氣流床氣化爐工程化數(shù)學(xué)模型的開發(fā)與應(yīng)用＊

劉 臻 盧 洪

（北京低碳清潔能源研究所煤氣化中心，北京市昌平區(qū)，102209）

煤氣化爐是現(xiàn)代煤化工和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）的核心關(guān)鍵設(shè)備。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣化爐的性能，尤其是不同運(yùn)行條件下氣化爐出口合成氣的組分，是進(jìn)行氣化爐系統(tǒng)性能分析、工程設(shè)計(jì)的必需條件。平衡模型以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ)，模型算法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，并且具有一定的通用性，對(duì)碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的氣流床氣化爐預(yù)測(cè)較好，非常適用于技術(shù)上比較成熟的氣流床氣化爐的工況分析和操作參數(shù)優(yōu)化。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，Watkinson等提出的化學(xué)平衡模型對(duì)氣流床氣化爐的預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。本文在其基礎(chǔ)上建立了基于水煤漿和粉煤氣化過程的工程化計(jì)算模型，并以德士古和殼牌氣化爐的實(shí)際操作數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，從氣化反應(yīng)溫度和最終產(chǎn)物合成氣組分兩方面驗(yàn)證了所建模型的可靠性。開發(fā)的氣化爐工程化數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤氣化爐的性能，獲得不同運(yùn)行條件下煤氣化爐出口煤氣成分，可對(duì)運(yùn)行中的氣化爐進(jìn)行工況分析和操作優(yōu)化。

1 模型描述

本模型依據(jù)氣流床氣化反應(yīng)特性及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，作如下假設(shè)：

（1）氣化爐處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，所有參數(shù)不隨時(shí)間而變化；

（2）煤顆粒中灰分是惰性的，不參與氣化反應(yīng)，產(chǎn)品煤氣中不含高分子量的碳?xì)浠衔铮?/p>

（3）煤中的元素H、O、S 和N 全部轉(zhuǎn)入氣相，N 全部轉(zhuǎn)化為N2，S 全部轉(zhuǎn)化為H2S，而C則隨操作參數(shù)的變化不完全轉(zhuǎn)化，參加反應(yīng)的元素為C、H、O 和S；

（4）模型考慮的氣化產(chǎn)物有CO、CO2、H2、CH4、N2、H2S和H2O；

（5）在模型簡(jiǎn)化設(shè)定的條件下，最后的氣體成分組成主要取決于均相水煤氣變換反應(yīng)和均相甲烷化反應(yīng)，因此只建立以上兩個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式。

1.1 質(zhì)量平衡

根據(jù)模型假設(shè)，以粉煤氣化爐為例，表1給出了氣化爐進(jìn)出口的物料平衡。水煤漿氣化爐的質(zhì)量平衡與粉煤氣化爐類似，在此不再詳述。

1.2 化學(xué)反應(yīng)平衡

氣流床氣化爐中發(fā)生的主要均相和異相反應(yīng)見表2。均相反應(yīng) （1）、 （2）和 （4）分別是CO、H2和甲烷的燃燒反應(yīng)，一般發(fā)生在氣化爐噴嘴附近的富氧燃燒區(qū)。這些反應(yīng)的速度很快，而且?guī)缀跏遣豢赡娣磻?yīng)，無(wú)需考慮它們的化學(xué)平衡計(jì)算。

均相反應(yīng) （3）也稱作CO 變換反應(yīng)或均相水煤氣反應(yīng)，是氣化過程中最重要的反應(yīng)之一，在較低的溫度下就很容易進(jìn)行，轉(zhuǎn)化速度很快。在氧氣不充分的情況下 （氣化爐出口處），它決定了最終合成氣成分的分布。

均相反應(yīng) （5）為均相甲烷化反應(yīng)，其反應(yīng)速度要比異相甲烷化反應(yīng) （2）大。由于其是體積縮小的反應(yīng)，需要4個(gè)分子一起進(jìn)行反應(yīng)，因此在常壓下反應(yīng)進(jìn)行的幾率比較小，但在氣流床氣化爐運(yùn)行的較高壓力調(diào)節(jié)下，此反應(yīng)的速率比較快。

表1 粉煤氣化爐進(jìn)出口物料 （元素）平衡

表2 氣化爐中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)

