基于MathCAD的气化配煤灰熔融性温度计算

丁瑞锋，丁 蕊，朱 峰，梁正玉

（1.润电能源科学技术有限公司，河南 郑州 450018；2.河南能源化工集团研究总院有限公司，河南 郑州 450046）

引 言

近几十年，国内煤气化技术得到了长足发展，引进的鲁奇炉、Shel l炉、GE水煤浆气化炉和自主研发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉、航天炉、晋华炉等均实现了长周期稳定运转。其中，气流床气化技术由于具有煤种适用性广、碳转化率高、规模大、热效率高等特点，被广泛应用于合成化学品和制气等领域[1-2]。气流床气化均为液态排渣，且炉内壁多采用水冷壁结构，要求煤灰在气化时发生熔融并在炉内壁形成适当厚度的渣层以保护水冷壁。当采用高灰熔融性温度煤进行气化时，为满足液态排渣的要求，一般采取配入低灰熔融性温度煤或加入助熔剂的方法来降低煤灰熔融性温度。在实际配煤时，通常需要对混煤的煤灰流动温度（FT）进行计算预测，气化炉的操作温度一般要求高于煤灰流动温度50℃左右[3-4]。

国内外有许多专家学者致力于有关配煤灰熔融性温度计算的研究工作，并总结了配煤对煤灰流动温度的影响规律，得出具体的数学计算模型，为实际配煤提供依据[5-7]。然而，从煤灰熔融性温度数学模型到配煤比例的计算过程存在参数多、公式繁、计算量大的特点，尤其是在遴选最优配比时往往需要进行多次反复计算，采用手工或计算机编程计算很难满足计算要求。本文采用低灰熔融性温度煤与高灰熔融性温度煤混合配煤，对文献中配煤的煤灰流动温度数学模型进行优选，然后基于计算机辅助计算的思想，利用Mat hCAD计算软件基于数学模型进行配煤灰熔融性温度的计算，以期为配煤提供指导，从而提高气化炉气化效率、解决装置积灰和堵渣等问题。

1 煤灰流动温度数学模型的优选

1.1 实验原料

现有河南煤A、B、山西煤C和安徽煤D四种煤样，其各项指标见表1。

从表1可以看出，煤种A、B的水分和挥发分较高，属于褐煤，煤灰流动温度相对较低；煤种C、D的水分均低于3.50%，结合较高的挥发分，应属于烟煤，煤灰流动温度较高。

表1 四种煤样的主要特性指标

将煤种A、B分别与煤种C、D以不同比例两两混合成36组样品，进行煤灰流动温度的测定，用于数学模型的检验筛选。

1.2 煤灰流动温度数学模型的优选

煤中矿物质组成直接影响煤灰流动温度，有研究表明煤灰中Si O2、A12O3、Ti O2等酸性氧化物含量越高，煤灰流动温度越高，CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O等碱性氧化物含量越高，煤灰流动温度越低[8]。Si O2、A12O3、CaO、Fe2O3、MgO为煤灰中主要的氧化物，一般质量占比在95%以上，对煤灰流动温度的影响较大。

陈文敏等[9]收集了50个褐煤样品，利用多元回归分析等对单种煤的煤灰流动温度与煤灰成分之间模型进行预测，得到的回归式[见式（1）]中含五种灰分成分。李继炳等[10]选取不同省份两种、三种煤进行配煤，采用最小二乘法在混煤煤灰流动温度与煤灰成分之间建立预测模型，见式（2）。张琨[1]选取三种低灰熔融性温度煤和六种高灰熔融性温度煤两两混配组成171组样品，通过待定系数法求取参数，建立煤灰流动温度数学模型，见式（3）。

利用上述代表性经验式[式（1）～式（3）]对36组混煤样品进行煤灰流动温度计算，并与实验测量值进行对比，两者误差比较见图1。

由图1可知，由式（1）和式（2）计算的36组混煤样品煤灰流动温度与测量值误差相对较大，而式（3）误差较小，均在80℃以内，表现出较好的适应性。分析原因，一方面是不同煤种的煤灰组成差异较大，各组分的物理化学作用导致对流动温度的影响不同，文献[1]中用来建立式（3）的褐煤和烟煤与本研究煤质最相近，而式（1）和（2）分别是由单煤种和不同来源的多煤种建立；另一方面，式（3）中参数x为煤灰主要组分酸碱比的变形，适用范围主要看煤种的酸碱比范围，本研究混煤酸碱比为0.5～3.5，与文献[1]中用煤较接近。所以，优选式（3）用于本研究Mat hCAD计算配煤灰熔融性温度。

