典型气流床煤气化炉气化过程的建模

东赫，刘金昌，，解强，党钾涛，王新（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 00083；九州大学电子和材料应用科学系，日本 福冈春日 86-8580 ）

研究开发

典型气流床煤气化炉气化过程的建模

东赫1，刘金昌1，2，解强1，党钾涛1，王新1
（1中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 100083；2九州大学电子和材料应用科学系，日本 福冈春日 816-8580 ）

利用Aspen Plus、基于热力学平衡模型对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化过程建模。根据煤颗粒热转化的历程，将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段，利用David Merrick模型计算热解过程，采用Beath模型校正压力对热解过程的影响，选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应，编制Fortran程序计算半焦裂解产物收率，最后基于Gibbs自由能最小化方法计算气化反应。结果表明，采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合，对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分（CO+H2）体积分数模拟结果的误差均不超过2%，建立模型的可靠性得到验证。

气流床气化炉；热力学平衡模型；Aspen Plus

建立煤气化数学模型的核心在于选择合适的反应模型。迄今为止，煤气化数学模型繁多，主要为动力学模型和热力学平衡模型［1-2］。动力学模型虽能真实地反映炉内的气化反应过程，但该模型的建立依赖于详细的动力学反应机理及反应速率表达式，对于复杂的煤气化反应体系，其应用往往受限于清晰定义的反应和组分个数；另一方面，由于动力学模拟方法及软件的限制，仅能对气化炉单一设备进行模拟研究，难以考察气化前及气化后的整个工艺流程。相较而言［1］，热力学平衡模型不针对特定的气化炉型，以一定的平衡限制条件为假定基础，通过建立各元素组分的反应平衡、质量方程及整个气化炉热量平衡方程，求解煤气的平衡组成。热力学平衡模型设计过程简单，虽不能考察气化炉内的流动传热、传质特性及气化反应的过程，但由于求解速度很快且在选取准确的模型参数时能够获得较为准确的结果，故而在气化炉工程模拟和流程模拟中获得了广泛的应用［3］。

DAI等［4］基于Gibbs自由能最小化原则对煤粉气化过程建立模型，在此基础上考察了操作参数对气化过程的影响，并将模拟结果与实验数据进行比较，两者具有一致性；车德勇等［5］模拟流化床气化时将气化过程分为热解及气化两个部分，并考虑流化床气化炉密相区和稀相区流体动力学参数不同，利用嵌入Fortran气化动力学子程序的2个搅拌釜式反应器模块分别模拟2个区内焦炭的气化反应；汪洋等［6］借助Aspen Plus软件建立了气流床煤气化炉的热力学平衡模型，其中包含裂解、气化及冷却等3个模块，将固体煤经裂解转化为Aspen Plus可处理的常规组分物质，经Gibbs平衡反应器求解产物组成，后经分离模块进行分离得到产品合成气和副产物灰渣。至今，基于热力学平衡模型对煤气化过程的模拟研究主要将气化过程简化为裂解单元和气化单元两部分，且侧重于操作参数对气化炉性能的分析，而关于热力学平衡模型详细的建立过程仍不充分，且实际的气化反应过程较为复杂，上述模型建立时尚未考虑煤气化过程伴随的热解及挥发分燃烧反应，难以系统和准确地反映实际气化过程。KONG等［7］针对水煤浆气化过程建立了三级平衡模型，将气化过程分为热解和燃烧级、气固相反应级及气相反应级3个等级进行模拟，结果表明该模型具有一定的可靠性；徐越等［8］将复杂的煤气化过程分为热解及挥发分燃烧、半焦燃烧气化反应和气化还原反应三部分进行建模，模型预测较为准确。此外，对于煤气化“拔头”工艺煤热解过程，基于Aspen Plus的模拟方法主要使用相关经验关联式计算热解产物组成，而所拟合的相关经验关联式多基于常压条件下的热解实验结果归纳［9］。但对于气流床气化炉，压力对热解过程的影响不可忽略。BEATH［10］研究发现煤热解析出的挥发分得率随着压力升高而减小，并根据实验数据拟合出压力与煤热解产物收率的关系式；LIU等［11］在对气流床气化过程建模过程中，采用Beath模型校正了热解过程，模拟结果更为贴近实际情况。

