气化参数影响气流床煤气化的模型研究(Ⅰ)--模型建立及.pdf

气化参数影响气流床煤气化的模型研究(工)模型建立及验证吴学成，王勤辉，骆仲泱，方梦祥，岑可法(浙江大学热能工程研究所，能源清洁利用与环境工程教育部重点实验窒，浙江杭州3 1 0 0 2 7)摘要：为评价和优化气流床煤气化中的气化方案和气化参数，从化学动力学角度并结合化学平衡，依据气流床特性建立了气化动力学模型该模型考虑了煤热解和气化所经历的各反应过程，如C 一0。、C H：()、C C O。、C H：等异相反应以及挥发分燃烧、水煤气平衡、甲烷蒸汽重整等均相反应模型对三个工况的计算结果与实验实测数据吻合较好；同时对气流床煤气化整个气化过程(氧化、还原和平衡三阶段)的模拟合理、正确，表明所建模型可以用于预测气化参数对气流床煤气化的影响特性关键词：煤气化；气流床；气化模型中图分类号：T Q 2 2 9 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 8 9 7 3 X(2 0 0 4)1 0 1 3 6 l 0 5M o d e l l i n go ne f f e c t so fo p e r a t i o nc o a lg a s if i c a t i o n(I)：M o d e lp a r a m e t e r so ne n t r a i n e df l o we s t a b l i s h e da n dv a l i d a t i o nW UX u e c h e n g，W A N GQ i n h u i，L U OZ h o n g y a n g，F A N GM e n g x i a n g，C E NK e f a(I n s t i t u t ef o rT h e r m a lP o w e rE n g i n e e r i n g。C l e a nE n e r g ya n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n gK e yL a b o r a t o r yo fM O E，Z h e j i a n gU n i v e r s i t y，H a n g z h o u3 1 0 0 2 7，C h i n a)A b s t r a c t：Ak i n e t i cc o a lg a s i f i c a t i o nm o d e lc o m b i n i n gc h e m i c a le q u i l i b r i u mw a sd e v e l o p e dt oe v a l u a t ea n do p t i m i z eg a s i f y i n gp a r a m e t e r si ne n t r a i n e df l o wb e dg a s i f i c a t i o n H e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u sr e a c t i o n so c c u r r e di nc o a lp y r o l y s i sa n dg a s i f i c a t i o np r o c e s s e ss u c ha sC 一0 2，C H 2 O，C C 0 2，C H 2a n dC O O z，H2 一0 2，C O H 2O，C H 4 一H 2Ow e r ec o n s i d e r e di nt h i sm o d e l M o d e lc a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e m e n td a t af r o me n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i e r s M o d e ls i m u l a t i o n so fc o a lg a s i f i c a t i o np r o c e s s e si ne n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i e r sw e r ef o u n dt ob er e a s o n a b l e I ti m p l i e st h ee s t a b l i s h e dm o d e lm a yb eu s e dt op r e d i c tt h ee f f e c t so fo p e r a t i o np a r a m