CN117634204A - 一种煤气化模拟方法及*** - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种煤气化模拟方法及***，所述煤气化模拟方法包括：基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
Description
技术领域
本申请各实施例属于反应器动力模型技术领域，尤其涉及一种煤气化模拟方法及***。
背景技术
煤气化作为煤化工流程模拟中必不可少的步骤，因此，煤气化模拟计算的准确性至关重要。
目前，现有的煤气化模拟计算仅局限于理想化的平推流模型。但是，工业上，作为煤气化主要设备的煤气化炉实际流场分布复杂，通常存在强烈的物料返混，现有的煤气化模拟计算无法准确描述流场内的组分分布、温度分布等特性，无法计算返混对气化过程的影响，煤气化模拟计算结果无法准确表征煤气化过程，准确率低。
基于此，现有一种新的煤气化模拟方法及***。
发明内容
本说明书实施例提供一种煤气化模拟方法及***，以解决部分或者全部问题：工业化炉实际流场分布复杂，通常存在强烈的物料返混，现有的煤气化模拟计算无法准确描述流场内的组分分布、温度分布等特性，无法计算返混对气化过程的影响，煤气化模拟计算结果无法准确表征煤气化过程，准确率低。
为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
本说明书实施例提供一种煤气化模拟方法，该煤气化模拟方法包括：
基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；
基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；
将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
本说明书实施例还提供一种煤气化模拟***，该煤气化模拟***包括：
气化计算装置，基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；
分区装置，基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；
分区反应计算装置，将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：通过基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区通过能够准确进行煤气化表征计算，提供了煤气化表征计算的准确性，且操作使用难度低，操作直观。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：
图1为本说明书实施例提供的一种煤气化模拟方法的流程示意图；
图2为本说明书实施例提供的预设的挥发分模型的示意图；
图3为本说明书实施例提供的一种煤气化炉的分区示意图；
图4为本说明书实施例提供的一种分区反应计算装置的搭建示意图；
图5为合成气主要组分分区计算结果的示意图；
图6为本说明实施例提供的一种煤气化模拟***的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
煤气化是指煤或焦炭、半焦等固体燃料在高温常压或加压条件下，以水蒸气、空气(或氧气)或它们的混合气为气化剂进行反应，生成合成气(主要为一氧化碳、氢气、二氧化碳和甲烷等)和少量残渣的过程。煤气化技术按照煤在气化炉内运动方式的不同，通常分为固定床、流化床和气流床等形式。
煤气化炉在工业应用过程试验煤种及工艺操作参数较多，能通过短周期、低成本的方式获取较为合适的操作参数。现有的成熟的煤气化炉的模拟计算软件，一种软件是通过转化率反应器、吉布斯反应器以及闪蒸罐三个模块分别实现气化炉的热裂解、气化和激冷过程，该软件并没有将三个模块融合到一起，三个模块分别定义气化过程所需要的参数，搭建流程较为复杂且只能实现煤气化的理想模型；另外一种软件是将热裂解、气化和激冷过程合并为一个气化炉模块，通过该气化炉模块可以对气化炉的参数进行设置，使用便捷，但该模块仅适用于可简化为平推流的炉型。
由于煤气化模拟在煤气化过程中具有重要意义，可以优化煤气化过程中的操作条件，提高合成气的产量和质量，鉴于现有技术中，煤气化模拟无法准确反应煤气化过程、准确率低的问题，本说明书实施例提供了一种新的煤气化模拟方法及***。
图1为本说明书实施例提供的一种煤气化模拟方法的流程示意图。从程序角度而言，煤气化模拟方法的执行主体为搭载于应用服务器或应用终端的程序。可以理解，该方法可以通过任何具有计算、处理能力的装置、设备、平台、设备集群来执行。如图1所示，该煤气化模拟方法包括：
步骤S101，基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块。
在本说明书实施例中，所述热解模块是基于所述煤气化的挥发组分，通过预设的挥发分模型，对煤进行热解计算，获得煤气化反应的产物。
