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1、抚顺炉过程反应分析和一维模型建立曲羡1(1. 抚顺矿业集团工程技术研究中心 ，113006)摘要：本文以抚顺管式干馏炉为研究对象，通过建立数学模型，计算分析了其内部的流动、传热、传质过程。本文以抚顺管式干馏炉为研究对象，通过建立数学模型，计算分析了其内部的流动、传热、传质过程。发展洁净页岩干馏技术己成为今后的能源利用的趋势。页岩炼油是洁净、高效利用页岩的最主要途径之一。在我国使用最多的是固定床页岩气化技术。本文文献综述部分着重介绍了固定床页岩气化数学模型的发展历史，描述了页岩干馏过程所发生的复杂的物理，化学反应和传热、传质过程。页岩干馏环节在行业总投资和成本中占相当大的比重。如何通过改变操作条
2、件，以达到强化干馏的目的，最经济方便的方法就是模型法。本文在对固定床页岩干馏的研究中，主要做了以下工作:一、根据页岩与氧气、二氧化碳和水蒸汽反应的动力学数据，在传质和气一固相传热的基础上建立了常压固定床页岩干馏反应器的一维多相模型，采用数值方法进行计算，得到床层内气固相温度和浓度的预测结果。二、设计多个模拟方案，应用一维模型分析了气化强度、鼓风饱和温度、原料煤颗粒度和鼓风量等对发生炉操作的影响，探讨了优化参数的确定。通过本课题的研究，为常压固定床页岩干馏反应器的优化设计提供了依据关键词:固定床 干馏炉 数学建模Fushun reaction furnace process analysis a
3、nd one-dimensional model set upQu Xian 1 (1. Fushun Mining Group Engineering Research Center, 113006) Abstract: Fushun tubular pyrolysis furnace as the research object, through the establishment of mathematical model, calculation and analysis of its internal flows, heat transfer, mass transfer proce
4、ss. In this paper, Fushun pyrolysis furnace tube as the research object, through the establishment of mathematical model, calculation and analysis of its internal flows, heat transfer, mass transfer process. The development of clean shale pyrolysis technology has become the future trend of energy us
5、e. Shale oil refining are clean, efficient use of shale, one of the most important ways. The most frequently used in our country are fixed-bed gasification technology shale. Literature review part of this article focuses on fixed-bed gasification Shale history of the development of mathematical mode
6、ls describing the pyrolysis process happen shale complex physical, chemical reactions and heat transfer, mass transfer process. Shale pyrolysis segments in the industry and cost a total investment accounted for a large proportion. How by changing the operating conditions in order to achieve the purp
7、ose of strengthening the dry distillation, the most convenient way is to model. In this paper, on the fixed-bed pyrolysis shale study, mainly to do the following work: First, according to shale with oxygen, carbon dioxide and water vapor kinetic data, mass transfer in solid and gas 1 legend based on
8、 the hot set up a regular shale pressure fixed-bed pyrolysis reactor with one-dimensional model, numerical method to calculate, the bed temperature and the concentration of gas-solid prediction of the outcome. Second, the design of a number of simulation programs, the application of one-dimensional
