轉(zhuǎn)化利用. 全國中文核心期刊礦業(yè)類核心期刊(CA-CD規(guī)范)執(zhí)行優(yōu)秀期刊-氣流床粉煤氣化性能模擬分析宋志春,鮑衛(wèi)仁,常麗萍,李凡(太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030024)摘要:基于Aspen Plus 工作平臺,運(yùn)用Gibbs自由能最小化原理,對氣流床粉煤氣化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對流程算法進(jìn)行了改進(jìn)。研究了氧煤比、蒸氣煤比、壓力及粉煤粒徑對氣化爐出口氣體組成、溫度、冷煤氣效率、碳轉(zhuǎn)化率及有效氣產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明:模擬值和實(shí)驗(yàn)值有良好的相似性;氧煤比對氣化進(jìn)程的影響較蒸汽煤比及其它操作條件更為顯著;并確定了模擬堞種的最佳氧煤比是0. 70~0.80 kg/kg, 氣化爐出口CO+H的最大干基體積分?jǐn)?shù)為96.48% ,冷煤氣效率最高為83. 56%,最大有效氣產(chǎn)率為1.74 m'/kg;氧煤比每升高0.1 kg/kg,氣化爐出口溫度升高約40 C,而蒸汽煤比每升高0.1 kg/kg, 氣化爐出口溫度降低約8 C。關(guān)鍵詞:Aspen Plus;Gibbs 自由能;平衡常數(shù);氣流床;粉煤氣化中圖分類號:TQ54文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006 -6772(2010)03 -0039 -05煤炭氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，了 氣流床氣化的數(shù)學(xué)模型。Ni[6]建立了 基于氣流是煤炭轉(zhuǎn)化的主要途徑之一門。發(fā)展基于煤氣化床煤氣化平衡常數(shù)的一組非線性規(guī)劃的方程組,對的煤基能源及化工系統(tǒng)已成為能源領(lǐng)域科技界和于指導(dǎo)實(shí)踐具有一定意義。Vamvuka 等[7]從氣流.企業(yè)界的共識,也正在成為世界范圍內(nèi)高效、清潔、床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)本身人手,建立了微分?jǐn)?shù)學(xué)模型,考經(jīng)濟(jì)地開發(fā)和利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展察了反應(yīng)條件對氣化結(jié)果的影響。筆者采用了最小G值法建立了粉煤氣化模型，借助過程流程模方向。模擬氣化過程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,為工擬軟件,考慮到軟件本身算法的有限選擇性及不程放大,操作參數(shù)、理想工況大致確定等提供參考穩(wěn)定性,在前人研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)在數(shù)值算法依據(jù),同時(shí)節(jié)省了大量的人力、物力及試驗(yàn)資金。上做了改進(jìn)和補(bǔ)充,以保證計(jì)算能夠快速、穩(wěn)定模擬過程- -般從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)2種過程考慮,即熱力的收斂。并對煤氣化過程進(jìn)行了三維熱力學(xué)模學(xué)模型(2)和動力學(xué)模型。動力學(xué)模型以氣化系統(tǒng)擬計(jì)算,為理想工況工藝參數(shù)的確定提供重要的的反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ),能真實(shí)反映爐內(nèi)的氣化過理論依據(jù)。程,但這種模型相對比較復(fù)雜，通用性也較差。熱1最小G值法建模及模型描述力學(xué)模型以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ),相對比較簡單,具運(yùn)用Gibbs自由能最小化方法建立的氣流床煤有一定的通用性,對碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的氣化爐模型如圖1所示，包含5個(gè)單元模塊、11個(gè)工況預(yù)測相對較好。張斌等[3]建立了處理固體物物流工藝流股和2個(gè)熱流工藝流股。流的氣化爐平衡模型,在煤裂解模塊中考慮碳的不1.1 煤干燥單元完全轉(zhuǎn)化。