1 MWth煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程模擬

任 天， 胡修德， 安 梅， 馬晶晶， 郭慶杰

(寧夏大學(xué) 省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

中國(guó)煤炭資源豐富而石油、天然氣比較緊缺[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，寧夏作為“一帶一路”沿線重要省份及西北地區(qū)的能源“金三角”地帶，研究和開(kāi)發(fā)煤炭高效清潔利用技術(shù)是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵之一。煤化學(xué)鏈氣化技術(shù)是一種新型的清潔煤利用技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)控制載氧體-氣化劑-煤炭比生產(chǎn)清潔燃?xì)?，合成氣?jīng)過(guò)加工處理后再生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品?；瘜W(xué)鏈氣化技術(shù)利用載氧體的循環(huán)使用將傳統(tǒng)煤氣化反應(yīng)過(guò)程解耦在2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需空分裝置，無(wú)需外部加熱，降低了設(shè)備的投資和運(yùn)行成本，且燃料不與空氣直接接觸，減少了NOx和SOx污染物的生成[2-3]。

固體燃料化學(xué)鏈氣化一方面需要控制燃料與載氧體的比值，避免燃料完全氧化生成大量CO2[4]；另一方面需要載氧體為氣化過(guò)程提供熱量?；瘜W(xué)鏈氣化技術(shù)有別于化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，其主要產(chǎn)物為合成氣(H2+CO+CH4)。目前關(guān)于化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)大型中試裝置研究，美國(guó)Alstom公司建立了3 MWth示范裝置[5]，美國(guó)Ohio State大學(xué)建立了25 kWth示范裝置[6]，德國(guó)Darmstadt大學(xué)建立了1 MWth示范裝置[7-8]。中國(guó)清華大學(xué)[9]、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所[10]、華中科技大學(xué)[11]、東南大學(xué)[12]等也進(jìn)行了相關(guān)研究。雖然化學(xué)鏈燃燒技術(shù)已進(jìn)入中試示范階段，但兆瓦級(jí)煤炭化學(xué)鏈氣化工藝技術(shù)尚處于探索性研究階段，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)及設(shè)備尚未成熟，且工業(yè)示范裝置因?yàn)榧夹g(shù)保密，獲取操作數(shù)據(jù)成本較高。

Aspen Plus是一款被廣泛用來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、分析、模擬優(yōu)化化工工藝的大型通用流程模擬軟件。通過(guò)模擬計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的合理控制，達(dá)到不同工藝條件下理想的氣化產(chǎn)物需求，而且還可以為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)工作、煤化學(xué)鏈氣化技術(shù)的工業(yè)放大、規(guī)?；ㄔO(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。筆者利用Aspen Plus化工流程模擬軟件，建立了1 MWth煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程模型，將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)正，研究了不同煤種、不同載氧體、氧/碳摩爾比(載氧體中O與煤中C摩爾比)、溫度、壓力、水蒸氣/煤質(zhì)量比對(duì)氣化性能的影響及整個(gè)系統(tǒng)的自熱平衡條件。

1 煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的基本原理與建模

在整個(gè)煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程中，適量的載氧體在燃料反應(yīng)器內(nèi)釋放晶格氧參與煤氣化反應(yīng)生成合成氣，失去晶格氧的載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化后的高溫載氧體再次循環(huán)進(jìn)入燃料反應(yīng)器，為煤的氣化過(guò)程提供氧和熱[13]。筆者分別選用赤鐵礦與天然錳礦作為載氧體，水蒸氣為氣化劑，空氣為氧化劑。對(duì)于赤鐵礦載氧體，模擬計(jì)算主要的氧化還原過(guò)程為Fe2O3?Fe3O4[14]；對(duì)于天然錳礦載氧體，主要氧化還原過(guò)程為Mn3O4?MnO[15]。表1為燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器內(nèi)的主要反應(yīng)。其中，R1～R9為燃料反應(yīng)器中的反應(yīng)，R10、R11為空氣反應(yīng)器中的反應(yīng)。

