Modeling and simulation of gasification process in BGL furnace

doi:10.11949/0438-1157.20190840

Abstract

Abstract:

A three-dimensional unsteady coal gasification model of BGL gasifier is established in this paper. The model considers the shrinkage process of coal particles, the coal core pyrolysis model, gas phase turbulence model, gas-solid flow model, gas-solid heterogeneous reaction model, gas phase homogeneous reaction model, energy conservation equation and phase-to-phase heat transfer model. This model fully considers the temperature and composition distribution of the three-dimensional space inside the gasifier. Through the optimization of the stoichiometric parameters of the coal pyrolysis section model, the CO/H₂ molar ratio is about 1.59, which is consistent with the BGL furnace pyrolysis section operating mechanism; The three-dimensional unsteady simulation of the gasification section of the gasifier is used to simulate the composition of the outlet gas (CO, H₂, CO₂, CH₄, H₂O, O₂) compared with the literature results, and the error is less than 4%, which proves the accuracy of the BGL model. Based on this model, we analyze the main parameters of the coal gasification process in this paper. The results show that the coal gasification efficiency increases with the increase of steam-oxygen ratio. When the steam-oxygen ratio is determined to be between 1—1.3, it can meet the process and production requirements, which is suitable for the characteristics of lignite used in this paper; the coal gasification efficiency will decrease with the increase of oxygen-coal ratio, but the content of effective gas in syngas shows a trend of increasing first and then decreasing. When the oxygen-coal ratio is around 0.17, the effective gas content will reach a peak value. With the increase of coal particle diameter, the temperature in BGL furnace decreases, the maximum temperature is dropping from 2536.77 K to 2047.81 K; as for the composition, the increase of coal particle diameter will reduce the production of CO, H₂ and CH₄, and increase the amount of CO₂.

Key words: BGL furnace, optimization of coal pyrolysis stoichiometry, dynamic modeling, steam-oxygen ratio, oxygen-coal ratio, gasification efficiency, granular materials

摘要：

建立了BGL气化炉的三维非稳态煤气化模型，模型考虑煤炭颗粒的收缩过程，应用收缩核模型集成煤热解模型、气相湍流模型、气固流动模型、气固异相反应模型、气相均相反应模型、能量守恒方程以及相间传热模型等。该模型充分考虑了气化炉内部三维空间的温度和组成分布，通过煤热解段模型化学计量参数优化，得到CO/H₂摩尔比在1.59左右，符合BGL炉热解段运行机制；然后对BGL炉气化段过程进行三维非稳态模拟，模拟出口气组成(CO，H₂，CO₂，CH₄，H₂O，O₂)与文献结果对比，误差均小于4%。证明了BGL模型的准确性。基于该模型，本文对煤气化过程的主要参数进行影响分析。分析结果表明：煤气化效率随汽氧比的增加而提高，当汽氧比确定在1~1.3之间可以满足工艺要求及生产的需要，适合本文研究所用褐煤的特点；氧煤比增加会降低煤气化效率，但合成气中有效气的含量呈现出先增大后减小的趋势，当氧煤比在0.17左右时有效气含量达到峰值；随着煤粒直径的增加，BGL炉内的温度呈降低趋势，最高温度从2536.77 K降到了2047.81 K；同时，煤粒直径增加会减小CO、H₂和CH₄的生成量，并增大CO₂的生成量。

关键词: BGL炉, 煤热解化学计量参数优化, 动态建模, 汽氧比, 氧煤比, 气化效率, 颗粒物料

CLC Number:

