基于Aspen plus研究氣化參數(shù)對新疆阜康干粉煤加壓氣化過程的影響

趙雯婷

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

基于Aspen plus研究氣化參數(shù)對新疆阜康干粉煤加壓氣化過程的影響

趙雯婷*

中國成達(dá)工程有限公司成都610041

摘要借助Aspen Plus模擬軟件，應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法建立新疆阜康干粉煤加壓氣化模型。研究了氣化參數(shù)氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比對氣化性能的影響。氧煤比增加有效氣(CO+H2)含量存在最大值；蒸汽煤比的增加，合成氣中有效氣(CO+H2)和CO含量減少，CO2和H2含量增加。二氧化碳煤比對合成氣組成影響不大。

關(guān)鍵詞Aspen Plus干粉煤加壓氣化氣化參數(shù)模擬

煤炭轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)有固定床、流化床、氣流床，而目前制合成氨、甲醇等大多采用間歇式固定床煤氣化技術(shù)，此技術(shù)對原料要求嚴(yán)格、能耗較高、污染嚴(yán)重。采用氣流床對現(xiàn)有煤氣化技術(shù)進(jìn)行改造，可以提高煤的利用率，降低污染物的排放，實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，提高煤化工行業(yè)的能效和清潔生產(chǎn)水平[1-3]。

利用AspenPlus軟件對新疆阜康干煤粉加壓氣化進(jìn)行模擬，通過計(jì)算，分析操作參數(shù)氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比對煤氣化效率的影響，尋找最優(yōu)操作點(diǎn)，以提高氣化效率，達(dá)到過程優(yōu)化的目的。

1煤氣化模擬模型的建立

1.1模擬的假設(shè)條件

根據(jù)粉煤氣化工藝和反應(yīng)機(jī)理，利用AspenPlus軟件建立粉煤氣化爐模型需考慮以下假設(shè)條件：

(1)氣化爐處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，所有的參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化。

(2)氣化劑與粉煤在爐內(nèi)瞬間完全混合。

(3)煤中的H、O、N、S全部轉(zhuǎn)為氣相，而C隨條件的變化不完全轉(zhuǎn)化。

(4)氣化爐內(nèi)的壓力相同，無壓力降。

(5)原煤中的灰分為惰性物質(zhì)，在氣化過程中不參與反應(yīng)。

1.2物性參數(shù)的選擇

在用AspenPlus進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，一般將組分分成非常規(guī)組分和常規(guī)組分兩大類。對于常規(guī)組分，包括常規(guī)固體組分(即組成均勻，有確定分子量的固體)，用RK-Soave方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)。RK-Soave方程適用于非極性或弱極性的組分混合物，以及高溫、高壓條件。本文氣流床煤氣化工藝是在高溫、高壓下進(jìn)行的，氣化產(chǎn)生的組分多為烴類及CO2、H2S、H2等輕氣體，因此RK-Soave方程適合本工藝過程。

非常規(guī)固體組分是指不同種類的固體混合物，定義煤為非常規(guī)組分。AspenPlus對這類物質(zhì)作了簡化處理，認(rèn)為它不參與化學(xué)平衡和相平衡，只計(jì)算密度和焓。一般用密度模型DCOALIGT計(jì)算煤的干基密度，焓模型HCOALGEN來計(jì)算煤的焓，這個(gè)模型包含了燃燒熱、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和熱容的不同關(guān)聯(lián)式，其計(jì)算以煤的特性數(shù)據(jù)：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)為計(jì)算基準(zhǔn)。

1.3煤氣化模型的建立

新疆阜康干粉煤加壓氣化工藝主要是由磨煤與干燥、煤氣化及氣化產(chǎn)物處理三部分組成。針對這三個(gè)流程段，用AspenPlus對其進(jìn)行模擬，其流程見圖1。

原料煤經(jīng)磨煤(Crusher模型)破碎到規(guī)定粒徑后，送Dry-reac(RSTIOC模型)干燥到含水量為2%(wt)后，與氧氣、蒸汽一起經(jīng)組合噴嘴進(jìn)入到壓力為4.0MPa的氣化爐內(nèi)，在很短的時(shí)間內(nèi)完成干燥、熱解、燃燒、氣化過程，反應(yīng)產(chǎn)生高溫合成氣。煤氣化反應(yīng)分為煤的裂解和燃燒。煤的裂解采用DECOMP模塊(RYield模型)，將非常規(guī)固體煤按照質(zhì)量平衡分解為常規(guī)的單質(zhì)形式 (C、S、H2、N2、O2、C12)和灰渣，并將裂解熱導(dǎo)入Gasifier模塊(RGibbs模型)，此模型是利用Gibbs自由能最小實(shí)現(xiàn)化學(xué)和相平衡，通過Gasifier模塊求得氣化爐出口合成氣的溫度與成分。最后通過Ashsep模塊(Sep模型)將氣化爐出口產(chǎn)物進(jìn)行氣-固分流。

