利用Aspen Plus 對(duì)粉煤氣化與水煤漿氣化過(guò)程的模擬分析

張曉光，蘇 麗，王志欣，馮盛丹，李 平

（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，寧夏銀川 750021）

煤炭氣化是煤炭高效潔凈利用的有效途徑。以干粉煤或水煤漿為原料，以水蒸汽和純氧作為氣化劑的氣流床煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤氣化的核心技術(shù)之一，對(duì)煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化具有重要的意義。以Aspen Plus為模擬工具對(duì)煤氣化過(guò)程進(jìn)行模擬具有以下意義：（1）對(duì)整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行分析，尋找到最優(yōu)操作點(diǎn)[1]，以用于實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)和優(yōu)化；（2）為煤氣化工藝提供數(shù)據(jù)支持，及對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義[2]；（3）預(yù)測(cè)合成氣的組成和污染物的排放[3]；（4）對(duì)裝置設(shè)計(jì)、工藝操作提供數(shù)據(jù)支持。

煤氣化的實(shí)質(zhì)就是將煤中的C、H 轉(zhuǎn)化為清潔燃料氣或合成氣（CO+H2）的過(guò)程。氣化爐中的氣化反應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的體系，其中的主要反應(yīng)是煤中的碳與氣化劑中的氧、水蒸氣及二氧化碳等的反應(yīng)，也有碳與產(chǎn)物以及產(chǎn)物之間進(jìn)行的反應(yīng)。在氣化爐內(nèi)，煤炭經(jīng)歷了干燥、熱解、氣化三個(gè)過(guò)程。

煤在氣化過(guò)程中，第一階段的反應(yīng)以揮發(fā)分的燃燒為主，當(dāng)氧氣消耗殆盡后，氣化過(guò)程將以氣化產(chǎn)物與殘?zhí)康臍饣磻?yīng)為主，主要包括以下反應(yīng)：

（1）揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)

（2）焦炭的燃燒反應(yīng)

（3）焦炭的氣化反應(yīng)

（4）揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化反應(yīng)

本研究利用Aspen Plus 軟件，建立粉煤氣化和水煤漿氣化兩種模型，參照某氣化車(chē)間實(shí)際操作參數(shù)，分別對(duì)寧夏寧東礦區(qū)三種不同煤樣進(jìn)行氣化模擬，并將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)得到的合成氣組分進(jìn)行對(duì)比。模擬用煤與實(shí)際用煤的煤質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

1 粉煤氣化過(guò)程模擬

1.1 模型的建立及物性方程的選擇

對(duì)粉煤氣化過(guò)程的建模選擇RYield（收率反應(yīng)器）和RGibbs（平衡反應(yīng)器）兩個(gè)模塊反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行模擬，Ryield 的主要功能是將粉煤分解成單元素分子（純?cè)谻、S、H2、N2、O2、Cl2） 和灰渣（Ash），并將裂解熱（QDcomp）導(dǎo)入反應(yīng)模塊[3]。煤炭是非常規(guī)組分，模擬中將粉煤通過(guò)RYield 反應(yīng)器裂解轉(zhuǎn)化為單元素的分子后，再與氣化劑、氧氣一同進(jìn)入RGibbs 反應(yīng)器進(jìn)行煤炭的氣化反應(yīng)。用Heater 換熱模塊對(duì)爐氣進(jìn)行冷卻以便后續(xù)工段的處理。粉煤氣化模擬流程圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 粉煤氣化模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of powdered coal gasification

氣流床氣化過(guò)程是在高溫高壓下進(jìn)行的[4]，因此選用RK-SOAVE 方程比較適合本次模擬的工藝過(guò)程。選用HCOALGEN 焓模型計(jì)算煤的焓，選用DCOALIGT模型計(jì)算煤的干基密度。進(jìn)料的粉煤則作為非常規(guī)組分Nonconventional 來(lái)對(duì)待。

1.2 粉煤氣化模擬

粉煤氣化裝置氣化爐操作條件為：壓力約4 MPa，氣化溫度1 450 ℃～1 650 ℃。某粉煤氣化爐主要原料的工藝指標(biāo)（見(jiàn)表2）。根據(jù)實(shí)際工況選擇氣化模型的模擬條件為：壓力4.0 MPa，溫度1 450 ℃，煤粉進(jìn)料量70 t/h，水蒸氣量2.0 t/h，氧氣量43 000 m3/h。模擬結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表2 實(shí)際工況主要原料Table.2 Main raw material in the actual operating conditions