表1 燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器內(nèi)的主要反應(yīng)Table 1 The main reactions in the fuel reactor and the air reactor

整個(gè)煤化學(xué)鏈氣化工藝模型流程圖如圖1所示。非常規(guī)組分的物料煤(Coal)先進(jìn)入收率反應(yīng)器(Decomp)，按照質(zhì)量平衡將煤中各元素轉(zhuǎn)化為單質(zhì)形式，如C、N2、O2、H2、H2O、S和UBC(未反應(yīng)碳)；再與經(jīng)過(guò)泵(Pump)增壓、換熱器(Heat 1)升溫的水蒸氣一起進(jìn)入燃料反應(yīng)器(Fuel reactor)；空氣(Air)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)(Compressor)和換熱器(Heat 2)達(dá)到所需壓力和溫度后進(jìn)入空氣反應(yīng)器(Air reactor)；煤、水蒸氣、載氧體在燃料反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生一系列反應(yīng)生成合成氣，燃料反應(yīng)器排出的氣-固混合物經(jīng)旋風(fēng)分離器(Cyclone 1)分離；被還原的載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器被氧化，再生載氧體經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器(Cyclone 2)進(jìn)入燃料反應(yīng)器循環(huán)使用。圖中虛線Q8、Q9、Q10代表連接反應(yīng)器的熱流股，為使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到自熱平衡，將空氣反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量輸送至燃料反應(yīng)器。

圖1 1 MWth煤化學(xué)鏈氣化流程Fig.1 Process flow of 1 MWthcoal chemical looping gasificationDecomp—Yield reactor; Q8,Q9,Q10—Heat flow

建模過(guò)程中，引入實(shí)際工業(yè)操作過(guò)程中的碳轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)和估算的熱量損失用以修正模擬結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行合理的假設(shè)：(1)反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入反應(yīng)器的所有物質(zhì)均達(dá)到平衡狀態(tài)；(2)各反應(yīng)器內(nèi)壓力相同，無(wú)壓力降，反應(yīng)器之間沒(méi)有氣體和燃料返混；(3)煤中的N、H、O完全反應(yīng)，隨操作條件變化C不完全轉(zhuǎn)化；(4)煤中的惰性組分為灰分，不參與化學(xué)反應(yīng)；(5)不考慮載氧體、煤的粒徑差異。

2 計(jì)算條件及數(shù)據(jù)處理

模擬采用的3種煤的性質(zhì)分析如表2所示。其中NX為寧夏煤，XJ為新疆煤，YN為云南煤。所用載氧體分別為產(chǎn)自中國(guó)河北的赤鐵礦、中國(guó)廣西的天然錳礦，其XRF成分分析如表3所示。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)熱輸入功率為1 MW時(shí)，NX的進(jìn)煤量為142.574 kg/h，XJ的進(jìn)煤量為154.242 kg/h，YN的進(jìn)煤量為285.487 kg/h。所有物料入口溫度為20 ℃，評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)如下：

表2 不同煤種的工業(yè)分析與元素分析Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of different coals

表3 2種天然礦石載氧體的化學(xué)組成Table 3 Oxygen carrier’s chemical components of two kinds of natural ores w/%

出口氣體組分摩爾流量比Xi(%)是出口氣體產(chǎn)物i(CO、CO2、CH4、H2)占所有產(chǎn)氣摩爾流量比例，計(jì)算式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中:qi為出口氣體產(chǎn)物i(CO、CO2、CH4、H2)的摩爾流量，kmol/h；qv為煙氣中CO、CO2、CH4、H2的總摩爾流量，kmol/h。

合成氣有效組分比Xsyn(%)是合成氣有效組分(CO、CH4、H2)摩爾流量與所有產(chǎn)氣摩爾流量比例，計(jì)算式見(jiàn)式(2)：

(2)