圖1　干粉煤加壓氣化模擬流程

2氣化參數(shù)對模擬氣化結(jié)果的影響

2.1氣化工藝條件

本次模擬分析選用的煤種為新疆阜康煤，其特性數(shù)據(jù)見表1。

表1　煤的工業(yè)分析和元素分析(干基)　(W%)

煤的變形溫度(DT)為1260℃，軟化溫度(ST)為1270℃，半球溫度(HT)為1275℃，流動溫度(FT)為1280℃。

為保證煤粉流動特性，煤粉顆粒尺寸分布：90%(重量比)小于或等于90μm；最大10%(重量比)小于5μm。

氣化操作條件為：氣化壓力為4MPa，干粉煤含水量為2%(wt)，干粉煤進(jìn)料量為2000t/d，采用二氧化碳作為干煤粉輸送氣體。

2.2氧煤比的影響

采用AspenPlus軟件模擬干粉煤加壓氣化，在保證蒸汽煤比一定，其他操作參數(shù)不變的情況下，改變氧煤比值，研究氣化爐出口合成氣組成和溫度的變化情況，其運(yùn)算結(jié)果見圖2～5。

圖2　氧煤比對合成氣溫度的影響

圖3　氧煤比對合成氣組成的影響

圖4　氧煤比對H2含量的影響

圖5　氧煤比對CO2含量的影響

從圖2可知，隨著氧煤比(Nm3氧氣/kg干煤)由0.3增加到0.65，氣化反應(yīng)加劇，反應(yīng)放熱量增加，合成氣溫度逐漸升高，在蒸汽煤比為0.1kg/kg時(shí)，合成氣溫度由852.1℃上升至2212.6℃；當(dāng)氧煤比為0.5Nm3/kg，合成氣出口溫度為1343.5℃，高于煤的灰熔點(diǎn)，保證氣化爐能夠液態(tài)排渣。

從圖3、4可知，隨著氧煤比的增大，合成氣中有效氣(CO+H2)和H2含量先升高后降低，當(dāng)氧煤比為0.5Nm3/kg時(shí)，有效氣含量最大。氧煤比的增大使得燃燒反應(yīng)加強(qiáng)，釋放大量熱，而煤氣化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高導(dǎo)致氣化反應(yīng)平衡點(diǎn)向右移，碳與水蒸氣反應(yīng)生成的煤氣CO和H2，其反應(yīng)式：

C+H2O→CO+H2

C+2H2O→CO+2H2

當(dāng)增加到一定值時(shí)，氣化爐內(nèi)過剩的氧氣導(dǎo)致燃燒反應(yīng)的急劇加強(qiáng)，即多余的氧氣使更多的CO和H2燃燒生成CO2和H2O，有效合成氣含量開始降低。

從圖5可知，在蒸汽煤比一定的情況下，合成氣中CO2的含量隨著氧煤比的增加先減少后增加。這是由于隨著氧煤比的增加，氣化溫度逐漸升高，抑制了變換反應(yīng)：

CO+H2O→CO2+H2

使得CO2的含量降低。隨著氧煤比進(jìn)一步增大，過量的O2促使更多的CO燃燒生成CO2，導(dǎo)致其量增加。在蒸汽煤比為0.1kg/kg時(shí)，CO2的含量最低為2%。

2.3蒸汽煤比的影響

水蒸氣作為氣化劑，一方面使煤氣化反應(yīng)得到加強(qiáng)，合成氣中有效氣的含量減少；另一方面能夠降低氣化系統(tǒng)的溫度，使氣化溫度不至于太高。在保證氧煤比為0.5Nm3/kg，其他操作參數(shù)不變的情況下，改變蒸汽煤比值，研究氣化爐出口合成氣組成和反應(yīng)溫度的變化情況，結(jié)果見圖6。

從圖6可知，隨著蒸汽煤比的增加，合成氣中的有效合成氣和CO的含量逐漸減小。當(dāng)蒸汽煤比較低時(shí)，氣化爐的氣化溫度較高，有利于煤中的碳與氣化劑O2，水蒸汽和H2、CO2等作用，發(fā)生煤氣化反應(yīng)，另外碳與產(chǎn)物之間也會發(fā)生反應(yīng)，生成H2、CO2、CO、CH4等，此時(shí)CO含量相對較高。且此時(shí)的氣化溫度較高，抑制了變換反應(yīng)，

