（矿物加工工程专业论文）煤地下气化的动态数值模拟.pdf

论文题目：煤地下气化的动态数值模拟 专业：矿物加工工程 硕士生：张乾坤 指导老i j i f i 李建伟 周安宁 摘要 ( 签名) ( 签名) ( 签名) 针对典型的地下气化工艺，分析了煤地下气化“三带”发生的主要物化过程，得出煤 地下气化过程中主要发生的氧化还原反应以及其动力学表征。 针对- d , 型煤地下气化炉实物进行合理的假设简化，就炉体微控制单元进行物料衡 算与能量衡算得到炉体内部的温度场以及浓度场控制微分方程，并给出其边界、初始条 件，进而建立起煤地下气化过程的数学模型。 运用不同的有限差分格式对数学模型进行求解，通过理论分析以及实际求解过程得 出适合于该模拟的差分格式算法校正预估差分格式算法，并对该算法的稳定性以及收 敛性进行判定。 运用该模型对地下气化过程进行模拟，并与试验值相对照，看到该模型能够反映出 气化炉体内的浓度场以及温度场的变化规律，可用于现场计算，指导实验与生产。模拟 与试验均表明随着气化通道长度的增加，煤气热值增加，温度升高，上升速率增大。 因此，保证一个高温温度场和相对较长的气化通道有利于煤气热值的稳定和提高。 关键词：煤地下气化；动态；数值模拟 研究类型：应用研究 墨巧 s u b j e c t：d y n a m i cs i m u l a t i o no fu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n s p e c i a l t y ：m i n e r a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gq i a n k u n i n s t r u c t o r ：j i a n - w e il i a n n i n gz h o u a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 叠乒趔矗l ( s i g n a t u r e ) i h em a i nc h e m i c a lr e a c t i o n sw i t ht h e i rk i n e t i c sm o d e l sa n dp h y s i c a lt m n s f o r m a t i o n s h a p p e n e di nu c g ( u n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n ) p r o c e s s e sa r eg o tb a s eo nt h es t u d yo f t y p i c a lu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o nt e c h n i q u e a st oan l i i l i t y p eu n d e r g r o u n dc o a l g a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t ，p r o p e ra s s u m p t i o n s a r eg i v e n ac o u p l e df i e l d sm a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h ee x p e r i m e n ti sc r e a t e d 、析t 1 1i t sc o n t r o lp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n ds i d ec o n d i t i o n s b a s e0 1 1t h es t u d yo fm a t e r i a lc o n s e r v a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i ss o l v e dw i t l ld i f f e r e n tf o r m a t so nt h eb a s eo ff i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d w i t hc o m p a r i s o no f d i f f e r e n tf o r m a t si ns o l v i n ga n dt h e o r ya n a l y s i s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ep r e - e s t i m a t er e v i s e d i f f e r e n tf o r m a ti se f f i c i e