基于ChemCAD的气流床粉煤加压气化工艺参数仿真优化

1、第36卷第7期2011年7月煤炭学报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol36JulyNo72011文章编号：02539993（2011）07118906基于ChemCAD的气流床粉煤加压气化工艺参数仿真优化12张进春，侯锦秀（1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454000；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000）要：基于ChemCAD仿真软件，采用Gibbs最小自由能方法作为气化反应模型，建立了Shell粉煤加压气流床气化仿真模型。针对氧煤比、蒸汽煤比和气化压力3个主要工艺参数，安排了3因子3水平的全析因仿真实验，分析了各工艺参数对气化性能的影响

2、。结果表明：氧煤比是影响产气率摘和粗煤气有效成分的重要因素，同时对消耗指标的亦有显著影响。产气率等效益指标随氧煤比的增加而增加，而消耗指标则随氧煤比的增加而减少；蒸汽煤比可以提高产气率，但主要影响H2的含量，各消耗指标会随着蒸汽煤比的增加而减少；压力对煤气化性能指标影响不显著。进而，采用综合平衡优化方法，对煤气化工艺参数进行了综合优化，以协调各指标间可能的冲突，寻找到一组使各指标尽可能最优工艺参数的组合。关键词：ChemCAD；气流床；煤气化；参数优化中图分类号：TQ546.2文献标志码：AEntrained-flowpressurizedcoalgasificationsimulationa

3、ndparametersoptimizationbasedonChemCADZHANGJin-chun1，HOUJin-xiu2（1.SchoolofEnergyScienceandEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China；2.SchoolofSafetyScienceandEngineering，HenanPol-ytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China）Abstract：Thesimulationmodeloftypicalentrainedflowpressurizedcoal

4、gasification，Shellcoalgasificationprocess，wasfoundedbasedonChemCADsimulationsoftwareTheminimumGibbsfreeenergymethodwasusedasthereactionmodelofthecoalgasificationInordertoanalysistheeffectofthemainprocessparameters，oxygen-coalratio，steam-coalratioandpressure，ontheperformanceofthecoalgasification，full

5、factorialsimulationexperimentswerecarriedoutTheresultsshowthattheoxygen-coalratioisanimportantfactortothegasproductionrateandthecomponentofthesyngas，andalsoimpactsignificantlytotheconsumingindicatorsofthecoalgasificationTheefficiencyindicatorswhiletheconsumptionindicatorsreducesuchasgasproductionrat

6、eincreasewiththeoxygen-coalratioincreasing，Thesteam-coalratiocanenhancethesyngasproductionrate，butmainlyaffecttheamountofH2inthesyngasTheconsumingindicatorsofthecoalgasificationarealsoaffectedbythesteam-coalratioTheeffectofpressureonthegas-ificationperformanceisnotsignificantThen，anintegratedbalance

7、doptimizationmethodwasputforwardtooptimizetheparametersbasedonthemethodofmaineffectanalysisandrangeanalysisThismethodcanfindasetofprocessparameterstooptimizealltheindicatorsofthecoalgasificationperformancecombinedasawholeasbestaspossibleKeywords：ChemCAD；entrained-flowbed；coalgasification；parameterop

8、timization煤炭气化技术对于洁净煤发电和绿色煤化工产业具有重大意义，同时以煤气化为核心的多联产系统收稿日期：20101024责任编辑：张晓宁基金项目：国家自然科学基金资助项目（50974132）；中国煤炭工业协会科学技术研究计划资助项目（MTKJ2010364）Email：zjc作者简介：张进春（1978），男，河南浚县人，讲师。Tel：03913987955，1190煤炭学报2011年第36卷1也是能源可持续发展的重要组成部分。气流床粉煤气化技术属高温加压气化，煤种适应性广，气化指无污染，是目前最先进的煤气化技术之标优良，23。煤气化效果受氧煤比、一蒸汽煤比、温度、压力煤气化工艺参数

9、的分析与优化等工艺条件影响显著，提高气化品质意义重大。吴对于促进煤的转化利用、建立了气流床气化的化学动力学模型，并探讨了工艺参数对气化过程和煤气组成的影响。学成等Ni6建立了基于气流床煤气化平衡常数的一组非线性规划的方程组，对于优化生产具有指导意义。代正7华等基于平衡模型，对粉煤气化过程进行了热力学平衡分析，研究了影响气化效果的可行操作域。徐8越等利用干煤粉加压气流床气化过程模拟模型，对干煤粉加压气流床气化工艺的性能进行了数学模拟和性能研究。值得注意的是很多研究只关注于气而未将各个参化工艺参数的单参数边际分析与优化，数作为一个整体进行多目标综合分析与优化。煤气化过程仿真是理解煤气化反应的有用工