從建立工程化氣化爐模型的目的考慮，本文只選取了兩個(gè)對(duì)氣化爐出口合成氣組成分布影響最大的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)建平衡常數(shù)關(guān)系式，即均相水煤氣變換和甲烷化反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式：

式中：Ki——平衡常數(shù)；

Yi——?dú)怏w組分摩爾分?jǐn)?shù)；

P——?dú)饣瘔毫?，atm；

T——?dú)饣磻?yīng)溫度，K。

1.3 能量平衡

根據(jù)能量守恒定律，輸入氣化爐內(nèi)的總熱量應(yīng)該等于從爐中輸出的總熱量，即總輸入熱量等于總輸出熱量。本模型中，輸入氣化爐的熱量主要有煤的熱值以及煤和氣化劑帶入爐內(nèi)的顯熱；氣化爐輸出的熱量主要包括合成氣熱值及其顯熱，還有排渣和飛灰?guī)С龅臒崃恳约皻饣癄t的熱損失。從簡(jiǎn)化模型角度考慮，以上3部分的熱損失取經(jīng)驗(yàn)值，一般為帶入爐內(nèi)煤的總熱量的1%～3%。氣化爐的能量平衡方程可以表達(dá)為：

式中：mi——質(zhì)量流量，kg／h；

hLOSS——?dú)饣癄t熱損失，kJ／h；

hi——熱值，kJ／kg；

Cpi——比熱容，kJ／ （kg·K）；

TO——參比溫度，取298K；

TIN——入爐溫度，K；

TOUT——出爐溫度 （即氣化反應(yīng)溫度），K。

在本模型中，認(rèn)為所有的氣體為理想氣體，在理想狀態(tài)下，物質(zhì)的定壓比熱容CP與溫度T 有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中：CP——定壓比熱容，J／ （mol·K）；

T——溫度，K；

A、B、C、D、E——系數(shù)，數(shù)值可在文獻(xiàn)中查取。

1.4 模型求解的計(jì)算方法

根據(jù)建立的質(zhì)量、能量平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡，就可以對(duì)氣化反應(yīng)體系進(jìn)行求解計(jì)算。在該反應(yīng)體系中，有8 種 組 分 （即CO、CO2、H2、CH4、N2、H2S、H2O、灰）和氣化溫度T 共9 個(gè)未知變量。根據(jù)模型分析，可以建立6種組分的質(zhì)量平衡方程 （見表1），2個(gè)化學(xué)反應(yīng)平衡方程見式 （1）和（2）以及1個(gè)能力平衡方程，見式 （3）。通過這9個(gè)方程聯(lián)立求解，可求得所有9個(gè)未知變量。

由于這3種平衡之間相互約束，直接對(duì)多元多次方程組進(jìn)行求解難度較大，因此可首先根據(jù)氣化爐特點(diǎn)和煤質(zhì)特性，假定初始?xì)饣磻?yīng)溫度，由反應(yīng)平衡方程和質(zhì)量平衡方程求出氣體組成，再代入能量平衡方程檢驗(yàn)是否達(dá)到平衡，反復(fù)迭代后即可達(dá)到模型收斂。模型計(jì)算的流程框圖見圖1。

2 模型計(jì)算及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)建立的氣化爐平衡模型，在MS-Excel軟件自帶的VBA （Visual Basic Application）環(huán)境下進(jìn)行編程并進(jìn)行模擬計(jì)算。與Matlab、Aspen plus等專業(yè)軟件相比，本文開發(fā)的基于Excel-VBA 平臺(tái)的氣化爐模型工具更為簡(jiǎn)便易用，且無(wú)需支付高昂的軟件費(fèi)用。

圖1 模型計(jì)算的流程框圖

模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證通過選取德士古和殼牌兩類主流氣流床氣化爐的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值來(lái)進(jìn)行比較。驗(yàn)證模型所用的氣化爐工況列于表3、表4、表5和表6，分別選取了水煤漿氣化爐 （德士古）和粉煤氣化爐 （殼牌）不同的運(yùn)行條件，包括不同的煤種以及不同的氣化壓力。模型計(jì)算結(jié)果中粗合成氣的7種氣體組分與工廠實(shí)測(cè)值的平均根方差 （RMSD，Root Mean Square Deviation）均小于2.2%，特別是與神華包頭煤制烯烴廠的德士古氣化爐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，開發(fā)的工程化模型準(zhǔn)確性略優(yōu)于Aspen plus商用流程模擬軟件，表明該工程化模型具有較高的可信度。