n ta n ds u i t a b l ef o rt h es o l u t i o no ft h i sm o d e l as i m u l a t i o ni s p r o c e s s e db a s e o nt h em i n i - t y p eu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n e x p e r i m e n ta n dt h ec a l c u l a t i o nv a l u ea n d t h ee x p e r i m e n tv a l u et a k eo nag o o dc o n f o r m i t y i t i si n d i c a t e dt h a tt h em o d e lc r e a t e dc o i ls i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d o fd i f f e r e n tm a t e r i a l si nt h eu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o no v e na n dt h em o d e lc o i lb eu s e dt o g u i d et h ee x p e r i m e n ta n di n d u s t r y b a s eo nb o t l lt h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t ，i ti s c o n c l u d e dt h a t 、析廿lt h em c r e a s eo ft h eg a s i f i c a t i o nc h a n n e l sl e n g t ht h et e m p e r a t u r eo ft h e o v e na n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec o m b u s t i b l ec o a lg a si n c r e a s e d ，ah i g h t e m p e r a t u r ef i e l d a n dl o n gg a s i f i c a t i o nc h a n n e li sm a k ef o rt h es t a b i l i z a t i o na n di n c r e a s i n go fc o a lg a s k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n d y n a m i c s i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i e ds t u d y 要料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名獭叶 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：劢q 纪砷 指导教师签名：誊盘和 j ， 跏矿年f 月幻日 1 绪论 1 绪论 煤地下气化( u n d c r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n ，简称u c g ) 就是将处于地下的煤炭进 行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃性气体的过程。该技术集建井、采煤、 气化三大工艺为一体，抛弃了庞大笨重的采煤设备和地面气化设备，变传统的物理采煤 为化学采煤。 i 1 国内外煤炭地下气化技术发展历史、现状以及趋势 煤炭地下气化的设想最早是由俄国化学家门捷列夫在1 9 世纪末提出的，直到2 0 世 纪3 0 年代俄罗斯才开始正规试验，并取得成功。其后，在英、美、法、日、波兰等国 均开展了此项工作，取得了各具特色的研究成果。从1 9 3 2 年到第二次世界大战初为地 下气化的初始阶段，二战中为停滞阶段，二战胜利后至8 0 年代为大发展阶段，8 0 年代 开始至今，逐渐进入徘徊削减阶段。在此期间，有些国家已停止了研究，如日本等国【l 】。 前苏联是世界上进行地下气化现场试验最早的国家，也是地下气化工业应用成功的 唯一国家。二十世纪三十年代前苏联建立了第一个试验气化站，并于1 9 3 5 年在莫斯科 近郊、顿巴斯和库兹巴斯等地建成了5 个试验区，1 9 3 6 年便由实验性阶段进人工业性试 验阶段，1 9 4 0 年在顿巴斯和莫斯科近郊2 个煤炭地下气化站投人生产，1 9 4 1 年莫斯科 近郊气化站从技术上第一次解决了无井式地下气化问题，并首次成为煤炭地下气化工业 企业。