2011年39卷第1期廣州化工●45●科學(xué)實(shí)驗(yàn)單噴嘴干煤粉氣化爐的模擬與分析*馬銀劍' ,劉萬洲' ,羅永恒' ,羅春桃' ,雍曉靜' ,代正華2 ,劉海峰”(1神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司,寧夏靈武750411;2華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237)摘要:以 Aspen Plus軟件為模擬工具,選擇反應(yīng)平衡模型,應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法建立干煤粉氣化爐模型并進(jìn)行模擬研究。模擬分析了氣化爐的主要參數(shù)(壓力、氧煤比和燕汽煤比)對氣化結(jié)果的影響,結(jié)果表明:壓力增加可使甲烷含量增加,蒸汽煤比氧煤比是影響粗煤氣出口溫度和組成的主要因素。關(guān)鍵詞:Aspen Plus;干煤粉;模擬Simulation and Analysis of Single Nozzle Dry Pulverized Coal Gasifier*MAYin-jian',LIUWan-Zhou',LUOYong-heng',LU0Chun-tao',YONG Xiao- jing', DAI Zheng- hua2，LIU Hai - feng2(1 Shenghua Coal Chermistry Industry Co.，Ningxia Coal Group Co.，Ningxia Lingwu 750411;2 Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract: Taking the Aspen Plus software as the simulation tool , by selecting the reaction balance model and usingthe minimizing method of the Gibbs free energy, the pulverized coal gasification model was established, and the gasifica-tion property was simulated and studied. The effects of the main working parameters on the performances of the gasifierwere analyzed, such as pressure, oxygen ●coal ratio and steamv●coal ratio. The obtained results showed that whetherpressure increased, the methane content would be rising, the temperature and components of raw syngas were greatlyeffected by oxygen●coal ratio and steamv●coal ratio.Key words: Aspen Plus; pulverized coal gasification ; simulation煤氣化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤清潔利用的有效途徑,同傳統(tǒng)的直接化的 目的;②輔助設(shè)計(jì)以及解釋說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);③預(yù)測合成氣的燃燒相比提高了煤的利用率，降低了污染物的排放。干煤粉氣組成和污染物的排放[4]?；夹g(shù)的核心是組合燒嘴和水冷壁,粉煤在0~50mm粒徑下用1氣化機(jī)理高壓CO2輸送,與純氧和少量水蒸氣經(jīng)爐體頂部噴嘴進(jìn)人爐膛，在高溫(1 350~1 650 C)、高壓(4.0~4.2 MPa)下進(jìn)行部分氧氣流床氣化過程是煤炭在高溫下的相熱化學(xué)反應(yīng)過程極為化反應(yīng),以CO、H2為主要成分的粗合成4 (和爐渣進(jìn)人反應(yīng)室底復(fù)雜,可能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)很多。部激冷室,經(jīng)高壓水激冷后,粗合成氣降溫至約200C接近飽1.1粉煤的干 燥、裂解及揮發(fā)物的燃燒和,進(jìn)入下游洗滌系統(tǒng)，固化成玻璃狀的渣粒通過鎖斗系統(tǒng)排出，溢流出的激冷水送至污水處理系統(tǒng)。粉煤的碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)由于氣流床氣化反應(yīng)溫度很高,煤顆粒受熱速度極快,可以99%以上,煤氣中甲燒含量極少(CH <0. 01% (q)) ,不含重?zé)N，認(rèn)為煤顆粒中的殘余水分瞬間快速蒸發(fā),同時(shí)加速脫除揮發(fā)分，合成氣中CO+H2高達(dá)90% (φ)以上,冷煤氣效率在80%以上生成半焦和氣體產(chǎn)物( CO、H2、CO2、H20、CH4、COS、H2S及其他(依煤種及操作條件的不同有所差異)”。碳?xì)浠衔顲_H)。在富含氧氣的條件下,氣體產(chǎn)物中的可燃Aspen Plus是- -種通用的化工過程模擬、優(yōu)化和設(shè)計(jì)軟件,成分(CO H2、CO2、H20、CH、COS、H2S、C_H.)