《煤炭气化模拟》课件

煤炭气化模拟课件——PPT本课程为高校化工平台推荐教案，专注于煤炭气化过程的数学建模与仿真技术课程旨在培养学生掌握煤炭气化基本原理、主流工艺技术及其数值模拟方法，为未来从事清洁能源和化工领域研究打下坚实基础课程目录12煤炭气化基础主流气化工艺煤炭气化的定义、发展历程、煤种特性及基本反应原固定床、流化床、气流床等主要气化技术及其特点理34气化炉技术数学模型与仿真典型气化炉结构、工艺流程及操作参数分析动力学模型、数值模拟方法及仿真软件应用5能效与环境前沿趋势气化装置能耗分析、环境影响评估及碳减排技术煤炭气化的定义与背景煤炭转化产业规模战略意义将固体煤炭转化为气中国煤化工产能已超替代石油进口依赖，态燃料和化工原料的过8亿吨，成为全球最提升国家能源安全和热化学过程大煤炭转化基地资源利用效率煤炭气化技术通过在高温高压条件下与氧气、蒸汽等反应，将煤炭中的碳氢化合物转化为一氧化碳、氢气等可燃气体，为下游化工产品提供重要原料煤炭气化的发展历程1年代1870德国建成世界首座固定床煤气化装置，开创工业化先河2年代1950中国建成首座煤气工厂，标志着国内煤气化技术起步3年后2000气化装备国产化进程加速，技术水平快速提升从早期简单的固定床技术到现代先进的气流床工艺，煤炭气化技术经历了150多年的发展历程中国在改革开放后引进国外先进技术，通过消化吸收再创新，逐步实现了关键装备的自主化煤种及特性无烟煤烟煤褐煤固定碳含量85-98%，挥发分低，燃烧挥发分10-40%，是最主要的气化用水分高、热值低，但反应活性强，适性能稳定，适合高温气化工艺煤，反应活性适中合低温气化工艺•低挥发分（3-8%）•中等挥发分•高挥发分（40-50%）•高热值•良好反应性•高水分含量•反应性较差•应用最广泛•强反应活性气化反应基本原理燃烧反应水煤气反应C+O₂→CO₂（放热反应，C+H₂O→CO+H₂（吸热反ΔH=-

393.5kJ/mol）应，ΔH=+

131.3kJ/mol）提供气化过程所需热量，维持产生有价值的一氧化碳和氢气反应器高温环境混合气体反应BoudouardC+CO₂→2CO（吸热反应，ΔH=+

172.5kJ/mol）增加一氧化碳产量，提高碳转化效率煤炭气化是多个化学反应的复杂组合过程，需要精确控制温度、压力等工艺参数，实现放热反应和吸热反应的热量平衡气化产物及用途一氧化碳氢气占合成气30-50%占合成气25-40%用于合成甲醇、费托合成等化工过程制氢原料、合成氨生产的关键组分甲烷二氧化碳占合成气5-15%占合成气10-20%燃料气体或进一步转化为其他产品可用于碳捕集利用或作为化工原料主要煤气化工艺类型45%气流床技术市场份额最大，适用于大规模工业化生产30%固定床技术技术成熟稳定，适合中小规模应用20%流化床技术操作灵活性强，适用于低阶煤气化5%其他技术新兴技术路线，包括等离子体气化等不同气化工艺各有特点，选择合适的技术路线需要综合考虑煤种特性、产品要求、投资成本和运行经济性等因素固定床气化技术原料适应性适用于块煤和高灰分煤种，粒径通常为10-50mm操作条件反应温度800-1000°C，压力