为探讨气化方法，到2 0 世纪6 0 年代未前苏联已建站1 2 座，所生产的煤气或用 于发电或作为工业燃料气。目前俄罗斯正在筹建8 1 0 座日产1 0 0 万i n 3 以上的气化站1 2 j 。 德国拥有大量的煤炭储量，但埋藏深，用现行的采煤方法无法开采。因此，德国特 别重视煤炭地下气化技术的研究，并成立了第二代采煤技术研究学会。1 9 7 9 年，德国与 比利时联合进行了一次试验，试验深度达8 6 0 m ，煤层厚6 m ，试验取得了良好成果。 英国、法国、捷克和西班牙等国也先后结合本国煤层赋存特点，对煤炭地下气化技 术进行了研究。1 9 8 8 年，6 个欧盟成员国组织了一个进行煤炭地下气化技术研究的工作 小组，并于1 9 9 1 年1 0 月至1 9 9 8 年1 2 月，连续7 年多在西班牙t e m l 地区的0 1 1 i e r e a r i n o 煤矿进行了一次野外试验，耗资1 2 0 0 万英镑，试验在中等深度( 5 0 0 7 0 0 m ) 的煤层中进 行。该试验成功地采用了钻孔后退式供风调控方案，气化总时间达3 0 1 h ，并解决了许多 技术性问题，证实了欧洲中等深度煤层地下气化技术实施的可行性。 第二次世界大战后，煤炭地下气化技术在美国引起了很大兴趣。1 9 4 6 年，美国首次 在亚拉巴马州的浅部煤层进行试验。美国在上世纪7 0 年代能源危机期间，组织了2 8 个 大学和科研机构，在俄怀明州进行了大规模、有计划的科研工作。美国劳伦斯利弗莫尔 国家实验室于1 9 7 6 年开始研究u c g ：在模拟研究和实验室研究的基础上，1 9 7 6 - - 1 9 7 9 西安科技大学硕士学位论文 年在怀俄明州吉利特附近进行了6 次现场试验，先后采用爆炸破碎、反向燃烧和定向钻 孔贯通技术，注入空气和氧气以及水蒸汽【3 】。这些试验的煤气热值均超过4 m j m 3 ，最高 达1 0 3 m j m 3 ，但爆炸破碎效果不佳，同时在实验中也都出现了冒顶、漏气和水流入等 问题。为解决这些问题，提高气化效率，该实验室研究开发出了受控注入点后退气化工 艺( c r i p ) 。1 9 8 7 年到1 9 8 8 年美国完成的洛基山1 号试验，在加大炉型、提高生产能力、 降低成本、提高煤气热值等方面的取得了一系列成果1 4 j 。 受控注入点后退气化工艺把定向钻进和反向燃烧结合在一起。定向钻孔先打垂直注 入孔和产气孔，到达煤层后，从注入孔沿煤层底板继续打水平孔，直到与产气孔底部相 交，然后在钻孔中下套管。因为水平注入孔位于煤层底部，气化过程在受控条件下由注 入点后退逐段进行。这一优点使它特别适用于深度较大和较厚的煤层。c r i p 工艺的另 一个突出优点是不仅产气量大，而且还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸出的煤气。但 比较复杂的点火操作是c r i p 工艺的一大缺点。c r i p 工艺在美国试验成功以后，国外所 有地下气化试验或可行性研究项目均采用了这种新工岩引。 5 0 年代末到6 0 年代初期是我国煤炭地下气化的初始阶段；6 0 年代初到8 0 年代末 为停滞阶段；8 0 年代末至今为第二次兴起阶段，在此期间，许多专家对煤炭地下气化进 行y i , j 造性的研究。至今我国已有了1 0 余座地下气化站，并进行了相关的工业性试验。 我国于5 0 年代曾在大同胡家湾矿、效河煤矿、鹤岗兴山矿等1 0 余处进行煤层地下 气化技术的试验。但在间断2 0 年左右之后，直至1 9 8 4 年，中国矿业大学才又重新开始 研究该技术，并于1 9 8 7 年在徐州马庄矿煤炭地下气化现场试验成功：1 9 9 4 年在徐州新 河二号井完成了半工业性试验；1 9 9 6 年在唐山刘庄煤矿完成了工业性试验，采用了有我 国有特色的长通道、大断面、两阶段煤炭地下气化新工艺，大大提高了煤气的热值。2 0 0 0 年，山东新汶、孙村煤矿应用了地下气化技术，其成果通过了省级鉴定。该项目在工艺 技术上取得了多项进展，实现了地下气化从试验到应用的新突破。至今新汶矿业集团公 司依旧是我国生产规模最大的地下气化企业。2 0 0 3 年重庆中梁山煤电气公司也开始着手 准备地下气化试点，目前前期准备工作已基本就绪，预计近期点火。山西、山东、吉林、 黑龙江、河南、甘肃等省有关矿务局和煤矿都筹备开发这项新技术1 6 j 。 1 9 8 5 年，中国矿业大学在徐州马庄矿遗弃煤柱中进行了现场试验，此后，中国矿业 大学研究并提出了适用于我国矿井煤炭资源地下气化的长通道、大断面、两阶段煤炭地 下气化新工艺，先后完成了徐州新河二号井煤炭地下气化半工业性试验和河北唐山刘庄 煤矿煤炭地下气化工业性试验。 长通道、大断面、两阶段煤炭地下气化新工艺是将无井式气化与有井式地下气化工 艺相结合，充分利用矿井现有技术和物质条件建设地下气化炉和地面气化站。气化炉主 要由进气孔、排气孔、辅助孔和气流通道、气化通道组成。