流化床水煤气炉生产过程的模拟与分析.pdf

第2 1 卷 第6 期 煤气与热力 4 8 7 文章编号 ： 1 0 0 04 4 1 6 ( 2 0 0 1 ) 0 6 0 4 8 70 5 流化床水煤气 炉生产过程 的模拟与分析 胡茂杰 项平 李江 项友谦 ( 1 天津市燃气集团有限公司， 天津 3 1 3 0 0 6 0 ； 2 中国市政工程华北设计研究院 天津 3 0 0 0 7 4 3 哈尔滨市燃气化工总公司， 黑龙江 哈尔滨 1 5 ( 1 0 7 6 ) 摘要： 在三传一反的基础上 ， 建立了流化床水煤 气炉生产过程的数学模型； 探讨 了模型经 简化后的数值解法， 并进行了模拟计算与分析。在此基础上 ， 得 出了流化床水煤气炉生产 过程的基本规律和优化操作条件。 关键词： 煤转化 ； 流化床水煤气炉 ； 数学模型； 过程优化 中图分类号 ： T U 9 9 6 ； T Q 5 4 文献标识码 ： A l 引 言 我国固定床水煤 气炉最多 ， 其特点是采用蓄热 式供热方式 空气与水蒸气交替送进炉内， 水蒸气利 用碳燃烧所蓄热量进行反应 ， 产生水煤气， 因此不用 纯氧即可生产 中热值煤气。流化床气化的主要优点 是用粉煤为原料， 制气成本大幅度降低， 我国对流化 床煤炭气化进行 了大量研究1 一 9 1 。而流化床水煤气 炉则是上述两种工艺的组合 能用空气和粉煤生产 出中热值煤气。国内开发的 O 1 6 m流化床水煤气 炉已运行近三年， 0 2 5 m流化床水煤气炉也已投人 生产 m- - 为了进 一步完善该技术， 需要掌握气 化炉操作因素之 间的规律 ， 以便获得优化的操作条 件。在实际生产装置上进行试验摸索固然可靠， 但 要花费相当的人力、 物力与时间。国内外趋 向采用 数学模拟的方法来摸索操作规律 ， 不但能节约资金 而且安全可靠 、 规律性强。用机理模型模拟的方法 是从气化过程机理出发 ， 根据” 三传一反” 的原理建 立数学模型 ， 在计算机上进行数值解 ， 再根据数值解 的结果寻找操作 的规律或优化的操作条件l t 3 。 用这种方法 ， 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。本文主要介绍流化床 水煤气炉模拟计算所需数学模型的建立、 数值解法 以及模拟计算 的结果。 2 工艺流程与操作参数 流化床水 煤气炉制气工 艺流程见文献 0 1 6 m和 2 5 m炉主要操作参数见表 1 。 表 1 流化床水煤气炉技术指标与主要工艺参数 0 l 6 m炉操作结果0 2 5 i n 炉预测值 炉膛直径 m l 6 2 5 炉膛横截 面 m 2 2 0 5 0 煤t l ( k g h ) l 0 0 0一l 2 4 0 0 05 0 0 0 原料煤粒度 脚u 0l 0 0l 3 空气流量 ( h ) 4 2 1 1 0 4 5 O O 1 8 0 0 02 1 0 0 0 胁 2 0 3 0 蒸汽流量 ( k h ) l 5 0 0 2 5 【 I ) 5 0 0 07 0 0 0 蒸汽压力 _P a 0 4 0 l 一0 4 气化教率 5 0 5 5 煤气产率 ( ) l 0 1 2 l 5 2 O 煤气产量 ( h ) l 0 0 0l 5 0 0 0 7 0 0 0 煤 6 1 l 4 4 7 C O l 5 3 2 7 l 气 组 C 0 2 l 0 6 9 2 5 8 l 7 7 成 c n 4 6 8 l 0 0 2 0 3 0 2 煤气热值 ( ) 9 4l 2 6 8 6 葳渣古碳 量 2 0 0 l O 0 3 数学模型的建立 收稿 日期 ： 2 0 C 01 1 2 0 作者简介 ： 胡茂杰( 1 9 舄一) 、 男， 河北藁城人， 高级工程师、 硕士， 主要从事煤气生产过程的管理与研究工作 维普资讯 http:/ 胡茂杰等 流化床水煤气炉生产过程的模拟 与分析 3 1 基本反应 煤的气化过程是强烈的吸热过程 ， 供热方式有 自热式 、 蓄热式 、 外热式等 流化床水煤气炉为蓄热 式过程。