10、具，通过计算机模拟，可以对整个煤气化过程进行分析，寻找最优工艺参数，目前已受到国内外众多研究者的3，912。重视本文以Shell气流床粉煤加压气化工艺为对象，利用ChemCAD仿真平台构建了粉煤气化仿真模型，进而安排了全析因仿真实验以考察各工艺参数对气化指标的影响效应，最后针对煤气化效果评价指标的多目标性，采用综合平衡法对工艺参数进行了综合优化。Fig.1图1Shell加压气流床粉煤气化工艺流程45Shellpressurizedentrainedflowcoalgasificationprocess2基于ChemCAD的粉煤气化仿真模型ChemCAD是由Chemstations公司推出的一款

11、极具应用和推广价值的流程模拟软件。基于ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员用来改进流程操作以提高产量产率、减少能量消耗、降低生产成本的有力工具。本文基于ChemCAD强大的模拟功能，建立了Shell粉煤气化模拟模型，通过仿真实验，分析工艺并进行气化工艺参数综参数对气化效果的影响效应，合优化。2.1基本假设在实际气化过程中，气化炉内发生多种反应。模拟过程中，对粉煤加压气化过程进行如下假定：（1）气化炉处于稳定运行状态，所有参数不随时间而变化。（2）气化剂与煤粉进入气化炉瞬间完全混合，视气、固相为均匀混合的活塞流。（3）灰分是惰性的，不参与反应；从粉煤中脱除的挥发分全部参加燃烧及气化反应。（

12、4）煤中的H、O、S和N元素全部转入气相，N全部转化为N2，而C则随操作参数的变化而不完全转化。（5）视气体为理想气体，遵守理想气体定律。2.2组分的表达基于ChemCAD仿真，所涉及的组分一般分为常规组分和非常规组分两大类。常规组分指组成均匀非常规组分是指不同种类的且有确定分子量的组分，ChemCAD已包含常规固体混合物。对于常规组分，ChemCAD支组分的标准数据库；而对于非常规组分，持用户以元素分析和热力学参数为基础添加自定义组分。参与煤气化反应组分体系中，煤及灰分是典型的非常规固体组分，而未反应的碳则是常规固体组分，其他气化剂和气体反应产物则是常规组分。基于1Shell加压气流床粉煤气

13、化工艺流程13Shell粉煤气化工艺是由荷兰Shell国际石油公司开发的加压气流床粉煤气化技术，以干煤粉进料，纯氧作为气化剂，由于其采用高温加压气化技术，Shell气化工艺的碳转化率高达99%，因此Shell煤气化技术是21世纪煤炭转化的主要发展途径之一。其典型工艺流程如图1所示。来自制粉系统的干燥粉煤由氮气或二氧化碳经浓相输送至炉前粉煤储仓及煤锁斗，再经由加压氮气或二氧化碳加压将细煤粒子由煤锁斗送入周向相对布置的气化烧嘴。同时，气化需要的氧气和水蒸汽也送入烧嘴。通过控制加煤量，调节氧量和蒸汽量，使气化炉在14001700范围内运行。气化炉的操作压力为24MPa。在气化炉内煤中的灰分以熔渣形式

14、排出。排出气化炉的粗煤气被循环冷却煤气激冷，并经废热锅炉和省煤器进一步回收热量后脱除氯化物、氨、氰化物和硫等。第7期张进春等：基于ChemCAD的气流床粉煤加压气化工艺参数仿真优化1191ChemCAD进行煤气化模拟时，针对煤及灰分这两种典型的非常规固体组分，在元素分析的基础上，根据以CombustionSolid模式定义其相应的热力学参数，14组分。2.3反应模型的煤粉含量90%。煤粉经混合器与氧气和高压蒸汽进行充分混合后，进入Gibbs反应器进行气化反其次为灰分和未反应应。反应后产物主要为粗煤气，残碳。反应后产物经换热器进行换热得到混合煤气。建立煤气化模拟模型的核心在于选择适当的反应模型及

