GE水煤漿氣化爐動力學建模與分析

李璐伶，諸林，范峻銘

（西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500）

GE水煤漿氣化爐動力學建模與分析

李璐伶，諸林，范峻銘

（西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500）

利用未反應芯縮核模型建立了GE氣化爐內氣固反應的動力學模型，依據“小室模型”進行了氣化爐中物質的質量和熱量衡算。模型計算結果與文獻值進行了對比，氣化爐出口主要氣體摩爾分數最大誤差不超過2%，表明模型具有一定的合理性。分析了不同氧煤比、水煤漿濃度對合成氣組成、溫度及冷煤氣效率的影響。研究結果表明：隨著氧煤比增加，CO含量增加，H2含量減少，CO2含量幾乎不變，冷煤氣效率先增加后減少，其變化范圍為74%～79%；隨著水煤漿濃度增加，CO含量增加，H2和CO2含量有所降低，冷煤氣效率變化不明顯。研究了當氧煤比為 0.95、水煤漿濃度為 55%時，合成氣組分濃度及溫度在床層中的分布情況，結果顯示：當氣化爐高度小于0.5 m時，氣化反應發生劇烈，當O2消耗完畢后，合成氣溫度下降。

氣化爐；動力學；建模；氧煤比

傳統煤開發和利用技術不僅導致煤熱能利用效率低下，而且對環境造成了極大地污染。如何合理、有效和潔凈化利用煤炭具有重大的現實意義。煤氣化技術可將難以加工處理、燃燒效率低的固體煤轉化為易于凈化、應用的氣體[1]。煤氣化工藝中的GE（原Texaco）氣流床工藝由于具有原料適應性強、生產能力大、碳轉化率高等特點而得到廣泛應用。

GE水煤漿氣化爐的建模是應用基本定律，結合有關流動流型、化學反應和傳熱等方面的理論建立數學模型。國內外學者對GE水煤漿氣化爐建模進行了研究。Castaldi和 Dooher[2]利用熱力學平衡模型研究了煤氣化條件對出口產品氣的影響。曾璽等[3]利用微型流化床反應器得出的實驗數據建立了CO2和水與焦炭氣化反應的動力學模型。趙晴晴、曾璽等[3-4]依據未反應芯縮核模型較好地擬合了焦炭與CO2氣化反應的動力學方程。李政[5]采用“小室模型”對氣化爐內物質的質量和熱量衡算進行了研究。目前關于GE水煤漿氣化爐的數學模型多側重于依據氣化劑單獨與焦炭發生氣化反應而得到的實驗數據建立動力學模型或是假定氣化過程瞬間達到熱力學平衡，這些模型均不能較好地反映氣化爐中復雜氣相的動力學反應。本文對GE水煤漿氣化爐進行動力學建模，分析不同氧煤比對氣化爐內主要氣體分布、溫度分布的影響。

1 建模過程

1.1 氣化過程化學反應

煤氣化涉及高溫、高壓、多相條件下復雜的物理和化學過程的相互作用，是一個復雜體系[1]。GE水煤漿氣化爐的基本工藝是將水煤漿和氧氣并流入氣化爐中，依次經歷煤熱解、氣體燃燒、焦炭燃燒、焦炭氣化和氣體轉換反應5個階段。

（1）煤熱解 煤以煤漿形式進入氣化爐后首先進行煤熱解反應，分解后的產物大致如式（1）所示。主要氣體占揮發組分的質量產率可根據數學模型式（2）計算，相關參數如表1所示。N2的含量可由煤中N元素原子守恒得到，且出口煤氣中不含焦油，因此不作為本文研究重點，建模過程中不予考慮。

式中，a、b、c為煤熱解模型參數；Yi為組分i氣體占揮發組分的質量分率，%；VM為揮發組分的干基質量分率，%。

（2）氣體燃燒 煤熱解后揮發組分會和氧氣發生燃燒反應，如式（3）～式（5）。反應速率方程見表2。

表1 主要熱解氣組成占揮發分質量分率參數[6-9]

表2 氣體燃燒反應動力學速率方程[10]單位：mol/(m3s)

（3）焦炭燃燒 煤熱解后剩余的焦炭發生的燃燒反應主要為式（6）、式（7）。

（4）焦炭氣化 揮發組分燃燒生成的 CO2、H2O和焦炭氣化生成的 H2一同作為氣化劑會發生如式（8）～式（10）反應。

（5）氣體轉換 CO和CH4會和水蒸氣發生變換反應，反應方程式如式（11）和式（12）所示，動力學速率方程如表3所示。

表3 氣體轉換反應動力學速率方程

1.2 氣固反應動力學模型

焦炭燃燒和氣化反應是典型的氣固非均相反應，選擇合適的數學模型描述動力學反應可使結果更加精確。目前用來描述焦炭燃燒和氣化動力學反應的數學模型主要有均相模型、未反應芯縮核摸型、隨機孔模型和修正體積模型[10-11]。其中未反應芯縮核模型認為反應是從球形顆粒的外表面開始，隨著反應的進行，反應表面不斷向內部轉移，在已反應過的部分形成一層灰分，氣化劑只在未反應芯的外表面進行反應，不會滲透到芯核內部。許多學者[3-4，12]運用未反應芯縮核模型進行實驗數據的擬合，均取得了較好的擬合結果。本文選用未反應芯縮核模型來描述氣固動力學反應速率，其模型如式（13）所示。煤氣化過程中的氣固反應方程式及動力學參數如表4所示。