TQ 021.8

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Figures/Tables 21

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模型	模型类型	干燥和干馏区	气化和燃烧区
UD/MIT模型	(1)Yoon et al, 1977,1978,1979(零维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到	SP或AS模型，C+H₂O和C+O₂反应，内扩散和本征反应速率；C+O₂和C+H₂反应，本征反应速率； C+H₂O反应，平衡处理；忽略不计H₂和CO的气相燃烧
	(2)Debb et al, 1979(一维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到
	(3)Yu et al, 1981,1982,1983(二维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到
	(4)Ghani et al, 1995,1996(一维，稳态，均相)	建立发展了干燥和脱挥发分的子模型，但不能满足水蒸气的边界条件
WVU模型	(1)Desai and Wen,1975,1978(一维，稳态，均相)	瞬时；假定产物分布，由实验修正	SP模型，C+H₂O反应，扩散和本征反应速率；C+O₂、C+H₂、C+O₂及CO+H₂O反应，本征反应速率
	(2)Wen et al, 1982(一维，稳态，均相)	假定产物分布；考虑产量，焦油的裂化及沉积动力学	SP模型，CO+H₂O反应，扩散；C+O₂、C+H₂及C+CO₂反应，本征反应速率；CO+H₂O反应，本征反应速率，考虑H₂氧化动力学
	(3)Monazam, 1986(一维，稳态，非均相)	无报道	SP模型，反应由膜层、灰层扩散及动力学决定；C+H₂O反应，平衡处理
METC模型	(1)Stefano et al,1985(零维，稳态，均相)	假定产量和分布	平衡反应，C+O₂反应，根据经验进行O₂化学计量计算；CO+H₂O反应，平衡反应，根据经验进行焦油化学计量计算
METC模型	(2)Syamlal, 1991(二维，瞬时，非均相)	焦油的裂化动力学，假定产物产量和分布	SP模型，本征反应速率；C+O₂反应，由膜层、灰层扩散；CO+H₂O反应，反应动力学

模型	模型类型	干燥和干馏区	气化和燃烧区
UD/MIT模型	(1)Yoon et al, 1977,1978,1979(零维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到	SP或AS模型，C+H₂O和C+O₂反应，内扩散和本征反应速率；C+O₂和C+H₂反应，本征反应速率； C+H₂O反应，平衡处理；忽略不计H₂和CO的气相燃烧
	(2)Debb et al, 1979(一维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到
	(3)Yu et al, 1981,1982,1983(二维，稳态，均相)	瞬时；假定产物组分近似分析得到
	(4)Ghani et al, 1995,1996(一维，稳态，均相)	建立发展了干燥和脱挥发分的子模型，但不能满足水蒸气的边界条件
WVU模型	(1)Desai and Wen,1975,1978(一维，稳态，均相)	瞬时；假定产物分布，由实验修正	SP模型，C+H₂O反应，扩散和本征反应速率；C+O₂、C+H₂、C+O₂及CO+H₂O反应，本征反应速率
	(2)Wen et al, 1982(一维，稳态，均相)	假定产物分布；考虑产量，焦油的裂化及沉积动力学	SP模型，CO+H₂O反应，扩散；C+O₂、C+H₂及C+CO₂反应，本征反应速率；CO+H₂O反应，本征反应速率，考虑H₂氧化动力学
	(3)Monazam, 1986(一维，稳态，非均相)	无报道	SP模型，反应由膜层、灰层扩散及动力学决定；C+H₂O反应，平衡处理
METC模型	(1)Stefano et al,1985(零维，稳态，均相)	假定产量和分布	平衡反应，C+O₂反应，根据经验进行O₂化学计量计算；CO+H₂O反应，平衡反应，根据经验进行焦油化学计量计算
METC模型	(2)Syamlal, 1991(二维，瞬时，非均相)	焦油的裂化动力学，假定产物产量和分布	SP模型，本征反应速率；C+O₂反应，由膜层、灰层扩散；CO+H₂O反应，反应动力学