结合煤（颗粒）气化反应历程，基于热力学平衡模型对气化反应历程中各环节的模拟在以求解产物组成及相态为目的的情况下准确度高且计算量小。本文以实际生产指标为依据，利用Aspen Plus软件，对3种典型气流床气化炉气化过程进行模拟，深入明晰气化炉煤热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应过程模型建立的机理及过程，并依据Beath压力校准模型校准热解过程。

1　煤气化过程建模

1.1煤（颗粒）气化历程解析

煤炭气化过程实际上是煤炭在高温下的热化学反应过程，王辅臣［2］、于遵宏［3］等对煤炭气化过程进行了详细分析，认为煤气化反应虽受气化方式、气化剂及煤种等诸多因素影响，但所有的气化过程存在明显的共性，即煤炭颗粒进入气化炉内先后经历了干燥、热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧和气化反应过程。

对于气流床气化过程，在干燥和热解阶段，由于大部分煤颗粒小于 200目，且炉内平均温度在1300℃以上，煤粉受热速度极快，因而认为干燥阶段煤中水分瞬间蒸发，同时发生快速的热分解脱除挥发分。目前气化过程模型的建立均将水分蒸发过程与挥发分析出过程一起考虑［12］。而后，热解析出的挥发分和形成的半焦进行燃烧和气化反应，此过程中挥发分的燃烧反应产生的热量以供为后阶段的气化反应，不可忽略。气化反应阶段包括气化剂与煤或焦之间的反应、煤与反应物之间的反应、反应产物与气化剂及反应产物之间的反应。

需说明，实际气化过程中各个阶段可能同时进行，难以清晰分割。为便于气化过程模型的建立，结合煤气化反应历程，拟将复杂的煤气化过程进行分段，即划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段。

1.2热解过程

1.2.1David Merrick模型

David Merrick建立了煤热解挥发分及焦炭产量的计算经验模型［13］，该模型基于元素平衡计算热解挥发分的成分及焦炭的产率，计算简便且通用性较好［14］。假设挥发分产物有CH4、C2H6、CO、CO2、H2、H2O、NH3、H2S和焦油，其他产物只有焦。具体方程如式（1）所示。式（1）是由10个方程组成的10阶矩阵，矩阵每行代表每个方程中10个回归系数。其中，第1行为碳平衡方程，2～5行分别为H、O、N、S平衡方程，第6行为质量平衡方程，7～10行表示各个物质的收率。

1.2.2压力校正

气流床气化炉内压力较高，在使用热解模型对原煤热解产物进行计算后需要通过压力校正才能更加准确地模拟气流床气化过程。论文拟根据BEATH［10］实验结果提出的烟煤压力校准模型，如式（2）。

1.3挥发分燃烧过程

使用David Merrick 模型可计算出的挥发分有CH4、C2H6、CO、CO2、H2、H2O、NH3、H2S及焦油。其中可以发生燃烧反应的有CH4、C2H6、CO、H2、H2S及焦油。假定气化反应过程中气化剂充足，上述五种可燃挥发分以及焦油发生了完全燃烧反应，采用Aspen Plus软件现有的操作模块化学计量反应器（RSTOIC）进行模拟，主要反应方程式如式（3）～式（7）。

1.4煤（焦）裂解过程

煤、半焦都是复杂的混合物，在模拟软件中无法对组分不清楚的混合物进行计算，将热解后的半焦依据其工业分析和元素分析结果分解为单元素分子（C、H2、O2、N2、S）和灰分，裂解组分的收率通过 Aspen Plus 内嵌的 Calculator计算模块中Fortran语言编写的程序来控制。该单元本身遵循质量守恒，只需考虑稳态情况下系统能量的守恒，且由于煤气化是化学反应过程，因而可采用生成焓来计算反应中气体和固体的焓。煤裂解单元的焓平衡方程及生成焓［15］如式（8）、式（9）。

