煤化工甲醇生產(chǎn)過(guò)程中煤氣化工段的模擬

周振興

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤化工分公司質(zhì)檢計(jì)量中心，寧夏靈武750411）

0 引言

煤氣化工段主要是將煤通過(guò)一系列物理方法制成水煤漿，然后在氣化爐中反應(yīng)生成粗合成氣； 然后合成氣進(jìn)入下一工段變換工段，經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)將過(guò)量的CO 反應(yīng)生成H2，以調(diào)節(jié)其碳?xì)浔?；而精餾工段則是將來(lái)自合成工段的粗甲醇經(jīng)過(guò)四塔流程進(jìn)行精餾，得到高純度的甲醇，其對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著直接的影響。

1 煤氣化過(guò)程原理

煤氣化反應(yīng)是利用氣化劑和煤中的可燃物在高溫下發(fā)生反應(yīng)，生成CO，H2等可燃?xì)怏w的過(guò)程。 常用的氣化劑有空氣、氧氣、水蒸氣等。在反應(yīng)中，有別于傳統(tǒng)煤燃燒過(guò)程中通入過(guò)量空氣的做法，在煤氣化技術(shù)中， 通入的空氣量一般是理論空氣量的1/5 到1/3。 而產(chǎn)物則以CO 和H2為主，過(guò)程中只有小部分煤炭參與燃燒反應(yīng)。

在氣化反應(yīng)過(guò)程中， 煤經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的物理及化學(xué)變化，其中包括：干燥、熱裂解、焦在氧氣、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、甲烷、一氧化碳等氣體中的氣化與燃燒等。反應(yīng)速率及程度取決于溫度、壓力、煤種和由氣化爐決定的停留時(shí)間、傳質(zhì)傳熱條件等的影響。

煤氣化過(guò)程中包括以下主要反應(yīng)：放熱反應(yīng)：C+O2→CO2

吸熱反應(yīng)：C+H2O→CO+H2

C+CO2→2CO

變換反應(yīng)：CO+H2O→CO2+H2

總體來(lái)看，煤氣化過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)吸熱過(guò)程，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行分析，高溫有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。 而氣化反應(yīng)又是個(gè)體積增大的過(guò)程，所以增加壓力會(huì)使化學(xué)平衡向相反的方向移動(dòng)，但是增加壓力可以提高反應(yīng)速率，增加生產(chǎn)能力，因此應(yīng)該綜合分析對(duì)各方面的影響。

2 氣化爐模擬模型

2.1 Texaco 氣化爐工作原理

氣化工段采用Texaco 水煤漿氣化技術(shù)。 Texaco 氣化是一種水煤漿進(jìn)料的加壓噴流床氣化工藝。

Texaco 水煤漿氣化爐在四周裝有耐火磚襯以承受高溫高壓，采用95%的O2作為氣化劑，操作壓力很高，屬于增壓噴流床氣化，氣化爐由噴嘴、氣化室和激冷室等組成。 其中噴嘴有三個(gè)通道，工藝氧氣走一、三通道，水煤漿走二通道。 Texaco 氣化爐的上半部分是氣化區(qū)；下半部分是煤氣冷卻區(qū)。 在高速氧氣流的作用下，水煤漿通過(guò)頂部的噴嘴被完全破碎、霧化，并噴入氣化爐。 然后，在爐內(nèi)受到耐火襯里的高溫輻射下，迅速預(yù)熱，并依次經(jīng)歷水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物裂解、燃燒及炭的氣化等物理化學(xué)過(guò)程。 最后，生成主要成份為氫氣、一氧化碳、水蒸汽、二氧化碳等的合成氣。熱的合成氣和熔渣從氣高溫反應(yīng)區(qū)向下進(jìn)入煤氣冷卻區(qū)，合成氣經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入下一單元。

2.2 Texaco 氣化爐模型的假設(shè)

利用AsPenPlus 模擬軟件建立Texaco 氣化爐模型時(shí)的假設(shè)條件：

1）煤漿和氣化劑在爐內(nèi)瞬間完全混合；

2）煤中的H、O、N、S 完全轉(zhuǎn)化為氣相；

3）氣化爐內(nèi)無(wú)壓力降，且壓力恒定；

4）煤中的灰分為惰性物質(zhì)，在氣化過(guò)程中不參與反應(yīng)；

5）水煤漿中的煤粉顆粒溫度均勻，無(wú)梯度；

6）所有氣相反應(yīng)速度都很快，且達(dá)到平衡。

2.3 Texaco 水煤漿氣化爐模型

在模擬時(shí)， 將氣化爐用三個(gè)模塊進(jìn)行模擬， 分別是RYiekl 反應(yīng)器、RGibbS 反應(yīng)器和SEP 分離器。RYield 收率反應(yīng)器是具有規(guī)定反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)化率的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模型， 它的作用是將煤分解為水、灰份和單元素分子S、O2、N2、C、H2等， 并將裂解熱傳入RGibbe 模塊中。在這里利用Calculator 應(yīng)用模塊使各元素的轉(zhuǎn)化率與煤的元素分析數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。 RGibbS 模塊是平衡反應(yīng)器模型，它利用GibbS 自由能最小原理實(shí)現(xiàn)化學(xué)平衡和相平衡， 計(jì)算得到氣化爐出口溫度及主要組成。SEP 模塊對(duì)氣化爐的出口產(chǎn)物進(jìn)行氣-固分離。