與氧氣迅速發(fā)生在物料和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上,燃燒反應(yīng),并放出大量的熱,維持氣化反應(yīng)的進(jìn)行5。Aspen Plus提供了大量的物性數(shù)據(jù)、嚴(yán)格的熱力學(xué)估算模型庫和可能存在的反應(yīng)有:豐富的過程單元模型庫,可用于各種類型的過程工業(yè)流程的模中國煤化工D2 + (n/2)H20(1)擬(2-3] ,在了解可靠的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、流程操作參數(shù)和設(shè)備模型的YHCN MH G+(n/2)H(2)情況下,工廠實(shí)際生產(chǎn)流程可用Aspen Plus模擬。Aspen Plus對(3)煤氣化過程進(jìn)行模擬具有以下意義:①對整個(gè)煤氣化過程進(jìn)行2H, + 02 =2H20(4)分析,尋找到最優(yōu)操作點(diǎn),提高整個(gè)過程的熱效率,達(dá)到過程優(yōu)CH, + 202 =2H20 + CO2(5)●基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2007BAA08B01)。作者簡介:馬傲劍所蒴-) ,男，理學(xué)碩士,現(xiàn)從事煤氣化研究工作。E - mail:4393754@ qq. com●46.廠州化工2011年39卷第1期.1.2固定炭 與氧氣的反應(yīng)用PR - BM方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)。PR - BM方在高溫條件下,脫除揮發(fā)分的煤粉顆粒或半焦中的固定炭程多用于氣體加工、煉油和化工方面等工藝過程的計(jì)算。適用的體系為非服性或弱極性混合物,如烴類及CO2、H2、HS等輕氣與氣化劑進(jìn)行反應(yīng):(6)體。該方程尤其適用于高溫、高壓條件,如烴類加工、超臨界萃取等。本文將要計(jì)算的流化床煤氣化工藝是在高溫、高壓下進(jìn)2C +O2 =2C0(7)行的,氣化產(chǎn)生的組分多為輕氣體，因此PR - BM方程是比較適1.3固定炭 與水蒸氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)合本工藝過程的。C+H0=H2 +CO(8)2.2氣化過程模型簡化C+ 2H20=2H +CO2(9)通過煤氣化過程分析,可以將其理想地分為煤的裂解和煤1.4生成的氣體 與固體顆粒的反應(yīng).的燃燒( Burm)2個(gè)過程。裂解過程利用Decomp模塊模擬,它是高溫的半焦顆粒與反應(yīng)生成氣的反應(yīng):-個(gè)僅計(jì)算收率的簡單反應(yīng)器Ryield。Ryield的主要功能是將C+ CO2 =2CO(10)粉煤分解成單元素分子(純元素C、S、H.N、O、C)和灰渣(Ash),C +2H, =CH4并將裂解熱( QDecomp)導(dǎo)入Bum模塊。Decomp模塊同時(shí)還考慮礙的不完全轉(zhuǎn)化，裂解后生成未燃盡碳( UBC)。Burn模塊采2氣化爐模型用Cibbs反應(yīng)器單元進(jìn)行模擬,它是一一個(gè)基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器,在同時(shí)考慮熱損失(Qlosso)的前提下求得氣化2.1 熱力學(xué)方程用AspenPlus軟件計(jì)算時(shí),-般將所涉及的組分分為常規(guī)爐的出口組成(粗合成氣、Ash)和溫度。煤氣化的模擬流程見圖組分和非常規(guī)組分兩大類。非常規(guī)固體組分是指不同種類的固1。模擬過程中Coal、Ash定義為非常規(guī)組分,生成的粗合成氣包體混合物。Aspen Plus 對這類物質(zhì)作了簡化處理,認(rèn)為它不參與括C0、H2、CO2、CH、Ar、N、NO、H2S、COS.H20 02、HCl、HCN等化學(xué)平衡和相平衡,只計(jì)算密度和焓。AspenPlus--般用氣體成分。HCOALGEN模型來計(jì)算煤的焓,這個(gè)模型包含了燃燒熱標(biāo)準(zhǔn)生DECOMP成焓和熱容的不同關(guān)聯(lián)式。本文選用的關(guān)聯(lián)模型見表1。.Q 1.055<- 0C0表1選用的關(guān)聯(lián)模型熱力學(xué)函數(shù)關(guān)聯(lián)模型D-C0AQUSRAW CAS-燃燒熱Boie關(guān)聯(lián)四}-。JISSLAC HO-四標(biāo)準(zhǔn)生成焓燃燒熱基礎(chǔ)上的關(guān)聯(lián)PRODL.CT00]-STEAN熱容Kirov 關(guān)聯(lián)FUED-圖1煤氣化模型示意焓計(jì)算的基準(zhǔn)為1.013 25 x 10 Pa,298. 15 K下組分的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。用DCOALIGT模型計(jì)算煤真實(shí)的干基密度。煤的焓和密度2.3模擬結(jié)果 與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較計(jì)算都要用到煤的特性數(shù)據(jù),如:工業(yè)分析數(shù)據(jù)、元素分析數(shù)據(jù)和硫分析數(shù)據(jù)回。計(jì)算所采用的煤組成數(shù)據(jù)見表2。