煤气化过程 的气化剂有空气 、 纯氧 、 水蒸 气 、 氢气 、 二氧化碳等， 其中空气 、 纯氧和水蒸气是最 常用的气化剂。气化过程的主要反应如下： C+0 5 0 2 -C O A H = 一1 2 3 1 k J mo l C+0 2 C 0 2 H = 一4 0 6 3 k J m o l H +0 5 o 2 H2 O A H = 一2 4 1 2 k 1 too l C+H ， 0 H， +C O A H = +1 1 8 7 k J mo l C+2 H 2 O - 2 H 2 +c o 2 H = +8 9 8 k J m o l C O+ OC +H2 H = 一4 1 2 k J too l C+C O2 -2 C O H = +l 5 9 9 k J too l C+2 F I 2 一C H = 一8 6 3 I d mo l C O+3 H2 -C +H2 O H = 一2 0 5 0 k J to o l 3 2 假设条件 为 _r 建立数学模型， 需作如下假设 ： ( 1 )假定在模拟计算的一个周期内无固相物料 的进 出 ： ( 2 )假定炉内混合均匀， 温度 、 浓度等参数可用 集中参数描述 ； ( 3 )流化床内浓相段的高度一定 ； ( 4 )假定燃烧过程为外扩散控制 ， 空气在炉 内 基 本耗尽 。 3 3 物料衡算 根据物料平衡 ： 流进量 一流 出量 +反应产生量 = 炉内累计量， 得 ： 堕 ： V o C 一 C +O ij Rd ( t ij 一 。 一 。 。 式 中： 反应反应 速度 ， k mo l ( h m ) ； 一 反 应体积 ， m 3 ；C f 组分出 1：3 浓度 ， k m d m 3 ；C 0 组分进口浓度 ， k m o l m 3 ； _ 反应速度 ， k to o l ( - h ) ：卜一气体出口流量， m 3 h ；v o 一 气体人口流量 ， m h ； 一 i 组分 反应化学计量系数。 3 4 能量衡算 根据能量衡算的原理 ， 得： d T ： - 一( c n 一C i VC C V ) 出 一一 - I - R 。 。 一 + ( ) 式 中： 、 T 进 出 口温度， ： 一 反应热 ， k J k m o l ；C 一 比热容 ， k 1 ( k m o l - K ) 2 ( 3 0 1年 1 2月 对气 、 固相组分和温度建立的一组常微分方程 组 ， 即口 J 对流化床水煤气炉进行数学描述。 3 5 热力学平衡模型 对于流化床煤气化反应器 ， 由于其中的参数变 化不大， 可 视为达到平 衡， 可 以用平衡模型来描 述 2 l 4 在一个反应达到平衡 时， 要满足下述化 学热力学平衡 的条件 ， 还要满足物料 平衡 ( 元素平 衡) 和能量平衡的条件。假定煤由 c 、 H、 0、 N 、 S等元 素和灰分 、 水分组成 ， 如果要求计算量为生成气中的 c 0、 c o 2 c 、 H 、 n 2 o、 S 、 N 2 等的含量 ， 煤气总量以 及耗氧量等九个未知数 ， 必须建立有九元方程的方 程组 由 5种 元 素的 物料平 衡， 可建 立 ( )至 ( ) 五个方程。 由归一化条件可建立 ( ) 方程。 由能量平衡可建立 ( )方程。 由两个独立反应可 确定两个化学平衡方程式 ( ) 、 f 9 ( ) 。 这组非线 性方程组即为气化过程的热力学平衡模型。 4 主要参数的确定 4 1 反应动力学参数的确定 水煤气炉内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， 反应主要在孔 内表面进行 ， 整个反应由若干步组 成， 各步的速度差别很大， 总速度取决于速度最慢的 阶段， 即所谓“ 控制阶段” 。