合成氣產(chǎn)率Y(m3/kg)為單位進(jìn)煤量產(chǎn)生的合成氣體積，計(jì)算式見(jiàn)式(3)：

(3)

式中，qsyn為合成氣中CO、CH4、H2的總摩爾流量，kmol/h；VL為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積，2.24×10-2m3/mol；fcoal為進(jìn)煤量，kg/h。

冷煤氣效率η(%)是煤氣化產(chǎn)生合成氣熱值與氣化用煤熱值之比，計(jì)算式見(jiàn)式(4)：

(4)

式中，Qsyn為合成氣有效組分的低位熱值，MJ/kmol；nsyn是合成氣有效組分的物質(zhì)的量，kmol；Qnet為煤的低位熱值，MJ/kg；mcoal為煤的質(zhì)量，kg。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

Guo等[16]基于小型單流化床研究了煤-鐵基載氧體化學(xué)鏈氣化過(guò)程。筆者采用與其相同的操作條件驗(yàn)證兆瓦級(jí)煤化學(xué)鏈氣化裝置模型：進(jìn)料時(shí)載氧體Fe2O3中的O與煤中C的摩爾比(R)為1.0，氣化劑水蒸氣流量為2.5 g/min，操作溫度與壓力分別為920 ℃與0.1 MPa。實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較如表4所示。

由表4可知，模擬計(jì)算得到的各氣體組分占比和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。模擬結(jié)果中各氣體組分占比與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差主要是因?yàn)锳spen Plus是穩(wěn)態(tài)模擬，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中甲烷化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)受反應(yīng)條件限制，尚未完全達(dá)到反應(yīng)平衡，而且固體燃料轉(zhuǎn)化必須考慮反應(yīng)器中載氧體活性和煤顆粒氣-固反應(yīng)速率的影響[17-18]。綜上可知，建立的流程模型具有一定通用性，可以采用此模型來(lái)預(yù)測(cè)煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的產(chǎn)物分布。

表4 兆瓦級(jí)煤化學(xué)鏈氣化裝置出口氣體組分比(Xi)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of Xi between simulation results and experimental results of megawatt coal chemical looping gasification unit Xi/%

3.2 操作參數(shù)對(duì)模型模擬兆瓦級(jí)煤化學(xué)鏈氣化反應(yīng)的影響

3.2.1 溫度的影響

燃料反應(yīng)器內(nèi)溫度高低是影響煤化學(xué)鏈氣化反應(yīng)速率及合成氣組成的重要因素[19]。圖2模擬考察了氣化溫度區(qū)間為700～1200 ℃時(shí)3種煤氣化后氣體產(chǎn)物的變化。選取赤鐵礦為載氧體，壓力為1.0 MPa，水蒸氣/煤質(zhì)量比為1.0，氧/碳摩爾比R為1.1。

由圖2可知，溫度在700～1200 ℃范圍內(nèi)，3種煤氣化生成氣體的摩爾流量及合成氣有效組分比變化趨勢(shì)基本一致。低溫條件下(700～800 ℃)NX煤、XJ煤有較多CH4生成，CH4主要來(lái)源于煤熱裂解。在模擬過(guò)程中，氣-固快速混合后反應(yīng)，若不考慮溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和載氧體反應(yīng)活性的影響，反應(yīng)R5(CO+3Fe2O3→2Fe3O4+CO2)為放熱反應(yīng)，低溫時(shí)反應(yīng)平衡常數(shù)大，反應(yīng)向著生成CO2方向進(jìn)行，此時(shí)較高的CO2濃度也易于促進(jìn)甲烷化反應(yīng)發(fā)生[20]。隨著溫度升高，平衡向著逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，CO2摩爾流量減小，CO摩爾流量增大，CO2摩爾流量的減少與CO摩爾流量的增加呈對(duì)稱趨勢(shì)。NX煤、XJ煤的H2摩爾流量在800 ℃時(shí)達(dá)到峰值，分別為6.92 kmol/h、5.96 kmol/h；YN煤的H2摩爾流量在700 ℃時(shí)達(dá)到峰值4.73 kmol/h，之后呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樗簹夥磻?yīng)(R1—R3)生成了大量H2，但繼續(xù)升高溫度，反應(yīng)平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，使得H2、CO摩爾流量下降。隨著溫度升高，NX煤、XJ煤、YN煤的最大合成氣有效組分比分別為84.1%、79.9%、77.5%。在不考慮煤中礦物質(zhì)和微量組分影響的前提下，不同煤種在相同的氣化條件下，煤階越低，煤中揮發(fā)分含量越高，熱解煤氣中CO2含量越高[21]。3種煤氣化生成合成氣含量差異主要由不同煤種中固定碳和揮發(fā)分含量不同引起。

