基于Aspen Plus的多元料漿氣化工藝模擬與分析

陳羅剛，馬亞軍，張衛(wèi)鋒

（1.陜西延長石油延安能源化工有限責(zé)任公司，陜西延安 727500；2.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林 719000）

我國是一個煤炭資源相對豐富的國家，煤炭在我國能源體系中有著不可替代的作用。煤炭的大量使用在很大程度上滿足了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要。但是，我國煤炭直接燃燒約占煤炭總消耗量的80%左右[1]，這樣不僅浪費資源，而且排放出大量粉塵以及二氧化硫等污染物，對生活環(huán)境造成嚴(yán)重污染。而以煤炭氣化為代表的潔凈煤技術(shù)則是降低污染物排放、實現(xiàn)煤炭潔凈高效利用的重要舉措。

1 多元料漿氣化過程簡述

多元料漿氣化屬濕法氣流床氣化技術(shù)，是指以石油焦、煤或煤液化殘渣等為原料，與水、添加劑、pH調(diào)節(jié)劑經(jīng)研磨制成黏度300~700mPa·s、濃度60%左右的料漿，再經(jīng)加壓后噴入氣化爐在高溫、高壓的條件下，與純氧發(fā)生一系列復(fù)雜的分解、氧化、還原反應(yīng)，生成以CO、CO2、H2為主的粗煤氣。該法碳轉(zhuǎn)化率約98%，有效氣（CO+H2）干基含量約80%左右[2]。延安能化氣化裝置采用的水煤漿加壓氣化技術(shù)屬多元料漿氣化工藝的特定型式，氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)見表1。

表1 氣化過程中主要反應(yīng)

2 多元料漿氣化過程建模

Aspen Plus是一款功能強(qiáng)大的集化工設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬等于一體的大型流程模擬軟件，其以完備的物性數(shù)據(jù)庫、完整的單元操作模塊、簡單靈活的操作界面等優(yōu)勢，在各大設(shè)計院、化工廠及工程公司中被廣泛使用。

2.1 組分規(guī)定

水煤漿氣化過程涉及高溫、高壓下的多相湍流與復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，組分較多。在Aspen Plus中，定義H2O、N2、O2、CO、H2、H2S、CO2、C、CH4等為常規(guī)組分，選擇其組分類型為Conventional；定義煤（COAL）、灰分（ASH）為非常規(guī)組分，選擇其組分類型為Nonconventional。煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù) %（w）

2.2 物性方法

物性方法選擇是否合適對模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確起重要作用，選取不同的物性方法，得到的模擬結(jié)果可能大相徑庭。水煤漿氣化過程中所產(chǎn)生氣體多為非極性或弱極性氣體，在Aspen Plus中 一 般 選 擇RENG-ROB、PR-BM或RKS-BM的物性方法，本次模擬選擇PR-BM物性方法。煤的焓模型選用HCOALGEN，密度模型選用DCOALIGT。

2.3 氣化過程模塊分析

Mixer模塊模擬水煤漿制備。氣化爐內(nèi)水煤漿的氣化過程分解為裂解單元與反應(yīng)單元，分別用RStoic模塊、RGibbs模塊模擬，其中RStoic模塊是把水煤漿在RStoic模塊中通過Fortran語句控制分解成C、H2、O2、N2、S、CL2、水分和灰分，然后將分解產(chǎn)物送入RGibbs反應(yīng)器，利用吉布斯自由能最小化原理對氣化產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測。后續(xù)平衡反應(yīng)器REquil糾正實際平衡溫度與理論平衡溫度的偏差，從而對模擬結(jié)果進(jìn)行修正[3]。最后Mixer模塊對氣化產(chǎn)物進(jìn)行混合。

2.4 氣化過程流程模擬

通過以上模型分析，結(jié)合工藝流程圖，建立多元料漿氣化過程的模型如圖1所示。模型中設(shè)備、位號及功能如表3所示。本文針對設(shè)計工況進(jìn)行模擬，其主要模擬參數(shù)為：水煤漿進(jìn)料量96 474kg/h，水煤漿濃度60%、氧氣流量 54 990.18kg/h，氣化壓力6.5MPa。

