Shell干煤粉氣化的模擬與分析

劉建峰，鄧蜀平，蔣云峰，劉永

（1中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，山西 太原030001；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

我國的能源結(jié)構(gòu)為“富煤、缺油、少氣”，短期內(nèi)我國以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)不可能獲得根本性逆轉(zhuǎn)。煤炭屬于低效、高污染能源，實現(xiàn)煤的清潔和高效利用是當(dāng)今世界能源利用與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一致要求。煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術(shù)，是煤化工行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù)。

煤氣化過程模擬是煤氣化發(fā)展、應(yīng)用中的一個重要環(huán)節(jié)，通過煤氣化過程的模擬可以對整個煤氣化過程進(jìn)行綜合、全面的分析，找到最佳操作點，并通過過程優(yōu)化提高整個過程的熱效率。另外，煤氣化過程模擬還可以輔助設(shè)計以降低設(shè)計風(fēng)險及預(yù)測合成氣的組成、原料的消耗量和污染物的排放并與實驗數(shù)據(jù)相互印證。

Aspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，在物料平衡和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡及反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)上，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)流程的模擬。

Shell氣化爐是目前我國應(yīng)用范圍最廣的大型氣化爐之一，我國自2001年與殼牌公司簽訂技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議以來，共簽訂19份技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，至今國內(nèi)約引進(jìn)19套SCGP裝置，23臺氣化爐［1］。目前國內(nèi)運行的Shell煤氣化裝置，對于能耗的統(tǒng)計還不全面，國內(nèi)外眾多學(xué)者［2－7］雖對Shell干煤粉氣化進(jìn)行過模擬，然而相應(yīng)的模擬流程較為簡單且選用煤種均未考慮高灰熔點煤灰可能對氣化產(chǎn)生的影響。本文選用具有代表性的高灰熔點的山西屯留煤，通過Aspen Plus軟件對Shell干煤粉氣化進(jìn)行模擬，并對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，同時分析了操作條件對氣化結(jié)果的影響，對Shell氣化的操作條件的選擇、降低能耗有一定的指導(dǎo)意義。

1 Shell干粉煤氣化的工藝流程

Shell氣化技術(shù)是由殼牌公司于20世紀(jì)50年代開發(fā)研究的氣化技術(shù)，該技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的第二代煤氣化工藝技術(shù)之一。1976年建立了一座日處理煤量6噸的試驗廠，到1978年，第一套中試裝置在德國建成并投入使用，日處理煤量150噸［8］。1987年在原有的中試裝置的運行經(jīng)驗上，殼牌公司在美國休斯敦建設(shè)了一座規(guī)模較大的工廠（SCGP），試驗煤種約18種。1988年荷蘭南部興建的發(fā)電廠碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%以上，裝置負(fù)荷40%～100%，到2001年氣化裝置運行率在95%以上［9］。

Shell粉煤氣化爐內(nèi)流動過程分為射流區(qū)、旋流區(qū)、回流區(qū)、中心回流區(qū)、管流區(qū)5個區(qū)域。Shell干煤粉氣化流程見圖1。煤和石灰石按一定比例混合后混磨，與氧、蒸汽氣化劑一起進(jìn)入氣化爐內(nèi)燃燒，反應(yīng)溫度為1500～1600℃，壓力為3.5MPa。氣化產(chǎn)生的氣體被激冷氣激冷后由廢熱鍋爐、合成氣冷卻器回收熱量，再經(jīng)過濾器除塵后一部分作為激冷氣返回氣化爐，一部分經(jīng)洗滌后去凈化裝置。Shell煤氣化以干粉煤進(jìn)料，產(chǎn)品潔凈，有效氣體可達(dá)到90%以上，甲烷含量低，氣化過程能量損失?。?0－11］。