圖6　蒸汽煤比對合成氣組成的影響

CO保持較高的濃度。隨著蒸汽煤比增大，氣化爐的氣化溫度降低，不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，而變換反應(yīng)得到加強(qiáng)，CO和H2O反應(yīng)生成CO2和H2，體系CO含量降低而H2和CO2含量增加。同時(shí)，蒸汽煤比較低時(shí)，氣化煤氣中的H2含量增加主要取決于CO含量的多少。兩者綜合導(dǎo)致合成氣有效氣含量和CO含量隨蒸汽煤比的增大而減小，CO2和H2含量隨蒸氣煤比的增大而增加。在保證氣化爐不超溫的情況下可以盡量降低蒸汽加入量以得到更高的有效氣成分。當(dāng)氧煤比為0.5Nm3/kg，蒸汽煤比為0.1kg/kg時(shí)，合成氣中有效合成氣最高達(dá)到93.3%，CO的摩爾分?jǐn)?shù)最高67.6%，H2的摩爾分?jǐn)?shù)25.7%。當(dāng)蒸汽煤比增至0.5時(shí)，總的有效氣降為74%，CO的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降至44.4%，H2摩爾分?jǐn)?shù)漸增至29.6%。

2.4二氧化碳的影響

干煤粉輸送采用加壓密相輸送專利技術(shù)，粉煤用密封料斗法升壓(即間斷升壓)，常壓粉煤經(jīng)變壓倉升壓進(jìn)入工作倉(壓力倉)，其壓力略高于氣化爐，粉煤用二氧化碳經(jīng)噴嘴夾帶入爐。干煤粉加壓氣化系統(tǒng)可保證輸送過程中干煤粉不易堵塞，干煤粉輸送連續(xù)、平穩(wěn)、均勻、脈動小，滿足干煤粉加壓氣化裝置系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

干煤粉輸送氣可采用氮?dú)饣蚨趸?，針對本?xiàng)目后續(xù)產(chǎn)品為甲醇，采用二氧化碳作為輸送氣，以減少氮?dú)庾鳛殡s質(zhì)帶入后續(xù)系統(tǒng)，同時(shí)二氧化碳也可在氣化爐中部分轉(zhuǎn)化為有效氣一氧化碳。若后續(xù)產(chǎn)品為氨時(shí)，應(yīng)采用氮?dú)庾鳛檩斔蜌?，以減少后續(xù)氮?dú)庀摹?/p>

二氧化碳作為干煤粉輸送氣，一方面起到干煤粉輸送作用，另一方面其自身也能部分轉(zhuǎn)化為有效氣一氧化碳。在保證氧煤比為0.5Nm3/kg，蒸汽煤比為0.1kg/kg，其他操作參數(shù)不變的情況下，改變二氧化碳煤比值，研究氣化爐出口合成氣組成的變化情況，其運(yùn)算結(jié)果見圖7。

圖7　二氧化碳煤比對合成氣組成的影響

從圖7可知，隨著二氧化碳煤比的增加，合成氣中的有效合成氣、CO、H2和CO2的含量基本不變。由于輸送氣二氧化碳?xì)饬坎淮螅虼硕趸济罕葘饣癄t內(nèi)的氣化反應(yīng)和變換反應(yīng)影響不大。本項(xiàng)目選擇二氧化碳煤比0.045Nm3/kg，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可保證合成氣有效氣組成一定時(shí)，干煤粉加壓密相輸送氣二氧化碳用量最少。

3結(jié)語

用AspenPlus軟件探索新疆阜康干粉煤加壓氣化的最佳操作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比的操作參數(shù)對煤氣化過程的影響，并確定了給煤量一定的最佳操作范圍。結(jié)果表明：合成氣溫度隨氧煤比增加而升高，隨蒸汽煤比增加而降低；在蒸汽煤比一定的情況下，隨著氧煤比的增大，當(dāng)有效氣和H2含量先升高后降低，CO2的含量先減少后增加。當(dāng)氧煤比一定時(shí)，合成氣有效氣含量和CO含量隨蒸汽煤比的增大而減小，CO2和H2含量隨蒸氣煤比的增大而增加；當(dāng)氧煤比為0.5Nm3/kg，蒸汽氧比為0.1kg/kg時(shí)，合成氣中有效合成氣最高達(dá)到93.3%，此時(shí)氣化效率最高。二氧化碳煤比對合成氣組成影響不大，當(dāng)二氧化碳煤比為0.045Nm3/kg時(shí)，二氧化碳用量小，且干煤粉輸送滿足加壓密相輸送。

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(收稿日期2015-06-29)

*趙雯婷：工程師。2010年畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)65530589，

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