该炉建设不需要特殊技术， 建炉大部分工作为煤巷掘进。气化通道为普通煤巷，其断面一般在4 m 2 以上。气化通道 2 1 绪论 断面加大后，供风阻力降低，电耗降低，单炉产气量增大，单位时间内燃烧煤量增多， 热稳定性较好；气化通道( 包括气流通道) 长度增加后，反应表面积增大，热解煤气产量 随之增大，煤气热值升高，单炉服务时间延长：因此长通道、大断面气化炉有利于气化 过程的稳定。气化工艺采用富氧一水蒸汽、空气连续气化或两阶段气化工艺。两阶段气 化工艺是一种循环供给空气( 或纯氧、富氧空气) 和水蒸汽的地下气化方法。第二阶段鼓 水蒸汽、生产热解煤气和水煤气。新工艺节省了大量资金、设备和人员的投入，使得经 济效益显著提高【7 j 。 1 2 煤炭地下气化技术技术难题与模拟现状 1 2 1 煤地下气化技术难题 对于煤炭地下气化技术的研究和实践虽然己进行了五六十年，积累了很丰富的经验， 但由于受经济、技术及社会环境等因素的影响，各国u c g 研究的方向与进展差异较大。 俄罗斯在方法、工艺及传统调控方面取得了较全面的成果：美国提倡“气化矿井”；加拿大 热衷于“煤地下干馏气化”；法国主张“深井( 1 2 0 0 m 以上) 开采，利用深钻孔气化；英国则 开创了“单孔气化”法。有些技术虽然已经到了能应用和规模化工业生产的水平，但与地面 煤气化炉气化相比，u c g 技术的研究与实践中仍然存在着一些普遍性的问题【8 】。 现存的主要问题有： ( 1 ) 气化规模小、产气量小、混合气体中的可燃成分含量低，由此导致煤气热值偏 低，难以进行商业开发。 ( 2 ) 可燃气体的浓度、组分及热值变动与地面气化炉气化相比差别较大，煤气产量、 煤气组分及热值( 三不稳) 难以实现长期稳定，这必然给煤气的有效利用带来不利影响， 难以保证发电或化工合成等生产对煤气的供给要求。 ( 3 ) 地下气化的影响因素比地面气化要复杂得多，目前还缺乏有效的检测和控制手 段。 ( 4 ) 地下气化的理论研究还不够系统、缺乏对环境污染物的检测和评价 9 1 。 影响连续稳定生产的因素很多。与地面气化炉气化相比，地下气化工作面是移动的， 管路和产气处理系统也是移动或半移动的，气化工作面反应状态不明，安全情况不清， 不利于监控，由此造成煤地下气化不能完成大规模的商业化生产i l o l 。因此当前u g c 技 术的关键是解决气化过程中的检测和调控问题，引入调控机制，保证气化过程稳定性大、 热值高、可控制性强，使其能够达到商业性开发的要求。在复杂煤层及其周围已有开采 的条件下，必需以复杂系统理论做指导，运用模拟试验、计算机模拟仿真、实地监测等 手段，综合集成多学科技术，提高热值，使产气稳定、可控。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 煤地下气化数值模拟现状 1 9 8 0 年m 鹊s a q u o i 和础g g s 建立了煤地下气化的一维数学模型，该模型考虑了湿煤 区以及干馏区，用于煤地下气化燃烧过程的预测。同年t s a l l g 建立的一维气化模型考虑 了多组分气体扩散，并用于对地下气化试验进行预测。2 0 0 4 年b e gp e r k j i l s 等建立的一 维模型中考虑了地下气化的全过程，气化区域分为气体缓冲区，燃烧区，干馏区，湿煤 区。b i e z e n 于2 0 0 0 年建立了地下气化的三维数学模型，该模型仅考虑了气化反应区域。 近年来，国内杨兰和建立了地下气化的三维模型，该模型考虑了温度场的三维分布， 假设气化反应仅发生在气化通道壁面，因而反应气体仅限制在气化通道内流动，呈一维 分布。2 0 0 3 年张彬建立了带调控机理的地下气化数学模型。该模型为二维模型，模型区 域根据温度不同人为划分为燃烧区与还原区，模型的特色是模型中加入了调控气孔，属 于带控制点的模拟，但该模型仍假设气化反应气体仅在通道内流动，没有考虑气化剂在 区域中的浓度分布对温度场的影响。 综上可以看出，近年来地下气化建模方面进展很大，模型向着机理性、动态、三维、 全过程以及带控制点的建模方向发展。然而模型中仍有些不足，一个是人为划分了气化 区域为多个割裂的区域，如燃烧区、还原区、干燥区等，但实际气化过程中气化区域是 相互重叠的，没有明显的界限，即燃烧区域内也有少量的还原反应发生。而通过对气化 中发生的物理以及化学变化过程的机理研究，可以将这些区域融为一体进行建模。比如 通过对气化过程的氧化反应以及还原反应速率进行表征，就可以将氧化区与还原区作为 一个整体进行考虑。另一个不足是模型仅考虑温度场对气化进程的影响，认为气化剂仅 在气化通道内流动，而没有考虑气化剂在整个气化区域内的流动分布对温度乃至气化进 程的影响，而实际的气化过程中浓度场与温度场是相互作用而耦合的。 1 3 本论文的研究理论与价值 煤炭地下气化技术相对于地面气化炉气化技术具有投资省、安全性好、效率高、成 本低、见效快、污染少等优点，被认为是回收深部煤层、急斜煤、常规方法不能开采的 薄煤层和废弃矿井丢弃煤炭资源的较为有效和环保的方法，因此世界各采煤国家都高度 重视煤炭地下气化技术的研究与应用【1 1 1 。