e t e r so ne n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i c a t i o n K e yw o r d s：c o a lg a s i f i c a t i o n；e n t r a i n e df l o wb e d；g a s i f i c a t i o nm o d e l在中国，长期以来传统的煤燃烧利用方式带来了严重的资源与环境问题，煤气化成为洁净、高效利用煤炭的最主要途径目前一些先进的发电系统(如整体气化联合循环(I G C C)、高性能电力交流(H I P P S)等)都以煤气化为核心，同时美国能源部(D O E)提出的V i s i o n2 1(展望2 1 世纪)能源系统和S h e l l 公司提出的S y n g a sP a r k(合成气园)的基本思想也是以煤气化为龙头，所得的合成气作为各种洁净、高效利用系统的气源，因此煤炭气化已经成为许多能源高新技术的关键技术和重要环节气流床气化比其他气化炉(固定床和流化床)气化具有气化强度高、生产能力大、碳转化率高的优点，在多联产和先进发电系统中也是人们关注的一种气化方法在气流床煤气化过程中，不同的气化参数(气化剂、温度、压力等)对气化过程的性能参数以及最终生成煤气成分有很大的影响从定量的角度研究不收稿日期：2 0 0 3 1 0 1 9 浙江大学学报(工学版)网址：w w w j o u r n a l s z i u e d u c n e n g基金项目：国家重点基础发展规划资助项目(G 1 9 9 9 0 2 2 1 0 5)作者简介：吴学成(1 9 7 8 一)男。浙江长兴人，博士生，从事洁净煤技术研究E m a i l：f e n c e w u z j u e d u e l l 万方数据浙江大学学报(工学版)第3 8 卷同气化参数对气化的影响，能够凸显出气化反应系统本身对各种气化参数响应的敏锐程度，从而更深层次地理解气化机理的内在规律性，在实际工程应用中，对各种气化方案的优化以及气化炉的设计也具有直接的指导意义但就现有的资料来看，极少见到专门用于研究气化参数对煤气化影响的理论模型的文献一般来讲，模拟气化有两种方法：反应平衡模型小纠和化学动力学模型 6 平衡模型以反应热力学为基础，相对比较简单，并且具有一定的通用性(不考虑气化炉的流动传热传质特性以及气化反应的过程)，对碳转化率高、反应接近平衡的工况预测得比较好，而对没有达到化学平衡的工况则预测得比较差动力学模型以气化系统的反应动力学为基础，能真实地反映炉内的气化过程，并且对最终煤气成分的预测更为准确但该模型相对比较复杂，通用性也比较差为此本文综合考虑平衡模型和动力学模型的优点，并考虑了气流床气化的特点，建立了基于整个气化过程的动力学模型，并从系统反应进程和最终煤气组分两方面进行验证，以确认模型的可靠性，为预测气化参数影响气流床的气化过程打下基础叫(C)7 U(H)叫()叫(N)7 U(S)OO0O 4 2 86O0 5 7 1400O10式中：叫(H。)表示析出产物C H。中的氢占原煤中氢的质量分数，叫(C O)、叫(C O。)表示析出产物中C O、C O：占原煤中()。的质量分数，叫(c)、训(H)、叫(O)、训(N)、仉I(S)分别为焦炭可燃基中C、H、O、N、s 的质量分数硼(H。)、叫(C O)、硼(C O z)分别为0 3 3 5、0 2 3 和0 2 5 1 2 气化模型气化反应是本模型的核心部分，依据气流床的特性，煤粉与气化剂经喷嘴喷人气化炉的燃烧区，该区域温度高达15 0 0 20 0 0。C，燃烧反应速率很快，一般在百分之几秒消耗完毕，氧气消耗完之前，1模型描述本文的模型以化学动力学为基础，作以下假设：1)不考虑流体动力学、传热和传质，仅视气化反应为一包含均相和非均相反应的化学反应系统，非均相反应考虑焦炭与气化剂的反应，均相反应考虑挥发份组分、气化剂以及气化产物间的相互反应2)挥发分的析出过程是瞬时的，其挥发分组分按经验模型计算j 3)反应系统各组分充分混和，同一时刻气相与固相的温度相等4)模型考虑的气化产物有C O、C O：、H：、H。O、C H。、N。和H：S，并认为N：和H：S 直接随挥发份析出，在整个系统内不参与反应；气体组分遵循理想气体状态方程1 1 挥发分析出模型一般认为煤的热分解反应速度大大高于煤粉燃烧及气化反应速度，即煤的挥发分析出过程瞬间完成本文采用D a v i d：7 一建立的煤裂解模型的思想，以元素平衡法估算挥发份析出的成分挥发份产物由C H。、C O、C O。、H：、H：O、N。和H。S 组成，热解后固态产物为半焦C h a r 不同组分气体、半焦的最终产率与煤的可燃基元素分析值C、H、Oa a r、N 和S“之间的关系可用如下元素平衡矩阵方程表示：0000 0 5 880O1000 9 4 12O0O0OOC d。