2 模型的建立與驗證

2.1 氣化模型的建立

煤氣化反應(yīng)分為煤的裂解和燃燒，本文以Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器并考慮熱損失建立反應(yīng)模型，以DECOMP模擬煤的裂解，用單元素分子（C、H、O、N、S、Cl等）和Ash（灰分）來表示煤。氣化過程中的常規(guī)組分有CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS、H2O、O2、C、S等，煤和煤灰為非常規(guī)組分。另外，SEP模擬爐渣與合成氣的分離，ADJUST模擬煤氣化激冷室。煤氣化的模擬流程圖見圖2，煤氣化過程的模擬流程模型的描述見表1。

2.2 模型的驗證

為了檢驗所建煤氣化模型的合理性，本文選定了一種特定的煤樣（llinois 6＃）進(jìn)行模擬，煤種的數(shù)據(jù)見表2。氣化參數(shù)及真實氣化結(jié)果取自相關(guān)文獻(xiàn)［12］，碳轉(zhuǎn)化率是實際氣化過程產(chǎn)生合成氣中碳元素含量與入爐煤含碳量的比值，在模擬的過程中進(jìn)行設(shè)定，驗證結(jié)果與實際值見表3。

圖1 Shell干煤粉氣化工藝流程

圖2 Shell氣化工藝模擬流程

表1 煤氣化模型主要模塊描述

表2 llinois6＃煤的分析數(shù)據(jù)［10］

表3 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)值比較

從模擬結(jié)果看，模擬結(jié)果與廠家公布的實際運行數(shù)據(jù)基本吻合，因此本文所建立的模擬流程和模擬方法是可行的。

3 屯留Shell氣化模擬

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文模擬氣化用煤為山西屯留煤礦產(chǎn)煤，樣煤的低位恒容發(fā)熱量為28.35MJ／kg，其工業(yè)分析、元素分析見表4，煤灰的融熔特性見表5。

表4 屯留煤的元素分析、工業(yè)分析數(shù)據(jù)

表5 屯留煤灰的融熔特性

3.2 流程模擬

煤氣化過程中生成的多數(shù)煤灰在高溫狀態(tài)下以熔渣的形式流到爐底，然后以液態(tài)方式排出。從Shell爐的操作情況看，約60%的非正常停車事故是高溫下煤灰黏度過高引起的，而石灰石作為一種廉價易得且資源豐富的添加劑能夠有效降低灰熔點［13－15］。石灰石／煤比與灰熔點的關(guān)系見表6。

針對屯留煤的特性，Shell氣化需加一定量的石灰石以降低灰熔點，根據(jù)石灰石添加量與灰熔點的關(guān)系，本文添加的石灰石與煤的比為5%。添加石灰石后煤的工業(yè)分析、元素分析計算值見表7。

表6 煤中石灰石含量與灰熔點的關(guān)系

表7 加入石灰石后屯留煤的工業(yè)分析、元素分析數(shù)據(jù)

3.3 模擬結(jié)果

Shell模擬的數(shù)據(jù)為：氧煤比為0.78kg／kg，蒸汽煤比為0.12kg／kg，氣化劑組成中氧氣占99.5%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），氮氣占0.23%，氬氣占0.27%，模擬結(jié)果見表8。

表8 氣化模擬結(jié)果

模擬氣化溫度為1554.93℃，比灰熔點的流動溫度（1433℃）高，超過100℃，從氣化的經(jīng)濟(jì)性和安全性的角度看，本文設(shè)定的操作條件較為合理。

4 模擬結(jié)果分析與討論

4.1 氣化壓力的影響

在煤氣化的過程中，反應(yīng)壓力對氣化溫度和合成氣組成有一定影響，改變反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度和合成氣的組成見表9。

圖3 氧煤比對氣化溫度和有效氣體摩爾分?jǐn)?shù)的影響

從化學(xué)平衡來說，增加壓力會使合成氣中CO2、CH4、H2O的含量增加，H2、CO的量減少。由表8可見，反應(yīng)壓力對反應(yīng)溫度和有效合成氣的影響較小，甲烷含量隨壓力的增大而增加。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，增加壓力會提高煤氣熱值、增加產(chǎn)能，但對氣化爐的要求較高，壓力的大小要根據(jù)實際情況而定。

