喷流床煤气化炉的建模

　　Texaco煤气化炉的数学模型主要有热力学和动力学2种[1~5]。本文针对典型的煤气化炉[6],在充分考虑炉内气化进程及化学反应的基础上,对煤气化炉进行了分区处理,建立了动力学模型,并对煤气化炉出口煤气成分与实际运行数据进行了比较,结果表明该模型是有效的。

　　1　Texaco煤气化炉

　　Texaco煤气化炉可分为气化段和煤气冷却段两部分(图1)。本文不考虑煤气冷却段,只对气化段进行建模。煤的气化过程可分为高温裂解和挥发分燃烧、煤焦燃烧、气化3个阶段[1]。

　　1.1　高温裂解和挥发分燃烧

　　在Texaco煤气化炉中,煤、水和氧气同时从炉顶部进入,由于气化炉入口温度高达2 000℃左右,因此煤的挥发分迅速析出,挥发分中的可燃气体与氧气发

　　生反应,产生大量的热。1970年Bazioch和Hawks-ley、1976年Anthony等[7~9],均研究过煤的高温裂解速率,1964年Loison和Chauvin[10]通过试验对挥发分中各组分的最终产量进行了研究并指出:H2的产量不随煤种的变化而变化,且CO/ CO2和H2O/ CO2的比值相对固定[2],从而根据元素平衡即可获得挥发分中各组分的含量。

　　1.2　煤焦燃烧

　　在煤焦燃烧区,剩余的O2与焦碳反应的同时CO2和H2O与焦碳反应,生成的CO和H2又迅速与O2反应。在O2存在的环境下,可燃性气体与O2完全反应,即气相中已无可燃性气体[11]。该区域发生的反应为:

　　1.3　气　化

　　燃烧气体进入气化区,此时氧气已耗尽,发生水煤气反应,煤焦与H2生成CH4并伴有甲烷蒸汽重整反应。因此,除了式(2)和式(3)的反应外,气化阶段还发生了以下3个反应:

　　离开气化炉的气体以CO、H2、CO2为主(假设挥发分中的可燃气体在富O2区已经完全耗尽,则最后的产品中无焦油),还包括原煤中的S和N所产生的H2S和N2,以及微量CH4构成的混合气体。

　　2　数学建模

　　本文建立的模型为连续小室未反应核收缩模型,即将煤的高温分解和挥发分燃烧区视为一个独立“小室”(约为气化炉高度的1/20),沿气化炉高度方向将煤焦燃烧区以及气化区分成若干小室,每个小室看作一个独立的参数单元。建模的假设条件:(1)气相在第一个区视为全混流,以后视为平推流。气相和固相完全混合,固体在整个气化炉内视为均匀平推流,不考虑径向温度、浓度等参数差异和物质交换;(2)不考虑反应过程中气化炉内的压力变化,认为气化区域固体颗粒表面温度和气化温度不同;(3)气化炉内气体近似为理想气体状态,可遵循理想气体状态方程;(4)固体颗粒为粒径相同的球形。水煤浆在水分蒸发和挥发分释放后,煤颗粒不结团,且相互独立;(5)建立的模型为稳态模型。