固定床煤气化过程的数学模型与模拟计算

2005/10/18 10:05:18

摘要　根据煤与氧气、二氧化碳和水蒸汽反应的动力学数据,在传质和气-固相传热的基础上,建立了固定床煤气化过程的数学模型；探讨模型的简化和有关参数的确定，并对常用炉型进行了计算机模拟计算与分析。
关键词　煤转化　固定床煤气化　数学模型　模拟计算
中图分类号　TU996　TQ541　TQ018

MATHEMATICAL MODEL AND SIMULATE CALCULATION FOR
FIXED-BED COAL GASIFICATION

Xiang Youqian
(North China Municipal Engineering Design & Reseach Institute,Tianjin 300074, China)
Zhang Liping
(Wuhan Qianneng Gas & Heat Company LTD. Wuhan 430056, China)

ABSTRACT　According to the reaction kinetics parameter of the gasification material with O₂, CO₂, H₂O, and based on the heat transfer, mass transfer, gas-solid phases heat transfer, steady state or no steady state mathmatical models have been set up. For pressure gasifier, watergas gerarator has been calculated and analysed.
KEY WORDS　coal conversion, fixed-bed coal gasification, mathematical model, simulate calculation

1引言
　　我国煤炭气化工艺中，使用最多的是固定床气化工艺,如鲁奇加压气化炉、常压发生炉、发生炉型两段炉、水煤气炉、水煤气型两段炉等。这些气化工艺已很成熟,设计也比较完善，但操作技术还有待继续提高。过去操作条件的选择，尤其是优化操作条件的确定多凭经验判断，煤种及条件变化时，要用试验的方法进行较长时间摸索,才能确定。试验法无凝是最现实和可靠的方法，它是利用实际生产装置，改变操作条件,测定其热效率，以此来确定优化的操作条件。此法比较直观，但试验次数多，人力物力消耗大，测量仪表要求较高,有时还要影响生产。如果能从气化过程机理出发，根据"三传一反"的原理建立数学模型，在计算机上进行模拟计算，再根据计算结果寻找优化的操作条件。这样,所需数据多数可从反应器外得到，模拟计算方便，人力、物力消耗少。本文主要介绍计算机模拟所需数学模型的建立、数值解法以及典型过程模拟计算的结果。
2　数学模型及数值解法
2.1　非稳态模型
　　为了使模型的计算简便,失真又不严重,建模过程特做如下基本假设:
　　(1) 气化炉内气体及固体呈活塞运动，无径向参数差别；
　　(2) 气体的轴向扩散忽略不计；
　　(3) 反应器内压力视为常数；
　　(4) 气化段内只进行气化和燃烧过程。
　　根据守恒定律：
　　净流入速率＋净发生速率＝累积速率
　　今取气化炉内高度上x与dx之间的微元体对i组分进行物料平衡得出:
　　 g8-1.gif (1285 bytes)

　　分别对固相和气相进行能量衡算则得到：
　　 g8-2.gif (2774 bytes)

(3)

　　式(1)～(3)构成的偏微分方程组为非稳态煤气化过程数学模型,水煤气炉、水煤气两段炉、两段式地下气化过程以及稳态煤气化过程的开停车过程就属于此类模型。
2.2　稳态煤气化过程模型
　　由于稳态煤气化过程参数不随时间而变化,上述方程中的对时间的偏导数可取消,则上述方程变为常微分方程组:

　 g9-1.gif (4521 bytes)

　2.3　数学模型参数的确定
　　煤气化炉主要由气化与燃烧反应段组成，主要反应为碳的燃烧、碳与水蒸气和碳与二氧化碳的反应。固体燃料为一多孔介质物料，其反应主要在孔内表面进行，因此整个反应可设想由下述步骤组成：
　　(1) 气体反应剂从主流经气膜扩散到固体外表面；
　　(2) 气体反应剂经孔扩散到固体内表面；
　　(3) 气体反应剂与固体在孔内表面进行反应；
　　(4) 气体产物由孔内扩散到固体外表面；
　　(5) 气体产物由固体外表面扩散到气相主流。
　　上述各步的速度往往差别很大，总速度取决于速度最慢的阶段，即所谓“控制阶段”。如果对（1）～（3）步进行考察，在一级反应时，总反应速度r可用下式表示：
　　　