表9 氣化壓力對氣化反應(yīng)的影響

4.2 氧煤比的影響

氧煤比是影響Shell干粉煤氣化的重要原因之一，在蒸汽煤比為0.12kg／kg，其他條件不變的情況下，改變氧煤比的值，合成氣組成和反應(yīng)溫度的相關(guān)性如圖3所示。氧煤比值的變化范圍為0.50～0.94kg／kg，反 應(yīng) 溫 度 從1137.12℃上 升 到2209.13℃，有效氣體所占摩爾分?jǐn)?shù)由0.882上升到0.954后又下降到0.841。氧煤比能夠直接影響反應(yīng)的溫度和合成氣的組成，隨氧煤比的增高，反應(yīng)溫度升高，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)先高后低，因此，Shell干煤粉氣化過程有一個最佳氧煤比的操作點，山西屯留煤的氧煤比的最佳操作點應(yīng)在0.74～0.80kg／kg，對應(yīng)的操作溫度為1475.6～1580.17℃。氧煤比對反應(yīng)溫度的影響中有一個明顯的拐點，主要是灰渣的熔融造成的，加入石灰石原料的灰熔點為1433℃，灰渣晶型被破壞，吸收熱量減少，氧煤比增加對反應(yīng)溫度的影響加大，因此產(chǎn)生一個明顯的拐點。

4.3 蒸汽煤比的影響

在煤氣化過程中加入蒸汽可以調(diào)節(jié)氣化溫度，增加合成氣的產(chǎn)量，氧煤比為0.78kg／kg時，蒸汽煤比對煤氣化過程的影響如圖4所示。蒸汽煤比從0.03kg／kg調(diào)節(jié)到0.17kg／kg，在蒸汽 煤 比為0.10kg／kg時，有 效 氣 體 的 摩 爾 分 數(shù) 最 大 為0.955。隨著蒸汽煤比的增大，反應(yīng)溫度降低，從一定程度上可以起到保護(hù)氣化爐的效果。CO和水蒸氣在高溫下可以發(fā)生反應(yīng)生成H2，因此隨著氧煤比的增加，CO的含量降低，H2的含量增加，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)降低。反應(yīng)溫度降低不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，因此，蒸汽煤比應(yīng)該控制在0.09～0.13kg／kg，對應(yīng)的操作溫度從1630.60℃下降到1532.11℃。此時的溫度拐點是由于溫度達(dá)到了灰渣的熔融溫度1433℃，溫度降低減慢。

圖4 蒸汽煤比對反應(yīng)溫度和有效氣體摩爾分?jǐn)?shù)的影響

5 結(jié) 論

（1）氣化壓力對氣化反應(yīng)的溫度和合成氣組成影響較小，但高壓有利于甲烷的生成。

（2）氣化溫度和合成氣組成受氧煤比的影響明顯，隨著氧煤比的增加，煤中的C、H元素與氧氣反應(yīng)主要生成CO和H2O，當(dāng)氧煤比超過0.78kg／kg時，反應(yīng)器內(nèi)的O2含量過高，大量的CO與氧氣反應(yīng)生成CO2，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)減小，在氧煤比為0.78kg／kg時，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)有最大值，因參與的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以氣化反應(yīng)的溫度隨氧煤比的增加而增大。

（3）蒸汽在一定程度上能夠抑制反應(yīng)中的燃燒，加上蒸汽本身的溫度相對反應(yīng)溫度來說比較低，因此蒸汽煤比可以調(diào)節(jié)氣化的反應(yīng)溫度。隨著蒸汽煤比的增加，蒸汽和CO反應(yīng)生成H2和CO2，而蒸汽又抑制燃燒，使得有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)增加。蒸汽的增加使得物料的總摩爾數(shù)增加，當(dāng)蒸汽煤比超過0.12kg／kg時，使得有效合成氣的的總摩爾分?jǐn)?shù)降低，因此從反應(yīng)溫度和有效合成氣的摩爾分?jǐn)?shù)的角度出發(fā)，應(yīng)該合理控制蒸汽煤比。

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