表1 煤質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)Table.1 Proximate and Ultimate Analysis of Coals

表3 粗煤氣組分的比較（V%）Table.3 Comparison of contents in the raw gas（V%）

圖2 Aspen plus 水煤漿氣化模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification

模擬所用原料煤與生產(chǎn)實(shí)際用煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)接近，但模擬用煤為單一煤種，煤質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，工業(yè)生產(chǎn)中則經(jīng)常通過(guò)配煤達(dá)到生產(chǎn)要求煤質(zhì)，產(chǎn)物組分在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由表3 模擬結(jié)果可見(jiàn)，氣化模擬產(chǎn)生的粗煤氣組分基本都在實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)值范圍內(nèi)，說(shuō)明模擬結(jié)果合理，與實(shí)際工況符合較好。

2 水煤漿氣化過(guò)程模擬

2.1 水煤漿氣化模型的建立

水煤漿氣化過(guò)程模擬需要利用混合器將水和煤粉充分混合后經(jīng)加壓泵送入裂解器中，然后進(jìn)行氣化。其主要反應(yīng)模塊與粉煤氣化差別不大，在物性方程的選擇上也基本相同，不同的是在進(jìn)料物流中增加了水這一流股，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置。

2.2 水煤漿氣化過(guò)程模擬

參照某企業(yè)水煤漿氣化車(chē)間的實(shí)際工況參數(shù)設(shè)定了氣化模擬的主要指標(biāo)，具體參數(shù)（見(jiàn)表4）。對(duì)氣化過(guò)程進(jìn)行模擬。

表4 水煤漿氣化模擬工況與實(shí)際工況主要指標(biāo)Table.4 Raw material consumption and process parameters

由表5 可見(jiàn)，三種煤在成漿濃度均為60 %的情況下模擬氣化過(guò)程，產(chǎn)生的粗煤氣中H2的含量較高，有效氣體（H2+CO）的總含量與實(shí)際工況的對(duì)比分析，結(jié)果（見(jiàn)表6），可見(jiàn)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)狀況吻合較好。

表5 水煤漿氣化模擬結(jié)果（V%）Table.5 Simulation results of coal water slurry gasification（V%）

表6 合成氣中有效氣體含量對(duì)比（V%）Table.6 Comparison of key contents in the synthesis gas（V%）

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)與實(shí)際生產(chǎn)煤種煤質(zhì)基本相同的三種不同煤采用不同的氣化方式進(jìn)行模擬，其模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粗煤氣中各氣體組分基本接近，表明模擬中所選擇的模型是適合的。從表7 模擬結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同樣的煤種，粉煤氣化過(guò)程所生產(chǎn)出來(lái)的煤氣中有效合成氣含量明顯高于水煤漿氣化過(guò)程；且粉煤氣化與水煤漿氣化產(chǎn)物中H2與CO 比差別較大，故不同氣化方式的產(chǎn)物適合不同化工產(chǎn)品合成時(shí)原料氣的生產(chǎn)。

表7 兩種氣化過(guò)程模擬有效氣體對(duì)比（V%）Table.7 Comparison of key contents from two gasification methods（V%）

4 結(jié)論

煤氣化過(guò)程的大型化已成為煤化工的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大型煤氣化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，是深刻理解過(guò)程本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作的有效手段[5]。文中建立了粉煤及水煤漿氣化爐模型，并采用現(xiàn)場(chǎng)裝置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程能夠提供有用的理論支持。

［1］ 彭錦.高灰分劣質(zhì)煤氣化特性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012：2-10.

［2］ 劉娜.新疆部分煤炭氣化過(guò)程的模擬優(yōu)化［D］.新疆：新疆大學(xué)，2012：23-37.

［3］ 張宗飛，等. 基于Aspen Plus 的粉煤氣化模擬［J］.化肥設(shè)計(jì)，2008，46（3）：14-19.

［4］ KONG Xiangdong，ZHONG Weimin，DU Wenli and QIAN Feng.Three Stage Equilibrium Model for CoalGasification in Entrained Flow Gasifiers Based on Aspen Plus［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2013，21（1）：79-84.

［5］ 陳倩，等.水煤漿氣化過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（12）：1425-1428.