1.0-

3.0MPa代表技术Lurgi干煤气化炉、我国改进型固定床气化炉技术特点碳转化率85-90%，产品气热值较高流化床气化技术煤粉制备将原煤破碎至

0.1-6mm粒径范围，确保良好的流化特性和传热传质效果流化气化在流化床内保持温度850-950°C，通过床料循环实现均匀传热产品分离气固分离后得到清洁合成气，固体颗粒返回反应器继续反应流化床气化技术具有传热传质效率高、温度分布均匀的优点，特别适合处理中低阶煤和煤泥等难处理煤种代表性技术包括德国Winkler工艺和中国自主开发的GPT工艺气流床气化技术概述超高温操作反应温度1300-1600°C，实现完全气化高压环境操作压力2-4MPa，提高气化效率粉煤进料煤粉粒径小于100μm，悬浮气化先进技术壳牌、GE、航天炉等代表性技术气流床气化是目前最先进的煤气化技术，具有碳转化率高、产品气净度好、适用煤种广等优点，是大型煤化工项目的首选技术壳牌粉煤加压气化炉结构炉体结构喷嘴系统竖式圆筒形设计，内装耐高温陶瓷衬多级对冲式喷嘴，确保煤粉与氧气充里分混合气流路径冷却系统自上而下的气流模式，停留时间1-3水管壁冷却，产生高压蒸汽回收热量秒（）气化工艺GE Texaco水煤浆进料高转化效率采用水煤浆+氧气共同喷入碳转化率可达99%以上，的湿法工艺，煤浆浓度60-适合大规模工业化应用70%中国应用国内多套百万吨级甲醇装置采用该技术，运行稳定可靠GE气化工艺以其优异的操作稳定性和高碳转化率在全球范围内得到广泛应用该技术特别适合处理高硫、高灰分煤种，在中国煤化工产业发展中发挥了重要作用目前国内已有超过100套GE气化装置投入运行航天粉煤气化炉（国产）技术水平气化效率与GE、壳牌技术相当成本优势投资成本比进口技术降低20-30%产业化3从小型试验逐步发展到工业化推广航天粉煤气化炉是中国自主研发的重要突破，打破了国外技术垄断该技术在保证性能的同时显著降低了成本，为国内煤化工产业提供了更经济的解决方案三高一大发展瓶颈主要工艺参数影响参数影响典型范围优化目标反应温度碳转化率、气1200-1600°C最大化CO+H₂体组成产率操作压力反应速率、设

2.0-

4.0MPa平衡效率与投备成本资蒸汽/氧比H₂/CO比例

0.3-

0.8匹配下游工艺需求煤粉粒径反应完全程度50-100μm充分气化反应工艺参数的精确控制是实现高效气化的关键通过调节温度可以控制产气率，调节蒸汽氧气比例可以获得不同的CO/H₂配比，满足不同下游工艺的原料需求典型工厂工艺流程图原煤制备破碎、干燥、筛分气化反应高温高压气化炉气体净化除尘、脱硫、脱碳终端产品合成气、化学品典型的煤气化工厂包含原料预处理、气化反应、产品净化和后续加工等主要工序整个流程需要精密的自动化控制系统，确保各个环节协调运行，实现最佳的经济效益和环保效果原煤制备与给料系统干法制备湿法制备适用于低水分煤种，通过破碎、干燥、筛分得到符合要求的制备水煤浆，适用于高水分、难磨煤种需要添加分散剂和煤粉系统相对简单，投资成本较低稳定剂，确保煤浆流动性•破碎至50-100μm•煤浆浓度60-70%•控制水分2%•粘度1000mPa·s•气力输送进料•泵送压力进料给料系统采用先进的自动化控制技术，实现连续稳定供料通过精确的流量控制和压力调节，确保气化炉运行的稳定性和安全性氧气与蒸汽系统空分制氧蒸汽系统比例控制采用深冷空分技术生产生500-600°C的过通过DCS系统精确控制产纯度

99.5%的工艺热蒸汽，作为气化剂氧气/蒸汽/煤的进料氧气，是气化过程的参与水煤气反应比例关键氧化剂氧气和蒸汽是气化反应的重要反应物，其质量和比例直接影响气化效果空分装置通常占到整个项目投资的15-20%，是气化工厂的重要组成部分蒸汽的温度和流量需要根据煤种特性和产品要求进行优化调节气化炉操作运行点火启动使用天然气或氢气作为点火燃料，逐步升温至操作温度温度调节通过调节氧气流量控制炉温，维持在最适宜的反应区间生物质共气化掺烧10-20%生物质实现降碳目标，减少CO₂排放维护保养定期检查炉衬、更换易损件，确保长期稳定运行原理动力学模型基础串级反应器模型收缩核模型将气化炉简化为多个连续搅拌描述固体颗粒气化过程的经典反应器（CSTR）串联，考虑模型，考虑化学反应、产物层轴向混合效应适用于初步设扩散和外部传质的综合阻力计和参数估算随机孔模型更精确地描述煤炭多孔结构的演变过程，适用于详细的反应动力学分析动力学模型是气化仿真的核心，不同模型各有适用范围选择合适的模型需要平衡计算精度和计算效率，同时考虑实际工程应用的需求气化反应动力学参数煤种反应活化能反应级数频率因子kJ/mol神府烟煤C-O₂

142.

80.

82.1×10⁵神府烟煤C-H₂O

198.

51.

01.8×10⁷准东褐煤C-O₂

125.

60.

74.2×10⁴准东褐煤C-H₂O

165.