圖1 多元料漿氣化過程模型

表3 模型中設(shè)備、位號及功能

2.5 模擬結(jié)果與分析

氣化爐燃燒室出口粗煤氣（PRODUCT）為氣化產(chǎn)品，所以通過粗煤氣分析可以判斷該模型的精度。粗煤氣組成及誤差分析（干基）見表4。

表4 粗煤氣組成及誤差分析（干基）

由上表可以看出，模擬值與設(shè)計值相差不大，誤差分析在工程上是可以接受的，由此說明該模型具有較高的精度。

3 關(guān)鍵控制參數(shù)對氣化結(jié)果的影響

3.1 水煤漿濃度

保持水煤漿進(jìn)料量96 474kg/h，氧煤比0.95，氣化壓力6.5MPa，通過改變煤量和水量，使水煤漿濃度56%~ 66%，運行程序得到不同水煤漿濃度下的模擬結(jié)果，如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)水煤漿濃度由56%提高至66%時，粗煤氣溫度升高，粗煤氣主要組分中CO濃度升高，H2、CO2、H2O濃度呈下降趨勢，但有效氣（CO+H2）濃度持續(xù)升高。水煤漿濃度提高，水分含量降低，水分蒸發(fā)所消耗的熱量降低，使得粗煤氣溫度升高。由于受到氣化爐溫度升高及煤漿中水分減少的影響，導(dǎo)致CO2還原反應(yīng)增強(qiáng)，同時促進(jìn)了變換反應(yīng)的左移，綜合影響后CO濃度升高，H2、CO2濃度 降低。

圖2 水煤漿濃度對粗煤氣主要組分的影響

圖3 水煤漿濃度對粗煤氣溫度的影響

一方面受制于磨煤及水煤漿輸送技術(shù)水平限制，另一方面煤漿濃度升高后反應(yīng)溫度上升，對氣化爐的材質(zhì)要求提高，爐磚損耗也加劇，因此，水煤漿濃度不能控制過高。根據(jù)我廠氣化裝置多年運行經(jīng)驗，煤漿濃度控制在60%~64%較為經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 氧煤比

保持水煤漿進(jìn)料量96 474kg/h、水煤漿濃度60%，氣化壓力6.5MPa，通過改變氧氣流量，使氧煤比0.5~1.5，運行程序得到不同氧煤比下的模擬結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4 氧煤比對粗煤氣主要組分的影響

圖5 氧煤比對粗煤氣溫度的影響

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)氧煤比由0.5增大至1.5時，粗煤氣溫度逐漸升高。對于粗煤氣主要組分CO、H2濃度先升后降，CO2濃度先降后升，H2O含量逐漸上升，有效氣（CO+H2）濃度先漲后降。隨著氧煤比逐漸增加，爐內(nèi)溫度上升，進(jìn)而造成水煤氣反應(yīng)右移，CO和H2生成量增大。當(dāng)C消耗殆盡時，氧氣流量繼續(xù)增大，部分CO和H2與之發(fā)生燃燒反應(yīng)，由于O2與H2反應(yīng)速率大于O2與CO反應(yīng)速率，結(jié)果導(dǎo)致H2濃度先降低，粗煤氣中H2O含量迅速升高。當(dāng)O2過量到一定程度后CO消耗增多，導(dǎo)致CO2濃度升高。為了確保氣化爐安全運行，杜絕過氧事故發(fā)生，我廠設(shè)置了“氧煤比高、高高”停車聯(lián)鎖。

3.3 氣化壓力

保持水煤漿進(jìn)料量96 474kg/h，氧煤比0.95，水煤漿濃度60%，通過改變氣化壓力，使氣化壓力0.5~6.5MPa，運行程序得到不同氣化壓力下的模擬結(jié)果，如圖6和圖7所示。

圖6 氣化壓力對粗煤氣主要組分的影響

圖7 氣化壓力對粗煤氣溫度的影響

從圖6可以看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，改變氣化壓力對氣化反應(yīng)生成的粗煤氣組分和溫度基本沒有影響。在工業(yè)生產(chǎn)中，氣化壓力往往由裝置的設(shè)計生產(chǎn)能力及下游的配套工藝決定。對延安能化氣化裝置而言，選擇6.5MPa等級的氣化壓力，既能節(jié)省甲醇合成煤基氣壓縮的費用，又能提高產(chǎn)能[4]。

4 結(jié)論

本文利用Aspen Plus軟件建立了水煤漿氣化模型，并進(jìn)行了模擬計算，其模擬結(jié)果與設(shè)計值吻合較好，所建模型準(zhǔn)確可靠?；诖四Ｐ?，分別分析了水煤漿濃度、氧煤比和氣化壓力對粗煤氣的影響。結(jié)果表明：水煤漿濃度提高，粗煤氣溫度升高，有效氣（CO+H2）含量增加；氧煤比增加時，粗煤氣溫度升高，有效氣（CO+H2）含量先升后降，存在最大值；改變氣化壓力對生成的粗煤氣基本沒有影響，但當(dāng)壓力增大時，可以節(jié)省下游甲醇合成煤基氣壓縮的費用。