式中，Kdiff為氣膜擴散系數，g/(cm2·atm·s）；Ks為表面化學反應常數，g/(cm2·atm·s)；Kdash為灰分層擴散系數，g/(cm2·atm·s)；Y=rc/rp，rc為縮短后半徑，rp為顆粒原始半徑，本文取Y=0.25；為實際有效的j組分的壓力，atm，1atm=101325 Pa；Rc-j為焦炭反應速率，g/(cm2·s)。

1.3 質量和能量平衡模型

本文選用“小室模型”進行質量和能量平衡計算。“小室模型”是將氣化爐沿床高方向分為多段，分別建立氣體組分的質量平衡與總體能量平衡模型，如圖1所示。

圖1 小室模型

（1）氣化爐內流型均為平推流，不考慮徑向溫度、濃度等參數差異和物質交換。

（2）認為水煤漿水分蒸發、煤熱解和氣體燃燒在進入氣化爐后瞬間完成。

（3）煤顆粒為球形且彼此不結團，獨立存在。

依據質量守恒定律，氣體組分的平衡表達式為式（14）。

式中，i為小室號；j為j種氣體；Wg,i為i小室內總氣體質量流率，g/s；Yj,i為i小室內j氣體組分質量分數；θ為氣體在i小室內的停留時間，s；Wj,i為i小室出口j氣體組分質量流率，g/s；Rj,i為i小室內j氣體組分通過各種化學反應生成或消耗的凈流率，g/s。

假設過程為穩態過程，式（13）左項變為 0，轉化為動力學方程表達式為式（15）。

表4 煤氣化過程中氣固反應方程式及動力學參數

式中，Rc-j,i為j氣體組分在i小室內與焦炭發生的氣固反應速率，g/(cm2·s)；vj為j氣體組分在反應式中的計量系數；Mj-c為j氣體組分與焦炭摩爾質量之比；kj,i為j氣體組分在i小室內發生的氣體燃燒和轉化反應速率，mol/(m3·s)；Mj為j氣體組分摩爾質量，g/mol；vR為小室體積，m3。

每個小室內各種氣體組分濃度滿足歸一化條件，見式（16）。

式中，Ng為i小室內氣體數目。

焦炭質量平衡表達式如式（17）所示。

式中，WC,i為i小室出口焦炭質量流率，g/s。

依據能量守恒原理，得到穩態下溫度平衡表達式為式（18）。

式中，CPs為焦炭定壓比熱容，J/(g·K)；CPg為氣體平均定壓比熱容，J/(g·K)；Ti為 i小室出口溫度，K；Qi為i小室內燃料燃燒氣化反應放出熱量，J/s；Qs為小室散熱量，J/s。

2 計算結果

選取文獻[12]中的煤為原料煤，其工業分析和元素分析如表5所示，除了水分外，其余均為干基組成。進入氣化爐中的水煤漿流量設定為276 kg/h，煤漿濃度為60%，氧煤比（w氧氣/w煤）為0.87。選用平推流模型長度為 3.1m，直徑為 1.5m，氣化壓力設為 2.4 MPa，小室數目選用 200個。計算后的氣化爐出口主要氣體組成同文獻[12]報道的實驗值進行對比（表6），由表6可知，CO、H2和CO2摩爾分數計算值同文獻值的最大誤差不超過2%，較好地吻合了文獻數據。

表5 煤工業分析和元素分析（質量分數）

表6 出口主要干氣組成計算值與文獻值[13]對比（摩爾分數，干基）

圖2顯示了當水煤漿濃度為60%時，不同氧煤比（kg/kg）對GE氣化工藝的影響。由圖2可知，隨著氧煤比增加，氣化溫度迅速上升，當氧煤比在0.8～1.0區間變化時，氣化溫度變化范圍為1000～1400 ℃。這是由于氧煤比的增加促進了C和O2的反應，該反應為強放熱反應，因此造成氣化溫度的大幅上升。隨著氧煤比增加，CO含量緩慢增加，H2含量變化出現相反的趨勢，CO2含量變化不明顯。這是由于氣化劑氧氣含量增加一方面使得有更多的氧氣參與C的氣化反應，生成更多的CO2和CO；而當氣化溫度大于1000 ℃以后，C和CO2的氣化反應變得非常活躍[14]，因此CO2含量變化不明顯；另一方面由于氧煤比增加，氣化溫度提高，使得CO變化的逆反應得到促進。綜合以上兩個原因，氧煤比增加使得CO含量上升，H2含量下降。隨著氧煤比增加，冷煤氣效率（合成氣化學能/進料煤化學能）出現先增加后降低的變化趨勢，變化范圍為74%～79%，這可能是由于合成氣中對化學能值貢獻較大的H2組分減少，使得合成氣化學能降低，因此冷煤氣效率在達到最大值后開始降低。

