Gsp气化炉建模与动态模拟

现今，能源已经越来越得到人们的重视，已经成为了人类社会进步的基础。而我国是一个贫油国家，但是煤炭的储量却相对丰富，通过煤气化技术可以将煤炭转化为一氧化碳与氢气的混合气，从而可以进一步生产汽油、柴油等液体燃料，或甲醇烯烃等化工产品，对国家的发展有极其重要的意义。

煤气化技术的主要思想就是以煤或焦油为原料，以氧气、水蒸气作为气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气提燃料或下游原料的过程。煤气化是一个负责的热化学过程，主要包括煤的热解反应、燃烧反应、Boudouard（碳素溶解损失）反应、水汽反应、甲烷化反应、水汽转换反应、水汽甲烷重整反应、甲烷干重整反应等反应。

煤气化技术发展至今，国内外研究人员先后成功的开发了一系列先进的煤气化工艺技术，具有代表性的主要有，鲁奇加压固定床气化（Lurgi）工艺，干法粉煤进料的加压气流床SCGP（Gsp）气化工艺和Texaco、Shell煤气化工艺，常压硫化床气化（灰熔聚）工艺。上述几种煤气化工艺中，无论从原来的适应程度还是产品的有效气组分来看，Gsp粉煤加压气化工艺其技术经济学具有明显的优势和较强的竞争力。

由于我国煤气化工艺起步较晚，而且大多为引进国外的专利技术，所以国内化工流程模拟领域内煤气化炉工业实例的动态模拟尚未见报道。本文根据我国某大型国营企业，煤制油工艺流程中煤气化工段的主要设备进行分析和模拟，建立新的煤气化炉反应器模型对煤气化炉反应器进行模拟，并且按照操作规程对反应温度严格控制。从模型建立到数值求解都是基于化工系统工程为指导，应用C语音进行编程计算。

Gsp煤气化工艺的原料是煤或者石油焦，原料经过初步的处理之后，还要进行磨煤干燥，然后利用惰性气体将粉煤输送到气化炉中，同时在气化炉中通入氧气、水蒸气进行气化反应。反应之后的合成气有两种工艺：一是废锅流程，过程器经过干法脱灰后进行湿洗然后送入管网；另一种是激冷流程，在气化炉内的合成气经过激冷水冲洗后再进行湿洗送入管网，而洗涤水则需要进行黑水处理工序。

由上游装置来的原料煤从气化炉顶部气化烧嘴进入，采用密相输送煤粉浓度大约为70%。烧嘴冷却用水为55℃的新鲜水，通过吸热转变为约78℃的循环水回水。水冷壁冷却水为170℃的过热水，经过换热后为192℃过热水送入汽包副产蒸汽。气化炉激冷水采用25℃的新鲜水，对合成气进行喷淋，达到冲洗冷却的作用。最后冲洗后的黑水有炉底排出气化炉，废渣由炉底排出装置。Gsp煤气化工艺可以简单的分为三个部分：磨煤干燥、煤气化和合成气处理。在所有部分包含的各个单元操作中，建立煤气化炉的模型是了整个流程模拟成功与否的关键，其余部分可以直接采用已有的比较纯熟的数学模型进行模拟计算。

目前煤气化模拟的原理是通过一系列假设条件，将煤气化过程设定为平衡模型，但是这种假设条件比较理想，在实际应用中收到各种条件限制，所以本文在平衡模型稳态模拟的基础上引入时间变量，根据原料煤进入气化炉的时间不同其反应温度不同，建立了新的气化炉模型。

对于煤气化反应而言，反应温度、压力的控制最为重要，气化反应属于吸热反应，同时气化炉内还存在放热的燃烧反应，所以实际生产中气化炉配有烧嘴冷却器、水冷壁等结构，通过循环水换热，这给过程模拟造成了一定的困难，所以本文采用的数学模型是串联多个不同反应温度的全混流反应器模型，分段描述煤气化炉的整体结构。认为每一个微元反应器1至n的内部温度均匀，用T₁至T_n表示。

在串联的反应器之间，气相流股V₁至V_n还有固相流股S₁至S_n自上而下运动，在每一个反应器微元内物料混合均匀，反应温度均一，而且气化反应速度极快，原料煤粉在每一个反应微元内停留时间短。

通过对Gap气化工艺的详细分析，建立了串联的全混流反应器模型，并且对Gsp气化炉主体采用序贯模块法进行求解计算。通过比较模拟值与设计值，表明了串联的全混流反应器模型很好的描述了实际生产中Gsp气化炉的运行情况，建立的动态模拟与实际过程比较相符，不仅稳态结果与生产结果完全吻合，气化炉压力变化动态趋势和原料煤的碳转化率也与实际一致。本模型在实际应用中取得了良好的效果，对Gsp煤气化工艺生产优化以及反应器建模具有重要意义。

高星  解娅男