20.

93.5×10⁶动力学参数的准确获取需要通过热重分析、固定床反应器等实验手段不同煤种的反应活性差异显著，褐煤的活化能普遍低于烟煤，反映了其更强的反应活性这些参数是数值模拟的重要输入条件气化炉热力学分析热量平衡反应热+显热=产品气显热+热损失化学平衡基于Gibbs自由能最小化原理计算平衡组成元素守恒碳、氢、氧、氮元素的质量守恒方程热力学分析为气化过程提供理论极限值，指导工艺参数的选择通过热力学计算可以预测不同条件下的产品气组成，为实际操作提供参考依据数学模型类型0维模型基于质量和能量守恒的集总参数模型，计算简单，适用于初步设计1维模型考虑轴向温度和浓度分布，适用于管式反应器和固定床分析CFD三维模型详细描述流场、温度场和浓度场分布，精度高但计算量大不同维度的数学模型各有优缺点，选择时需要根据研究目的、计算资源和精度要求进行权衡0维模型适合工程估算，CFD模型适合详细的流场分析和设备优化设计维能量物料衡算0/元素收支方程经典计算案例碳平衡C_煤=C_CO+C_CO₂+C_CH₄+C_残渣神华宁煤400万吨/年煤制油项目气化单元物料平衡计算氢平衡H_煤+H_蒸汽=H_H₂+H_CH₄+H_H₂O•入料煤2000t/d•氧气消耗1200t/d氧平衡O_煤+O_氧气+O_蒸汽=O_CO+O_CO₂+O_H₂O•合成气产量4800Nm³/h•碳转化率

98.5%维管式反应器仿真1在气化仿真中的应用CFD湍流流场采用k-ε或LES模型描述气化炉内复杂的湍流流动特性燃烧反应耦合有限速率化学反应模型，考虑多步反应机理颗粒追踪Lagrange方法追踪煤粉颗粒的运动轨迹和反应过程传热传质考虑辐射、对流、导热等多种传热方式的耦合CFD仿真能够提供气化炉内部流场的详细信息，揭示煤粉与气体的混合特性、温度分布不均匀性以及局部热点等现象，为设备设计优化提供科学依据数学模型案例分析几何建模建立气化炉三维几何模型，包括进料口、氧气喷嘴、出气口等关键部件网格划分采用结构化/非结构化混合网格，重点加密反应区域和壁面附近边界条件设定进料速度、温度、组分等边界条件，基于实际操作参数求解验证数值求解并与实验数据对比验证，优化模型参数某大型化工企业采用CFD模拟优化气化炉设计，通过调整喷嘴角度和位置，使煤粉燃尽率提高3%，合成气产量增加5%，取得了显著的经济效益仿真软件工具现状目前主流的气化仿真软件包括Aspen Plus用于流程模拟、COMSOL和Fluent用于CFD分析、OpenFOAM作为开源替代方案这些软件各有特色，Aspen Plus在化工流程模拟方面功能强大，COMSOL在多物理场耦合方面表现突出国内也在积极开发自主知识产权的仿真软件，如清华大学的Virtual Plant平台、华东理工大学的ECLipse软件等，为我国化工仿真技术发展提供了重要支撑气化流程建模Aspen Plus原料定义反应器模型输入煤质分析数据，定义煤的元素组选择RGibbs或RYield模块模拟气化反成和热值应换热网络分离单元HeatX模块设计换热器网络回收余热Flash分离器模拟气液分离过程Aspen Plus提供了丰富的物性数据库和反应器模型，特别适合于气化工艺的流程设计和优化通过参数敏感性分析功能，可以快速评估不同操作条件对产品收率和能耗的影响数值模拟输出及应用