圖2 不同氧煤比對GE氣化工藝影響

圖3描述了當氧煤比為1.0時，不同水煤漿濃度對GE氣化工藝的影響。由圖3可知，隨著水煤漿濃度增大，氣化溫度不斷提高，這是由于水煤漿濃度增加，煤漿中水分含量減少，氣化時水分帶走的熱值降低，因此氣化溫度提高。隨著水煤漿濃度增加，CO含量增加，H2和CO2含量降低。水煤漿濃度增加一方面使更多的煤被O2氣化，同時造成了氣化溫度增加，促進了CO2和C的氣化反應；另一方面使氣化水分減少，CO變換反應得到削弱。冷煤氣效率隨水煤漿濃度變化不明顯，這可能是由于H2O化學能較小，對系統化學能貢獻值不大的緣故。

圖3 不同水煤漿濃度對GE氣化工藝影響

圖4 合成氣組分含量隨床層高度變化趨勢

圖5 溫度及停留時間分布隨床層高度變化趨勢

圖4和圖5分別表征了當氧煤比為0.95、水煤漿濃度為55%時合成氣組分含量、溫度及停留時間分布隨床層高度變化趨勢圖。由圖4及圖5可知，當床層高度小于0.5 m時，H2O和O2含量迅速降低，CO2含量也有所下降，合成氣溫度先增加后降低。由于C和O2氣化反應釋放出大量熱，生成了大量CO，同時也使溫度急劇上升，高溫促進了CO2與C的氣化反應，使得CO2含量有所下降。當O2消耗完后，由于H2O與C的氣化反應及其余吸熱反應吸收熱量造成溫度有所下降。停留時間分布則顯示了合成氣在反應爐內的運行情況。

3 結 論

利用“小室模型”建立了GE水煤漿氣化爐的動力學模型，模型計算值和文獻值進行了對比，氣化爐出口主要氣體摩爾分數最大誤差不超過 2%，表明模型具有合理性。在此基礎之上分析了氧煤比對氣化爐內主要氣體和床層溫度的影響，得到以下結論。

（1）氧煤比增加使得氣化溫度提高，CO含量增加，H2含量下降，CO2含量變化不明顯，冷煤氣效率變化范圍為74%～79%。

（2）水煤漿濃度增加使得氣化溫度提高，CO含量增加，H2和CO2含量降低，水煤漿濃度對冷煤氣效率影響不大。

（3）當反應爐床層高度小于 0.5 m時，C和O2劇烈反應，導致溫度升高，CO2由于參與了氣化反應其含量有所下降，當氧氣消耗完畢后，吸熱反應導致溫度有所下降。

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Kinetic modeling and analysis of GE coal slurry gasifier

LI Luling，ZHU Lin，FAN Junming

（School of Chemistry & Chemical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，Sichuan，China）

By using the unreacted-core shrinking model，a kinetic model of gas-solid reaction in GE gasifier was developed. The mass and heat balances in the gasifier based on the “small compartment model” were established. The modeling results were compared with literature values，and the error of main gas mole fraction of gasification outlet was less than 2%，showing that modeling results were in agreement with reported values. The effects of oxygen to coal ratio and coal slurry concentration on syngas content，temperature and cold gas efficiency were analyzed. CO concentration increased and H2concentration decreased with increasing oxygen to coal ratio，meanwhile CO2concentration stayed constant. Cold gas efficiency increased firstly，and then declined in the range of 74%－79%. CO concentration increased，and H2，CO2concentration decreased with increasing coal slurry concentration，but cold gas efficiency changed little. The profiles of syngas concentration and temperature distribution were studied at oxygen to coal ratio of 0.95 and coal slurry concentration of 55%. When gasifier height was less than 0.5m，the reaction between C and O2occured rapidly，and when O2was consumed completely，temperature decreasesd.

gaifier；kinetic；modeling；ratio of oxygen to coal

TP 301

A

1000-6613（2014）02-0314-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.02.008

2013-07-30；修改稿日期：2013-09-15。

及聯系人：李璐伶（1988—）女，碩士，主要從事天然氣加工及能源化工領域研究。E-mail 441788758@qq.com。