從表3和表4可以看出，德士古氣化爐4種工況下CO 的模型預(yù)測(cè)值一般略高于實(shí)測(cè)值，而H2的預(yù)測(cè)值則略低。從表5和表6可以看出殼牌氣化爐3種工況下的計(jì)算結(jié)果則與德士古氣化爐正好相反。由于氣化爐出口粗合成氣中CO 與H2的相對(duì)組成主要由均相水煤氣變換反應(yīng)決定，分析模型對(duì)德士古和殼牌兩種氣化爐出口CO 和H2含量的預(yù)測(cè)偏差可能是由于在選取的德士古氣化爐工況下，水煤氣變換反應(yīng)僅達(dá)到 “近平衡”狀態(tài)，而在選取的殼牌氣化爐工況下，該反應(yīng)達(dá)到了 “過平衡”狀態(tài)。但總體來(lái)講，該工程化模型對(duì)7種氣體產(chǎn)物的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，表明模型對(duì)不同工況均具有較好的預(yù)測(cè)能力，可以用來(lái)預(yù)測(cè)氣化操作參數(shù)對(duì)煤氣化過程及最終合成氣成分的影響。

表3 德士古水煤漿氣化爐的操作條件

表4 德士古水煤漿氣化爐實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值的比較驗(yàn)證結(jié)果

表5 殼牌粉煤氣化爐的操作條件

表6 殼牌粉煤氣化爐實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值比較驗(yàn)證結(jié)果

3 氣化爐操作條件影響計(jì)算與分析

3.1 氧煤比變化

氧煤比是氣化爐的一個(gè)重要操作條件，從氣化機(jī)理分析，氧煤比上升意味著氣化劑流量和氧氣供應(yīng)量的增加，由此導(dǎo)致燃燒反應(yīng)增加，氣化爐溫度水平提高。由于氧氣供應(yīng)量增加，燃燒反應(yīng)加劇，揮發(fā)分釋放的CO 和H2更多地被燒掉了，碳燃燒轉(zhuǎn)化為CO2的量也有所增加。因此，盡管溫度升高，水煤氣反應(yīng)及其他氣化反應(yīng)加劇，但最終結(jié)果是CO 濃度略有增加，而氫氣濃度反而有所下降，總體上有效氣濃度略有下降。

以使用神東煤的神華包頭煤制烯烴廠德士古氣化爐為例，氧煤比對(duì)水煤漿氣化性能的影響見圖2。隨著氧煤比的增加，氣化溫度提高，合成氣中有效氣體 （CO+H2）含量降低，冷煤氣效率降低，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與反應(yīng)機(jī)理分析比較符合。

在正常生產(chǎn)中，氣化爐的操作除了考慮更多的有效氣產(chǎn)量和更高的冷煤氣效率外，還要保證氣化爐正常排渣。因此，氣化溫度必須大于進(jìn)料煤的灰熔點(diǎn) （1220℃），從圖2中可以看到，氣化溫度大于1200℃時(shí)，氣化爐的氧煤比不能低于0.88。在這一約束條件下，實(shí)際操作中可盡量在較低的氧煤比下運(yùn)行氣化爐會(huì)獲得更好的氣化性能指標(biāo)，這也與該氣化爐氧煤比的設(shè)計(jì)值相一致。

圖2 氧煤比對(duì)水煤漿氣化爐性能的影響

3.2 熱解半焦水煤漿氣化技術(shù)評(píng)估

考察我國(guó)的煤炭資源特征可知，高含水量、低熱值、高揮發(fā)分的煤種在我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量中所占比例超過40%，其市場(chǎng)價(jià)值低、運(yùn)輸成本高、發(fā)電效率低和氣化技術(shù)難度大。此類煤的市場(chǎng)價(jià)值遠(yuǎn)低于優(yōu)質(zhì)煤。利用低階煤熱解半焦水煤漿加壓氣化技術(shù)，可將低階煤通過中溫?zé)峤猥@得適宜于水煤漿氣化的產(chǎn)品半焦，進(jìn)而探索出一條低階煤最優(yōu)利用的新途徑。