在本说明书实施例中，预设的挥发分模型即预设的煤气化反应中的挥发分分析计算的方法。在对煤进行热解计算，主要包括反应热、挥发分燃烧热的计算。对煤进行热解计算，获得煤气化反应的产物为一系列含焦炭的反应产物。
为了进一步理解预设的挥发分模型，下面以具体的例子予以说明。图2为本说明书实施例提供的预设的挥发分模型的示意图。如图2所示，CHAR表示煤热化学转化过程中生成的含碳固态产物，称为结焦物或焦炭，TAR表示煤焦油，V表示挥发分。需要特别说明的是，预设的挥发分模型可以为DavidMerrick法，也可以为其他计算挥发分的算法，预设的挥发分模型的具体算法，并不构成对本申请的限定。
在本说明书实施例中，所述全混流反应器模型基于如下假定：
煤气化炉的气固两相充分混合；
燃料加热、水分蒸发、挥发分释放在入炉内瞬间完成；
焦炭颗粒内外无温度梯度；
煤气化炉内压力一致；
缩核不缩碳。
在本说明书实施例中，假定缩核不缩碳是指颗粒间无碰撞，灰层直径不变，气相反应物通过灰壳缝隙扩散进入焦炭颗粒，在其表面发生反应。
在本说明书实施例中，所述全混流反应器模型内置预设的煤气化反应动力学参数，所述预设的煤气化反应动力学参数包括均相反应和非均相反应。
在本说明书实施例中，所述均相反应至少包括以下一个或多个反应：
CO+0.5O2→CO2
H2+0.5O2→H2O
CO+H2O→CO2+H2
CO2+H2→CO+H2O
CH4+2O2→CO2+2H2O
CH4+H2O→CO+3H2
所述非均相反应至少包括以下一个或多个反应：
C+H2O→CO+H2
C+2H2→CH4
C+1/ΦO2→(2-2/Φ)CO+(2/Φ-1)CO2
C+CO2→2CO
CO+H2O→CO2+H2
其中，Φ表示比例系数，表示非均相反应中CO和CO2的比例。
在本说明书实施例中，所述平推流反应器由若干个串联的小室组成，所述小室长度为煤气化炉长度的预设倍数。
步骤S103，基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区。
在本说明书实施例中，所述基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区，具体包括：
基于煤气化过程中煤热解、气固非均相反应动力学和炉内返混，确定所述煤气化炉的分区。
煤热解后(即煤经热解分区)，煤气化炉内部的其他区域，进行煤气化反应。可以理解为煤气化炉的分区，根据计算精度的不同，可以根据煤气化炉的不同，进行煤气化炉分区的简化。
为了进一步理解煤气化炉的分区，下面将以具体的实施例予以说明。图3为本说明书实施例提供的一种煤气化炉的分区示意图，如图3所示的煤气化炉包括内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区。
步骤S105，将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
在本说明书实施例中，所述将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，具体包括：
将所述热解区采用所述热解模块进行计算，将所述内部回流区采用所述全混流反应器模块进行计算，将所述火焰区采用所述全混流反应器模块进行计算，将所述射流区采用所述平推流反应器模块进行计算，将所述管流区采用所述平推流反应器模块进行计算，将所述外部回流区采用所述全混流反应器模块进行计算，以用于煤气化模拟。
为了进一步理解分区反应计算装置，下面将通过示意图予以详细说明。图4为本说明书实施例提供的一种分区反应计算装置的搭建示意图。
在实际应用中，由于煤气化炉的炉型数量是有限的，因此，分区反应计算装置可以以枚举的形式内置分区反应网络，并且该内置的分区反应网络可以随着煤气化炉的炉型的更新而进行更新，该更新方式可以为人工更新也可以为自动更新。
在本说明书实施例中，内置的分区反应网络包括单喷嘴水煤浆气化炉和分级给氧气化炉的分区反应网络。
在本说明书实施例中，还提供了本说明书实施例提供的煤气化模拟***的对比数据。将本说明书实施例提供的煤气化模拟***的计算结果与实际生成数据进行对比。其中，表1为某进料煤分析数据；表2为气化操作数据，表3为主要合成气组分计算结果。图5为合成气主要组分分区计算结果的示意图。
表1
表2
表3
通过上述对比数据证明，本说明书实施例提供的煤气化模拟方法，比现有的煤气化模拟方法的计算结果更为准确。
采用本说明书实施例提供的模拟方法，能够准确进行煤气化表征计算，提供了煤气化表征计算的准确性，且操作使用难度低，操作直观。
本说明书实施例提供的煤气化模拟***，能够以子流程的形式进行模块封装。一个煤气化反应可以视为若干个子流程组成，每个子流程能够模拟不同分区下的反应。
本说明书前述实施例提供了一种煤气化模拟方法，基于同样的思路，本说明书实施例还提供一种煤气化模拟***。图6为本说明实施例提供的一种煤气化模拟***的示意图。如图6所示，该煤气化模拟***包括：
