煤气化过程的数学模型

史 聪，杨 英，夏支文

（神华宁夏煤业集团有限责任公司, 宁夏 银川 750411）

煤气化技术是目前及未来实现煤炭高效、清洁、经济利用的关键技术之一。因此，开发洁净煤技术，提高煤炭利用效率、降低煤气化成本的有效途径是研制和推广应用大型化、先进的煤炭气化技术。当前，从更深层次的理解气化机理，建立能真实反映煤气化过程的数学模型，已成为指导气化炉设计、评价、生产过程优化及改进的重要发展方向，也是世界范围内开发先进煤气化炉的研究热点。

自20世纪70年代以来，国内外学者对煤气化过程的反应机理、反应动力学和热力学进行了大量的研究工作，并建立了煤气化过程的数学模型，主要分为动力学模型和平衡模型。其中典型动力学模型有Watkinson等[1]提出的动力学模型、王辅臣等[2-4]提出的三区模型、李政等[5,6]提出的小室模型，典型平衡模型有Ruprecht等[7]提出的平衡模型和汪洋等[8]基于Gibbs自由能最小化方法建立的气流床煤气化炉模型等。本文重点对典型三区模型、小室模型及基于Gibbs自由能最小化方法模型进行介绍。

1 三区模型

1.1 模型描述

王辅臣等[2,3]提出水煤浆气化过程三区模型，认为炉内存在流体力学特性各异的射流区、回流区及管流区，对应存在化学反应特性各异的一次反应区、二次反应区和一、二次反应共存区。在此基础上建立水煤浆气化炉数学模型、激冷室与洗涤塔数学模型、文丘里洗涤器数学模型，其中气化炉数学模型包含气相物料的混合模型和残炭量计算模型，以及微量组分计算模型[4]。

（1）气相物料的混合模型

在进行气化炉气相物料的计算时, 必须从停留时间分布的角度出发, 考虑到微观混合与宏观混合的时间尺度。气化炉内宏观混合的时间尺度为 tM=0.15～0.50 s。气化炉内物料微观混合的时间尺度为～0.66 s。

（2）残炭量计算模型

气化炉出口残炭量占煤中总有效成分量的分率用下式计算。

当脱挥发分的速率远大于残炭的气化速率时，Rc/Rv→0，tcrit→1/ Rc，上式简化为：

式中:Vt—挥发分析出的总量，

Rv—挥发分析出速率,kg·kg-1·s1;

Rc—残炭的反应速率,kg·kg-1·s1。

1.2 模型验证（kg·kg-1·s1）

该模型选用的煤的组成及热值见表1所示，模拟结果表明，模拟值与操作值吻合良好，所建立的气化过程数学模拟是可靠的。

表1 煤的组成及热值Table 1 The composition and calorific value of coal

1.3 模型评价

该模型是以气化系统的热力学平衡为基础，同时考虑了反应动力学因素的影响，能真实地反应炉内的气化过程，对最终煤气成分的预测与操作值较吻合，同时可对NH3和HCOOH微量组分进行计算，模拟结果对工程防止灰水循环系统的结垢和腐蚀具有指导意义。

但该模型仅适用于水煤浆气化过程，且模拟结果取决于喷嘴与炉体匹配形成的流场，必须对气化炉结构、喷嘴结构及射流特性对流场特性的影响进行深入且可靠的流体力学研究。

2 小室模型

2.1 模型描述

李政等[5,6]采用“小室模型”方法，将气化炉沿轴向分割为多段，即为小室，且认为每个小室为 气体组分质量、固体质量、碳质量及能量的平衡空间，建立起预测Texaco煤气化炉性能的数学模型。

建模做如下假定：（1）气化炉内流动为均匀平推流；（2）水煤浆的预热、水分蒸发、挥发份在入炉后瞬间完成；（3）煤颗粒尺寸采用同一粒径，水煤浆滴在完成水分蒸发和挥发份释放后，煤颗粒不结团，此独立存在；（4）缩核不缩炭假定。

