煤氣站氣化操作參數(shù)選擇

上海浦名能源科技有限公司 上海 200030

吳坷顯 山東三維石化工程股份有限公司上海分公司 上海 200030

1 概述

工業(yè)燃氣被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、玻璃、陶瓷、機械制造、建材等行業(yè)。近年來，隨著環(huán)保政策趨緊，各地企業(yè)對清潔工業(yè)燃氣的需求越來越大。我國石油資源短缺，天然氣資源匱乏，但煤炭資源豐富。因此，各企業(yè)自建煤制氣裝置以生產(chǎn)清潔工業(yè)燃氣。之前工業(yè)企業(yè)多采用固定床或二段爐生產(chǎn)工業(yè)燃氣，這種制氣方式要選用塊煤，生產(chǎn)過程中有極難處理的污染物產(chǎn)生，必將被逐步淘汰。而流化床氣化技術(shù)可以實現(xiàn)在0～1.0MPa(G)壓力下制工業(yè)燃氣，采用粉煤作原料，產(chǎn)品氣中不含焦油、酚類物質(zhì)，因此被越來越多工業(yè)企業(yè)用以制氣，作為天然氣燃料的替代品，實現(xiàn)了企業(yè)降本增效的目的。

流化床氣化技術(shù)生產(chǎn)的燃氣熱值在1200～2200kcal/Nm3，粗煤氣經(jīng)水洗、除塵、濕法脫硫后送下游焙燒爐燒嘴，供礦石焙燒或陶瓷燒制等使用。由于這些焙燒爐用氣量大，煤氣熱值的波動會對爐子的燃燒效率、經(jīng)濟價值產(chǎn)生影響。以建筑陶瓷行業(yè)為例，燃料的選擇直接影響著窯爐燒成工藝的先進性。通過輥道窯熱平衡分析，煤氣熱值每提高150Kcal/Nm3，窯爐爐膛的熱效率提高1～2%[1]。另有研究表明，同熱值不同組分中，低熱值燃料的燃燒特性不同，且中低熱值燃料中可燃氣體所占比例越大，燃燒室出口溫度越高[2]。

借助Aspen Plus模擬軟件，分析流化床不同的操作參數(shù)對煤制燃氣熱值、可燃組分的影響，有利于提高裝置熱利用效率，達到節(jié)能降耗的目的。Aspen Plus是一種通用的化工過程模擬、優(yōu)化設(shè)計軟件，它提供了大量的物性數(shù)據(jù)以及嚴格的熱力學(xué)估算方程式，用于物料與熱量平衡計算、相平衡計算、化學(xué)平衡計算。基于其強大的運算功能以及大量的工程實際運行數(shù)據(jù)，筆者建立了加壓流化床氣化模擬模型。模擬氣化過程采用的是反應(yīng)平衡模型，熱力學(xué)方程采用RK-Soave。該模型對于碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的工況預(yù)測效果相對較好。

流化床氣化反應(yīng)的特點是床層中粉煤沸騰，物料強烈返混，氣固兩相充分混合，溫度均一，煤在床層中一次實現(xiàn)破黏、脫揮發(fā)分、裂解、氣化以及灰團聚。氣化爐內(nèi)涉及的反應(yīng)非常復(fù)雜，因此，在討論氣化反應(yīng)時可做一些假設(shè)，即僅考慮煤中主要元素碳。主要氣化反應(yīng)有以下幾種：

2C+O2=CO2+Q

(1)

2C+O2=2CO+Q

(2)

CO2+C=2C-Q

(3)

H2O+C=CO+H2-Q

(4)

H2O+C=CO2+H2-Q

(5)

CO+H2O=CO2+H2+Q

(6)

CO+3H2=CH4+H2O+Q

(7)

2 流化床氣化原理

流態(tài)化是指固體顆粒在流體(氣體或液體)的作用下懸浮在流體中跳躍或隨流體流動的現(xiàn)象。當(dāng)氣體以一定的速度向上通過顆粒床層時，顆粒互相離開，床層開始流化，此時的速度稱為臨界流化速度。當(dāng)流體速度達到臨界流化速度后，床層處于流化床階段，在此階段，床層阻力基本保持恒定。流化床煤氣化過程是粉煤在反應(yīng)器內(nèi)呈流化狀態(tài)，在一定溫度、壓力條件下與氣化劑反應(yīng)生成煤氣。其主要優(yōu)點是床層溫度均勻，傳熱傳質(zhì)效率高，氣化強度大，可使用粉煤且煤種適應(yīng)范圍寬，產(chǎn)品煤氣中不含焦油和酚類物質(zhì)。