代正華等[4用實(shí)際工業(yè)操作過程中的為了防止煤粉粘結(jié)和堵塞反應(yīng)器,煤必須進(jìn)行干碳轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)和估算的熱量損失修正模擬結(jié)果。燥,使煤中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%[8}。此干燥單元利吳學(xué)成等[5]基于化學(xué)動力學(xué)并結(jié)合化學(xué)平衡建立中國煤化工YHCNMHG收稿日期:2010-02 -02基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20776092)作者簡介:宋志春(1981- -) ,男,內(nèi)蒙古通遼人,碩士研究生,從事煤的優(yōu)化轉(zhuǎn)化研究。E-mail; smqh5207@ 126. com氣流床粉檻氣化性能模擬分析39轉(zhuǎn)化利用f0+ -四-→空間進(jìn)行高效搜索。如圖2所示?！挠?+6-→++2于Fortran語句49+輸碼和種群生成-種群適應(yīng)度估計(jì)選擇一網(wǎng)一夜用圄1氣流床粉煤氣化的計(jì)算 流程圖2 GA的計(jì)算過程流程B1-干燥器;B2-閃蒸罐;B3-裂解器;B4-反應(yīng)器;B5- -分離器;1-媒;2- -氮?dú)?3→混合物:4- -廢氣;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無法有效煤氣;9一固體渣;10-氧氣;11- -水蒸氣;12-裂解熱;13- -熱損失估計(jì)λ值(拉格朗日乘子)的大概范圍或近似值,因用Rstoie絕熱反應(yīng)器,在模塊內(nèi)部利用程序語句計(jì)為牛頓-拉裴森方法對于迭代初值要求很高,要求給出的初值比較接近真實(shí)值,這在很多情況下無法算入爐煤的含水量。做到,不確定整個(gè)方程組的迭代初值,為求解非線1.2 煤裂解單元煤裂解單元是一個(gè)僅計(jì)算收率的簡單反應(yīng)器,性方程組造成很大障礙,迭代次數(shù)多,收斂慢,使得其主要功能是將粉煤分解轉(zhuǎn)化成簡單組分和灰,未誤差增大?；谝陨蠁栴},在設(shè)計(jì)計(jì)算程序時(shí),首轉(zhuǎn)化碳?xì)w人灰組分,并假定該灰的組分性質(zhì)穩(wěn)定，先引入遺傳算法得出最佳迭代初值,進(jìn)而引入阻不參與反應(yīng)。同時(shí)將裂解熱傳遞給Gibbs反應(yīng)器單尼因子的麥夸特方法進(jìn)行數(shù)值求解。元。通過輸人程序語句實(shí)現(xiàn)裂解組分H20、N2、02、2 模型驗(yàn)證S.H2、C(固體)、灰的收率。此單元本身遵循質(zhì)量守氣化用煤的元素分析和工業(yè)分析見表1,氣化恒,只需考慮穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)能量守恒。因氣化過爐的進(jìn)口參數(shù)見文獻(xiàn)[8] ,模擬值、與試驗(yàn)值[8]的比程是化學(xué)反應(yīng),氣體和固體的焓均采用生成焓計(jì)較見表2。從表中可以看出2種模擬方法的結(jié)果與算,即輸入系統(tǒng)的焓與輸出系統(tǒng)的焓相等,由蓋斯試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說明該模型能夠較為準(zhǔn)確的模定律可得具體表達(dá)式如下:擬氣流床氣化爐的性能。EmNf.om+ EmI GrdT=表1煤樣的工業(yè)分 析和元素分析%工業(yè)分析元素分析Gr,rJdT+Qr (1).A.VFC.CauHurNurSu0u煤的生成焓可采用如下表達(dá)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氣化模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較+ 92.84Sar + 158. 67M_)(2)氣體產(chǎn)率其中:Qp為粉煤裂解熱,HHV代表煤收到基高項(xiàng)目COHCO2CH。H2SN2H2O位發(fā)熱量。模擬值62.72 30.27 1.39 0.04 1.12 2.71 1. 56實(shí)驗(yàn)值62.48 30.55 1.75 0.03 1.17 2.96 0.281.3 Gibbs反應(yīng)器單元該單元是一-個(gè)基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器。煤氣化系統(tǒng)包含的組分為:H20、N2.02 .S、3模擬分析H2、C(固體)、CO、CO2、H2S、COS、CH、NH,、HCN。