气流床煤气化过程基于模型的系统能效表征与先进控制技术

Because of the abundant coal resource, China's coal-dominated energy structure of the short-term will not change. Gasification is an important way to use coal resource cleanlily and efficiently and to achieve carbon reduction. It is also a key technical foundation for the development of the energy and chemical industries. In order to meet with the operating needs and solve the bottleneck, the project closely integrates mechanism characteristics of typical entrained flow gasification process, and uses chemical engineering, computational fluid dynamics,intelligent modeling and advanced control technology to study on the hybrid modeling and advanced control strategy of entrained flow coal gasifier. The main research points are: (1) gas-solid phase fluid flow, reaction and transform coupled three-dimensional numerical simulation; (2) intelligent hybrid steady-state modeling of gasification process based on process mechanism and operating information; (3) dynamic modeling and completeness assessment of gasification process; (4) reaction / mass coupled system energy efficiency performance analysis of gasification process; (5) process indexes and flexibility combined advanced control. Through in-depth study, the project will build effective modeling,energy performance assessment and control methods and technology of entrained flow gasification process.

我国煤炭资源丰富，以煤为主的能源结构短期不会改变。煤气化是实现煤炭资源清洁高效利用与"碳减排"的重要途径之一，也是发展能源和化学工业的重要技术基础。本项目紧密结合典型气流床煤气化装置工艺机理特性，面向实际生产过程中的操作需求与运行瓶颈，综合应用化学工程、计算流体动力学、智能建模与先进控制等技术与方法，研究开发气流床煤气化过程面向系统整体行为最优的混合模拟与先进控制策略等若干关键技术。主要包括：（1）气固相流体流动、反应与传递耦合的气化炉三维数值模拟；（2）基于过程机理与运行信息融合的气化过程智能混合稳态建模；（3）气化过程动态建模与完备性评估；（4）气化过程系统能效关系表征；(5) 兼顾工艺指标与操作柔性的全过程先进控制。通过系统深入的研究，开发有效的气流床煤气化过程模型化、能效评估与优化控制方法和技术。

煤气化技术是洁净煤技术的核心，是实现煤炭资源清洁高效利用与“碳减排”的重要途径，研究煤气化过程的模拟与优化控制方法和技术对促进煤资源的高效利用有重要意义。.本项目紧密结合典型气流床煤气化装置工艺机理特性，面向实际生产过程中的操作需求与运行瓶颈，综合应用化学工程、计算流体动力学、智能建模、先进控制和优化等技术与方法，研究开发气流床水煤浆气化反应过程的建模、先进控制和优化等方法和关键技术。具体包括：（1）以某焦化厂日处理干煤500吨的德士古水煤浆气化炉为对象，采用CFD技术，对中心氧含量变化对气化炉内三维流场的冷态流场进行了模拟，并进行了传热、传质与反应耦合的三维数值模拟，分析了气化炉内的场分布特性。（2）研究了基于过程机理与运行信息融合的水煤浆气化反应过程智能混合稳态建模与模拟，提出了一种可预测碳转化率的三级平衡模型，和一维反应过程综合模型；为了解决模型计算代价过大的问题，建立了水煤浆气化反应过程的Kriging代理模型；利用数据驱动的最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法建立了CO含量分布、H2含量分布、CO2含量分布和气化炉温度分布的软测量模型，并对这些关键效能指标的软测量模型进行预测。（3）将气化过程中颗粒热解、气相和气固相反应动力学、炉内返混等影响考虑在内，建立了基于反应器网络方法的气化过程分区模型，分析了返混等对气化反应过程的效能影响。（4）研究了水煤浆气化反应过程动态模拟方法，进行了气化反应过程的动态特性分析。（5）提出了面向系统整体行为的水煤浆气化反应过程先进控制策略和基于智能优化算法的水煤浆气化反应过程单目标和多目标操作条件的优化方法。.本项目的相关建模、控制和优化方法也拓展应用到了其他化工过程。通过本项目的研发，发表和录用了26篇学术论文，申请了6项国家发明专利和3项计算机软件著作权，培养了多名研究生和青年教师，形成了校级重点支持的科研创新团队。本项目已按要求完成了相关研究内容，达到了预期的研究目标。