fH d。fO d。eN d。fS d。fw(H 2)4 H d。f叫(C()1 7 5 0 d a f训(C 0 2)1 3 7 5 0 d。fC O。、C()一O。、H：一O：以及C H。一()。为主要反应；氧气消耗完以后，C C O。、C H。O、C H：、水煤气反应及甲烷蒸汽重整反应为主要反应，煤粉及气相组分在炉内的停留时间约为几秒本文主要考虑以下9 个反应：C+I O O：一2(1 一l 西)C()4-(2 西一1)C 0 2C+C()一2 C()C+H。()(g)一C()+H。C+2 H：一C H。C O 十l 2 0 2 一C 0 2H 2+1 2 0 2 一H。O(g)L)KoO。S叽吲双H心N心1918OU 踞o0oooOOO1OOOOOO7327盯。他Oooo1OO55720OO1OOOO 万方数据第1 0 期吴学成，等：气化参数影响气流床煤气化的模型研究(I)一模型建立及验证1 3 6 3一一C Ha+2()2-C O：+2 H：()(g)C()+H。()(g)一C()：+H 2C H。+H 2()(g)一C()+3 H2气固反应的速率表达式示于表1 其中为焦炭的燃烧反应，认为其反应速率由化学反应和灰层扩散阻力共同控制，西为化学当量系数，其取值由下式决定_ 4：f(2 Z+2)(Z+2)；d。0 0 0 5c m，一l (2 z+2)一Z(d。0 0 0 5)0 0 9 5 (z+2)；掣一|0005c m 0 1c m(2)Z 一25 0 0 e x p(一62 4 9 T)(3)式中：d。为煤颗粒直径(c m)，T 为反应系统温度(K)反应、和采用等温吸附形式的表达式气相反应的速率表达式示于表2 1 3 能量方程本模型采用的计算程序本身遵循质量守恒，即任意时刻生成物消耗的质量等于产物的生成质量，因此无需对模型的质量守恒另加讨论，仅仅考虑能量守恒即可稳态情况下系统能量守恒，因气化过程是一化学反应系统，气体和固体的焓均采用生成焓计算，即输入系统的焓与输出系统的焓相等，具体表达式由盖斯定律可得：表I 气固非均相反应动力学数据T a b 1K i n e t i cd a t af o rg a s s o l i dh e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n s注：P。k、P“，、P f ，。，、P 分别为煤气组分中C O：、C O、Hz O、Hz 的体积分压(P a)，(?c b 为反应过程中氧气质量浓度(t o o l m3)，R 为通用气体常数(J t o o l 一1 K 一1)，T 为气化温度(K)，A、W 分别为未反应煤颗粒的表面积(m 2)和质量(k g)，d。为未反应煤颗粒直径(m)，=(d。d：)2 为灰壳厚度(m)，D n 为灰壳中氧扩散系数(m 2 s 一1)(参阅文献 8 )表2 气相均相反应动力学数据T a b 2K i n e t i cd a t af o rg a sp h a s eh o m o g e n e o u sr e a c t i o n s善霉速率表达式(m。l m3 s1)动力学系数描述文献R 5 一 jC 0(1 C(一()、R 6 一6 C b。C“kR v k-C。I 1 C()2R 8 一A 8 l(?“)C H 2()一女8 2 C(m 2C I l 2R。一女c，(P I P j H。)(P a。s 1)5 2 4 6 02 1 012e x p(一2 1 13 7 T+2 4 7 4 41 4)T 3k 6 一k5 o 3 5女7 3 5 5 2 1 0 1 1e x p(一9 3 0 4 1 0 j(R 丁)女8 l 一2 9 7 8 1 09e x p(一3 6 9 0 1 0 j(R T)k 8 2 一女8 1 K。1K。1=0 0 2 65 e x p(39 5 6 T)k9 3 1 2 e x p(一2 0 1 04(R T)P j H。一K e u 2P P 3 2 P H 2()K。2=6 7 1 25 1 0“e x p(2 70 2 0 T)1 0 1 0 1 1 3 1 3 5 1 注：C。、C。，、C、C。，、C。分别为气化过程气相中C O、C O z、H z、H：0、C H。的浓度(m 0 1 m 一3)K1 1、K m z 分别为水煤气反应和甲烷蒸汽重整反应的平衡常数 万方数据浙江大学学报(工学版)第3 8 卷优，H 0 一+m E c M、I d 丁=。Jl 一1”J，个啪H 0 川。+行，d T+Q(4)式中：研i、q 为反应物和生成物的质量(k g)，下标i、J 表示第i()组分；H。、H k。