　　下面分别讨论本征反应速度常数 K_r、孔效率η和气膜传质系数K_g的确定。
　　(1) 本征反应速度常数K_r的确定
　　当物料颗粒直径小时，颗粒的比表面积大，温度低时，反应速度低，这时扩散速度大于反应速度，内表面的反应速度基本上代表整个反应的速度，这时反应速度常数为本征反应速度常数。在动力学参数测定时,物料的重量易于测定,因此常以重量为基准的反应速度常数K_m表示，K_r=γ^.K_m。
　　（2）孔效率η的计算
　　孔效率η表示孔扩散对反应速度的影响程度，它可通过x和x+dx之间微元体内的反应速度与扩散速度的平衡，建立微分方程求解得出。
　　对于圆柱形孔：
式中：梯勤模数
　　对于锥形孔：
式中: 梯勒模数
　　（3） K_g的计算
　　K_g可用下式计算： K_g=Sh^.De^. F/D_K
　　对于球形颗粒： Sh=2.0+0.6 Re^0.6 Sc^0.33
　　对于填充床:Sh=2+1.1Re^0.6 Sc^0.33
　　对于燃烧反应，温度一旦超过燃点温度，反应速度就会很快，以至扩散成为阻力，因此 K_effK_g。燃点温度采用前述测得数据^{［1］［6］}。
　　气化炉内温度高，传热过程非常复杂，既有辐射传热，又有对流传热；既有固体内部的导热，又有气固之间的传热。由于气固之间传热系数的大小对整个气化炉的热平衡影响不大，主要影响气体和固体之间的温度差别。因此，气体与固体之间的传热系数采用下式计算即可。
　　α＝Nu^.λ/D_k
式中： Nu=2.0+1.8Re^0.5. Pr^0.33
3　气化过程的模拟计算
　　煤的气化工艺很多,下面就几种典型气化过程进行模拟计算。
3.1　水煤气型两段炉的模拟计算
　　水煤气型两段炉与水煤气炉差别不大,均属循环制气过程。数学模型能否反映实际的生产装置，须与实际生产数据进行比较。对于稳态数学模型可用正常操作数据来比较。对于非稳态数学模型就比较困难，由于实际生产过程的动态数据很难测定，炉出口的气体浓度只能测得某一阶段的平均值。对于水煤气炉来讲，最重要的参数之一是生成煤气的组成，因此，我们在操作条件相同的状况下以各阶段的煤气组成作为主要参数进行比较。
　　表1为水煤气型两段炉上吹阶段的实际生产数据与模拟计算数据的比较示例^［5］。通过比较，我们认为水煤气型两段炉的数学模型基本上能反映实际气化炉的状况。
3.2　发生炉型两段炉的模拟计算
　　发生炉型两段炉与发生炉的区别在于上面有干馏段，干馏产品的产率取自煤干馏分析数据。表2为发生炉型两段炉模拟计算与实测值的比较^［7］。

表1　水煤气型两段炉模拟计算数据

			O₂	CO		CO₂		H₂		CH₄		N₂
鼓风阶段	计算值		0.63	6.10		16.7						76.60
	实测值			7.54		14.72
上吹阶段	计算值	气化段		34.84		10.10		55.06
		干馏段		12.96		13.26		29.12		44.66
		混合		31.83		10.53		51.50		6.13
	实测值			31.11		7.66		46.94		5.80		8.29
上吹阶段循环时间(%)			1		6		11		20		30
最高反应温度(K)			1460		1446		1427		1407		1387
水蒸气分解率(%)			66.36		65.69		54.66		63.17		61.62

表2　发生炉型两段炉煤气组成的模拟值与实测值的比较

	上段		下段		煤气总管
	模拟值	实测值	模拟值	实测值	模拟值	实测值
CO(%)	25.7	25.0	28.8	25.4	27.4	25.4
CH₄(%)	8.0	7.7	1.8	2.0	4.5	3.5
CO₂(%)	5.6	4.0	6.2	6.0	5.9	4.7
H₂(%)	15.4	13.1	8.6	10.9	49.9	52.0
N₂(%)	44.5	49.2	54.3	55.1	49.9	52.0
O₂(%)	0.2	0.5	0.3	0.4	0.3	0.4
H₂S(%)	0.3		0.0		0.2
C_nH_m(%)	0.2	0.5	0.2	0.2	0.2	0.3
煤气热值(MJ/)	8.07	7.62	5.22	5.22	6.66	6.30

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图1　典型原料在鲁奇炉内气化时的温度分布

3.3　鲁奇炉的模拟计算
　　鲁奇炉是加压固定床(也称移动床)最成熟的炉型。其优点是：能用劣质煤；气化强度高；能耗低；生成煤气压力高，便于后处理和远距离输送。
　　图1为三种典型原料（活性炭、焦炭、石墨)在典型操作条件(粒径0.02 m、压力2.5 MPa、气化强度800 kg/(m^2.h)、汽氧比6.0)下计算的炉内温度分布^{［1］［2］［3］}。
4　结　语
　　(1) 煤与氧气、二氧化碳和水蒸汽反应的动力学数据,用于固定床气化过程数学模型的计算，基本可行；
　　(2) 开发的数学模型已用于多种固定床炉，与实测数据比较符合；
　　(3) 固定床气化过程的数学模拟可以预测气化过程不同条件下各种参数的变化规律，对于指导实际生产、科研设计以及培训人员均有意义；
　　(4) 固定床气化过程数学模拟计算，可用于过程优化条件的确定比试验法安全、省时、省料，具有广阔应用的前景。

符号说明

　　C—组分的浓度,kmol/m³；
　　Cp—比热,kJ/(kmol^.K);
　　De—扩散系数,m²/h;
　　d_K—颗粒直径,m;
　　F—比表面积,m²/m³;
　　G—吉布斯自由能,kJ/kmol;
　　H—反应热,kJ/kmol；
　　K—反应热分配系数;
　　K_eff—有效反应速度常数,1/h；
　　K_g—气膜传质速率常数,1/h；
　　K_m—体积为基准的反应速度常数,m³/(kg^.h);
　　K_r—有效反应速度常数,1/h；
　　n—反应级数;
　　Nu、Pr、Re、Sc、Sh—特征数；
　　R—气体常数,kJ/(kmol^.K);
　　T—温度,℃或K;
　　U—速度，m/h;
　　α—传热系数,kJ/(m^2.h^.K);
　　γ—堆密度,kg/m³；
　　η—孔效率；
　　λ—导热系数,kJ/(m^.h^.K)；
　　ν_ij—化学计量系数；
　　Φ—梯勤模数。

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