固定床煤气化过程的数学模型与模拟计算.pdf

冒 8 煤气与热力 1 9 9 9 年9 月 固定 床煤气化过程 的数学模 型与模 拟计算 里 垄 重 中国市政工程华北 没计研究院 天津 3 3 0 0 7 4 堂 型 王 武汉乾能燃气热力有限公司 l T臣 一 2 武汉 4 3 0 O 5 6 摘要根据煤与氧气 氧化碳和水蒸汽反应的动力学数据 在传质和气 一固相传热的基 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 壁 垦 重 堡 些 墼 兰 垡型 模 拟计 算 中图分类号I 0 9 9 6 1 5 4 1 T Q O 1 8 1 引 言 我周煤炭气化工艺 中 使用最 多的是固定床气 化工艺 如鲁奇N r E 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 收稿 E l 期 1 9 9 9 0 5 1 4 t 0 扣 t 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 净流人速率 净发生速率 累积速率 今取气化炉内高度上 X 与 d x 之间的徽元体对 i 组分进行物料平衡得出 0 c 1 a z 一 分别对固相和气相进行能量衡算则得到 a a C 习z a 一 n F 一 K c 一 2 一 习f 一 a F 一 1 一 C 一 3 式 1 一 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 维普资讯 第1 9 卷 第5 期 煤气与热力 9 C T K C T 一 C t a n h S 式 中 梯 勒 模 数 蠢 对 于 锥 形 孔 专f ta Ln h 3 一 5 式中 梯勒模数 6 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 一 3 步进行考察 在一级反 应时 总反应速度 r 可用 下 式表示 r K C 下面分别讨论本征反应速度常数 孔效率 和气膜传质系数 k 的确定 1 本征反应速度常数 K T 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 重量为基准 的反应速度常数 l 1 表示 群 t o o 2 孔效率 的计算 孔效率 W表示孔扩散对反应速度的影 响程度 它可通过 X 和 X 士 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 3 k 的计算 K 可用下式计算 K g S h D e F D 对于球形颗粒 2 0 0 6 R e S c 对于填充床 S h 2 1 1 对于燃烧反应 温度一旦超过燃点温度 反应速 度就会很快 至扩散成为阻力 因此 燃点温度采用前述测得数据 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 之问的温度差别 因此 气体与固体之间的传热系 数采用下式计算即可 d Dk 式 中 2 0 1 8 R e p r o 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 用正常操作数据米比较 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 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 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 维普资讯 l O 煤气与热力 1 9 9 9 年9 月 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 表 1 水煤气型两段炉模拟计算数据 C 0 c o C l 鼓风 计算值 0 6 3 6 l o I 6 6 7 7 6 6 0 阶段 实测 值 7 5 4 I 4 7 2 7 7 5 4 计 气化段 3 4 8 4 l D l O 5 5 0 6 上吹 算 干馏段 1 2 9 6 J 3 2 6 2 4 4 6 6 值 混 台 3 i 8 3 1 o 5 3 5 I 5 0 6 I 3 阶 辟 实测值 3 l l 1 7 6 6 4 6 9 4 5 8 0 8 2 9 上吹阶段循环时间t l 6 2 D 3 0 最高反应温度 K l 4 6 l 4 4 6 l 4 2 7 4 0 7 I 3 卵 木蒸气分解率 6 6 3 6 6 5 6 9 5 4 E 6 6 I l 6 I 6 2 表 2 发生炉型两段炉煤气组成的模拟值与实刮值的比较 上段 段 煤气 管 模拟值 实测值 模拟值 实测值 模拟值 寅测值 c o 2 5 7 2 5 0 2 8 8 2 5 4 2 7 4 2 5 4 c f 话 8 0 7 7 I 8 2 o 4 5 3 5 c 5 6 4 o 6 2 6 o 5 9 4 7 H 2 l 5 4 I 3 1 8 6 l 0 9 4 9 9 5 2 0 2 t 4 4 5 4 9 2 5 4 3 5 5 1 4 9 9 5 2 o 0 2 0 5 O 3 O 4 0 3 0 4 0 3 0 O 0 2 c L o 2 o 5 o 2 o 2 o 2 0 3 煤气热值 8 7 6 2 5 2 2 5 2 2 6 6 6 6 3 O l空 一直 m 图I 典型原料在鲁奇炉由气化时的温度分布 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 O 0 2 m 压力 2 5 l I P a 气化强度 8 0 0 k h 汽氧 比 6 O 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 维普资讯 第l 9 卷 第5 期 煤气与热 力 口 J 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 科研设计以及培圳人员均有意义 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 一组分的浓度 k m o l m 3 c p 比热 k J k m o l K 一 扩散系数 h 一 颗粒直径 n l F 一 比表 面积 m 2 m 3 c 一吉布斯 自由能 k J l a n o l 卜 反 应热 k J k n n o l K反应热分配系数 f 广 有效反应速度常数 l h K 一气膜传质速率常数 1 h K 一体积为基准的反应速度常数 m 3 k g h K 一有效反应速度常数 1 h n一反应级数 N u P r s c s h 一特征数 R 一气体常数 ld 1 a n d K T 温度 或 K u 一速度 m h a传热系数 k j m 2 h K 一 堆密度 k g m 3 一 孔效率 导热系数 k J n l h K 一 化学计量系数 一 梯勤模数 参考文献 l Ki n g Ym 叽 B c B 嘣 dmu r Gk c tz u n g B e s l i n t u n g u n d M 目I a t 1 b Mo d e l d L Ko h l e v r g a s u n g E r B l J k I n s l i t u t d e r U tt i e r s l t a e l K a d s mh e T It 1 9 8 5 2 g Y e t a t h e ma t i e a mu d e lf o r z r v S n g b e d l id f u e l 6 c a t i o n u n d e r P T h e 4 t h J a p 一Ch i n a E l J 1 I l I e lml CI c h ni s tr ytmx e d i n g Os a e a J a l l Ma Y 2 5 2 8 1 9 9 3 1 6 7 1 7 2 8 项友谦 固体燃料加压气化过程的分析与模拟 煤气与热力 1 9 8 7 1 8一l 1 4 步学朋 彭万旺 项直谦 煤加压气化过程数学模型的研究 煤化 L 1 9 9 3 1 6 1 5 3 5 5 项点谦 循环制气过程的数学模型 城市煤气 1 9 9 s 1 2 1 4 1 7 6 项友谦 煤气化过程反应活性 及动力学研究 煤气与热力 1 9 9 9 f 4j 4 1 0 7 张乙盟 陶瓷工业窑炉用煤 气发生炉气化过程分析及计算的模 拟 砸士论文 津 天津大学 1 9 8 8 MATHEMA nCAL M0DE L AND S I MULA TE CAL CUI J lA n0N F OR F I XED B ED C0AL GAS I F I CAT1 0N Xi a n g Yo u q i a n N o r t h C h i n a Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n R e s e a c h I n s t i t u t e T i a n j i n 3 0 7 4 C h i n a Z h a n g i i p i n g Wu h a n Q G a s H e a t C o m p a n y L T D Wu h a n 4 3 0 0 5 6 C h n a AB S TR ACT Ac c o r d i n g t o t h e r e a c t i o n k i n e t i c s p a r a me t e r o f the g a s i fi c a t i o n ma t e d al t 1 c 02 H2 0 a n d b a s e d O i l the h e a t t r a r f e r t ma s s t s f r g a s s o l i d p ms e s h e a t t r a n s f e r s t e a d y s t a t e o r n I l s t e a d s t a t e ma t h r a a t i c al n x d e l s h a v e b e e n S e t