式（8）表示在一定温度T下，等号左边的两项分别表示进料物流的生成焓和总焓，等号右边前两项分别表示反应产物的生成焓和总焓。

在Aspen Plus 软件模拟时，半焦裂解过程产物依据焦的工业分析和元素分析，通过 Fortran 编程语言实现，如下所示［16］。

FACT=（100-WATER）/100

H2O=WATER/100

ASH=ULT（1）/100*FACT

C=ULT（2）/100*FACT

H2=ULT（3）/100*FACT

N2=ULT（4）/100*FACT

Cl2=ULT（5）/100*FACT

S=ULT（6）/100*FACT

O2=ULT（7）/100*FACT

其中，Fortran语言中ULT为矢量，代表煤的元素分析（ULTANAL）。

1.5煤（焦）气化过程

气化反应单元采用平衡反应器RGIBBS模块，该模块根据系统Gibbs 自由能趋于最小原则，由于气流床煤气化本身温度较高，约达1500℃，压力约为 4MPa，因此可认为反应体系在瞬间达到化学反应平衡，在考虑热损失的前提下，通过建立下述非线性方程组计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和分布［17］。

目标函数如式（10）。

质量守恒约束条件如式（11）。

焓平衡约束条件如式（12）。

非负约束条件如式（13）。

2　Aspen Plus模拟流程

2.1建模假设条件

结合煤气化反应特征及Aspen Plus模拟的适用性，建模需作如下假设［7］。

（1）整个气化反应可以分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解和气化4个步骤进行；

（2）热解过程不受气化炉内气氛条件的影响，热解产物主要考虑焦、焦油（CmHn）、CH4、CO、CO2、H2、H2O、N2和H2S；

（3）挥发分燃烧过程中，由热解产生挥发分的可燃成分在富氧的条件下完全燃烧；

（4）热解产生的半焦根据工业分析和元素分析结果裂解为C、H、O、N、S 的单质和灰分进行气化反应；

（5）气化炉处于稳定运行状态，所有参数不随时间发生变化，无压力降，且不考虑气化炉内的浓度梯度和温度梯度；

（6）半焦中的 C、H、O、N、S 等元素经过反应之后全部转化为气相，而C 根据反应条件的不同不完全转化；其中ASH为惰性组分，不参与气化反应；

（7）整个气化过程都瞬间完成，且所有煤粒都参与到气化反应中。

2.2模型选择

建模过程所选用的Aspen Plus中的模块如表1所示。

2.3模拟流程

基于前述假设，选择适于处理高压烃热力学性质的PR-BM状态方程［18］，采用Aspen Plus现有的单元操作模块对整个煤气化过程进行建模，整个气化过程模拟流程如图1所示。

（1）热解过程原料（COAL）和载气（CARRIERG）进入混合器（MIX1）中混合，混合之后（FEED）煤粉在RYIELD反应器（PYROLY1）中发生常压下的热解反应生成挥发分和半焦的混合物P1。P1进入RYIELD反应器（PYROLY2）中进行热解压力校正，得到热解产物P2。P2经过分离器（SEP2）进行气固相分离，得到挥发分（GAS）、半焦（CHAR）和焦油（TAR）。由于气流床煤气化反应在高温高压富氧条件下进行，热解产生的焦油瞬间发生了完全燃烧反应，因而将热解产生的焦油作为气相的热解挥发分处理。

（2）挥发分燃烧过程挥发分（GAS）氧化剂（OXYGEN）混合进入到 RSTOIC反应器（COMBUST）中发生燃烧反应，得到产物（GASPRO）。

表1　Aspen Plus模块应用汇总

图1　气流床煤气化过程模拟流程图

（3）半焦裂解过程半焦（CHAR）进入到RYIELD 反应器（DECOMP）中进行裂解反应，得到C、H2、O2、N2、S及ASH混合物（DECOMP）。

（4）气化过程挥发分燃烧产物（GASPRO）、半焦裂解产物（DECOMPUD）及水蒸气（STEAM）首先进入混合器（MIX2）中混合，混合物（MIXTURE）进入RGIBBS反应器（GASIFIER）中进行气化，生成产物（PRODUCT）。

3　模拟与校核数据

3.1分析数据

（1）煤质分析数据选用宁东重化工基地某 煤气化厂中GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化炉实际运行过程的气化原煤，其主要煤质指标如表2所示。