圖2 溫度對(duì)3種煤化學(xué)鏈氣化出口氣體摩爾流量(qi)和合成氣有效組分比(Xsyn)的影響Fig.2 Effects of temperatures on the outlet gas molar flow (qi) and syngas composition proportion (Xsyn) during chemical looping gasification of three kinds of coal(a) NX coal; (b) XJ coal; (c) YN coalp=1.0 MPa; R=1.1; m(Steam)/m(Coal)=1.0;Hematite as oxygen carrier

燃料反應(yīng)器溫度變化與合成氣產(chǎn)率、冷煤氣效率關(guān)系如圖3所示。由圖3看到，3種煤氣化的合成氣產(chǎn)率、冷煤氣效率都隨著氣化溫度升高而增大，溫度低于800 ℃時(shí)增幅明顯，其后趨于平穩(wěn)。隨著溫度從700 ℃升高到1200 ℃，根據(jù)3種煤中固定碳與揮發(fā)分含量大小[22]，最大合成氣產(chǎn)率由高到低依次為NX煤(2.02 m3/kg)、XJ煤(1.62 m3/kg)、YN煤(0.57 m3/kg)。通過(guò)模擬結(jié)果可知，提高氣化溫度有利于合成氣產(chǎn)率增加，但是900 ℃以后合成氣產(chǎn)率增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，繼續(xù)提高操作溫度還會(huì)增加設(shè)備能耗，所以煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程最佳氣化溫度范圍應(yīng)控制在850～950 ℃。

圖3 溫度對(duì)合成氣產(chǎn)率(Y)和冷煤氣效率(η)的影響Fig.3 Effects of temperatures on the syngas yield (Y) and cold gas efficiency (η) p=1.0 MPa; R=1.1; m(Steam)/m(Coal)=1.0

3.2.2 氧/碳摩爾比的影響

載氧體在燃料反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器之間可實(shí)現(xiàn)載氧、載熱和載碳的作用，載氧體循環(huán)量大小直接影響煤化學(xué)鏈氣化進(jìn)程[23]。對(duì)于成分復(fù)雜的天然礦石類載氧體，載氧體中除目標(biāo)成分外其余雜質(zhì)也可釋放少量活性氧。筆者在探究氧/碳摩爾比對(duì) 1 MWth煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程影響時(shí)，首先利用 STA-449-F3 熱綜合分析儀(德國(guó)耐馳公司產(chǎn)品)測(cè)試2種載氧體的實(shí)際載氧率，然后根據(jù)實(shí)際載氧率計(jì)算載氧體的活性氧量進(jìn)行模擬。由于3種煤隨溫度變化產(chǎn)生的合成氣組分變化趨勢(shì)基本相同，所以后文模擬均采用寧夏煤，模擬計(jì)算條件為：溫度900 ℃、壓力1.0 MPa、水蒸氣/煤質(zhì)量比1.0、氧/碳摩爾比變化區(qū)間0.1～1.7。定義燃料反應(yīng)器內(nèi)載氧體實(shí)際載氧率(β,%)計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

(5)