在一级反应时 ， 总反应速 度 可用下式表示 - J ： R =K C ( 3 ) ， 1 ， 、 】 _ _ T 7 J 式中： 反应速度常数， 1 h ；K 一 气膜传 质速 率常数 ， l h ； 广 本征反应速度常数 ， l h ； 一 孔 效率；C ， 一 组分的浓度 ， k m o l m 3 ；n 一 反应级数。 下面分别讨论本征反应速度常数 、 孔效率 和气膜传质系数 ， 的确定。 ( 1 )本征反应速度常数 K 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 ， 它可用前述方 法测定，由于煤的重量 比体积容易测定 ， 因此， 多用 维普资讯 http:/ 第2 1 卷 第6 期 煤气与热 重量为基准的反应速度常数 I ( | u 表示 ： K = K p ( 5 j 力 式中： K = h 0 e 一 ； p一煤的堆密度， k g m 。 不同原料 的动力学参数 h 、 E见表 2 表 2 不 同原料的动力学参数 晋城煤 唐山 L 煤 宋煤 焦作煤 半焦 焦崩 与】 t 0反应的频率因子 ( ( k g h ) 7 2 0 4 x 1 o 6 2 5 8 6 8 8 x 1 0 1 9 6 5 3 1 02 0 8 5 7 l 旷 1 5 1 2 1 2 J 7 4 9 8 1 与H 2 0反应的活化能 ( E l k r a a L ) j l 3 6 9 1 6 l 7 J 4 9 6 1 4 9 M 1 5 2 6 1 7 J 1 7 2 3 8 4 1 5 6 9 3 7 与c 。 2 反应的频率因子 ( k g h ) 】 1 I 0 9 8 x l C 0 4 9 8 5 l l 7 8 7 l 旷 1 0 0 5 】 l 0 9 3 6 】 i 0 2 2 8 x l C 0 与c 反应的活化能 ( k J k m o 1 ) l B l 5 0 3 1 4 0 3 8 2 I 3 5 6 7 2 1 3 2 5 5 0 l 1 2 8 4 5 6 l 1 2 2 2 7 7 ( 2 ) 孔效率 的计算 孔效率 口表示孔扩散对反应速度的影响程度 ， 可通过 和 + 之间微元体内的反应速度与扩散 速度的平衡， 建立微分方程后解之I 1 3 1 5 , 1 8 , 1 9 对于圆柱形孔： ：堕 r 式 中 ： 梯 勒 模 数 = 。 ( 3 ) K 的计算 K = S h D eF Dx 对于球形颗粒 ： S h：2 0+0 6 R e 。 S c 0 ( 4 )燃烧速度计算 对于燃烧反应， 旦超过燃点温度， 反应速度很 快 ， 扩散就成为阻力， 因此 K =K 燃点温度采 用前述测得数据 ， 进而可计算出 s 和 K 。 4 2 反应热力学参数的确定 流化床水煤气炉的操作过程分空气加热和水蒸 气气化两个阶段。燃烧阶段的反应可概括为 ： C+o 2 =2 ( x 一1 ) C O+( 2 一x ) c o 2 高温下， C O的生成 占优势， 接近 于 2 ； 低温下 c o 2 的生成 占优势， 接近 1 。C O C 的比例可用 下 计算 J ： C O = A e p ( 一E R T ) ( 6 ) 低压下 ， A=l O 2 ， E=2 53 8 k J to o l ； 高压下 ， A =l O 3 ，E = 5 0 8 o k J to o l 。 由上式 ， 进 而可得 ： = A e x p ( E R T ) 一 一 + 2 对于水蒸气气化过程 的反应 ， 设 c o c o ：=口 ， 则 得到 ： ( 1 +is ) c+( 2 p +1 j O：( 2 1s +1 j H 2 +C O+ 该反应的速度取决于反应动力学参数， 而有效 组分 H 2 、 C O的比例 由热力学平衡来决 定。影响热 力学平衡的因素主要是温度和上述两个反应活化能 的差。对于不同原料， 上述反应 的活化能也不