第5期(總第108期)煤化工No.5(Total No. 108)_2003年 10月Coal Chemical IndustryOet.2003魯奇加壓氣化工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)賈春友魏利棹(化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院.太原030001)摘要對(duì)魯奇爐氣化進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，通過了工程實(shí)際數(shù)據(jù)的檢驗(yàn).可對(duì)各型號(hào)的餐奇爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).關(guān)鍵詞魯奇爐氣化模擬文章編號(hào)1005-9598(2003)05-0030-06中國(guó)分類號(hào):TQ546.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A以人為假定- -些邊界條件,將整個(gè)床層劃分為由不1魯奇氣化工藝簡(jiǎn)介同反應(yīng)區(qū)構(gòu)成的連串反應(yīng)器構(gòu)造,見圖2(a)和(b)，比如將燃燒反應(yīng)開始(650K)直到氧氣耗盡之間的用O2/H2O、Air/H2O等氣化劑將煤轉(zhuǎn)化為合區(qū)域定為燃燒區(qū),之后是氣化區(qū)，當(dāng)溫度低到氣化反成氣的過程稱為煤的氣化。煤氣化反應(yīng)中的氣化劑應(yīng)可以忽略不計(jì)時(shí),氣化區(qū)結(jié)束。一般包括02、H2O、CO2和H2.產(chǎn)物一般為CO.H:和CH。煤炭氣化是煤炭轉(zhuǎn)化中實(shí)現(xiàn)煤的清潔高效利用的重要過程之一,對(duì)其進(jìn)行精確的定量描述是過程設(shè)計(jì)與控制最優(yōu)化的先決條件。煤氣化過程不同于簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)體系,它不僅涉及到復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系，還包括了物理過程干燥千350-10100T-酒TD煤一→半焦+揮發(fā)分的脫水干燥和半物理半化學(xué)過程的熱解干餾。僅就氣化100-1500CtCocu氣化反應(yīng)而言,既有多個(gè)平行反應(yīng),又有連申反應(yīng)和燃燒0002000KOY _二次氣相反應(yīng)。由于反應(yīng)速率上的差異,較慢的一些4灰406004..1... 200反應(yīng)要用動(dòng)力學(xué)方程來描述,較快的氣固反應(yīng)要由*0-H;O2-H擴(kuò)散傳質(zhì)方程來描述，較快的均相反應(yīng)則可用熱力3-C0學(xué)平衡方程來描述。龐大的反應(yīng)體系和繁雜的傳熱④-其他過程使得對(duì)氣化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述十分困難,然而灰鎖魯奇爐的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了其數(shù)學(xué)模擬的不斷發(fā)圈1 Lorgi 加壓固定床氣化反應(yīng)器示意圈展.反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程的控制和產(chǎn)物組成的預(yù)測(cè)不斷向數(shù)學(xué)模擬提出更高的要求.魯奇爐的示意圖見圖1.從基本概念上講,固定2魯奇爐的數(shù)學(xué)表述床層由上而下可分為干燥區(qū)、千餾區(qū)、氣化區(qū)燃燒在對(duì)魯奇爐進(jìn)行數(shù)學(xué)表述時(shí),認(rèn)為煤進(jìn)入反應(yīng)區(qū)和灰渣區(qū)五部分。在實(shí)際反應(yīng)過程中.除了燃燒區(qū)器后自上而下依次經(jīng)歷以下過程:和氣化區(qū)之間是以O(shè);依度為零來劃分外,其余各(1)干燥煤被來自熱解區(qū)的熱氣體加熱并失區(qū)并無明確的邊界定義,各區(qū)之間可以重疊覆蓋。不去水分。過,在數(shù)學(xué)模擬過程中,為了簡(jiǎn)化問題、方便求解,可.(2)干餾干燥煤進(jìn)一步 受熱發(fā)生熱解反應(yīng)生成半焦，焦油和氣體產(chǎn)物。為簡(jiǎn)化計(jì)算.假定半焦組收稿日期:2003-05-18作者簡(jiǎn)介;賈春友.