表2煤組成數(shù)據(jù)工藝分析w./%元索分析w/%wAFvCHNClI2.0013.1057.3129. 5968.233.4513.930.570.670.05表3 Aspen plus軟件模擬結(jié)果與干煤粉氣化爐的文獻(xiàn)值比較續(xù)表Aspen計(jì)算值文獻(xiàn)值HCI0.006 30.007 8溫度/C1 451.301 450.00H2058.9759.79 .壓力/MPa4.204.20.從表3中可以看出,除了CH4、HCl等微量組分模擬偏差較粗合成(摩爾百分比H29.459.03大外,其中國煤化工co29.8229. 373改YHCNMH切的影響CO21.511.473.1氣化壓力 的影響CH,0.00610.005 3在氧煤比和蒸汽煤比保持定值的條件下,改變氣化壓力,模H2S0. 0920.093擬結(jié)果見表4。2011年39卷第1期廣州化工●47●表4氣化壓力比對 干粉煤氣化反應(yīng)的影響1460-氣化氣化粗合成氣摩爾百分比組成(濕基)/%1455- ,壓力溫度1450-/MPa /CH2COCH4H2SHCI1 1452.30 9.468 29.8341.5030.00034 0.0916 0.00635 1451.33 9.445 29.8081.508 0.00860 0.0915 0.006 31435-10 1451.95 9.376 29.739 1.523 0.03360 0.0914 0.00630.03 0.040.05 0.06 0.0蒸汽煤l比/(kg/kg5 1454.59 9.269 29.635 1.543 0.07160 0.0912 0.0063圖4蒸汽煤比對氣化溫度的影響20 1458.49 9.138 29.5071.567 0.11822 0.0909 0.00630.935由表4中可以看出,對整個(gè)煤氣化反應(yīng)體系而言,由于溫度比較高,氣化壓力對溫度反應(yīng)幾乎影響不大，微量組分H2S、HCl0.930-也不發(fā)生變化,隨著氣化壓力的升高,氫氣和- -氧化碳的量有所三0.925-減少,甲烷的生成量會(huì)提高,但對于實(shí)際生產(chǎn)過程,氣化壓力提8 0.920-高,單位時(shí)間可獲得的氣體量增加,使產(chǎn)能增加。3.2 氧煤比的影響0.9150.910-氧煤比是煤氣化的-一個(gè)重要操作條件,它對煤氣化性能的影響可見圖2、圖3。0.03 0.04 0.05 0.06 0.07蒸汽煤比/(kg/kg)2000圄5蒸汽煤比對有效氣體組分摩爾 百分比含量的影響18001600在較低的蒸汽煤比條件下,氣化溫度較高,抑制了水煤氣的變換反應(yīng)此時(shí)CO + H保持較高的濃度,當(dāng)蒸汽煤比增加時(shí),變換反應(yīng)加劇,H2 + CO2量會(huì)增加, CO減少。隨蒸汽煤比的增加1200氣化溫度略有降低,但是蒸汽量過多增加氣化負(fù)荷,并且造成蒸汽的浪費(fèi)。10000.300.350.400.450.500.550.604結(jié)論氧煤比/(Nm'kg)(1)用Aspen Plus軟件模擬干煤粉氣流床氣化技術(shù),能夠合圖2氧煤比對氣化溫度影響理預(yù)測煤氣中關(guān)鍵組分的濃度，但對CH,、HCl等微量組分的模擬結(jié)果不理想，模型計(jì)算中未將微量組分CoS、NH,、HCN、NOx0.967的詳細(xì)結(jié)果列入。0.94-(2)用Aspen Plus軟件模擬操作條件的改變對氣化性能的區(qū)0.92-影響,計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。0.90-(3)文中建立的模型還有需要進(jìn)一一步完善的地方,比如目前蘭0.88所考慮的氣化爐熱損失是否合理,沒有考慮粗煤氣中微量物質(zhì)，”0.86-需進(jìn)步驗(yàn)證煤種和運(yùn)行條件不同時(shí),對氣化爐最佳平衡參數(shù)范圍的影響等。0.84-0.821030 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60參考文獻(xiàn)氧煤比/(Nm'/kg)[1] 崔意華,袁普錄加壓氣流床氣化技術(shù)工藝分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2008,31(1);:93 -9s.圖3氧煤比對有效氣體摩爾 百分比含量的影響2] 汪洋,代正華,于廣鎖,等.運(yùn)用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2004,27(4) :27 -33.由圖2、3可見，隨著氧煤比的增加，氣化爐的溫度呈上升趨[3]中國煤化工auide. USA: Aspen Technology,勢['6) ,而煤氣中有效氣體體積組分(CO + H2)先增加后降低。在氧煤比為0.46時(shí),有效氣體成分達(dá)到最高,繼續(xù)增加氧煤比其[4]fYHC N M H G的機(jī)批[J].上?；?2006,61含量迅速降低,導(dǎo)致冷煤氣效率降低。(8):10-13.3.3蒸汽煤比的影響5] 許世森，張東亮，任永強(qiáng).大規(guī)模氣化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2005:11-14.蒸汽煤比對氣化性能的影響見圖4、圖5。6]張宗飛,湯連英,日慶元等基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J].化肥設(shè)計(jì),2008 ,46(3):14 -18.