此外，煤炭地下气化也为高硫煤的开采提供了 经济的技术的出路【1 2 1 。采用该技术可节省投资7 8 ，节约成本6 2 ，提高工效3 倍以上， 提高吨煤价值l o 倍以上。有关统计显示，以山西的无烟煤为燃料造气，煤气的成本高 达1 1 0 5 元m 3 ，而地下气化煤气生产成本仅为1 1 9 元m 3 。煤炭气化后灰碴留在原地，避 免造成废气、废水、废碴等污染，并可减少因煤炭采空造成的地面下沉。另外，此技术 可大大提高资源回收率，使得传统工艺难以开采的边角煤、深部煤、三下压煤和已经或 即将报废矿井遗留的保护性煤柱得到开烈1 3 , 1 4 j 。 4 1 绪论 u c g 技术将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，变物理采煤为化学采煤，抛弃 了全部庞大的、笨重的采煤设备与地面气化设备，减少了大量的井巷工作及施工设施建 设，同时又大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境污染和破坏，使得井工难以 开采的急倾斜煤层、薄煤层、深部煤层和“三下”压煤等得到了开采，大大提高了煤炭资 源的利用率。该技术深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法，是集地质科学、探 测技术、采煤技术、计算机模拟仿真技术、煤化学、能源技术、环境科学、资源经济与 管理科学于一身，多学科开发洁净煤的重要技术手段，具有显著的经济效益、环境效益 和社会效益的高新技术。煤炭地下气化将彻底解决传统煤炭开发造成的废气废水废渣污 染并使煤炭利用产业链的后续污染从源头上得到解决。同时，由于煤炭气化后废渣会留 在原地，也可大大减轻地面下沉的程度，辅以充填措施后，可保证地面建筑不受影响。 此外，煤炭地下气化技术也将使得难以开采或热值较低的劣质矿床得到开发，并带动相 应的煤化工产业发展，大大延长老旧煤矿的生产寿命。 早在1 9 7 9 年联合国“世界煤炭远景会议”上就明确指出“u c g ，是从根本上解决传统 煤炭开采和使用方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径”、“发展煤炭地下气化是 世界煤炭开采的研究方向”。1 9 9 1 年，国家科委制定的中国科技长期发展纲要白皮书中 也指出，“到2 0 2 0 年，战略目标和关键技术是完成u c g 实验和建成商业性煤炭地下气 化站”。之后，在国家的重点研究发展规划( 9 7 3 计划) 中又指出，“发展洁净煤技术将是 我国能源工业实现可持续发展的主要途径”。此外，国家自然科学基金委员会在提出的 自然科学发展战略调查报告中，介绍了国际9 0 年代兴起的非传统采矿方法( 溶侵法 采矿、煤炭地下气化、微生物富集采矿、海洋采矿等) ，其中，对煤炭地下气化的定论 是：该方法不但没有传统开采方法的恶劣环境，还可以利用劣质煤层和已开采过的残煤 进行直接气化，有很高的经济价值。 根据生产阶段及技术类型，煤炭地下气化相关技术可分为煤层勘探技术、煤炭地下 气化炉建炉技术、煤炭地下气化控制技术、气化煤气的处理技术l l 引。其中最关键的技术 有： ( 1 ) 地下气化过程稳定控制工艺技术：不同的燃空区状态及充填技术对气化过程带来 的不同影响；空气、水蒸汽和富氧水蒸汽气化工艺参数；以出口煤气的组分和产量为目 标函数，确定气化工艺的进口参数及其控制技术。 ( 2 ) 燃空区扩展规律及控制技术难点：燃空区位置及其几何尺寸；燃空区综合物探技 术；燃空区扩展及地表沉陷的计算模型；燃空区上覆岩层稳定性预测预报技术；外加煤 粉及燃空区充填控制技术。 ( 3 ) 计算机模拟及测控技术难点：检测器优化和改进技术；计算机数据传输及采集技 术；与数学模型相结合的计算机分析与预报系统；人机交互友好界面技术；气化工艺参 数自动控制技术i l 6 。 5 西安科技大学硕士学位论文 据上述可知，煤炭地下气化的计算机模拟可以为地下气化过程调控提供科学依据， 在使地下煤气生产更科学更可靠的同时，也为实现煤炭地下气化自动控制开辟了新的研 究途径。 1 4 本文预期达到的目标及基本内容 1 4 1 研究的预期目标 煤炭地下气化原理与煤炭地面气化原理是一致的，不同的是煤炭地面气化是在煤气 发生炉内进行的，而煤炭地下气化是在地下煤层中进行。由于受到冒项、地下水等因素 的影响，煤炭地下气化与后者相比更隐蔽、更复杂。煤炭地下气化中的燃料层不发生移 动，气化过程主要是在煤层的气化通道内进行的，各反应带随时间向前移动。煤炭的地 下气化过程，除受煤的性质制约以外，还受到其它诸多因素的影响，如矿山地质条件、 围岩的性质、地下水含量与分布等。目前，国内外对地下气化的研究重点已经从对简单 的对地下气化做理论解释转移n d , 型试验研究以及模拟研究当中。