表2　煤的工业分析和元素分析　　单位：%

（2）半焦分析数据利用David Merrick模型估算热解产物需用到半焦的工业分析和元素分析数据，将原煤通过热解实验制得半焦，热解后的半焦工业分析与元素分析数据如表3所示。

3.2热解模型计算

根据David Merrick模型计算热解产物的结果如表4所示；根据Beath模型校准的热解产物结果如表5所示。

表3　半焦的工业分析和元素分析　　单位：%

表4　热解产物组成

表5　Beath模型校准的热解产物组成

3.3气化模型验证

应用建立的气化模型进行模拟的结果汇总于表6。表6也给出了气化生产的实际数据。

由表6可知，模拟结果与实际工业生产数据基本吻合，GSP、GE及四喷嘴对置水煤浆气化炉合成气有效成分（CO+H2）体积分数模拟结果误差分别为1.48%、0.53%及0.31%，说明该模型能够较为准确的模拟3种典型气流床气化炉气化过程。

表6　GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉模拟结果验证

4　结　论

（1）根据煤（颗粒）气化历程，详细解析了煤热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应各个阶段的机理及过程。

（2）基于热力学平衡模型，利用 Aspen Plus软件建立了气化过程各个阶段的模型，其中热解过程依据David Merrick模型计算，并采用BEATH模型校正了压力对热解过程的影响，挥发分燃烧反应过程选用了化学计量反应器模拟，通过Fortran程序计算了半焦裂解产物收率并基于Gibbs自由能最小化方法计算了气化反应的产物组成。

（3）以GSP、GE及四喷嘴对置式水煤浆气化装置生产数据为依据，基于所建模型对3种典型气流床气化炉气化过程进行模拟，结果表明，模拟计算结果与实际生产数据基本吻合，3种气化炉的模拟结果中有效气成分（CO+H2）体积分数的误差均不超过 2%，验证了该模型用于模拟气流床气化炉气化过程的可靠性。

符号说明

bk—— 元素的摩尔数，mol

C —— 组分数

Car—— 煤收到基中C的含量，%

G —— Gibbs自由能

HHV —— 煤收到基高位发热量，J

Har—— 煤收到基中H的含量，%

∆Hi—— 组分的焓，J

Mar—— 煤收到基中Moisture的含量，%

mjk—— 组分的原子矩阵

n —— 组分摩尔数，mol

P —— 系统中相的个数

QL—— 系统的热损失，J

QP—— 煤粉裂解热，J

S —— 单独存在的相，如固体颗粒

Sar—— 煤收到基中S的含量，%

V1am*—— 常压下挥发分的得率，%

Vp*—— 压力为Pt时的挥发分实际得率，%

w（C）—— 半焦干燥无灰基中C的质量分数

w（H）—— 半焦干燥无灰基中H的质量分数

w（N）—— 半焦干燥无灰基中N的质量分数

w（O）—— 半焦干燥无灰基中O的质量分数

w（S）—— 半焦干燥无灰基中S的质量分数

Z——系统中元素的个数

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Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coal gasifiers

DONG He1，LIU Jinchang1，2，XIE Qiang1，DANG Jiatao1，WANG Xin1
（1School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2Department of Applied Science for Electronics and Materials，Kyushu University，6-1 Kasuga-Koen，Kasuga，Fukuoka 816-8580，Japan）

This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSP pulverized coal gasification，GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple-Burner gasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermal conversion procedure of fine coal particles，the coal gasification was interpreted as consisting of four stages including pyrolysis，volatile combustion，char decomposition and gasification reaction. Then，the pyrolysis stage was calculated by the David Merrick model and the effect of pressure on the coal pyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated by using Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortran program. And finally，the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energy minimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model of gasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulated results of volume fraction of the effective gas （CO+H2） of these three typical entrained-flow gasifiers were all less than 2%，which can validate the reliability of the coal gasification model.

entrained-flow gasifiers；thermodynamic equilibrium model；Aspen Plus

TQ 546

A

1000-6613（2016）08-2426-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.19

2015-10-30；修改稿日期：2015-12-09。

国家重点基础研究发展计划（2014CB238905）及中央高校基本科研业务费（2009KH10）项目。

东赫（1991—），女，硕士研究生。联系人：解强，教授，博士生导师。E-mail dr-xieq@cumtb.edu.cn。