分别为反应物和生成物的标准生成焓(J g)；C 啊一C M，分别为反应物和生成物的定压比热容(J(g 叫K 叫)，Q 为系统散热损失式(4)的等式前两项分别为反应物的标准生成焓及显热焓，等式后前两项是生成物的标准生成焓和显热焓，系统的热损失用占原煤发热量的百分比来描述假定煤完全燃烧的产物仅为C O：、H。O 和S O。，由盖斯定律，煤的生成热可采用如下表达式】2 ：Ho。1 z 9 8 一H H V 一(3 2 7 8 6 C。，+14 1 8 7 9 H。，+9 2。8 4 S。，+1 5 8 6 7 M。，)(5)式中：H H V 为煤收到基高位发热量(J g)；C H。，、S。，、M。，分别为煤收到基C、H、S 元素及水分质量分数2 模型计算本模型采用C+语言编写程序，气化反应速度计算采用四阶R u n g e K u t t a 公式模型主要的输入参数有：1)煤成分、发热量、平均粒径、密度、进口温度；2)硼(H 2)、训(C O)、硼(C 0 2)；3)气化剂煤比，各气化剂进口温度；4)气化工作压力，系统热损失系数表3 模型计算所用的数据13T a b 3D a t a u s e di ns i m u l a t i o n s3 模型验证动力学模型优于平衡模型的一个优点是能够同时对系统反应过程和最终状态作详细的描述，验证本模型也应从这两方面进行为此，分别用文献 1 所报道的不同炉型不同煤种的实验数据对本模型进行了校核验证模型所用工况列于表3，分别代表了不同的运行条件，包括不同的煤种、不同的气化炉以及不同的气化压力在计算中，借鉴文献 1 的做法，对没有给出初始参数的工况进行假设，假定煤的进炉温度为2 5，气化剂除蒸汽取为1 5 0 外，其余均取为2 5，对不同炉型不同煤种计算时保持模型的动力学参数不变对三个工况的验证计算表明该模型具有较高的可信度工况系统反应过程中气相体积分数p 和焦炭C 随时间变化情况由图1 所示气流床气化过程可以分为三个阶段：前两个阶段以氧气消耗完毕为分界点氧气消耗完之前，主要以剧烈的燃烧反应为主，之后主要以较缓慢的气化反应为主从图1(a)中可以明显看出，该工况下分界点大致在0 0 4 s 第一阶段中，伴随着O。的不断消耗，C O、H。和C H。体积浓度在极短时间内下降到最低(图中无法显示)，H：O、C O：体积浓度增加，相比之下C O。增加幅度更明显，这是因为C 0 和大量的碳燃烧生成了C O。由于高温下有利于反应向生成C 0 的方向进行(式(2)、(3)，因此第一阶段中仍具有一定量的C O(而H。和C H。则为零)，并随着0：的减少呈微弱的上升趋势进入第二阶段后，反应进程明显减慢，C O、H。体积浓度开始增加，H：O、C o。体积浓度则开始下降，说明进入气化反应阶段第三阶段为反应达到平衡状态，第二、三阶段分界点不明显，如图1(b)所示可以看出，该工况在4S 以后基本达到平衡状态经分析可知，该模型能够比较合理地反应实际气流床气化反应系统的反应进程表4 列出了各个工况最终煤气成分的模型计算结果与实验数据的对比，并采用常见的误差函数进行分析，平方误差和定义见式(6)：万方数据4结论套黼篙戮篙搿黛寨i 墨耄氅，萎言篓姜善篙妻耄翥主篓囊三誊筹篙丢；五模型，并从系统反应进程和最终煤气芝且刀州川叫“磊模：?瑟薹芸蠹般慧床气化反应系统。h 后：雾笔嚣嚣凳三麓髫著兰霁藩芸釜筹蕃翥的反应进程，并能对气化过程的二7 l 阴及皿”的描妻：对县缘煤气组分的预测比较准确，计算结(2)对最终煤气组分的预测比秘。曼=”果与静嚣嚣箸三器钏(3)能够用来预测气化参数凋气移凡阶林一。参考文献(R e f e r e n c e s)：c，W A T K-N S O NAP,L，U。C。A。S。三：。L。I。M。t：i。A。P c e d，i，c-t i o no fp e r f o r m a n c eo tc o“。万方数据1 3 8 6浙江大学学报(工学版)第3 8 卷一一表2A N N 网络测试结果T a b 2T e s tr e s u l t so fA N N电冀霸量黻样本数鬻删正确剿电压闪变的1 2 个输入样本中有1 个被误判为电压上升，2 个被误判为电压下降，1 个被误判为电压闪变+电压上升，1 个为误判为电压闪变+电压下降，识别率仅为5 8，因此还需要进一步识别对所有输出电压下降、电压上升信号以及闪变未识别信号(共2 5 个)进行再识别，根据参数m 进行判定，得到了满意的结果，所有的f l i c k e r 信号均被识别出来暂态的识别正确率为9 3，1 5 个输入样本中有1 个被误识别为谐波+暂态信号，被误判的样本是一个低频振荡信号，考察误判原因，认为是该样本在高频段的能量变化表现不突出，因而比较难辨别其余3 类电能质量的测试样本均被准确识别，识别率高达1 0 0 