男，1974年生.工程師。1996年畢業(yè)于天成為C.其余元素H、N.O.S全部進(jìn)人氣體和液體律大學(xué)化工系.后從中國(guó)人民大學(xué)研究生班畢業(yè)，現(xiàn)從事化產(chǎn)物.有關(guān)千餾產(chǎn)物的計(jì)算將在下一部分詳細(xì)討論。(3)氣化多相氣化反應(yīng) 和均相水煤氣變換反工工程設(shè)計(jì)與管理工作。2003年10月賈春友等:魯奇加壓氣化工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，31●謀，產(chǎn)晶氣表]化學(xué)反應(yīng)和組分編碼自由區(qū)反座組分元素II CO2干燥區(qū)干爆/干餾區(qū)A 1+02→+2(2-1)C0+(2-CO2? C0半焦熱氣體.”3 O2干餾區(qū)B C+CO2 +200H20氣化區(qū)c C+H20(g)-+C0+H21C|半熊D C+2H→CH7 N2(含所有隋性氣|2 H{↓靴性氣體$)30|燃施區(qū)E C0+H20(g)+C02+H2， NH、4 N|燃燒區(qū)H2SF干館氣體生成反座，矢區(qū)0半焦灰渣反應(yīng)氣體;干餾焦溜生成反應(yīng)11灰分a)(b)|H于燥過程3水分圈2Lurgi固定床氣化器分區(qū)及連串構(gòu)造橫型示意圖14干餾氣應(yīng)為:這些反應(yīng)的生成物均為重量基準(zhǔn)。在模擬計(jì)算C+H20(g)→CO+Hz AH= 131.306 kJ/mol中,所有反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù).,取反應(yīng)方程式右側(cè)............................... (1)為正,左側(cè)為負(fù)。C+CO2→2CO OH=172. 47 kJ/mol .. (2)對(duì)氣體組分物料衡算、固體組分物料衡算、氣體C+2H:-→CH，0H=-74. 84 kJ/mol ... (3)總能量衡算.固體總能量衡算的表述如下:C0+ H2O(g)→CO.+H2=A,SUR，................ (6)△H=-41. 16 kJ/mol●d7"其中前兩個(gè)反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng),后兩個(gè)反應(yīng)為弱放熱反應(yīng),故氣相自燃燒區(qū)進(jìn)入氣化區(qū)后,在向上流動(dòng)的過程中溫度迅速降低。出-[-/sROH,+se. +Q.- Q.m]/Cr(4)燃燒半焦在燃燒區(qū)氧化生成CO和CO,考慮到燃燒產(chǎn)物的分布，給出如下綜合反應(yīng)i= A.[- f,sR,0H,-sQ, -Q.- Q]/Cp .XC+O2-→2(λ-1)C0+ (2- X)CO2................................ (9)OH= - 565.98+ 172.47AkJ/mol ..... (5)干燥區(qū)僅涉及煤中水分向氣相的轉(zhuǎn)移,故i=其中λ介于1~2之間。(5)灰分的熱交換半焦在燃燒區(qū)發(fā)生劇烈的8,j=4,13。相應(yīng)的衡算方程為:dM,氧化燃燒反應(yīng)后,熾熱的灰分進(jìn)入灰分區(qū),同溫度較.... (10)低的氣化劑發(fā)生熱交換,一方面對(duì)氣化劑進(jìn)行預(yù)熱;dU!.另一方面使灰分的溫度降至適宜排放的溫度。在對(duì)魯奇爐進(jìn)行數(shù)學(xué)表述時(shí),由于涉及的反應(yīng)、反應(yīng)速率R。和R:之間存在如下關(guān)系:組分、溫度、組成等變量數(shù)目很多,故需要首先對(duì)各Rs=Rt/18 .....化學(xué)反應(yīng)和組分以及元素進(jìn)行編碼，以方便對(duì)反應(yīng)干餾區(qū)的物料衡算方式同干燥區(qū)類似，也存在器內(nèi)不同過程的表述。各化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)組分和元著重量基準(zhǔn)和摩爾基準(zhǔn)之間的換算問題。按照前面素的編碼結(jié)果見表1。的討論結(jié)果,對(duì)多相氣化和燃燒反應(yīng),按縮核反應(yīng)模表1中反應(yīng)F~H的具體表達(dá)式如下:型,引入Biba近似動(dòng)力學(xué):反應(yīng)F:煤→yem干餾煤氣(k,A,C,T88315561E-mail :paperchemj@mail. bz. zj cn