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SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation《PRO/II™技巧》第1章秦云锋2009年4月1日如何用PRO/II模拟煤以及煤气化过程？引言：当前煤化工相关行业比较热，很多单位都在从事煤化工装置的设计和研发，众所周知，工艺开发过程离不开流程模拟软件的帮助。国内很多从事煤化工的同行都和我们反映希望了解如何在PRO/II中处理煤。鉴于此，我特别拟定一期PRO/II技巧，较为详细地描述如何在PRO/II中定义煤以及如何模拟煤气化反应。当然煤气化反应非常复杂，用通用流程模拟软件比较难以准确模拟气化炉的整个反应，但通过内置的Gibbs反应器，可以初步预测出气化炉出口的合成气组成和温度以及气化反应的反应热。第1步－确定煤的化学分子式表达要模拟煤气化过程，首先必须在PRO/II中定义煤。我们可以获得的分析数据主要是煤的元素（C、H、O、N、S元素以及灰分和水含量）组成，但PRO/II中并不能直接定义元素。我们可以初步分析一下，将煤分成可燃部分和灰分两部分（亦可包括水），对灰分部分，由于其基本不参加反应，可以用一些惰性固相物质代替（如SiO2），而对于可燃部分，可通过拟定一个较为合理的分子量，计算出相应的化学计量比，计算方法如表1-1（其中黄色背景部分为用户提供的数据，其余为计算结果）。通过该分析，可以得到煤可燃部分的分子式为：C353.706H265.1031N6.153961S1.93544O21.0113。【注意】：（1）可燃部分的分子量设为5000是一个拟定值，该值仅用于确定基于该分子量的mol化学计量比以及用于定义煤的化学反应，亦可设为其它值，对最终计算结果并无影响。（2）本例没有考虑煤中的水分含量，亦可考虑，计算方法类似。1SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation表1-1：煤的元素分析和化学分子式煤的元素分析wt%占可燃部分百分比元素分子量化学计量比C73.9384.97%12.011353.7059576H4.655.34%1.00795265.1030958N1.51.72%14.006756.153960687S1.081.24%32.0661.935440403O5.856.72%15.999421.01130396Total87.01灰分Ash13.01煤可燃部分的分子量5000第2步－确定煤的生成焓由于我们最终要模拟煤的燃烧或转化等反应，而反应热是一个非常关键的参数，而一般情况下（PRO/II的缺省设置）是通过反应产物的生成焓和反应物的生成焓之差来计算反应热，即：Q＝ΔHf（反应产物）－ΔHf（反应物）（2-1）以煤气化反应为例，由于产物为各种气体组分，其生成焓往往是已知的，因而只要确定煤（反应物）的生成焓，即能计算气化反应的反应热。我们可以借煤的完全燃烧反应求得煤的生成焓。还是上面的2-1式，对煤的完全燃烧反应，其产物包括：H2O、CO2、SO2、N2，其生成焓已知，而燃烧反应的反应热可以通过经验的Dulong公式（式2-2）计算，由此可以推算出煤的生成焓。Ht(kJ/kg)=33.823*C+144.250*(H-O/8)+9.419*S（2-2）ΔHf（煤）＝ΔHf（燃烧产物）－Q（2-3）以表1-1中的数据为例，计算出的煤完全燃烧的反应热Q为：7.3500Mcal/kg，其中可燃部分的热值为8.4500Mcal/kg或42250107.74kcal/kmol。而反应产物的热值计算如表2-1。由此，可以求出煤（可燃部分）的生成焓为：-179710.0997kcal/kmol。灰分的生成焓为0。2SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation表2-1：煤燃烧产物热值计算煤的元素分析wt%燃烧产物产品的ΔHf[Kcal/Kmol]总的ΔHf[Kcal/Kmol]C73.93CO2-93988-33244115.55H4.65H2O-57756-7655647.201N1.5N200S1.08SO2-70899-137220.7892O5.85--Total87.01LHV-41036983.54Ash13.01H2O蒸发焓-1392834.301HHV-42429817.84第3步－确定煤的其它性质对于煤（可燃部分）的其它性质如密度和热容Cp，可根据实际情况确定。本例中分别取1.35（比重）和0.25kcal/kg-C。第4步－煤的气化反应模拟如前所述，通过内置的Gibbs反应器，可以初步预测出气化炉出口合成气的组成和温度以及气化反应的反应热。理论上我们可以直接用一个Gibbs反应器模拟整个气化过程，但在PRO/II中如果直接将煤物料进Gibbs反应器，你必须在反应器中定义所有组分的元素基团数以及煤的Gibbs生成能（GibbsEnergyofFormation），提供这些数据比较麻烦而且比较困难。因此，我们建议可以先将煤转化为含所有元素的气体组分，再由这些气体组分进Gibbs反应器，基于Gibbs自由能最小化预测出最终气化炉的出口气体组成和温度。因为反应热是状态量不是过程量，这样处理不会影响最终结果，但避免了提供上述数据的麻烦。第5步－在PRO/II中的设置（1）定义所有模拟涉及的纯组分，包括：CO2、H2O、N2、O2、CO、H2、CH4、H2S、COS。（2）定义SiO2用于代替灰分，为方便将其名称改为Ash，并通过ComponentPhases…的设置将其相态改为Solid。（3）通过User-Defined定义一个新的组分Coal，用于模拟煤的可燃部分，将其相态改为Solid。（4）热力学方法选择SRKM。3SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation图5-1组分定义（5）打开ComponentProperty，设置Coal组分的分子量和生成焓，灰分的生成焓和Gibbs生成能为0，如图5-2～5-5所示：图5-2分子量和生成焓定义（6）在ComponentProperty中定义Coal的密度和Cp（在TemperatureDependant…中）。4SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation图5-3设置Coal的Cp和密度图5-4设置Coal的Cp5SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation图5-5设置Coal的密度（7）定义化学反应：如前所述，先通过一个将Coal转化为气体产物的反应，将煤气化，再通过Gibbs反应器计算产物分布和出口温度。对前一个反应，可定义为：Coal+O2ÆN2+CO+CH4+COS该反应是虚拟的，其反应产物的选择主要是考虑到方程式的配平，可根据煤的分子式确定化学计量为（本例中名称为GAS2）：Coal+133.2094O2Æ3.07698N2+285.4947CO+66.27577CH4+1.93544COS图6-1虚拟气化反应定义6SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation（8）定义单元过程：以水煤浆气化为例，H2O、Coal、Ash、O2混合物进入一个ConversionReactor，出口进入GibbsReactor，其产品经过SolidSeparator分出气相和未反应的固相。注意固体物料的处理（图7-1）。转化反应器为绝热类型，定义反应压力，并设置Coal的转化率为1（图7-2）。Gibbs反应器的Reactingcomponent中不再包括Coal、Ash（图7-3）。图7-1模拟流程和固体物料的处理图7-2转化反应器7SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation图7-3Gibbs反应器（9）运行并查看结果：计算的Gibbs反应器出口物料的气相组成和温度即为我们关心的结果。PROII关键词文件如附件。8SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation结语上述建模方法是根据对实际案例的分析编辑而成。描述和方法如有不妥或对此有任何意见和建议，欢迎和我联系商榷。感谢SimSci日本办公室和上海兖矿等国内同行的贡献。感谢您对PRO/II的支持！秦云锋SimSciTechnologyM:15921006157Email:yunfeng.qin@simsci.com.cn9SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulation附件：PRO/II的Keyword文件$GeneratedbyPRO/IIKeywordGenerationSystemversion8.2.2$Generatedon:WedApr0116:17:092009TITLEDATE=09/27/08PRINTSTREAM=ALL,RATE=M,WT,FRACTION=M,WTDIMENSIONMETRICSEQUENCESIMSCICOMPONENTDATALIBID1,CO2/2,H2O/3,N2/4,SO2/5,SIO2,,Ash/7,O2/8,CO/9,H2/10,AR/&11,CH4/12,H2S/13,COS,BANK=SIMSCINONLIB6,COALPHASES=5,6MWAVG6,5000FORMATION(S,M)5,0,0/6,-1.797E6ASSAYCONVERSION=API94,CURVEFIT=CURRENT,KVRECONCILE=TAILSENTHALPY(S,K,J/KG,MOLE)CORRELATION=1,DATA=5,4500,2000,-2.3429E7,&85772CP(S,C,KCAL/KG,WT)CORRELATION=1,DATA=6,3000,0,0.25DENSITY(S,C,SPGR,WT)TABULAR=0,3000/6,1.35,1.3501THERMODYNAMICDATAMETHODSYSTEM=SRKM,SET=SRKM01,DEFAULTSTREAMDATAPROPERTYSTREAM=COAL_AND_O2,TEMPERATURE=50,PRESSURE=1.0332,&PHASE=M,COMPOSITION(WT,TM/H)=7,100SOLIDSTREAM=COAL_AND_O2,COMPOSITION(WT,TM/H)=5,9/6,91PROPERTYSTREAM=WATER,TEMPERATURE=50,PRESSURE=1.0332,PHASE=M,&COMPOSITION(WT,TM/H)=2,50RXDATARXSETID=BURNINGREACTIONID=BURN01STOICHIOMETRY1,376.64/2,73.822/3,2.1224/4,1.8568/6,-1/&7,-408.9RXSETID=GAS2REACTIONID=GAS210SimSciTechnologydeliveringthepowerofsimulationSTOICHIOMETRY3,3.077/6,-1/7,-133.21/8,285.49/11,66.276/&13,1.9354UNITOPERATIONSCONREACTORUID=COAL_TO_GASFEEDCOAL_AND_O2,WATERPRODUCTM=GASIFIEDOPERATIONADIABATIC,PRESSURE=56.084RXCALCULATIONMODEL=STOICRXSTOICRXSET=GAS2REACTIONGAS2BASECOMPONENT=6CONVERSION1PRINTPATHGIBBSUID=GIBBSFEEDGASIFIEDPRODUCTM=PRODUCTOPERATIONPHASE=M,ADIABATICPARAMETERPHYSPROP=1ELEME