模型考虑了气相反应和气固异相反应两种化学反应，并建立及起反应速率计算公式，另外建立了固体停留时间的计算公式。

式（4）为气相反应速率表达式，式（5）为气固反应速率表达式，式（6）、（7）、（8）为固体停留时间计算式。

2.2 模型验证

模型采用Illinois 6号煤对动力学数据进行适当的调整，用另外2组煤种进行校核，元素分析见表2所示。模拟值与试验数据基本吻合，证明该模型可信度较好。

表2 元素分析和工业分析Table 2 Element Analysis and industrial analysis

2.3 模型评价

该模型较为详细的描述炉内动力学反应过程，模拟结果与气化炉实际运行情况较吻合，具有较大的可信度和应用价值，建议从以下方面进一步完善和深化：

（1）缺少对NH3和HCOOH等微量组分的计算；

（2）鉴于气化炉内气固流动的复杂性，模型假设与实际流动特性存在差别，有待修正；

（3）气化炉分割成小室的分配高度和个数无明确定义，模型相对复杂，通用性较差。

3 基于Gibbs自由能最小化方法模型

3.1 模型描述

汪洋等[8]基于 Aspen Plus流程模拟软件，运用Gibbs自由能最小化方法建立了高温高压下的气流床煤气化炉模型，并采用Aspen Plus10.2中的物性数据库和单元模块进行计算。其示意图见图1所示，主要包含Decomp、Burn、Separate三大单元模块。

Decomp单元是将粉煤分解转化成单原子的分子并将裂解热传递给Burn单元；Burn单元考虑了5种元素和15个组分，在体系达到化学反应热平衡判据式时，基于Gibbs自由能最小化原理模拟计算气化炉的出口组成和温度；Separate模块是将气化炉激冷室排出的气液混合物完全分离成气、液两相。

图1 气流床煤气化炉模型示意图Fig.1 Entrained flow coal gasifier model diagram

3.2 模型验证

该模型采用的煤种（北宿煤）元素分析和工业分析见表3。操作条件为：水煤浆流量为75 033 kg/h，煤浆浓度为64%（wt），氧气流量为30 375 m3/h，气化压力为 4.0 MPa（g），碳转化率为 98%，热损失为0.5%。通过对Burn单元模块的模拟计算结果进行元素（C、H、O）平衡和热平衡分析，所建立的模型基本正确，模型计算结果比较可靠。

表3 北宿煤的元素分析和工业分析Table 3 Beisu coal elemental analysis and industry analysis

3.3 模型评价

从理论分析来看，该模型的计算结果与实际值一致，但存在以下不足：

（1） Burn单元模块模拟计算出的气化炉出口组成与温度未与工业实际操作值进行比较，一定程度上限制了对工业实际操作的指导作用；

（2） Decomp单元模块未考虑载气（如 N2、CO2）的输入，是否适用于气流床干粉煤气化炉有待验证；

（3） Burn单元模块未考虑Cl元素和NOX等微量组分，煤种选取单一，而这些对工业实际过程有重要的指导意义；

（4）模型验证采取的碳转化率高，较低碳转化率的情况未考虑；

（5）由于该模型，不考虑气化炉的流动传热、传质特性以及气化反应的过程，相对比较简单，尚不能真实反映气化炉内的气化过程。

4 结 论

近年来国内以李政、王辅臣、汪洋等为代表的不少学者作了大量的研究工作，并建立了典型“三区模型”、“小室模型”、“基于 Gibbs自由能最小化方法模型”煤气化炉数学模型，总体来说，各模型较为可靠，在特定煤种和气化炉结构的条件下模型值都能与实际值较吻合，具有很大的应用和推广价值。但是，相对来说，各模型通用性较窄，在煤气化机理、炉内多项流动力学特性、微量组分计算、动态模拟等方面，大量基础研究和模拟优化工作有待进一步深入或开展。

［1］Li X, Grace J R, Watkinson A P, et al. Equilibrium modeling of gasification: a free energy minimization approach and its application to a circulating fluidized bed coal gasifier[J]. Fuel,2001, 80(2): 195-207．

［2］ 于遵宏,沈才大,王辅臣,等.水煤浆气化过程三区模型[J].燃料化学学报,1993, 21(1): 90- 951．

［3］王辅臣,刘海峰,龚欣,等.水煤浆气化系统数学模拟[J].燃料化学学报,2001, 29(1): 33- 38．

［4］ 王辅臣, 于遵宏, 沈才大,等.德士古渣油气化系统数学模拟[J].华东化工学院学报, 1993, 19( 4) : 393-3001.

［5］ 李政,王天骄,韩志明,等.Texaco煤气化炉数学模型的研究—建模部分[J].动力工程,2001, 21(2): 1161- 1168．

［6］李政,王天骄,韩志明,等.Texaco煤气化炉数学模型研究(2)—计算结果及分析[J].动力工程,2001, 21(4): 1316- 1319．

［7］ Ruprecht P, Schafer W, Wallace P. A Computer Model of Entrained Coal Gasification[J]. Fuel, 1988, 57(6): 739-743．

［8］ 汪洋,代正华,于广锁,等.运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化,2004, 27(4):27- 33．