流化床煤氣化的主要反應(yīng)有煤熱解反應(yīng)、煤焦與二氧化碳及水蒸氣反應(yīng)、變換反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)等。流化床氣化爐的設(shè)計與操作，對通過反應(yīng)器氣體的流量和速度有嚴格要求。在設(shè)計與運行時，需要在臨界流化速度和終端流化速度之間尋找最佳流化速度。如果流化速度低于臨界速度，床層顆粒不能流化，會造成氣化爐結(jié)渣甚至停爐；如果流化速度高于終端速度，床層中煤顆粒將被煤氣大量夾帶出氣化爐，破壞床層穩(wěn)定，使得操作無法進行。比如某流化床煤氣化爐，在980℃溫度下，臨界流化速度約0.98m/s，終端速度6～7.5m/s。對于一個典型的流化床煤氣化反應(yīng)爐，主要分密相段和稀相段兩部分。密相段下部設(shè)置氣化劑布氣裝置，用于床層的流化以及提供氣化所需的蒸汽、氧氣。下部還設(shè)置有選渣排渣裝置，以便控制排渣質(zhì)量，維持一個良好的床層高度。

一般來說，流化床的最佳操作速度為一個經(jīng)驗參數(shù)，主要是由該流化床的型式、操作溫度、操作壓力等確定的。下面以某流化床煤氣化爐在某煤氣站項目的設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，通過改變合理范圍內(nèi)的操作溫度、操作壓力、蒸汽/碳比值三個參數(shù)，分析這些參數(shù)對煤氣熱值的影響，以提出合理的氣化爐操作參數(shù)。

3 操作參數(shù)優(yōu)化

3.1 氣化爐溫度對熱值與組分的影響

流化床以碎煤為原料，粒徑小于10mm，以空氣(富氧)和水蒸氣為氣化劑，在適當(dāng)?shù)拿侯w粒和氣速下，使床層中粉煤沸騰，床層中物料強烈返混，氣固兩相充分混合，溫度均一，在部分煤顆粒燃燒產(chǎn)生的高溫下進行煤的氣化。流化床氣化爐操作溫度區(qū)間與原料煤的灰熔點以及煤的CO2反應(yīng)活性直接相關(guān)。碎煤的灰熔點高，一般軟化溫度(ST)≥1250℃為好。高的反應(yīng)溫度可能會引起氣化爐結(jié)渣；低的反應(yīng)溫度又使得床層碳轉(zhuǎn)化率較低，渣中含碳量較高，不利于經(jīng)濟運行。

基于以上分析，選擇流化床氣化爐反應(yīng)溫度在900℃～1150℃之間進行研究，從而尋找一個最佳操作溫度。為方便研究，氣化爐操作溫度設(shè)為氣化平衡反應(yīng)溫度。

設(shè)定氣化操作壓力0.3MPa(G)、煤處理量20t/h、碳轉(zhuǎn)化率98.5%，以氣化操作溫度為變量，研究溫度對燃氣組分、熱值的影響。結(jié)果見圖1、圖2和圖3。

圖1 H2%濃度隨氣化爐操作溫度的變化趨勢

圖2 CO%濃度隨氣化爐操作溫度的變化趨勢

圖3 氣化爐甲烷濃度、煤氣干基熱值隨氣化爐操作溫度的變化趨勢

從以上圖中可以看出，在一定的操作區(qū)間內(nèi)，燃氣中CO%濃度(干基，下同)隨氣化爐操作溫度升高逐步升高，當(dāng)達到氣化溫度1040℃時，燃氣中CO%濃度開始下降，CO2濃度開始上升。燃氣中H2%濃度(干基，下同)隨氣化爐操作溫度升高逐步升高；燃氣中CH4%濃度隨氣化爐操作溫度升高逐步下降，燃氣干基熱值逐步降低。從圖3中還可以看出，氣化爐溫度超過960℃時，甲烷濃度降低的速度加快。

