煤氣化過程的數學模型

史 聰，楊 英，夏支文

（神華寧夏煤業集團有限責任公司, 寧夏 銀川 750411）

煤氣化技術是目前及未來實現煤炭高效、清潔、經濟利用的關鍵技術之一。因此，開發潔凈煤技術，提高煤炭利用效率、降低煤氣化成本的有效途徑是研制和推廣應用大型化、先進的煤炭氣化技術。當前，從更深層次的理解氣化機理，建立能真實反映煤氣化過程的數學模型，已成為指導氣化爐設計、評價、生產過程優化及改進的重要發展方向，也是世界范圍內開發先進煤氣化爐的研究熱點。

自20世紀70年代以來，國內外學者對煤氣化過程的反應機理、反應動力學和熱力學進行了大量的研究工作，并建立了煤氣化過程的數學模型，主要分為動力學模型和平衡模型。其中典型動力學模型有Watkinson等[1]提出的動力學模型、王輔臣等[2-4]提出的三區模型、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氣流床煤氣化爐模型等。本文重點對典型三區模型、小室模型及基于Gibbs自由能最小化方法模型進行介紹。

1 三區模型

1.1 模型描述

王輔臣等[2,3]提出水煤漿氣化過程三區模型，認為爐內存在流體力學特性各異的射流區、回流區及管流區，對應存在化學反應特性各異的一次反應區、二次反應區和一、二次反應共存區。在此基礎上建立水煤漿氣化爐數學模型、激冷室與洗滌塔數學模型、文丘里洗滌器數學模型，其中氣化爐數學模型包含氣相物料的混合模型和殘炭量計算模型，以及微量組分計算模型[4]。

（1）氣相物料的混合模型

在進行氣化爐氣相物料的計算時, 必須從停留時間分布的角度出發, 考慮到微觀混合與宏觀混合的時間尺度。氣化爐內宏觀混合的時間尺度為 tM=0.15～0.50 s。氣化爐內物料微觀混合的時間尺度為～0.66 s。

（2）殘炭量計算模型

氣化爐出口殘炭量占煤中總有效成分量的分率用下式計算。

當脫揮發分的速率遠大于殘炭的氣化速率時，Rc/Rv→0，tcrit→1/ Rc，上式簡化為：

式中:Vt—揮發分析出的總量，

Rv—揮發分析出速率,kg·kg-1·s1;

Rc—殘炭的反應速率,kg·kg-1·s1。

1.2 模型驗證（kg·kg-1·s1）

該模型選用的煤的組成及熱值見表1所示，模擬結果表明，模擬值與操作值吻合良好，所建立的氣化過程數學模擬是可靠的。

表1 煤的組成及熱值Table 1 The composition and calorific value of coal

1.3 模型評價

該模型是以氣化系統的熱力學平衡為基礎，同時考慮了反應動力學因素的影響，能真實地反應爐內的氣化過程，對最終煤氣成分的預測與操作值較吻合，同時可對NH3和HCOOH微量組分進行計算，模擬結果對工程防止灰水循環系統的結垢和腐蝕具有指導意義。

但該模型僅適用于水煤漿氣化過程，且模擬結果取決于噴嘴與爐體匹配形成的流場，必須對氣化爐結構、噴嘴結構及射流特性對流場特性的影響進行深入且可靠的流體力學研究。

2 小室模型

2.1 模型描述

李政等[5,6]采用“小室模型”方法，將氣化爐沿軸向分割為多段，即為小室，且認為每個小室為 氣體組分質量、固體質量、碳質量及能量的平衡空間，建立起預測Texaco煤氣化爐性能的數學模型。

建模做如下假定：（1）氣化爐內流動為均勻平推流；（2）水煤漿的預熱、水分蒸發、揮發份在入爐后瞬間完成；（3）煤顆粒尺寸采用同一粒徑，水煤漿滴在完成水分蒸發和揮發份釋放后，煤顆粒不結團，此獨立存在；（4）縮核不縮炭假定。

