[發(fā)明專利]基于多尺度建模的煤化學鏈氣化工藝設(shè)計方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011363689.6
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112487641B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田文德;崔哲;孫素莉;劉彬
• 申請（專利權(quán)）人: 青島科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F119/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發(fā)明涉及清潔生產(chǎn)領(lǐng)域領(lǐng)域，具體涉及基于多尺度建模的煤化學鏈氣化工藝設(shè)計方法及其應(yīng)用。建立煤模型并進行全局能量優(yōu)化，采用ReaxFF?MD模擬對CP進行機理分析，通過分析碎片數(shù)量得到最優(yōu)CP溫度；采用CFD對CLG過程進行模擬，對燃料反應(yīng)器進行建模，確定載氧體的種類和最佳停留時間；基于CP機理分析和CLG流體動力學模擬結(jié)果，對CP?CLG系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)模擬，并通過靈敏度分析得到影響合成氣生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)。通過多尺度建模獲得高純度的合成氣，考慮清潔生產(chǎn)各項性能的綜合優(yōu)化，能同時實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、低能耗、高生產(chǎn)率以及多反應(yīng)器動態(tài)穩(wěn)定性，保證了工藝安全。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及清潔生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及基于多尺度建模的煤化學鏈氣化工藝設(shè)計方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)中占主導地位的化石燃料之一。但傳統(tǒng)的煤炭利用技術(shù)能源效率低，污染問題嚴重。因此，潔凈煤技術(shù)已成為近年來研究和開發(fā)的重點。煤熱解過程(CP)是一種更清潔的煤轉(zhuǎn)化方式，可生產(chǎn)高附加值的熱解氣、焦和焦油。化學鏈氣化(CLG)是另一種利用載氧體實現(xiàn)高效能源轉(zhuǎn)化和內(nèi)部CO2分離的清潔技術(shù)。因此，CP和CLG過程的集成可以比單個過程同時提高生產(chǎn)效率和減少環(huán)境污染。

CP是一個復雜的過程，涉及無數(shù)的反應(yīng)途徑，目前尚缺乏對其機理的詳細描述。分子動力學(MD)模擬是一種適用于大分子系統(tǒng)的有效建模方法。反力場(ReaxFF)是為了彌補MD與量子力學(QM)之間的差距而發(fā)展起來的。它適用于原子數(shù)不超過一百萬個的各種化學系統(tǒng)，不受量子力學中原子數(shù)的限制。因此，ReaxFF-MD為CP等復雜反應(yīng)體系的MD模擬提供了一種有前景的方法。

但是CP和CLG過程復雜，在模擬過程中，處理對象的復雜程度不同直接影響建模過程中的參數(shù)選擇、難度和模擬結(jié)果。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)雖然有公開CP和CLG的建模方法，但單一尺度(僅模擬CP過程或僅模擬CLG過程)的建模分析無法研究CP和CLG過程參數(shù)在CP-CLG完整過程中的相互配合作用。而使用一種建模構(gòu)思模擬CP-CLG完整過程的參數(shù)選擇，因為沒有針對CP和CLG反應(yīng)過程的不同特點和重點參數(shù)進行模擬，無法兼顧CP和CLG過程的不同特點，因此僅使用一種建模構(gòu)思構(gòu)建的CP-CLG過程參數(shù)的選擇有待完善，反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性有待提高。

還有一些建模方法處理對象理想化，與實際生產(chǎn)過程中的煤構(gòu)型和反應(yīng)過程有較大偏差，有的側(cè)重研究炭黑產(chǎn)率，無法兼顧合成氣質(zhì)量，有的合成氣質(zhì)量流量雖然大，但是處理對象理想化導致缺乏實際參考，無法進行動態(tài)研究，因此不能滿足工業(yè)合成氣的生產(chǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明采用基于多尺度建模的煤化學鏈氣化工藝設(shè)計方法。以CP-CLG流程模擬為核心，利用MD模擬對CP過程進行機理研究，再利用CFD(計算流體力學)模擬對CLG過程進行建模和分析，為CP-CLG穩(wěn)態(tài)模擬提供了最優(yōu)的操作參數(shù)，互相配合，實現(xiàn)CP-CLG穩(wěn)態(tài)運行。并在CP-CLG穩(wěn)態(tài)模擬基礎(chǔ)上，建立了多反應(yīng)器系統(tǒng)的動態(tài)控制方案，并通過添加不同擾動測試了高純度合成氣的穩(wěn)定生產(chǎn)。

具體地，本發(fā)明是通過如下所述的技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明第一方面，本發(fā)明提供一種基于多尺度建模的煤化學鏈氣化工藝設(shè)計方法，包括：

建立煤模型并進行全局能量優(yōu)化，采用ReaxFF-MD模擬對CP進行機理分析，通過分析碎片數(shù)量得到最優(yōu)CP溫度；

采用CFD對CLG過程進行模擬，對燃料反應(yīng)器進行建模，確定載氧體的種類和最佳停留時間；

基于CP機理分析和CLG流體動力學模擬結(jié)果，對CP-CLG系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)模擬，并通過靈敏度分析得到影響合成氣生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)。