模型	假设	反应处理	传热处理及参数选取
项友谦^[18](一维，稳态，均相)	灰层、反应层、干燥层、预热层；活塞流动；同一截面上的浓度、温度轴向速度视为相等；反应器内压力视为常数；气化段内只有气化和燃烧	收缩反应核；C＋O₂反应，扩散和化学反应常数(平衡处理)；C＋H₂O、C＋CO₂及C＋H₂反应，本征反应速率和孔扩散速率	氧化反应时，固相传热给气相，而在还原、干馏和干燥时，则气相传热给固相。气固换热有对流和辐射传热；高温，辐射传热起主要作用
袁渭康等^[19](一维，稳态，均相)	不考虑边界层影响，只有绝热区。气固等温；忽略气体返混	收缩反应核(AS、SP 模型)；C＋O₂反应，λ＝1.33；C＋H₂O、C＋CO₂及C＋H₂反应，本征反应速率；CO＋H₂O反应，平衡反应	气固等温，炉子为绝热
王光德等^[20](一维，稳态，非均相)	气固相的流型是活塞流；忽略反应器径向的非均一性；忽略反应器内压力降	收缩反应核(AS、SP模型)；C＋O₂、 C＋H₂O、C＋CO₂、C＋H₂反应，本征反应速率和孔扩散速率；干馏干燥瞬时化	忽略辐射传热。由于忽略辐射传热，则传热系数由Chilton-Colburn相似性导出求解
张乙明等^[21]	气流均匀，料层均匀下降，气流无纵向传质，无横向混合	C＋O₂反应，气膜扩散；C＋H₂O、C＋CO₂反应，本征反应速率和孔扩散速率；C＋H₂反应，本征反应速率；CO＋H₂O反应，瞬间平衡；干馏干燥反应，本征反应速率	忽略气固间辐射传热及固间传热。气固间传热系数采用经验公式

模型	假设	反应处理	传热处理及参数选取
项友谦^[18](一维，稳态，均相)	灰层、反应层、干燥层、预热层；活塞流动；同一截面上的浓度、温度轴向速度视为相等；反应器内压力视为常数；气化段内只有气化和燃烧	收缩反应核；C＋O₂反应，扩散和化学反应常数(平衡处理)；C＋H₂O、C＋CO₂及C＋H₂反应，本征反应速率和孔扩散速率	氧化反应时，固相传热给气相，而在还原、干馏和干燥时，则气相传热给固相。气固换热有对流和辐射传热；高温，辐射传热起主要作用
袁渭康等^[19](一维，稳态，均相)	不考虑边界层影响，只有绝热区。气固等温；忽略气体返混	收缩反应核(AS、SP 模型)；C＋O₂反应，λ＝1.33；C＋H₂O、C＋CO₂及C＋H₂反应，本征反应速率；CO＋H₂O反应，平衡反应	气固等温，炉子为绝热
王光德等^[20](一维，稳态，非均相)	气固相的流型是活塞流；忽略反应器径向的非均一性；忽略反应器内压力降	收缩反应核(AS、SP模型)；C＋O₂、 C＋H₂O、C＋CO₂、C＋H₂反应，本征反应速率和孔扩散速率；干馏干燥瞬时化	忽略辐射传热。由于忽略辐射传热，则传热系数由Chilton-Colburn相似性导出求解
张乙明等^[21]	气流均匀，料层均匀下降，气流无纵向传质，无横向混合	C＋O₂反应，气膜扩散；C＋H₂O、C＋CO₂反应，本征反应速率和孔扩散速率；C＋H₂反应，本征反应速率；CO＋H₂O反应，瞬间平衡；干馏干燥反应，本征反应速率	忽略气固间辐射传热及固间传热。气固间传热系数采用经验公式

反应	频率因子A_i / (m³/(kmol·s))	活化能E_i /(kJ/kmol)
H₂+0.5O₂ H₂O	8.83×10⁸	9.976×10⁴
CO+0.5O₂ CO₂	3.09×10⁵	9.976×10⁴
CH₄+H₂OCO+H₂	3×10⁸	1.25×10⁵
CO+H₂OCO₂+H₂	2.75×10⁹	8.37×10⁴
CH₄+0.5O₂ CO+2H₂	4.4×10¹¹	1.25×10⁵