15、相应的反应器。针对煤气化这类非常规组Gibbs自由能最小化方法可分固体的复杂反应体系，以摆脱复杂的化学反应机理，并具有高度的热力学一致性，这种方法在反应体系质量平衡和能量平衡的条件约束下采用反应系统总Gibbs自由能在平衡时取得极小值作为判据，并运用最优化算法，根据输入计12算输出物质组分和物性。已经证明Gibbs自由能最小化方法对燃烧过程及化学平衡组成的计算是十7，15。本文煤气化模拟中采用Gibbs自由分有效的热力学方程采用RSK方程。能最小化方法，Shell粉煤气化模拟流程如图2所示。该反应模型中有3个进料流股，分别为：煤、氧气和高压蒸汽。煤经过粉碎器进行制粉，煤粉的粒度规格：粒径0.1

16、5mm表1Table1工业分析/%M8.23A13.18V15.61FC62.98C74.35H8.16图2Fig.2Shell气流床工艺流程的ChemCAD仿真模型ThesimulationmodelofShellpressurizedentrainedflowcoalgasificationprocessbasedonChemCAD3仿真实验采用全析因实验设计，进行粉煤加压气流床气化工艺参数分析与优化。选取某型号烟煤作为气化用煤，其基本参数见表1。实验用煤的基本参数Thebasicparametersofthecoalusedinexperiment元素分析/%O15.43N0.79S1.

17、27高位发热量/（kJkg1）25438比热容/（kJ（kgK）3.2761）Shell粉煤加压气流床气化效果的主要评价指标H2含量、包括CO含量、产气率、比煤耗、比氧耗、比汽耗。上述气化效果指标主要受投煤量、氧煤比（）、蒸汽煤比（）、气化压力（P）、气化温度（T）等操作条件的影响。考虑到实际生产过程中，投煤量是气化炉的设计气化规模参数，一般不会发生太大变化，因此，在实验过程中，投煤量取定值5000kg/h；同时，气化炉温度不是一个独立的操作条件，通常通过调整氧煤比和蒸汽煤比的方法调节气化炉温度。因此，实验中的主要工艺条件确定为氧煤比（）、蒸汽煤比（）和气化压力（P）。实验安排选择3因子3水平

18、全析因因子水平及实验结果见表2。实验设计，的影响主要体现在对产气率以及粗煤气中有效气体成分（H2和CO）含量的影响。如图3所示，氧煤比的增加有利于提高产气率，且在3个工艺参数中，氧煤比对产气率的影响最大。这说明增大氧煤比有利于煤气化反应的进行，使反应平衡向有利于产物生成的方向移动。同时，增大氧煤比，可以提高CO的含量，降低比煤耗和比汽耗，但由于氧气的增加，使得比氧耗也相应增大。而氧煤比对H2含量的影响则相反，H2含量则逐渐降低。随着氧煤比的增大，（2）蒸汽煤比（）的效应分析。由图3可知蒸汽煤比的增大也可以提高煤气产率，同时使粗煤气中H2含量增大，但对CO含量的影响却相反，蒸汽煤比的增大，使粗煤

19、气中CO含量减少。蒸汽煤比的增加有利于降低比煤耗和比氧耗。（3）压力（P）的效应分析。由图3可以看出，压力对煤气化效果的影响整体而言并不太显著。这是由于煤气化反应过程中反应平衡主要受温度和气化剂的影响。从反应动力学的角度来看，增大反应压力可以提高反应速率，从而提高生产效率，但对反应产44.1效应分析与综合优化各参数效应分析针对各气化效果评价指标，实验结果的各工艺参数的因子效应如图3所示。以下对各工艺参数的因子效应进行分析。（1）氧煤比（）的效应分析。氧煤比对气化效果1192煤表2Table2实验方案炭学报2011年第36卷实验方案及实验结果Thearrangementsandresultsof

20、experiments实验结果实验序号1234567891011121314151617181920212223242526271（3）1（3）1（3）1（3）0.75（2）0.5（1）0.75（2）0.5（1）0.75（2）0.5（1）0.75（2）0.5（1）1（3）0.5（1）1（3）0.75（2）0.5（1）0.75（2）0.5（1）1（3）1（3）0.5（1）0.75（2）0.75（2）0.5（1）0.75（2）1（3）0.055（2）0.01（1）0.01（1）0.1（3）0.01（1）0.055（2）0.055（2）0.055（2）0.1（3）0.1（3）0.01（1）0.1（3