3.1 流量配比對氣化性能的影響分析由于氣流床粉煤氣化本身溫度高達(dá)1300 C以上,反在煤氣化過程中,氧煤比是控制氣化爐氣化過應(yīng)在瞬間完成，可認(rèn)為體系達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡,通，程反應(yīng)操作的主要條件之- - ,耗氧量是煤氣化過程過建立- -組非線性方程(4]確定煤氣中各組分的中的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通常氧煤比中氧的理論用量含量。應(yīng)該是氧原子數(shù)與煤中的碳原子數(shù)相等,使煤中的1.4 計(jì)算過程碳全部轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹庵械腃O ,若氧的用量超過這一-比遺傳算法(GA)是- -種基于生物自然選擇與遺直,中國煤化工CO2。實(shí)際氣化傳機(jī)理的隨機(jī)搜索算法,與傳統(tǒng)搜索算法不同,它.中,1帶人的氧。氧煤從一組隨機(jī)產(chǎn)生的稱為“種群( Population)"的初始比對:YHCNMHGA,-方面,氧煤比解開始搜索過程。GA以一種群體中的所有個(gè)體為增加使燃燒反應(yīng)放出的熱量增加,從而提高了反應(yīng)對象,并利用隨機(jī)化技術(shù)指導(dǎo)對一個(gè)被編碼的參數(shù)溫度,有利于CO2的還原和水蒸氣分解反應(yīng)的進(jìn)行，10《潔凈煤技術(shù)>2010年第16卷第3期轉(zhuǎn)化利用全國中文核心期刊礦業(yè)類核心期刊(CA-CD 規(guī)范)執(zhí)行優(yōu)秀期刊-從而增加煤氣中的有效成分,提高碳的轉(zhuǎn)化率;另-方面,燃燒反應(yīng)又直接生成CO2和水蒸氣,增加了煤氣中的無用成分。因此其他條件- -定時(shí),必有134個(gè)最適宜的氧煤比，以得到較好的氣化結(jié)果。當(dāng)氧煤比一定時(shí),蒸氣煤比太小使氣化溫度過高,所需設(shè)備材料要求相應(yīng)提高,成本增加;蒸氣煤比太.大使系統(tǒng)氣化溫度太低,不利于CO2的還原和水至2蒸氣的分解反應(yīng),使得煤氣品質(zhì)下降,碳轉(zhuǎn)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流量配比對出口 H2摩爾分率的影響碳轉(zhuǎn)化率。水蒸氣含量的增加，促進(jìn)了半焦與水蒸氣反應(yīng)的速度,從而提高了碳轉(zhuǎn)化率。因此,相對提高蒸汽煤比可以降低煤氣化過程的氧耗量。從861圖中亦可看出氧煤比對碳轉(zhuǎn)化率的影響遠(yuǎn)大于蒸0.1汽煤比。這主要是受爐內(nèi)溫度所控制,由表3的分0.75一 0.80 .析可知,加入相同的氧氣及蒸汽,溫度的變化對于汽煤比(kg.kg"0.150.160.65“氧煤比(kg.kg')一.70氧氣的加人更為顯著。圈3流量配比對出口co摩爾分率的影響煤氣中CO的變化趨勢如圖3所示，在氧碳比達(dá)到理論值前,煤氣中Co呈上升趨勢,氧碳比超過哥2.5-理論值后,煤氣中的CO將轉(zhuǎn)變成CO2 ,此時(shí)煤氣中客窘2.0f的CO含量呈下降趨勢。同時(shí)可看到,隨著蒸汽煤81.5比的增加,煤氣中CO含量呈下降趨勢。這主要是在氣化過程中蒸汽分壓的增大，降低了爐內(nèi)的溫810 80度,致使氣化反應(yīng)速率減慢,從而使CO的含量降低。如圖4所示,在低氧煤比狀態(tài)下,隨著氧煤比的汽煤比(kg.kg )0.110.85 氧煤比/(kg.kg)增加,半焦及氣相燃燒反應(yīng)加劇,使?fàn)t內(nèi)溫度迅速升高,C +H20一=C0+H2反應(yīng)加快,H2的含量增圈5流量配比對出口CO2摩爾分率的影響加。當(dāng)氧煤比達(dá)到某一定值時(shí),H2分壓達(dá)到極值,而后會使其與O2的反應(yīng)占優(yōu)。另外可看到，105在氧煤比一-定時(shí),蒸汽煤比增加,煤氣中H2的含量略有增加。主要是反應(yīng)中溫度的下降對半焦; 95氣化反應(yīng)的影響較水煤氣變換反應(yīng)更為顯著t 90所致。858如圖5所示,隨著蒸汽煤比的增加,煤氣中CO2的含量增加,水煤氣變換反應(yīng)占優(yōu),在蒸汽煤比一20.90定的條件下,CO2的含量隨著氧煤比的增加而增加，中國煤化工。50.800.85說明燃燒反應(yīng)起主導(dǎo)作用。如圖6所示,氧氣含量.MYHC N M H G氧煤比Ng.kg)的增加加快了半焦燃燒以及氣化反應(yīng)的速度,提高圖6流量配比對碳轉(zhuǎn)化率 的影響了系統(tǒng)爐內(nèi)反應(yīng)的溫度,反應(yīng)加劇,相應(yīng)地提高了氣流床粉煤氣化性能樸擬分析4“轉(zhuǎn)化利用表3流量配比對氣化爐溫 度的影響高。