2.4 氣化爐的模擬方法

本模擬中，流股類(lèi)別設(shè)定為MCINCPSD；煤（COAL）和灰分（ASH）定義為非常規(guī)組分（Nononconventional）。在非常規(guī)組分固體性質(zhì)中選擇煤及灰分的焓和密度計(jì)算模型。 分別選用常用煤的焓模型（HCOALGEN）與密度模型（DCOALIGT）。 在煤的焓模型選擇欄中，Option Codes Value下的Heat of Combustion 要手動(dòng)輸入為6， 即將HCoMB 設(shè)定為User input value，其它數(shù)值取默認(rèn)值1。 灰分的焓模型及密度模型均選擇默認(rèn)值1。

此外，在Properties/Paramcters/Pure Component 下面需要新建目標(biāo)HEAT，選擇類(lèi)型為HCOMB，并輸入數(shù)值來(lái)規(guī)定煤的發(fā)熱量。

3 流程介紹

煤漿與高壓氧氣按照一定的氧煤比進(jìn)入氣化爐，在高溫高壓下反應(yīng)而產(chǎn)生合成氣（CO、H2、CO2等）。 氧氣通過(guò)燒嘴的中心管和外環(huán)管，煤漿通過(guò)燒嘴的中環(huán)進(jìn)入氣化爐。

煤中的灰份在高溫下熔融，熔渣與熱合成氣一起離開(kāi)氣化爐燃燒室從反應(yīng)室順流向下進(jìn)入氣化爐下段激冷室，被激冷水淬冷后合成氣溫度降低至約223℃。熔渣迅速固化并產(chǎn)生大量蒸汽，被水蒸汽飽和并夾帶少量飛灰的合成氣從激冷室上部合成氣出口排出。氣體與從噴嘴噴出的洗滌水混合，完全潤(rùn)濕夾帶的固體顆粒后進(jìn)碳洗塔T01，再沿下降管進(jìn)入底部水浴內(nèi)。碳洗塔為板式塔，合成氣穿過(guò)水層，固體就沉入水中。 而后送至變換工段。

4 模擬結(jié)果及分析

模擬中選用的煤的特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 工業(yè)分析

表2 元素分析

表3 煤氣化工段出口物流結(jié)果

煤氣化段出口物流模擬結(jié)果及其與實(shí)際物流數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)表3。關(guān)鍵組分的相對(duì)誤差都小于3%?？梢?jiàn)，本文所建模擬流程良好地表達(dá)了實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程。 并且可以在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵操作參數(shù)進(jìn)行分析。

下面，對(duì)氣化工段主要操作參數(shù)做靈敏度分析：

（1）氣化壓力的影響

在其它條件保持定值的情況下，改變氣化壓力，模擬結(jié)果如表4所示。 從表中可以看出，對(duì)整個(gè)煤氣化反應(yīng)體系而言，由于溫度比較高，氣化壓力在2MPa 以上變動(dòng)時(shí)對(duì)煤氣化反應(yīng)幾乎沒(méi)有影響。 但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，氣化壓力提高，單位時(shí)間可獲得的氣體量增加，產(chǎn)能相對(duì)有所增加。 所以氣化壓力應(yīng)略大于2MPa。

表4 氣化溫度及各組分組成隨壓力變化分布

（2）氧煤比的影響

其它條件保持定值的情況下，改變氧煤比，模擬結(jié)果如圖1：

圖1 氧煤比對(duì)氣化溫度的影響

氧煤比的增加，就意味著氧氣流量的增加，從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)量的增加，進(jìn)而氣化爐溫度升高。 氣化爐溫度升高，使氣化反應(yīng)加劇。 然而，因?yàn)檠鯕饬髁康脑黾?，加快了燃燒反?yīng)，使CO 和H2更多的被燒掉了，但是CO 和H2的絕對(duì)量是增加的，所以提高了粗煤氣熱值和碳轉(zhuǎn)化率。 隨著碳的燃燒反應(yīng)，CO2的量也有所增加，水蒸汽含量也增加了，所以H2和CO 的含量相對(duì)降低，CO2和H2O 的含量升高。 因此，雖然氣化溫度的升高使氣化反應(yīng)加劇了，但是有效氣體成分卻減少了。

圖2 氧煤比對(duì)有效氣體摩爾百分比含量的影響

如圖1 和圖2 可見(jiàn)，隨著氧煤比的增加，煤的氣化溫度升高，煤氣中的有效氣體含量（CO+H2）先升高后降低，并且拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳氧煤比為0.62。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)煤氣化工段建立的流程模擬良好地表達(dá)了實(shí)際的生產(chǎn)流程，并通過(guò)分析解決了生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題。 其成果可以總結(jié)為幾點(diǎn)：

4.1 煤氣化工段模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)值吻合良好；

4.2 為保證較高的碳轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)能， 氣化爐操作壓力應(yīng)略大于2MPa；

4.3 氧煤比應(yīng)在0.62 左右。

［1］張子鋒，張凡軍.甲醇生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

［2］姚佩芳，房鼎業(yè)，朱炳辰.多段原料氣冷激型甲醇合成塔的定態(tài)模擬[J].華東化工學(xué)院學(xué)報(bào), 1990，(4)：401-407.

［3］應(yīng)衛(wèi)勇，房鼎業(yè)，朱炳辰.大型甲醇合成反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000，（1）：5-9.