21、）0.1（3）0.01（1）0.055（2）0.055（2）0.055（2）0.01（1）0.01（1）0.01（1）0.055（2）0.01（1）0.1（3）0.055（2）0.1（3）0.1（3）0.1（3）P/MPa4（3）3（2）2（1）3（2）2（1）2（1）2（1）4（3）2（1）4（3）4（3）2（1）2（1）4（3）2（1）3（2）3（2）3（2）3（2）4（3）2（3）2（1）4（3）4（3）3（2）3（2）4（3）CO含量/%H2含量/%产气率/（m3kg1）0.590.620.610.570.610.540.570.570.550.530.630.510.570.600.

22、580.580.550.620.590.630.590.580.570.590.520.560.580.200.180.190.220.190.260.230.230.250.270.170.290.230.190.210.220.240.180.200.170.210.220.230.20.280.240.221.871.781.801.941.461.141.601.111.71.251.451.271.940.971.891.601.131.450.981.771.880.991.701.591.261.701.93比煤耗579.84645.68634.89528.83862.47105

23、9.03757.241073.86679.99964.74871.79956.94527.221182.56567.19758.441066.81866.861176.47657.59573.021168.76673.40760.65960.57675.91530.90比氧耗585.77622.19612.98551.94612.36528.27562.46538.03521.65475.52640.29462.70553.40607.20576.48572.07533.87626.85599.55631.48581.74589.07523.34578.35466.87521.86547.04

24、比汽耗6.146.846.735.609.1411.228.0211.387.2010.229.2410.145.5912.536.018.0411.309.1812.466.976.0712.387.138.0610.187.165.62注：比煤耗、比氧耗、比汽耗的单位为kg/1000m3（CO+H2）；（）中的数字为相应水平数。图3Fig.3各因子效应Effectofeveryfactors第7期张进春等：基于ChemCAD的气流床粉煤加压气化工艺参数仿真优化1193物的构成及各种煤及气化剂的消耗影响并不大。4.2综合优化根据现实生产需要，煤气化效果评价指标可以分为两类：一类为望大型指标，

25、主要为效益指标，包括产粗煤气中有效气体成分（CO和H2含量）；另一气率、类为望小型指标，主要为消耗指标，包括比煤耗、比氧耗和比汽耗。煤气化各工艺参数优化需兼顾两类指标间的协调进行综合考察，以寻找到使各项指标均尽可能好的工艺条件。本文对煤气化各评价指标进行综合平衡，从而实现工艺参数综合优化。具体而言，首先确定各评价指其次根据极差分析确定各工艺参标的最优工艺条件，数对每一评价指标影响的重要度进行排序。按照重要因素优先优化、同等因素依多数确定的原则进行综合平衡，寻找工艺条件的综合优化结果。根据图3各工艺参数因子效应，各气化效果评价指标的参数优化水平及相应极差见表3。表3Table3各工艺参数优化水平

26、及相应极差排序Theoptimallevelofeachparameterandthecorrespondingrangeordering评价指标最优水平产气率/（m3kg1）CO含量/%H2含量/%比煤耗比氧耗比汽耗331313极差排序122121最优水平313333极差排序211212P/MPa最优水平131111极差排序3333335结论（1）ChemCAD仿真软件是进行煤气化过程仿真、理解煤气化反应的有用工具。通过计算机模拟，基于ChemCAD仿真平台，应用所建立的气化模型，可以对整个气流床粉煤加压气化过程进行分析，寻找最优工艺参数。（2）全析因仿真实验结果表明，氧煤比是影响产气率和粗

27、煤气有效成分CO含量的重要因素，同时对消耗指标亦有显著影响。产气率和CO含量随氧煤比的增加而增加，而消耗指标则随氧煤比的增加而减少；蒸汽煤比可以提高产气率，但主要影响粗煤气中有效成分H2的含量，各消耗会随着蒸汽煤比的增加其对气而减少；压力对煤气化性能指标影响不显著，化过程的影响主要体现在反应速率会随压力增大而增大。（3）煤气化性能评价指标为多元指标，可以分为望大型和望小型指标。利用综合平衡法进行工艺参以协调两类指标间可能的冲突，寻找到一组数优化，使各指标尽可能最优工艺参数的组合。参考文献：1倪维斗，李政，薛元以煤气化为核心的多联产能源系统资源/能源/环境整体优化与可持续发展J中国工程科学，20