但是考虑到地下气化 过程的复杂性，同时受计算机性能的限制，目前多数模拟都进行了相当的简化【l m 1 1 。模 拟只考虑温度场的变化，而没有考虑气化反应的浓度场对温度场的作用：或者假设气化 反应始终处于稳态平衡，然而实际的气化过程随着气化剂浓度的减少，其反应速率趋于 缓慢，所消耗或者生成的热量也随之变化，最终会影响到气化盘区的温度分布；传统的 模拟是从经验上把气化过程分为氧化段、还原段与干馏干燥段三个阶段进行，然而在真 正的气化过程中这三个阶段相互交叉同时进行。所以要想详细地描述气化过程就必须考 虑到气化温度场与气化气体浓度场的交互作用，并将干燥、干馏、氧化、气化等物理化 学变化全过程融入到模型中。其反应的阶段不应经验地人为划分，而是应根据气化区的 反应温度以及压力变化客观把握其自动交叉同时进行的状况【2 2 , 2 3 】。 本文旨在建立一个能较好反映真实地下气化情况的数学模型，并找出其求解算法。 在现有的研究条件下，预达到的目标为： 通过对“三带”( 氧化带、还原带、干馏干燥带) 的理论分析，得出气化过程中发生的 主要的物理化学变化，并找出这些物理化学变化的动力学表征。结合地下气化工艺，针 对典型的气化工艺过程建立其数学模型。该模型考虑到气化组分浓度场与气化盘区温度 场的耦合，并科学地将传统的“三带”融入到气化模型当中。针对复杂的模型找到合适的 求解算法，并通过试验数据对该模型进行验证。 1 4 2 研究的基本内容 煤炭地下气化是复杂的跨学科的系统工程，要进行全面系统的研究，必然会受人力、 物力、试验室及现场条件的限制。论文结合煤炭地下气化目前的研究现状、存在的问题 6 1 绪论 及提出的研究目标完成的基本内容如下i ( 1 ) 熟悉煤炭地下气化工艺过程，查找并分析其存在的问题； ( 2 ) 研究气化过程中的化学平衡、能量平衡及物料平衡，探索气化过程中各组分 之间的相互关系及变化规律，为模型建立提供理论基础； ( 3 ) 对气化过程进行分析，找出影响气化过程的主要化学反应与物理变化，并表 征其动力学特征； ( 4 ) 针对一个小型地下气化试验实例建立其多场耦合数学模型； ( 5 ) 寻找一个合适的求解算法并求解该模型，用试验数据对所建模型进行评价。 1 5 本章小节 ( 1 ) 分析了国内外煤炭地下气化技术研究的现状及存在的问题：由于地下气化具 有隐蔽性，再加上对气化过程缺乏有效的控制，致使所产煤气热值低、气化过程不稳定， 难以形成规模化生产； ( 2 ) 论述了本论文的研究理论依据与价值。煤炭地下气化是涉及多门类、多学科 的综合性研究课题，有广泛的开发应用前景； ( 3 ) 本研究的重点是通过对地下气化过程分析，得出影响气化过程的主要物化变 化以及其动力学表征；同时通过对小型地下气化实例建立多场耦合的数学模型，设计合 理的求解算法，并以试验数据验证模型。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 煤炭地下气化过程的分析 地下气化与气化炉气化原理基本相同，地下气化可以看成是移动气化面的固定床气 化炉。由于其物化反应机理与地面气化基本相同，许多理论可从地面气化中得到借鉴。 2 1 气化炉气化原理 2 1 1 气化过程的机理 煤是由大分子固态物质组成的，所含主要元素为碳、氢、氧、氮、硫。煤质大分子 的基本结构单元由芳香部分、氢化芳香部分及其周围的官能团组成，它们之间以交联键 相互联结【2 4 j 。煤质中提取的腐植酸的大分子结构如图2 1 ： h o o h h 2 c o h 一早h c h o o h 2 c h ，cc h i h c c h i h c c h o - - c h 2 图2 1 煤解腐植酸大分子结构示意图 f i 9 2 1s k e t c hp i c t u r eo fm a c r om o l e c u l a ri nc o a l 如图2 2 ，煤炭气化的实质就是将煤由大分子固态物质转化为低分子的气态物质， 8 2 煤炭地下气化过程的分析 气化过程中煤质分子的变化可归纳为如下几个阶段： ( 1 ) 挥发份的热解：煤质大分子周围的官能团在高温条件下，以挥发份的形式脱 去，某些交联键断裂，氢化芳烃裂解并挥发析出，或转化成附加的芳香部分；之后，芳 香部分转化成小的碳微晶，碳微晶聚集形成煤焦。 ( 2 ) 气化反应：在脱挥发份的过程中，生成活性的不稳定的c ，它们与周围的气 化剂直接作用而气化，也可能失去活性而形成煤焦。析出的挥发份很活跃与气化剂中的 氧气、蒸汽等作用生成c o 、c h 4 、t - 1 2 及其它炭氢化合物等。 ( 3 ) 由碳微晶形成的煤焦，可以气化成煤气，也可以进一步缩聚形成焦炭。煤焦 的气化活性主要取决于原始煤料的种类和气化反应条件，如加热速度、最高温度、煤灰 的催化性质等。 