另外，从分类方法的原理和以上的测试结果可以看出，当几种电能质量扰动同时出现在一个信号中时，系统会对这几种扰动都做出判定5结语探讨了一种基于小波变换和A N N 的电能质量分类方法，先通过小波变换提取特征矢量，再利用神经网络进行特征识别仿真实验的结果表明，这种方法具有良好的分类性能(经过A N N 和再识别之后，在测试样本中仅有暂态冲击的识别正确率为9 3，其余均为1 0 0)，并且具有鲁棒性(测试信号均含有噪声，而测试结果良好)需要说明的是，扩大训练样本覆盖面并采用实际训练样本将进一步增强网络的辨识能力和实用性本方法将信号处理与人工智能结合起来，为电能质量分类的进一步研究提供了一个可参考的途径参考文献(R e f e r e n c e s)：1 G A O U D AAM，S A L A M AMMA，S U I。T A NMR P o w e rq u a l i t yd e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nu s i n gw a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o ns i g n a ld e c o m p o s i t i o n -J I E E ET r a n s a c t i o n so nP o w e rD e l i v e r y，1 9 9 9，1 4：1 4 6 9 1 4 7 0 2 D U G A NRC E l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mq u a l i t y M N e wY o r k：M c G r a w H i l l，1 9 9 6 3 胡铭，陈珩电能质量及其分析方法综述 J 电网技术，2 0 0 2 2 4(2)：3 6 3 7 H UM i n g，C H E NH a n g S u r v e yo fp o w e rq u a l i t ya n di t sa n a l y s i sm e t h o d s J P o w e rS y s t e mT e c h n o l o g y，2 0 0 2，2 4(2)：3 6 3 7 4 杨福生小波变换的工程分析与应用V M 北京：科学出版社，2 0 0 1：4 2 6 0 r 5 G A O U D AAM，K A N O U NSH，S A L A M AM MA W a v e l e t b a s e ds i g n a lp r o c e s s i n gf o rd i s t u r b a n c ec l a s s i f i c a t i o na n dm e a s u r e m e n t J I E EP r o c-G e n e rT r a n s mD i s t r i b 2 0 0 2，1 4 9(3)：3 1 0 3 1 1 6 3P A R A M E s w A R I A HC，C O XM F r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fw a v e l e t s J I E E ET r a n s a c t i o n so nP o w e rD e l i v e r y 2 0 0 2，1 7(3)：8 0 0 8 0 3 7 张智远，李庚银，冯任卿基于小波和进化网络的电能质量动态自动识别 J 华北电力大学学报，2 0 0 2，2 9(3)：1 4 Z H A N GZ h i y u a n，L IG e n g y i n，F E N GR e n q i n g A u t Or e c o g n i t i o no fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c eb a s e do nw a v e l e ta n dg e n e t i cn e t J 3 J o u r n a lo fN o r t hC h i n aE l e c-t r i cU n i v e r s i t y 2 0 0 2，2 9(3)：1 4 Ih L I I I l l I h l Ih t h k lL H 14 1 I l l”I h。