9、model analysis of the gasification intensity, blast saturation temperature, coal particle size and volume of blast furnace operation, such as the impact of optimized parameters. Through the research projects for the atmospheric pressure fixed-bed pyrolysis reactor shale Optimal design provides the b
10、asis for. Key words: fixed-bed pyrolysis furnace mathematical modeling引言页岩的干馏技术有固定床、流化床、气流床三大类型，我国使用最多的是固定床气化工艺。固定床干馏气化技术在我国己有百余年历史，抚顺炉反应器的设计己经比较完善，但操作技术有待继续提高。过去操作条件的选择，尤其是优化操作条件的确定多凭经验判断，页岩含油率及操作条件变化时，要进行较长时间的试验摸索。试验法无疑是最现实和可靠的方法，它是在实际生产装置上，改变操作条件，测定其热效率，以此来确定优化的操作条件。此法比较直观，但试验次数多，人力物力消耗大，测量仪表要求较高
11、，有时还要影响生产。模型法是根据建立对象的数学模型，在计算机上进行模拟计算，然后根据模拟计算的结果.得出优化的操作条件。建立模型的基本理论是动量传递、质量传递、能量传递和反应工程(即三传一反)的理论。本文研究的是抚顺式页岩干馏炉炉内的传输过程.根据固定床反应器数学模型的研究现状，考虑论文要满足发生炉模拟的实际要求，拟定本论文主要包含如下内容:(1)抚顺式固定床干馏炉的操作和反应过程(2) 根据三传一反原理，选择适当的理论模型，建立描述所研究过程的控制微分方程组。通过完成以上研究，本课题将为抚顺式干馏炉的优化设计提供初步理论依据。1. 抚顺式固定床干馏炉的操作和反应过程1.1操作过程页岩进入干馏
12、反应器后，依重力在缓慢下降的过程中，首先遇到来自气化区的高温气体，两者之间发生能量交换。随着页岩层温度的升高，页岩逐渐失去水分和挥发份而转化为半焦。然后，半焦进入气化段同高温气体中的CO, C02, H2O和H2等气体进行气化反应。由于半焦/C02、半焦/H2O的反应均为吸热反应，半焦/H2的反应为微放热反应，再加上气固间的传热，故在这一区域内气相在向上流动的过程中温度不断降低。在燃烧区内，实际上同时进行着燃烧和气化反应。一些可燃气体如co和H2也有可能同02发生反应。这些燃烧过程均为剧烈的放热过程，从而为吸热的气化反应和随后的干馏与干燥过程提供能量。燃烧后的灰分形成温度很高的灰分区，进入床层
13、底部的反应气体(H20/ 02或H2O/Air)在这里同灰分进行热交换，一方面预热反应气，另一方面使灰分温度降至适宜排放的温度。常压固定床页岩干馏炉一般采用12-75mm 。1.2固定床页岩干馏反应器内部的物理与化学过程固定床页岩干馏反应器内部的传热、传质过程十分复杂。就传质来讲，不仅由气相和固相各自的本体运动，还有气固相间、固相颗粒内部向颗粒外部的传质过程。就传热而言，有气固相间、气固相与炉壁间、固相不同层面之间的各种传热过程。从机理上讲，传热过程有扩散传质和对流传质，传热过程有传导、对流和辐射等方式。传热过程包括以下各个步骤.(1) 颗粒内传导;(2) 相接触的颗粒间传导:(3) 颗粒间辐
14、射;(4) 颗粒流体间的对流;(5) 颗粒向流体的辐射;(6) 流体内传导;(7) 流体内辐射;(8) 流体混合;(9) 颗粒炉壁间传导;(10 )颗粒炉壁间辐射:(11 ) 流体炉壁间对流:(12 ) 流体炉壁间辐射。相对来讲 ，传质过程就要简单的多，其原因有以下三点:(1) 颗粒内扩散经常可以忽略:(2) 没有向炉壁的传质;(3) 没有与辐射传热相对应的传质方式。传热与传质过程可能伴随化学反应，也可能不伴随化学反应。1.3传热与传质过程气体和固体的许多特性(如热容、粘度、传质系数等都是温度和压力的函数，当温度变化范围较小时，可以采用平均值的方式来简化传热与传质的数学模型。但在煤气化反应器中
15、，温度沿床层高度的变化很大，因而必须确定各种性质与温度之间的函数关系。在简单的一维均相模型中，床层向炉壁的传热可以用总传热系数来代表。目前文献中采用的典型数值一般为15-35W/m2K.即54-126kJ/m2hk。这样的数值属于强制对流范围。也有的模型采用的数值更高一些，比如后面提到的Biba模型，为217 kJ/mhko通过炉壁的热耗主要来自气相，也就是说，由于气相在炉内的运动速率很高，故其径向有效导热系数也很高。2.模型的建立2.1气化过程分析和一维模型的建立 2.1.1页岩气化段反应器数学模型的题本前提和假设抚顺炉中，气体自下而上连续流动，页岩颗粒借助重力缓缓向下移动，并伴有气固间的非
16、均相反应和气气间的均相反应。其整个过程非常复杂，既有热解及气化的动力学问题，又涉及反应的热效应，同时还要考虑气固相间的传热、传质及固体内部结构的影响。所以在进行数学建模时必须进行一些简化。目前，面对稳态过程的数学模拟中一般做出如下的假设：1气相及固相的流动为活塞流，不考虑各项的动量守恒。2轴向流速均一3瞬间干燥过程4瞬间或简化的脱挥发分过程，收率来自工业分析5半焦气化或燃烧动力学参数适用于小颗粒6燃烧产物分布固定7气相反应仅限于水煤气变换反应8由于发生段的逆流特性，所得数学模型为两端边界问题。9单一粒度模型发展的趋势是逐渐减少上述的假设和前提，使其更接近于实际的干馏生产过程。比如：页岩颗粒在反应过程中孔隙率、形状、直径均发生变化，那么固定页岩床层的轴向速度也因此发生变化；干燥动力学的引入不再需要瞬间干燥。随着模型的不断完善，在提高预测精度的同时，各种