图2 2 煤气化反应原理图 f i 9 2 2p r i n c i p l ep i c t u r eo fc o a lg a s i f i c a t i o n 2 1 2 气化过程参与的化学反应 煤气化反应通常在7 0 0 1 6 0 0 ( 2 ，压力由常压到6 8 a r m 条件下进行，通过一系列的平 行反应或串联反应煤炭转化为气体产品。就气化过程而言煤炭经历了干燥、干馏、气化 和燃烧几个过程。 ( 1 ) 干燥 原料煤进入气化炉后，首先受热，大约在2 0 0 左右煤孔中吸附态气体( 如c 0 2 等) 及水分首先被脱出。 原料煤一干燥煤+ h 2 0 ( g ) + 其他吸附气体 ( 2 ) 干馏 当原料煤经过干燥阶段，由于热交换进一步加剧，煤料温度达到3 0 0 ( 2 左右，煤料 开始热分解，逸出挥发物，这一阶段主要进行的是如表2 1 所示的煤的热解反应： 9 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 煤气化基本化学反应 t a b l e 2 1b a s i cc h e m i c a lr e a c t i o n si nc o a lg a s i f i c a t i o n ( 3 ) 气化反应 煤经干馏热解反应之后，形成半焦、挥发份、焦油等。这些热解产物可进一步与气 化剂h 2 0 、c 0 2 、h 2 等发生气化反应形成可燃性气体混合物，主要反应如表2 2 所示。 表2 表明气化阶段的反应，主要包括：碳与水蒸气的反应、碳和二氧化碳的反应、 甲烷生成反应、变换反应、燃烧反应。 ( 4 ) 燃烧 由于煤的气化反应大多数为吸热反应，因此常通过残焦与氧化剂进行燃烧放热为煤 气化炉提供热量，使煤气化炉内温度维持在气化反应能正常进行的温度范围。 表2 2 煤气化反应 t a b l e 2 2c h e m i c a lr e a c t i o n si nc o a lg a s i f i c a t i o np r o c e s s 煤地。焦( c ) + 挥发份( v m ) 1 c 十吗皇屿2 c o + h 2 v m + h 2 里屿c h 4 一a h 3 c + h 2 0 气化；c o + h 2 + h 4 c + h 2 j 型b c h 4 一a h 5 c o + h 2 0 逝乌c 0 2 + h 2 一h 6 c 鹄与c d 2 + a h 7 矿物质+ d ，坌! 堕墼屿灰分+ a h 8 c h 4 + h 2 0j 吗c o + 3 h 2 一h 9 1 0 2 煤炭地下气化过程的分析 2 1 3 煤气化炉反应机理与热力学 ( 1 ) 反应机理 表2 所列反应仅为煤气化反应的表观过程，其实每一个反应都有其复杂的机理，具 体如下： 气化反应： h 2 + ( o ) ；兰h 2 + ( o ) c + + ( o ) 昌c o c 叫o ) 害c q c d 2 ；兰c d + ( d ) c + ( d ) ；c d 燃烧反应： c + 0 ，；c ( o ) + o c + o ；c ( o ) c ( o ) c o + o c o + 0 2 c d 2 + d c o + d ；o d c ：表面活性碳原子 ( ) ：固体表面活性基 挥发物的气化反应机理取决于煤热解阶段所放出的挥发物的特性，挥发物通过如下 反应形成c o ，h 2 和c h 4 w + h 2 皿屿c o + h z + a h v m + h 骂c h 。一a h 气化过程中，煤中矿物质经过氧化、分解形成灰分。硫，氮和氧被转化成h 2 s ，n h 3 ， 含硫和含氮有机物以及水。煤在气化过程中的转化率取决于煤气化反应的热力学和动力 学因素，部分反应由于催化剂的作用而加速。 ( 2 ) 气化反应热力学 煤气化反应的热力学分析在气化反应工艺设计以及反应体系的热力学平衡、热效应 计算中有极为重要的作用，只有在体系热力学平衡以及热效应计算的基础上才有可能对 西安科技大学硕士学位论文 系统以及设备进行最佳的设计。 煤气化过程可以看成包含如下物化过程： 煤+ 气化剂+ 水篙釉n 2 + c o + c 0 2 + h 2 + c h 4 + v m + 灰渣+ 焦油+ 热损耗 煤炭气化过程是一个动态平衡过程，在正常运行条件下，忽略某些次要因素，可视 为稳态过程。该平衡包括化学平衡、热能( 能量) 平衡和物料平衡，这些平衡关系是进行 气化参数计算的理论基础，也是确定煤气组分和煤气热值的依据。 气化中的某些化学反应存在正、逆反应，在一定条件下，正、逆反应速度相同时， 体系处于平衡状态。研究气化反应的化学平衡，是为了了解最佳反应状态，并且可通过 对反应条件的控制，使反应向着所需要的方向进行。气化中化学平衡的研究，对提高煤 气中的有效组分、降低生产成本和能耗有着重大的意义。 根据质量作用定律，化学反应速度与各反应物浓度的方次数的乘积成正比，其比例 常数称之为“速度常数”。化学反应达到平衡时，正反应速度等于逆反应速度，亦即总反 应速度等于零。正、逆反应的速度常数之比即称之为“化学反应平衡常数”。化学反应平 衡常数越大，表明系统达到平衡后，正反应的能力越强。