i h,、I l|h I I I I I I|I I I I，I I J l上接第1 3 6 5 页)W A N GQ i n h u i O v e r a l lm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp e r f o r m a n c et e s t i n gf o rc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r s D H a n g z h o u：Z h e j i a n gU i n i v e r s i t y，19 9 7 r 9 M U H L E NHJ，V a nH E E KHK，j u N T G E NH K i n e t i cs t u d i e so fs t e a mg a s i f i c a t i o no fc h a ri nt h ep r e s e n c eo fH2，C 0 2a n dC O J F u e l，1 9 8 5，6 4：9 4 4 9 4 9 1 0 3Y A NH o n g-m i n g，H E I D E N R E I C HC，Z H A N GD o n g k e M a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fab u b b l i n gf l u i d i z e d-b e dc o a lg a s i f i e ra n dt h es i g n i f i c a n c eo f n e tf l o w J F u-e l。1 9 9 8，7 7：1 0 6 7 1 0 7 9 1 1 岑可法，倪明江，骆仲泱，等循环流化床锅炉理论、设计与运行 M 北京：中国电力出版社，1 9 9 8，3 2 0 1 2 L Ix，G R A c EJR，w A T K l N S o NAP，e ta 1 E q u i l i b r i u mm o d e l i n go fg a s i f i c a t i o n：Af r e ee n e r g ym i n i m i z a t i o na p p r o a c ha n di t sa p p l i c a t i o nt Oac i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o a lg a s i f i e r J F u e l，2 0 0 1，8 0：1 9 5 2 0 7 万方数据气化参数影响气流床煤气化的模型研究()-模型建立及验气化参数影响气流床煤气化的模型研究()-模型建立及验证证作者：吴学成，王勤辉，骆仲泱，方梦祥，岑可法作者单位：浙江大学,热能工程研究所,能源清洁利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027刊名：浙江大学学报（工学版）英文刊名：JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY(ENGINEERING SCIENCE)年，卷(期)：2004,38(10)被引用次数：20次 参考文献(12条)参考文献(12条)1.Watkinson A P;LUCAS J P;LIM C J A prediction of performance of commercial coal gasifiers 19912.KOVACIK G;OGUZTORELI M;CHAMBERS A Equilibrium calculations in coal gasification外文期刊 1990(02)3.李政;王天骄;韩志明 Texaco煤气化炉数学模型的研究-建模部分期刊论文-动力工程 2001(02)4.李政;王天骄;韩志明 Texaco煤气化炉数学模型的研究-计算结构及分析期刊论文-动力工程 2001(04)5.Govind R;SHAH J Modeling and simulation of an entrained flow coal gasifier 1984(01)6.CHEN Cai-xia;HORIO Masayuki;KOJIMA Toshinori Numerical simulation of entrained flow coalgasifer.Part:modeling of coal gasification in an entrained flow gasifier外文期刊 2000(18)7.David M Mathematical models of the thermal decomposition of coal 19838.王勤辉 循环流化床锅炉总体数学模型及性能试验学位论文 19979.Muhlen H J;Van HEEK H K;JUNTGEN H Kinetic studies of steam 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