煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型

史 聰，楊 英，夏支文

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 寧夏 銀川 750411）

煤氣化技術(shù)是目前及未來實(shí)現(xiàn)煤炭高效、清潔、經(jīng)濟(jì)利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，開發(fā)潔凈煤技術(shù)，提高煤炭利用效率、降低煤氣化成本的有效途徑是研制和推廣應(yīng)用大型化、先進(jìn)的煤炭氣化技術(shù)。當(dāng)前，從更深層次的理解氣化機(jī)理，建立能真實(shí)反映煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型，已成為指導(dǎo)氣化爐設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、生產(chǎn)過程優(yōu)化及改進(jìn)的重要發(fā)展方向，也是世界范圍內(nèi)開發(fā)先進(jìn)煤氣化爐的研究熱點(diǎn)。

自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤氣化過程的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行了大量的研究工作，并建立了煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型，主要分為動(dòng)力學(xué)模型和平衡模型。其中典型動(dòng)力學(xué)模型有Watkinson等[1]提出的動(dòng)力學(xué)模型、王輔臣等[2-4]提出的三區(qū)模型、李政等[5,6]提出的小室模型，典型平衡模型有Ruprecht等[7]提出的平衡模型和汪洋等[8]基于Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤氣化爐模型等。本文重點(diǎn)對(duì)典型三區(qū)模型、小室模型及基于Gibbs自由能最小化方法模型進(jìn)行介紹。

1 三區(qū)模型

1.1 模型描述

王輔臣等[2,3]提出水煤漿氣化過程三區(qū)模型，認(rèn)為爐內(nèi)存在流體力學(xué)特性各異的射流區(qū)、回流區(qū)及管流區(qū)，對(duì)應(yīng)存在化學(xué)反應(yīng)特性各異的一次反應(yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一、二次反應(yīng)共存區(qū)。在此基礎(chǔ)上建立水煤漿氣化爐數(shù)學(xué)模型、激冷室與洗滌塔數(shù)學(xué)模型、文丘里洗滌器數(shù)學(xué)模型，其中氣化爐數(shù)學(xué)模型包含氣相物料的混合模型和殘?zhí)苛坑?jì)算模型，以及微量組分計(jì)算模型[4]。

（1）氣相物料的混合模型

在進(jìn)行氣化爐氣相物料的計(jì)算時(shí), 必須從停留時(shí)間分布的角度出發(fā), 考慮到微觀混合與宏觀混合的時(shí)間尺度。氣化爐內(nèi)宏觀混合的時(shí)間尺度為 tM=0.15～0.50 s。氣化爐內(nèi)物料微觀混合的時(shí)間尺度為～0.66 s。

（2）殘?zhí)苛坑?jì)算模型

氣化爐出口殘?zhí)苛空济褐锌傆行С煞至康姆致视孟率接?jì)算。

當(dāng)脫揮發(fā)分的速率遠(yuǎn)大于殘?zhí)康臍饣俾蕰r(shí)，Rc/Rv→0，tcrit→1/ Rc，上式簡化為：

式中:Vt—揮發(fā)分析出的總量，

Rv—揮發(fā)分析出速率,kg·kg-1·s1;

Rc—?dú)執(zhí)康姆磻?yīng)速率,kg·kg-1·s1。

1.2 模型驗(yàn)證（kg·kg-1·s1）

該模型選用的煤的組成及熱值見表1所示，模擬結(jié)果表明，模擬值與操作值吻合良好，所建立的氣化過程數(shù)學(xué)模擬是可靠的。

表1 煤的組成及熱值Table 1 The composition and calorific value of coal

1.3 模型評(píng)價(jià)

該模型是以氣化系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素的影響，能真實(shí)地反應(yīng)爐內(nèi)的氣化過程，對(duì)最終煤氣成分的預(yù)測與操作值較吻合，同時(shí)可對(duì)NH3和HCOOH微量組分進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果對(duì)工程防止灰水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕具有指導(dǎo)意義。

但該模型僅適用于水煤漿氣化過程，且模擬結(jié)果取決于噴嘴與爐體匹配形成的流場，必須對(duì)氣化爐結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)及射流特性對(duì)流場特性的影響進(jìn)行深入且可靠的流體力學(xué)研究。

2 小室模型

2.1 模型描述

李政等[5,6]采用“小室模型”方法，將氣化爐沿軸向分割為多段，即為小室，且認(rèn)為每個(gè)小室為 氣體組分質(zhì)量、固體質(zhì)量、碳質(zhì)量及能量的平衡空間，建立起預(yù)測Texaco煤氣化爐性能的數(shù)學(xué)模型。

建模做如下假定：（1）氣化爐內(nèi)流動(dòng)為均勻平推流；（2）水煤漿的預(yù)熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)份在入爐后瞬間完成；（3）煤顆粒尺寸采用同一粒徑，水煤漿滴在完成水分蒸發(fā)和揮發(fā)份釋放后，煤顆粒不結(jié)團(tuán)，此獨(dú)立存在；（4）縮核不縮炭假定。

模型考慮了氣相反應(yīng)和氣固異相反應(yīng)兩種化學(xué)反應(yīng)，并建立及起反應(yīng)速率計(jì)算公式，另外建立了固體停留時(shí)間的計(jì)算公式。

式（4）為氣相反應(yīng)速率表達(dá)式，式（5）為氣固反應(yīng)速率表達(dá)式，式（6）、（7）、（8）為固體停留時(shí)間計(jì)算式。

2.2 模型驗(yàn)證

模型采用Illinois 6號(hào)煤對(duì)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，用另外2組煤種進(jìn)行校核，元素分析見表2所示。模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，證明該模型可信度較好。