根据化学反应平衡常数，可以 在此平衡条件下，确定生成气体和其它物质的极限产率。 气化反应的动平衡状态是由反应物料( 主要是指煤炭的活性) 、生成物的浓度与反应 温度、反应压力决定。所以平衡常数是该过程设定的反应温度和反应压力的函数。 ( a ) 反应：c + c 0 2 书2 c o + h ，+ a h 此反应是c 0 2 的还原反应，在空气煤气中是生成煤气的重要反应。增加温度后，平 衡常数加大，正反应强度增加，有利于提高煤气中c o 的含量。 煤炭气化过程中的二氧化碳来自氧化带，依据煤炭活性的不同，当反应温度小于 6 5 0 7 0 0 ，二氧化碳活性碳或炽热焦炭进行还原反应时的逆反应速度大于正反应速度， 二氧化碳很难还原为一氧化碳。欲促进还原反应生成一氧化碳含量迅速增加，则必须提 高反应温度。当温度升高到1 0 0 0 1 2 0 0 以上时，则二氧化碳基本上全部还原为一氧化 碳，逆反应速度极为缓慢，甚至停止。因此，提升温度是提高二氧化碳含量的主要因素 专一【2 5 】 一一 o ( b ) 反应：c o + h ，o ；尝兰c o ，+ h ，一h 这是制取以氢为主要成分的气体燃料的重要反应，也是提供气化过程中甲烷化反应 所需氢源的基本反应。当温度高于8 5 0 ，此反应的正反应速度高于逆反应速度，故有 利于生成氢气。为有利于此反应的进行，通常要求反应温度高于9 0 0 。 ( c ) 反应：c + 2 h ，型i 屿c h 。一h 1 2 2 煤炭地下气化过程的分析 这是制取发热值高的气体燃料的重要反应。随着温度的上升，逆反应速度加快，不 利于甲烷的生成。常压气化时，对此反应的适宜反应温度一般认为最好在8 0 0 c 以内。 压力对气化过程各反应的平衡趋势有不同程度的影响。在反应系统处于平衡状态 时，当受外力作用而破坏平衡状态时，则将使该系统转入能使外部作用的效应削弱的状 态，即使系统的反应朝相反方向进行。例如，对反应( a ) ，增加压力，正反应速度减慢； 压力降低，则逆反应速度变慢，故反应压力的增加不利于一氧化碳的生成。又例如非均 相甲烷生成反应( c ) ，反应压力升高，正反应速度加快，向氢浓度降低的生成甲烷的方向 进行。 在实际气化过程中，各个反应之间互相影响，故生成气的平衡组成和过程中的热效 应也颇为复杂。而生成一氧化碳必须由外界供热以保持反应系统温度不变。此项热量在 煤气发生炉中是由碳燃烧出来的气体以显热带入的，它是由放热的燃烧反应产生的【2 们。 2 1 4 气化工艺过程 煤气化炉气化工艺分为固定床( 移动床) 、流化床、气流床等工艺。由于煤地下气 化与移动床气化炉在反应区域带状分布规律比较一致，故移动床气化的基本知识对了解 煤地下气化过程具有一定的借鉴意义。图2 3 为移动床气化炉示意图。 图2 3 移动床气化炉1 一煤2 一煤气3 气化剂 f i 9 2 3m o v i n gb e dc o a lg a s i f i c a t i o ns t o v el - c o a l2 - c o a ig a s3 - g a s i f y i n ga i r 该气化炉主要是由加煤机构、炉壳、转动炉蓖、排灰装置、水夹套、水封槽等部分 组成。气化煤料由上部加煤机构进入炉膛，炉膛内的全部煤料均由下部的炉蓖支撑。气 化剂3 由下部送风口进入，经炉篦均匀分配，与煤料层接触而发生气化反应。反应生成 的煤气2 由料层上部的煤气出口引出。反应后残留的炉渣由下部的灰盘排出。水夹套可 防止炉体受高温的影响，并回收炉体的散热。 在气化炉中，根据煤料的气化反应状态，由炉篦向上将煤料划分为灰渣带、氧化带、 1 3 西安科技大学硕士学位论文 还原带、干馏干燥带等四个区域。气化剂通过各煤料层与之发生热化学反应，生成不同 的气化产物。 在炉底气化剂首先通过炉篦缝隙进入灰渣带，被灰渣预热后，进入氧化带。在氧化 带中，气化剂中的氧与煤料中的碳发生氧化反应，生成c 0 2 和少量的c o 在氧化层的末 端，气化剂中氧气已全部耗尽，生成的煤气与未反应的气化剂同时上升，与上部炽热的 煤料相遇，被碳还原，c 0 2 和水蒸气被还原为c o 和h 2 ，此层即为还原带。由还原层出 来的气体具有很高的温度，在继续上升的过程中，将上部的煤料加热，使其干馏，生成 焦油、蒸汽、热解水等液体馏分、气体馏分和固体残炭。此时，进入顶层的气体及干馏 产生的挥发产物，仍具有足够高的温度，将项层煤料干燥，并析出水分。至此，煤炭的 气化生成过程结束。 煤炭气化过程也可以概括为以下几个步骤：气流中的气化剂向煤料表面扩散( 物理 过程) ，气化剂中的活性分子被煤料表面所吸附( 物理或物理化学过程) ，生成中间产物或 气化产物( 化学过程) ，中间产物分解为气化产物( 化学过程) ，气化产物脱附( 物理过程) ， 气化产物扩散到气流中( 物理过程) 。 2 2 煤炭地下气化原理 煤炭地下气化与地面气化炉气化的基本原理是一致的，即煤与气化剂进行热化学反 应生成可燃气体的过程