式(5)中，mi、mred為最初載氧體完全氧化后質(zhì)量和載氧體發(fā)生還原反應(yīng)后質(zhì)量，mg。

實(shí)驗(yàn)分別取相同質(zhì)量的赤鐵礦、錳礦，以 15 ℃/min 升溫速率從室溫加熱至900 ℃，并在 900 ℃ 恒溫保持80 min，以確保載氧體充分反應(yīng)。2種載氧體與H2還原的質(zhì)量損失曲線如圖4所示，由公式(5)計(jì)算赤鐵礦和天然錳礦載氧體的實(shí)際載氧率分別為7.32%和13.94%。

圖4 2種載氧體與H2反應(yīng)的TG曲線Fig.4 TG curves of the two oxygen carriers reacting with H2

圖5為赤鐵礦和天然錳礦載氧體參與的煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程中不同氧/碳摩爾比(R)下的出口氣體摩爾流量及合成氣有效組分比，圖6為不同R下合成氣產(chǎn)率和冷煤氣效率。由圖5和圖6可知：隨著R從0.1逐漸增至1.7，赤鐵礦和天然錳礦載氧體參與的煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程中的合成氣有效組分比分別降低了35.60和32.15百分點(diǎn)；冷煤氣效率分別降低了52.74和47.50百分點(diǎn)；合成氣產(chǎn)率分別從3.02 m3/kg降至1.68 m3/kg，3.23 m3/kg降至2.02 m3/kg。這是由于隨著R增大，更多的還原性氣體參與到化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)中，使得氣體燃燒產(chǎn)物CO2和H2O增加，合成氣產(chǎn)率降低。同時(shí),R增大使得載氧體循環(huán)量增大，確保載氧體能夠向燃料反應(yīng)器內(nèi)提供足夠的氧量，還提供足夠的熱量[24]。

圖5 氧/碳摩爾比(R)對(duì)煤化學(xué)鏈氣化出口氣體摩爾流量(qi)和合成氣有效組分比(Xsyn)的影響Fig.5 Effects of O/C molar ratios (R) on the outlet gas molar flow (qi) and syngas composition proportion (Xsyn) during chemical looping gasification(a) Hematite; (b) Manganese orep=1.0 MPa; T=900 ℃; m(Steam)/m(Coal)=1.0

圖6 氧/碳摩爾比(R)對(duì)合成氣產(chǎn)率(Y)和冷煤氣效率(η)的影響Fig.6 Effects of O/C molar ratios (R) on the syngas yield (Y) and cold gas efficiency (η) p=1.0 MPa; T=900 ℃; m(Steam)/m(Coal)=1.0

圖7是氧/碳摩爾比(R)對(duì)系統(tǒng)熱功率(Q)平衡的影響。圖7中，當(dāng)系統(tǒng)熱功率Q<0時(shí)，燃料反應(yīng)器仍需外部供熱，為煤氣化反應(yīng)提供熱量；當(dāng)系統(tǒng)熱功率Q=0時(shí)，從空氣反應(yīng)器循環(huán)而來(lái)的載氧體攜帶的熱量剛好滿足燃料反應(yīng)器內(nèi)氣化反應(yīng)需求，整個(gè)煤化學(xué)鏈氣化系統(tǒng)達(dá)到自熱平衡狀態(tài)。由圖7可知，系統(tǒng)自熱平衡狀態(tài)下使用赤鐵礦載氧體的氧/碳摩爾比為1.1，此時(shí)合成氣有效組分比為72.59%，合成氣產(chǎn)率為2.22 m3/kg，冷煤氣效率為91.55%；使用天然錳礦載氧體的氧/碳摩爾比為1.5時(shí)，合成氣有效組分比為68.91%，合成氣產(chǎn)率為2.08 m3/kg，冷煤氣效率為85.81%。雖然赤鐵礦載氧體參與煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的合成氣有效組分高出天然錳礦載氧體3.68百分點(diǎn)，合成氣產(chǎn)率高出天然錳礦載氧體0.14 m3/kg，冷煤氣效率高出天然錳礦載氧體5.74百分點(diǎn)，但是此時(shí)赤鐵礦載氧體循環(huán)量為7426.39 kg/h，約比天然錳礦載氧體2390.93 kg/h的循環(huán)量增大了2.1倍。因此在滿足系統(tǒng)自熱平衡運(yùn)行的條件下，雖然使用赤鐵礦載氧體時(shí)煤化學(xué)鏈氣化指標(biāo)略優(yōu)于天然錳礦載氧體，但是從工業(yè)化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性角度考慮，錳礦石較低的載氧體循環(huán)量可大大減少設(shè)備投資和運(yùn)行成本。因此優(yōu)先選取天然錳礦石為1 MWth煤化學(xué)鏈氣化自熱運(yùn)行過(guò)程中的載氧體。