模型考慮了氣相反應和氣固異相反應兩種化學反應，并建立及起反應速率計算公式，另外建立了固體停留時間的計算公式。

式（4）為氣相反應速率表達式，式（5）為氣固反應速率表達式，式（6）、（7）、（8）為固體停留時間計算式。

2.2 模型驗證

模型采用Illinois 6號煤對動力學數據進行適當的調整，用另外2組煤種進行校核，元素分析見表2所示。模擬值與試驗數據基本吻合，證明該模型可信度較好。

表2 元素分析和工業分析Table 2 Element Analysis and industrial analysis

2.3 模型評價

該模型較為詳細的描述爐內動力學反應過程，模擬結果與氣化爐實際運行情況較吻合，具有較大的可信度和應用價值，建議從以下方面進一步完善和深化：

（1）缺少對NH3和HCOOH等微量組分的計算；

（2）鑒于氣化爐內氣固流動的復雜性，模型假設與實際流動特性存在差別，有待修正；

（3）氣化爐分割成小室的分配高度和個數無明確定義，模型相對復雜，通用性較差。

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流程模擬軟件，運用Gibbs自由能最小化方法建立了高溫高壓下的氣流床煤氣化爐模型，并采用Aspen Plus10.2中的物性數據庫和單元模塊進行計算。其示意圖見圖1所示，主要包含Decomp、Burn、Separate三大單元模塊。

Decomp單元是將粉煤分解轉化成單原子的分子并將裂解熱傳遞給Burn單元；Burn單元考慮了5種元素和15個組分，在體系達到化學反應熱平衡判據式時，基于Gibbs自由能最小化原理模擬計算氣化爐的出口組成和溫度；Separate模塊是將氣化爐激冷室排出的氣液混合物完全分離成氣、液兩相。

圖1 氣流床煤氣化爐模型示意圖Fig.1 Entrained flow coal gasifier model diagram

3.2 模型驗證

該模型采用的煤種（北宿煤）元素分析和工業分析見表3。操作條件為：水煤漿流量為75 033 kg/h，煤漿濃度為64%（wt），氧氣流量為30 375 m3/h，氣化壓力為 4.0 MPa（g），碳轉化率為 98%，熱損失為0.5%。通過對Burn單元模塊的模擬計算結果進行元素（C、H、O）平衡和熱平衡分析，所建立的模型基本正確，模型計算結果比較可靠。

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

3.3 模型評價

從理論分析來看，該模型的計算結果與實際值一致，但存在以下不足：

（1） Burn單元模塊模擬計算出的氣化爐出口組成與溫度未與工業實際操作值進行比較，一定程度上限制了對工業實際操作的指導作用；

（2） Decomp單元模塊未考慮載氣（如 N2、CO2）的輸入，是否適用于氣流床干粉煤氣化爐有待驗證；

（3） Burn單元模塊未考慮Cl元素和NOX等微量組分，煤種選取單一，而這些對工業實際過程有重要的指導意義；

（4）模型驗證采取的碳轉化率高，較低碳轉化率的情況未考慮；

（5）由于該模型，不考慮氣化爐的流動傳熱、傳質特性以及氣化反應的過程，相對比較簡單，尚不能真實反映氣化爐內的氣化過程。

4 結 論

近年來國內以李政、王輔臣、汪洋等為代表的不少學者作了大量的研究工作，并建立了典型“三區模型”、“小室模型”、“基于 Gibbs自由能最小化方法模型”煤氣化爐數學模型，總體來說，各模型較為可靠，在特定煤種和氣化爐結構的條件下模型值都能與實際值較吻合，具有很大的應用和推廣價值。但是，相對來說，各模型通用性較窄，在煤氣化機理、爐內多項流動力學特性、微量組分計算、動態模擬等方面，大量基礎研究和模擬優化工作有待進一步深入或開展。

［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,王輔臣,等.水煤漿氣化過程三區模型[J].燃料化學學報,1993, 21(1): 90- 951．

［3］王輔臣,劉海峰,龔欣,等.水煤漿氣化系統數學模擬[J].燃料化學學報,2001, 29(1): 33- 38．

［4］ 王輔臣, 于遵宏, 沈才大,等.德士古渣油氣化系統數學模擬[J].華東化工學院學報, 1993, 19( 4) : 393-3001.

［5］ 李政,王天驕,韓志明,等.Texaco煤氣化爐數學模型的研究—建模部分[J].動力工程,2001, 21(2): 1161- 1168．

［6］李政,王天驕,韓志明,等.Texaco煤氣化爐數學模型研究(2)—計算結果及分析[J].動力工程,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,代正華,于廣鎖,等.運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化,2004, 27(4):27- 33．