北京低碳清潔能源研究所承擔(dān)的科技部863課題 《低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化技術(shù)研發(fā)》，研究開發(fā)了以褐煤為代表的低階煤熱解半焦制備水煤漿核心技術(shù)，并計(jì)劃將所開發(fā)低階煤半焦制備水煤漿技術(shù)放大應(yīng)用于實(shí)際水煤漿氣化過程，通過500t／d以上規(guī)模工業(yè)氣化爐試燒試驗(yàn)，考核氣化爐的各項(xiàng)性能指標(biāo)。在實(shí)施工業(yè)氣化爐試燒試驗(yàn)前，分析原料半焦的煤質(zhì)特性以及氣化爐的操作特性，通過開發(fā)的氣化爐數(shù)學(xué)模型對(duì)試燒操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)氣化爐的性能指標(biāo)可在一定程度上幫助研究人員深入了解原料半焦的氣化特性，進(jìn)而為優(yōu)化操作提供依據(jù)。

開展試燒試驗(yàn)的氣化裝置是清華大學(xué)開發(fā)的新型水煤漿水冷壁氣化爐，單爐處理原煤600t／d，氣化爐運(yùn)行壓力4.0 MPa；產(chǎn)品是以CO 和H2為主的合成氣，合成氣經(jīng)過凈化、變換、脫硫脫碳后用于合成氨和甲醇合成。利用開發(fā)的氣化爐模型，在不同條件下對(duì)熱解半焦水煤漿氣化性能的影響進(jìn)行模型計(jì)算，試燒原料半焦的煤質(zhì)特性見表7。

表7 試燒原料半焦的煤質(zhì)特性數(shù)據(jù)

圖3是水煤漿濃度從58%增加到66%時(shí)，氣化爐出口有效氣含量、溫度、冷煤氣效率和比氧耗的模擬計(jì)算結(jié)果。此時(shí)，單位時(shí)間供入氣化爐的水煤漿質(zhì)量不變、氧煤比也不變，因此進(jìn)入氣化爐的干煤流量增加，相應(yīng)地氧氣供應(yīng)量也增加。計(jì)算結(jié)果表明：隨著煤漿濃度的增加，氣化爐出口溫度，有效氣含量和冷煤氣效率呈上升趨勢(shì)。這是由于氧煤比不變，提高水煤漿濃度使得水分減少，導(dǎo)致氣化反應(yīng)溫度水平提高。由氣化機(jī)理可知，溫度升高，水煤氣反應(yīng)加劇，甲烷生成反應(yīng)減弱；但同時(shí)由于進(jìn)入氣化爐內(nèi)的水分減少，變換反應(yīng)的平衡點(diǎn)左移。兩種因素綜合，CO 的含量增加，H2的含量略有下降，有效氣的總含量呈升高趨勢(shì)。

此外，由于在提高水煤漿濃度的同時(shí)氧煤比保持不變，氣化爐生產(chǎn)的合成氣總量和有效氣含量均隨之增加，因此水煤漿濃度的升高對(duì)比氧耗性能指標(biāo)的影響不太顯著。

圖3 水煤漿濃度對(duì)熱解半焦氣化性能的影響

4 結(jié)論

與以往氣化爐數(shù)學(xué)模型相比，本文建立的氣流床氣化爐工程化數(shù)學(xué)模型具有以下突出特點(diǎn)：

（1）通過適當(dāng)提煉關(guān)鍵影響因素和主導(dǎo)反應(yīng)過程，對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，開發(fā)出了能正確反映氣化爐主要變化趨勢(shì)，可用于氣化爐操作工況分析和優(yōu)化的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。

（2）用戶操作界面友好且功能較為全面，可以作為氣化爐操作參數(shù)研究的有力工具，即可計(jì)算燃料及氣化劑流量和溫度、氣化爐工作壓力、煤種、水煤比及氧煤比等主要運(yùn)行參數(shù)的影響。

（3）與大量的氣化爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，證明本模型具有較好的可信度。

（4）所建立的數(shù)學(xué)模型可以詳細(xì)地研究氣化爐主要運(yùn)行參數(shù)的影響，而且趨勢(shì)基本正確，可以為操作參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

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