混合，混合物（MIXTURE）進入RGIBBS反應(yīng)器（GASIFIER）中進行氣化，生成產(chǎn)物（PRODUCT）。

3　模擬與校核數(shù)據(jù)

3.1分析數(shù)據(jù)

（1）煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)選用寧東重化工基地某 煤氣化廠中GSP、GE及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐實際運行過程的氣化原煤，其主要煤質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2　煤的工業(yè)分析和元素分析　　單位：%

（2）半焦分析數(shù)據(jù)利用David Merrick模型估算熱解產(chǎn)物需用到半焦的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)，將原煤通過熱解實驗制得半焦，熱解后的半焦工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2熱解模型計算

根據(jù)David Merrick模型計算熱解產(chǎn)物的結(jié)果如表4所示；根據(jù)Beath模型校準(zhǔn)的熱解產(chǎn)物結(jié)果如表5所示。

表3　半焦的工業(yè)分析和元素分析　　單位：%

表4　熱解產(chǎn)物組成

表5　Beath模型校準(zhǔn)的熱解產(chǎn)物組成

3.3氣化模型驗證

應(yīng)用建立的氣化模型進行模擬的結(jié)果匯總于表6。表6也給出了氣化生產(chǎn)的實際數(shù)據(jù)。

由表6可知，模擬結(jié)果與實際工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，GSP、GE及四噴嘴對置水煤漿氣化爐合成氣有效成分（CO+H2）體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果誤差分別為1.48%、0.53%及0.31%，說明該模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬3種典型氣流床氣化爐氣化過程。

表6　GSP煤粉氣化爐、GE水煤漿氣化爐及四噴嘴對置式水煤漿氣化爐模擬結(jié)果驗證

4　結(jié)　論

（1）根據(jù)煤（顆粒）氣化歷程，詳細(xì)解析了煤熱解、揮發(fā)分燃燒、半焦裂解及氣化反應(yīng)各個階段的機理及過程。

（2）基于熱力學(xué)平衡模型，利用 Aspen Plus軟件建立了氣化過程各個階段的模型，其中熱解過程依據(jù)David Merrick模型計算，并采用BEATH模型校正了壓力對熱解過程的影響，揮發(fā)分燃燒反應(yīng)過程選用了化學(xué)計量反應(yīng)器模擬，通過Fortran程序計算了半焦裂解產(chǎn)物收率并基于Gibbs自由能最小化方法計算了氣化反應(yīng)的產(chǎn)物組成。

（3）以GSP、GE及四噴嘴對置式水煤漿氣化裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于所建模型對3種典型氣流床氣化爐氣化過程進行模擬，結(jié)果表明，模擬計算結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，3種氣化爐的模擬結(jié)果中有效氣成分（CO+H2）體積分?jǐn)?shù)的誤差均不超過 2%，驗證了該模型用于模擬氣流床氣化爐氣化過程的可靠性。

符號說明

bk—— 元素的摩爾數(shù)，mol

C —— 組分?jǐn)?shù)

Car—— 煤收到基中C的含量，%

G —— Gibbs自由能

HHV —— 煤收到基高位發(fā)熱量，J

Har—— 煤收到基中H的含量，%

?Hi—— 組分的焓，J

Mar—— 煤收到基中Moisture的含量，%

mjk—— 組分的原子矩陣

n —— 組分摩爾數(shù)，mol

P —— 系統(tǒng)中相的個數(shù)

QL—— 系統(tǒng)的熱損失，J

QP—— 煤粉裂解熱，J

S —— 單獨存在的相，如固體顆粒

Sar—— 煤收到基中S的含量，%

V1am*—— 常壓下?lián)]發(fā)分的得率，%

Vp*—— 壓力為Pt時的揮發(fā)分實際得率，%

w（C）—— 半焦干燥無灰基中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w（H）—— 半焦干燥無灰基中H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w（N）—— 半焦干燥無灰基中N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w（O）—— 半焦干燥無灰基中O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w（S）—— 半焦干燥無灰基中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Z——系統(tǒng)中元素的個數(shù)

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Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coal gasifiers

DONG He1，LIU Jinchang1，2，XIE Qiang1，DANG Jiatao1，WANG Xin1
（1School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2Department of Applied Science for Electronics and Materials，Kyushu University，6-1 Kasuga-Koen，Kasuga，F(xiàn)ukuoka 816-8580，Japan）

This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSP pulverized coal gasification，GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple-Burner gasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermal conversion procedure of fine coal particles，the coal gasification was interpreted as consisting of four stages 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 coal pyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated by using Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortran program. And finally，the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energy minimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model of gasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulated results of volume fraction of the effective gas （CO+H2） of these three typical entrained-flow gasifiers were all less than 2%，which can validate the reliability of the coal gasification model.

entrained-flow gasifiers；thermodynamic equilibrium model；Aspen Plus

TQ 546

A

1000-6613（2016）08-2426-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.19

2015-10-30；修改稿日期：2015-12-09。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2014CB238905）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（2009KH10）項目。

東赫（1991—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：解強，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail dr-xieq@cumtb.edu.cn。