28、00，2（8）：5968LiZheng，XueYuanPoly-generationenergysystemNiWeidou，basedoncoalgasification：integratedoptimizationandsustainabledevelopmentofresources，energyandenvironmentJEngineeringScience，2000，2（8）：59682黄戒介，房倚天，王洋现代煤气化技术的开发与进展J燃2002，30（5）：385391料化学学报，注：比煤耗、比氧耗、比汽耗的单位为kg/1000m3（CO+H2）。HuangJiejie，FangY

29、itian，WangYangDevelopmentandprogressofmoderncoalgasificationtechnologyJJournalofFuelChemistryandTechnology，2002，30（5）：3853913Tominaga，Hiroaki，Matsushita，etalThedevelopmentofentrainedflowcoalgasificationsimulatorJJournaloftheJapanInstituteofEnergy，2006，85（1）：36414吴学成，王勤辉，骆仲泱，等气化参数影响气流床煤气化的模型研究（I）模型建立

30、及验证J浙江大学学报（工学版），2004，38（10）：13611365WuXuecheng，WangQinhui，LuoZhongyang，etalModelingoneffectsofoperationparametersonentrainedflowcoalgasification（I）：modelestablishmentandvalidationJJournalofZhejiangU-niversity（EngineeringScience），2004，38（10）：136113655吴学成，王勤辉，骆仲泱，等气化参数影响气流床煤气化的模模型预测与分析J浙江大学学报（工学版），型研究

31、（）2004，38（11）：14831489WuXuecheng，WangQinhui，LuoZhongyang，eta1Modellingoneffectsofoperationparametersonentrainedflowcoalgasification由表3可知，氧煤比的3水平对产气率、比煤耗、比汽耗均为最优水平，且在3个工艺参数中影响最大；而对CO含量也是最优水平，尽管对其影响重要性次序是第2位的。同时，氧煤比的1水平对H2含量、比氧耗是最优水平，但其影响的重要性次序却是第2位的。因此，综合平衡，氧煤比应取3水平。同样，蒸汽煤比3水平对H2含量、比氧耗是最优水平，且对其影响最大；而

32、对产气率、比煤耗和比汽耗也是且对其影响的重要性次序处于第2位，相最优水平，对蒸汽煤比取1水平而言，仅对CO含量是最优水平，尽管对其也是影响最大的工艺参数，但依据多数确定的原则，蒸汽煤比应选3水平。压力对各气化效果评价指标均处于影响最小的位置，依据多数确定的原则，压力的最优水平应选1水平。1194煤炭学报2011年第36卷（）：modelpredictionandanalysisJJournalofZhejiangUniver-2004，38（11）：14831489sity（EngineeringScience），6NiQZ，WilliamsAAsimulationstudyontheperf

33、ormanceofallen-1995，74（1）：102110trained-flowcoalgasifierJFuel，7代正华，龚欣，王辅臣，等气流床煤气化的Gibbs自由能最小J燃料化学学报，2005，23（2）：129133化模拟DaiZhenghua，GongXin，WangFuchen，etalThermodynamicanal-ysisofentrainedflowpulverizedcoalgasificationbyGibbsfreeener-gyminimizationJJournalofFuelChemistryandTechnology，2005，23（2）：1291

34、338徐越，吴一宁，危师让基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气西安交通大学学报，2003，37（11）：流床气化炉性能研究J11321136WuYining，WeiShirangStudyonperformanceofdryfeedXuYue，entrainedflowbedgasifierbasedonShellgasificationtechnologyJJournalofXianJiaotongUniversity，2003，37（11）：113211369WatanabeHNumericalsimulationofcoalgasificationinentrainedflowcoalgasifierJFuel，2006，85（12）：1935194310AjilkumarANumericalsimulationofpressureeffectsonthegasifi-cationofaustralianandIndiancoalsinatubulargasifierJHeat15TransferEngineering，2010，31（6）：49550811唐志国，马培勇，俞瑜，等新型干煤粉气流床气化炉的数值J煤炭学报，2010，35（3）：481485模拟MaPeiyong，YuYu，etalNumericalsimulationofaTangZhiguo，ne