气化计算装置601，基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；
分区装置603，基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；
分区反应计算装置605，将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种煤气化模拟方法，其特征在于，所述煤气化模拟方法包括：
基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；
基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；
将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
2.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述热解模块是基于所述煤气化的挥发组分，通过预设的挥发分模型，对煤进行热解计算，获得煤气化反应的产物。
3.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述全混流反应器模型基于如下假定：
煤气化炉的气固两相充分混合；
燃料加热、水分蒸发、挥发分释放在入炉内瞬间完成；
焦炭颗粒内外无温度梯度；
煤气化炉内压力一致；
缩核不缩碳。
4.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述全混流反应器模型内置预设的煤气化反应动力学参数，所述预设的煤气化反应动力学参数包括均相反应和非均相反应。
5.如权利要求4所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述均相反应至少包括以下一个或多个反应：
CO+0.5O2→CO2
H2+0.5O2→H2O
CO+H2O→CO2+H2
CO2+H2→CO+H2O
CH4+2O2→CO2+2H2O
CH4+H2O→CO+3H2
所述非均相反应至少包括以下一个或多个反应：
C+H2O→CO+H2
C+2H2→CH4
C+1/ΦO2→(2-2/Φ)CO+(2/Φ-1)CO2
C+CO2→2CO
CO+H2O→CO2+H2
其中，
Φ表示比例系数，表示非均相反应中CO和CO2的比例。
6.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述平推流反应器由若干个串联的小室组成，所述小室长度为煤气化炉长度的预设倍数。
7.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区，具体包括：
基于煤气化过程中煤热解、气固非均相反应动力学和炉内返混，确定所述煤气化炉的分区。
8.如权利要求1所述的煤气化模拟方法，其特征在于，所述将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，具体包括：
将所述热解区采用所述热解模块进行计算，将所述内部回流区采用所述全混流反应器模块进行计算，将所述火焰区采用所述全混流反应器模块进行计算，将所述射流区采用所述平推流反应器模块进行计算，将所述管流区采用所述平推流反应器模块进行计算，将所述外部回流区采用所述全混流反应器模块进行计算，以用于煤气化模拟。
9.一种煤气化模拟***，其特征在于，所述煤气化模拟***包括：
气化计算装置，基于煤气化的挥发组分及煤气化反应器的类型，确定包含若干反应模块的气化计算模型，所述反应模块包括热解模块、全混流反应器模块及平推流反应器模块；
分区装置，基于煤气化炉的流场，确定煤气化炉的分区；
分区反应计算装置，将所述煤气化炉的分区与所述气化计算模型关联，以用于煤气化模拟，所述煤气化炉的分区包括：热解分区、内部回流区、火焰区、射流区、管流区及外部回流区的一个或多个分区。
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| Title |
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| 方薪晖 ，安海泉 ，刘臻 ，李烨 ，孙凯蒂 ，彭宝仔: "基于混合模型的煤气化过程模拟研究", 《煤炭学报》, vol. 48, no. 9, 30 September 2023 (2023-09-30), pages 3554 - 3561 * |
| 苏丽: "粉煤气化过程的模拟研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》, vol. 2016, no. 02, 15 February 2016 (2016-02-15), pages 017 - 45 * |
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