图1 36组混煤样的煤灰流动温度计算值与实验测量值误差比较

2 基于MathCAD的配煤煤灰流动温度计算

Mat hCAD是美国PTC公司推出的一款工程计算软件，其与专业的计算工具和电子表格不同，Mat hCAD允许使用详尽的应用数学函数等工具，同时设计和记录工程计算过程。当输入数学公式、方程组、矩阵等，MathCAD将直接给出计算结果，无需考虑中间计算过程。对于工程设计人员来说，Mat hCAD运算快捷简单，是计算和设计的理想工具，在土木工程、电气工程、机械工程以及化工工艺工程设计计算中已得到广泛应用[11-12]，但是在气化配煤设计或计算方面的应用却未见文献报道。

2.1 由配煤比例计算混煤煤灰流动温度

以采用式（3）计算煤种A与C混煤（A与C质量比为2∶8）的煤灰流动温度为例。

（1）已知两种煤的混合比例、A煤与C煤的灰分含量及煤灰组成。启用Mat hCAD，首先要赋予各个参数数值，输入以下内容：

煤种A和C进行配煤，其质量分数分别记为X和Y。

煤种A、煤种C的灰分分别记为Aa和Ac，混煤的灰分记为A。

（2）由单煤各项指标，编辑公式计算混煤的灰分及煤灰组成。

（3）输入FT计算式（3），即可直接计算出结果。

综上，当煤种A、C以质量比为2∶8混合时，按照式（3）计算，所得混煤的煤灰流动温度约为1 330.9℃。当计算公式确定后，煤种指标改变或更改煤种时，只需相应改变各参数的数值，就可简捷、快速地获取FT的计算结果。

2.2 由混煤煤灰流动温度反推计算配煤比例

在实际生产的配煤环节，气化炉的操作温度范围是确定的，往往是通过调变各煤种的比例来改变混煤的煤灰流动温度，以适应气化炉的操作，所以由混煤煤灰流动温度反推配煤过程中各煤种比例意义更大。

以煤种B与D的混煤作为某Shel l炉煤源为例，Shel l炉操作温度为1 320℃，现需要混煤煤灰流动温度大约为1 270℃，计算煤种B与D的混合比例。

（1）已知两种煤B与D的灰分含量及煤灰组成。启用MathCAD，首先要赋予各个参数数值，输入以下内容：

煤种B、煤种D的灰分分别记为Ab和Ad，混煤的灰分记为A。

（2）现想得到煤灰流动温度为1 270℃的混煤中B、D煤的质量分数，可先将FT值代入式（3）求参数x。

（3）利用f or函数，由x的代数式反推煤种B和煤种D的质量分数。

即当煤种B、D以质量比0.189 5∶0.810 5混合时，所得混煤的煤灰流动温度约为1 270℃。按照2.1节中步骤对结果进行验算，计算出混煤煤灰流动温度数值为1 270℃。

当准确的数学模型建立后，气化炉的操作温度改变或更改煤种时，只需相应改变各参数的数值，就可快速地获取几种煤的混合比例。当然，并不是所有煤种混合后都能得到所需煤灰流动温度的混煤，即（X,Y）无实数解。为提前判定是否存在（X,Y）的实数解，可先利用该数学模型分别计算各单煤的煤灰流动温度，其中最小值和最大值组成的区间范围内的煤灰流动温度均能通过这几种单煤的混和得到。

3 结论和展望

3.1 36组混煤煤灰流动温度的测量值和利用文献中式（1）、（2）、（3）计算的预测值的误差比较结果表明，式（3）误差较小，均在80℃以内，表现出对本研究煤样较好的适应性，其原因是文献中用来建立式（3）的褐煤和烟煤与本研究煤种最相近，并且式（3）中参数x为煤灰主要组分酸碱比的变形，本研究混煤酸碱比与文献中用煤也较接近。

3.2 基于式（3），利用Mat hCAD计算软件分别进行了由配煤比例到混煤煤灰流动温度和由混煤煤灰流动温度反推配煤比例的计算，表明了利用Mat hCAD进行气化配煤灰熔融性温度计算的准确性和高效性。

3.3 气化配煤除了要计算混煤的煤灰流动温度，还要计算可磨性指数、煤灰黏度等指标，而这些指标的计算都存在公式复杂、计算量大的特点，Mat hCAD计算软件的应用将大大提高工作效率和计算的准确性，是配煤研究和计算领域的理想工具。