圖7 氧/碳摩爾比(R)對(duì)系統(tǒng)熱功率(Q)平衡的影響Fig.7 Effects of O/C molar ratios (R) on system heat (Q) balance p=1.0 MPa; T=900 ℃; m(Steam)/m(Coal)=1.0

3.2.3 壓力的影響

目前，關(guān)于化學(xué)鏈氣化的實(shí)驗(yàn)研究大多是在常壓條件下進(jìn)行，而加壓能加快反應(yīng)速率，增大煤處理量，更易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)行。圖8探討了反應(yīng)壓力對(duì)煤化學(xué)鏈氣化性能的影響，模擬條件為壓力 0.1～3.0 MPa，赤鐵礦為載氧體，氧/碳摩爾比1.1，水蒸氣/煤質(zhì)量比1.0，氣化溫度900 ℃。

由圖8(a)可知，隨著壓力增大，合成氣有效組分比從80.14%降至77.43%，CO、H2摩爾流量都略有減少，CH4摩爾流量略有增加。根據(jù)平衡移動(dòng)原理，在有氣體參加或生成的可逆反應(yīng)中，系統(tǒng)壓力增加可促進(jìn)反應(yīng)平衡向氣體系數(shù)或氣體體積較小的方向進(jìn)行。因此隨著壓力增加，甲烷化反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)都朝著利于甲烷生成的方向移動(dòng)，CO和H2摩爾流量減少，而CH4摩爾流量增加。另外，隨著氣體產(chǎn)物分壓增加，氣體間擴(kuò)散作用增強(qiáng)，在一定程度上也抑制了氣體產(chǎn)物析出。由圖8(b)可知，操作壓力從0.1 MPa升高至3.0 MPa時(shí)，冷煤氣效率從93.17%降至90.74%，合成氣產(chǎn)率從2.01 m3/kg降至1.84 m3/kg。對(duì)于煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程來(lái)說(shuō)，升高壓力降低了合成氣產(chǎn)率。但是在工業(yè)裝置上生產(chǎn)合成氣時(shí)，加壓可以降低壓縮合成氣需要的能量，增加產(chǎn)能。所以在保證生產(chǎn)效益及反應(yīng)器氣化速率前提下，選取最適宜的操作壓力為1.0 MPa。

圖8 操作壓力對(duì)燃料反應(yīng)器氣化性能的影響Fig.8 Effects of fuel reactor pressure on gasification performance(a) Gas molar flow (qi) and syngas composition proportion (Xsyn); (b) Syngas yield (Y) and cold gas efficiency (η)R=1.1; T=900 ℃; m(Steam)/m(Coal)=1.0; Hematite as oxygen carrier

3.2.4 水蒸氣/煤質(zhì)量比的影響

氣化劑水蒸氣作為煤化學(xué)鏈氣化過(guò)程的氣化介質(zhì)與流化介質(zhì)，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行狀況。水蒸氣流量增加會(huì)促使載氧體與煤、煤與反應(yīng)器之間的碰撞更加劇烈，劇烈的碰撞能增加煤焦與載氧體表面活性位點(diǎn)，從而縮短停留時(shí)間、加快氣化反應(yīng)速率[25]。然而過(guò)多水蒸氣量又會(huì)降低氣化溫度，降低合成氣品質(zhì)。圖9為水蒸氣/煤質(zhì)量比對(duì)燃料反應(yīng)器氣化性能的影響，模擬選取赤鐵礦為載氧體，燃料反應(yīng)器溫度為900 ℃、壓力為1.0 MPa、氧/碳摩爾比為1.1，水蒸氣/煤質(zhì)量比變化區(qū)間為0.5～1.3。