表2 元素分析和工業(yè)分析Table 2 Element Analysis and industrial analysis

2.3 模型評(píng)價(jià)

該模型較為詳細(xì)的描述爐內(nèi)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程，模擬結(jié)果與氣化爐實(shí)際運(yùn)行情況較吻合，具有較大的可信度和應(yīng)用價(jià)值，建議從以下方面進(jìn)一步完善和深化：

（1）缺少對(duì)NH3和HCOOH等微量組分的計(jì)算；

（2）鑒于氣化爐內(nèi)氣固流動(dòng)的復(fù)雜性，模型假設(shè)與實(shí)際流動(dòng)特性存在差別，有待修正；

（3）氣化爐分割成小室的分配高度和個(gè)數(shù)無明確定義，模型相對(duì)復(fù)雜，通用性較差。

3 基于Gibbs自由能最小化方法模型

3.1 模型描述

汪洋等[8]基于 Aspen Plus流程模擬軟件，運(yùn)用Gibbs自由能最小化方法建立了高溫高壓下的氣流床煤氣化爐模型，并采用Aspen Plus10.2中的物性數(shù)據(jù)庫和單元模塊進(jìn)行計(jì)算。其示意圖見圖1所示，主要包含Decomp、Burn、Separate三大單元模塊。

Decomp單元是將粉煤分解轉(zhuǎn)化成單原子的分子并將裂解熱傳遞給Burn單元；Burn單元考慮了5種元素和15個(gè)組分，在體系達(dá)到化學(xué)反應(yīng)熱平衡判據(jù)式時(shí)，基于Gibbs自由能最小化原理模擬計(jì)算氣化爐的出口組成和溫度；Separate模塊是將氣化爐激冷室排出的氣液混合物完全分離成氣、液兩相。

圖1 氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig.1 Entrained flow coal gasifier model diagram

3.2 模型驗(yàn)證

該模型采用的煤種（北宿煤）元素分析和工業(yè)分析見表3。操作條件為：水煤漿流量為75 033 kg/h，煤漿濃度為64%（wt），氧氣流量為30 375 m3/h，氣化壓力為 4.0 MPa（g），碳轉(zhuǎn)化率為 98%，熱損失為0.5%。通過對(duì)Burn單元模塊的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行元素（C、H、O）平衡和熱平衡分析，所建立的模型基本正確，模型計(jì)算結(jié)果比較可靠。

表3 北宿煤的元素分析和工業(yè)分析Table 3 Beisu coal elemental analysis and industry analysis

3.3 模型評(píng)價(jià)

從理論分析來看，該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值一致，但存在以下不足：

（1） Burn單元模塊模擬計(jì)算出的氣化爐出口組成與溫度未與工業(yè)實(shí)際操作值進(jìn)行比較，一定程度上限制了對(duì)工業(yè)實(shí)際操作的指導(dǎo)作用；

（2） Decomp單元模塊未考慮載氣（如 N2、CO2）的輸入，是否適用于氣流床干粉煤氣化爐有待驗(yàn)證；

（3） Burn單元模塊未考慮Cl元素和NOX等微量組分，煤種選取單一，而這些對(duì)工業(yè)實(shí)際過程有重要的指導(dǎo)意義；

（4）模型驗(yàn)證采取的碳轉(zhuǎn)化率高，較低碳轉(zhuǎn)化率的情況未考慮；

（5）由于該模型，不考慮氣化爐的流動(dòng)傳熱、傳質(zhì)特性以及氣化反應(yīng)的過程，相對(duì)比較簡單，尚不能真實(shí)反映氣化爐內(nèi)的氣化過程。

4 結(jié) 論

近年來國內(nèi)以李政、王輔臣、汪洋等為代表的不少學(xué)者作了大量的研究工作，并建立了典型“三區(qū)模型”、“小室模型”、“基于 Gibbs自由能最小化方法模型”煤氣化爐數(shù)學(xué)模型，總體來說，各模型較為可靠，在特定煤種和氣化爐結(jié)構(gòu)的條件下模型值都能與實(shí)際值較吻合，具有很大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。但是，相對(duì)來說，各模型通用性較窄，在煤氣化機(jī)理、爐內(nèi)多項(xiàng)流動(dòng)力學(xué)特性、微量組分計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬等方面，大量基礎(chǔ)研究和模擬優(yōu)化工作有待進(jìn)一步深入或開展。

［1］Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibrium modeling of gasification: a free energy minimization approach and its application to a circulating fluidized bed coal gasifier[J]. Fuel,2001, 80(2): 195-207．

［2］ 于遵宏,沈才大,王輔臣,等.水煤漿氣化過程三區(qū)模型[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),1993, 21(1): 90- 951．

［3］王輔臣,劉海峰,龔欣,等.水煤漿氣化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2001, 29(1): 33- 38．

［4］ 王輔臣, 于遵宏, 沈才大,等.德士古渣油氣化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬[J].華東化工學(xué)院學(xué)報(bào), 1993, 19( 4) : 393-3001.

［5］ 李政,王天驕,韓志明,等.Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型的研究—建模部分[J].動(dòng)力工程,2001, 21(2): 1161- 1168．

［6］李政,王天驕,韓志明,等.Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究(2)—計(jì)算結(jié)果及分析[J].動(dòng)力工程,2001, 21(4): 1316- 1319．

［7］ Ruprecht P, Schafer W, Wallace P. A Computer Model of Entrained Coal Gasification[J]. Fuel, 1988, 57(6): 739-743．

［8］ 汪洋,代正華,于廣鎖,等.運(yùn)用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2004, 27(4):27- 33．