當(dāng)氧煤比達(dá)到一定值后,冷煤氣效率達(dá)到最大氧煤比(kg.kg-) 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85值83.56%,有效氣產(chǎn)率達(dá)到最大值1. 74 m/kg。氣化爐溫度/C 1458.2 1501.0 1542.5 1584.3 1626.0 166.6 4而后過量的氧氣促使半焦燃燒反應(yīng)的速度增加,造成煤氣中的無效成分CO2和H20含量提高,冷煤氣汽煤比/(kg.kg-") 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16效率及有效氣產(chǎn)率隨之下降。在低氧煤比的條件氣化爐溫度/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氣效率及有效氣由表3可知,煤氣溫度隨著氧煤比的增加而增產(chǎn)率,在高氧煤比的條件下對二者則影響不大,這大,隨著蒸汽煤比的增加而降低。主要是由于氧煤主要是受碳轉(zhuǎn)化率所控制。比的提高促進(jìn)了半焦的燃燒和氣化反應(yīng),隨反應(yīng)的4結(jié)論不斷進(jìn)行,放出的熱量逐漸增多,因此煤氣的溫度.(1)基于Aspen plus工作平臺對粉煤氣化過程呈上升趨勢。當(dāng)蒸汽煤比增加時(shí),半焦與蒸汽反進(jìn)行了分析,采用最小C值法建立了氣化爐的數(shù)學(xué)應(yīng)會吸收大量的熱,使氣化爐內(nèi)的溫度下降。氧模型。對粉煤氣化爐的模擬結(jié)果表明，模擬值和試煤比每升高0.1 kg/kg 時(shí),爐內(nèi)溫度升高約驗(yàn)值基本吻合,說明該模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬氣40C;蒸汽煤比升高0.1kg/kg時(shí),爐內(nèi)溫度下流床氣化爐的性能。降約8 C。(2)研究了工藝條件對粉煤氣化爐氣化結(jié)果的影響,認(rèn)為對于給定氣化爐,存在最佳氧煤比，使氣化過程煤氣組分達(dá)到最優(yōu),并對于模擬煤種給出了最佳氧煤質(zhì)量比的范圍。在氣化劑中加.人適量的水蒸氣能增加煤氣中H2的體積分?jǐn)?shù),控夢80制爐溫不致過高,同時(shí)還能降低氧耗量(因H20登78中含有氧) ;但水蒸氣過多將使?fàn)t溫降低,影響氣化過程。.0.1李0.700.650.1010.800.75參考文獻(xiàn):汽煤比/(kg.kg")“ 0.160.85 氧煤比/(g.kg")[1] 邱立新,雷仲敏,周田君.潔凈煤技術(shù)的評價(jià)方法研究[J].潔凈煤技術(shù)2006,11(1);:5-8.圖7流t配比對冷煤氣效率的影響[2] Kovacik G, Ogutorei M, Chambers A, et al. 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Fuel,1995,74(1):42《潔凈煤技術(shù))2010年第16卷第3期轉(zhuǎn)化利用全國中文核心期刊礦業(yè)類核心期刊《CAJ-CD 規(guī)范)執(zhí)行優(yōu)秀期刊-1452 -1460.modeling of gasification: A free energy minimization a-[8]許世森,張東亮 ,任永強(qiáng).大規(guī)模煤氣化技術(shù)[M].北proach and its application to a circulating fluidized bed京:化學(xué)工業(yè)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圖書訂購書名定價(jià)(元)另外在匯款時(shí),需付書款20%的郵費(fèi)。動力配煤32. 00訂購方法:郵局匯款按編輯部地址匯款即可;動力煤利用技術(shù)44. 00銀行信匯方式如下:煤礦環(huán)境監(jiān)測56. 00單位名稱:煤炭科學(xué)研究總院煤礦固體廢物治理與利用31. 00銀行帳號:200004209089115910煤礦礦井水及廢水處理利用技術(shù)38. 00.開戶行:工行和平里支行營業(yè)室潔凈煤技術(shù)與礦區(qū)大氣污染防治39. 00開戶地:北京市朝陽區(qū)煤質(zhì)管理與經(jīng)營40. 00.編輯部地址:北京市和平里煤科院內(nèi)《潔凈煤技術(shù)》煤炭化驗(yàn)結(jié)果的審核與計(jì)算38. 00編輯部中國動力煤資源及利用35. 00中國無煙煤利用技術(shù)聯(lián)系人:宮在芹中國煉焦煤的資源與利用48. 00郵政編碼:100013電話: (010)84262927中國煤的的潔凈利用58. 00.中國煤化工礦井惰性氣體防滅火技術(shù)“THCNMHG氣流床粉煤氣化性能模擬分析43萬萬數(shù)據(jù)“