由圖9(a)可知，由于水蒸氣/煤質(zhì)量比增大使得水煤氣變換反應(yīng)加劇，所以當(dāng)水蒸氣/煤質(zhì)量比由0.5增加到1.3時(shí)，H2摩爾流量從5.36 kmol/h升至7.16 kmol/h，增幅33.58%。另外水汽分壓增高可促進(jìn)甲烷水蒸氣重整反應(yīng)平衡向左移動(dòng)，使得CO摩爾流量從7.40 kmol/h降至5.65 kmol/h，降幅23.65%；合成氣有效組分比在77.18%～87.11%范圍內(nèi)變化。由圖9(b)可知，隨著水蒸氣/煤質(zhì)量比從0.5逐漸增至1.3，合成氣產(chǎn)率整體變化幅度很小，基本維持在2.01 m3/kg左右。冷煤氣效率從82.35%逐漸降至72.06%，降幅12.50%。這是因?yàn)殡S著水蒸氣量增加，合成氣中H2摩爾流量增加，為了維持氣化過(guò)程中大量吸熱反應(yīng)進(jìn)行，燃料反應(yīng)器整體溫度降低。在實(shí)際操作過(guò)程中水蒸氣/煤質(zhì)量比既要保證較高的冷煤氣效率，又要維持燃料反應(yīng)器溫度穩(wěn)定。因此，選取最佳水蒸氣/煤質(zhì)量比為1.0。

圖9 水蒸氣/煤質(zhì)量比對(duì)燃料反應(yīng)器內(nèi)氣化性能的影響Fig.9 Effects of fuel reactor steam/coal mass ratio on gasification performance(a) Gas molar flow (qi) and syngas composition proportion (Xsyn); (b) Syngas yield (Y) and cold gas efficiency (η)p=1.0 MPa; T=900 ℃; R=1.1; Hematite as oxygen carrier

4 結(jié) 論

基于Aspen Plus平臺(tái)對(duì)1 MWth煤化學(xué)鏈氣化系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，考察了氣化過(guò)程中燃料反應(yīng)器內(nèi)各操作參數(shù)影響及系統(tǒng)自熱平衡運(yùn)行的條件，為兆瓦級(jí)煤化學(xué)鏈氣化系統(tǒng)的建造與運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

(1)隨著氣化溫度升高，3種煤化學(xué)鏈氣化生成氣體的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，其中固定碳含量高的寧夏煤氣化生成合成氣產(chǎn)率最高，為2.02 m3/kg。燃料反應(yīng)器最佳氣化溫度選擇在850～950 ℃。

(2)氧/碳摩爾比增大使得合成氣產(chǎn)率降低。在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自熱平衡時(shí)，赤鐵礦載氧體和錳礦石載氧體的氧/碳摩爾比分別為1.1和1.5；赤鐵礦作為載氧體時(shí)參與煤化學(xué)鏈氣化反應(yīng)的合成氣產(chǎn)率略高于錳礦石載氧體，其載氧體循環(huán)量比錳礦石載氧體增加了約2.1倍。

(3)操作壓力增大使得合成氣產(chǎn)率及冷煤氣效率逐漸降低，最佳操作壓力為1.0 MPa。

(4)隨著水蒸氣/煤質(zhì)量比增大，雖然合成氣產(chǎn)率上升，但燃料反應(yīng)器所需熱量逐漸上升，本系統(tǒng)選取最佳水蒸氣/煤質(zhì)量比為1.0。