99.2%碳转化率模拟预测值与实测值误差小于1%42%CO含量产品气中一氧化碳体积分数预测35%H₂含量氢气体积分数，满足下游工艺要求15%能耗降低通过参数优化实现的节能效果数值模拟不仅能够预测主要产品的组成和产率，还可以优化工艺参数以降低能耗、提高效率通过模拟分析，工程师可以在设备建设前就优化设计方案，大幅降低项目风险实验数据校核与模型修正实验测量模型校正在中试规模气化炉上开展验证实验，测量关键操作参数基于实验数据调整模型参数，提高预测精度•产气组成在线分析•动力学参数修正•温度分布测量•传热系数调整•压力波动记录•湍流模型优化•固体残渣分析•边界条件完善模型验证是确保仿真可靠性的关键步骤通过与实验数据的对比分析，可以识别模型的不足之处并进行针对性改进，最终建立准确可靠的预测模型典型工艺优化案例联产多联产工艺模拟合成气生产气化炉产生的合成气作为多种产品的共同原料化学品联产甲醇、氨合成、费托合成同时进行热电联产余热发电，提高整体能源利用效率循环利用废料回收再利用，实现清洁生产多联产工艺通过系统集成优化，实现了资源的最大化利用系统级仿真分析表明，与单一产品工艺相比，多联产模式可以降低总能耗15-25%，提高经济效益30%以上这种模式特别适合大型煤化工基地的建设气化装置自动控制系统压力监测温度控制流量调节实时监测气化炉内压力多点温度测量，通过氧精确控制煤粉、氧气、变化，及时调节进料和气流量调节维持最佳反蒸汽的进料比例和流量排气系统应温度安全联锁紧急停车系统，在异常情况下自动切断危险源现代化的DCS分布式控制系统集成了先进的传感器技术和智能算法，实现了气化装置的全自动化运行系统具备故障预警、参数优化和远程监控等功能，大幅提高了装置的安全性和可靠性安全与风险管理爆燃风险2019年某化工厂气化装置因可燃气体泄漏引发爆燃，造成重大损失有毒气体泄漏CO泄漏是最主要的安全隐患，需要完善的检测和防护系统过程安全评估采用HAZOP、LOPA等方法进行系统性风险分析应急响应建立完善的应急预案和快速响应机制气化装置涉及高温、高压、有毒有害物质，安全管理至关重要通过建立多层次的安全防护体系，包括本质安全设计、自动控制系统、安全仪表系统和应急响应措施，可以有效降低事故风险副产物处理与利用焦油飞灰占原料煤1-3%占原料煤2-5%深加工制取化工原料和燃料回收利用制备水泥添加剂气化渣废水占原料煤10-15%含酚氨废水处理可用于建筑材料、道路建设等达标排放或循环利用副产物的合理处置和综合利用是实现清洁生产的重要环节通过技术创新，气化渣可以制备高附加值的建筑材料，焦油可以深度加工获得精细化工产品，废水经过处理后可以回用于生产系统气化与环境影响污染物排放浓度治理技术去除效率SO₂35mg/m³湿法脱硫95%NOₓ100mg/m³SCR脱硝90%颗粒物10mg/m³布袋除尘+湿电除尘99%CO₂12%vol胺法吸收90%现代气化装置配备了完善的环保设施，污染物排放浓度远低于国家标准通过采用先进的净化技术，可以实现超低排放目标同时，CO₂捕集技术的应用为实现碳中和目标提供了技术路径煤气化与碳捕集利用存储（）CCUSCO₂封存CO₂利用将CO₂注入地质构造进行长期封存，实现负CO₂捕集将捕集的CO₂用于化工合成、油田注入或制碳排放在气化工艺中设置CO₂捕集装置，采用物理备建筑材料或化学吸收方法分离CO₂国内CCUS示范项目包括中石化胜利油田CCUS项目、华能集团绿色煤电项目等这些项目为大规模CCUS技术应用积累了宝贵经验，预计到2030年国内CCUS技术将实现商业化应用气化与双碳目标碳中和愿景2060年实现碳中和的国家目标节能减排提高气化效率，降低单位产品碳排放技术升级3生物质共气化，可再生能源耦合政策支持碳税、碳交易等政策引导产业发展在双碳目标约束下，煤气化技术面临转型升级的机遇和挑战通过技术创新和政策引导，气化行业正向着高效、清洁、低碳的方向发展，为实现碳中和目标贡献力量与国际煤气化技术对比典型工业实例一万吨400年产能力世界最大的煤制油项目

98.7%碳转化率达到国际先进水平年2016投产时间成功实现工业化运行亿元1800总投资创造了多项技术突破神华宁煤项目采用自主研发的水煤浆气化技术，建设了34台气化炉，日处理煤炭2万吨项目成功验证了大型煤制油技术的可行性，为国家能源安全提供了重要保障，同时带动了相关装备制造业的发展典型工业实例二项目概况技术特点新疆天业集团120万吨/年PVC项目，采用先进的气流床气化采用多喷嘴对置式气化炉，实现了高效稳定运行技术•气化炉单炉日处理量2000吨•年消耗原煤500万吨•冷煤气效率82%•生产合成气15亿立方米•装置可用率95%•配套40万吨/年烧碱装置该项目成功实现了在西北地区恶劣环境条件下的长期稳定运行，为新疆地区资源优势转化为经济优势提供了重要支撑，同时推动了当地化工产业集群的形成和发展。