可以從氣化反應(yīng)的角度分析有效氣體組分隨氣化溫度的變化趨勢。氣化爐中的氣化反應(yīng)是一個十分復(fù)雜的體系。為了方便分析，簡單將氣化反應(yīng)分為兩種類型：一種是碳與氧之間的反應(yīng)；另一種是水蒸氣分解反應(yīng)。其中碳與氧生成CO、CO2的反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，碳與CO2的二氧化碳還原反應(yīng)是較強的吸熱反應(yīng)。在高溫下，碳和氧反應(yīng)的產(chǎn)物中CO的含量較高。但氣化溫度高到一定程度時，氣化爐需要消耗更多的碳與氧生成CO2，以便為氣化爐提供足夠熱量。從圖2可以看出，溫度較低時，二氧化碳還原反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢，CO的濃度隨氣化溫度增加；當(dāng)穩(wěn)定達到1040℃時，碳與氧的完全放熱反應(yīng)開始占據(jù)上風(fēng)，氣化爐需要消耗部分CO用于維持氣化爐熱量溫度。

燃氣中的甲烷，一部分來自煤中揮發(fā)物的熱分解，一般來說，煤的揮發(fā)份越高，煤越年輕，燃氣中甲烷越高；另一部分是CO與H2的甲烷化反應(yīng)。該反應(yīng)是一個強放熱反應(yīng)。所以，在低溫下，燃氣中甲烷含量上升。由于單位甲烷熱值高，因此，在煤制燃氣領(lǐng)域，較低的反應(yīng)溫度有利于提高燃氣的品質(zhì)。

另外，以上研究是基于氣化爐操作溫度不變。實際上，氣化爐溫度的高低主要取決于氣化爐內(nèi)富氧空氣的加入量，一般來說，在加入碎煤量、蒸汽量一定的情況下，加入氣化爐的富氧越多，氧化反應(yīng)越強，氣化溫度越高。筆者也對加壓流化床氣化爐溫度隨氧碳比的變化趨勢進行了研究，結(jié)果表明，氧碳比每升高1%，氣化爐出口溫度升高約20℃，有效氣的組分濃度以及煤氣的產(chǎn)出量、冷煤氣效率隨著氧碳比的增加，先增加后減少。氫氣含量隨氧碳比的增加而減少，一氧化碳含量隨氧碳比的增加而增加，二氧化碳含量隨氧碳比的升高而升高。這是氣化爐內(nèi)氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)相互影響的必然結(jié)果。

另有一個問題，本研究假設(shè)不同氣化溫度下的碳轉(zhuǎn)化率是一樣的，然而對于流化床實際運行來說，較低的氣化溫度不利于碳顆粒的完全氣化，導(dǎo)致飛灰轉(zhuǎn)化率較低，煤渣中殘?zhí)驾^高，反而影響了氣化爐的冷煤氣效率。對于流化床氣化爐，氣化爐溫度低，碳轉(zhuǎn)化率低。因此，綜合煤的CO2反應(yīng)活性、碳轉(zhuǎn)化率與燃氣熱值，流化床氣化溫度選擇在950～1000℃之間是較理想的。

3.2 氣化爐操作壓力對熱值與組分的影響

流化床氣化爐操作壓力對氣化穩(wěn)定運行影響較大。操作壓力高，氣化爐的臨界流化速度低，氣化表觀氣速降低；氣化爐處理能力提高，高溫區(qū)的氧含量也會增加。這些因素，容易造成氣化爐局部過熱、結(jié)渣，增加了氣化爐的操作難度。

對于燃氣行業(yè)來講，工業(yè)爐一般要求燃氣壓力微正壓即可。筆者選取了0.4～0.6MPa這個壓力區(qū)間進行研究，其中氣化溫度選擇在1000℃，水碳摩爾比選擇在0.8。通過研究，旨在分析壓力對有效氣體組分以及熱值的影響，方便指導(dǎo)工廠實際操作。結(jié)果見圖4。

圖4 氣化爐甲烷濃度、煤氣干基熱值隨氣化爐操作壓力的變化趨勢

從圖4中看出，甲烷的含量與燃氣熱值基本同步增加。這是因為甲烷化反應(yīng)基本屬于氣相總物質(zhì)量減少的反應(yīng)，加壓有利于甲烷的生成。

另外，隨著氣化爐操作壓力的增加，氫氣含量基本不隨氣化爐操作壓力的變化而變化，一氧化碳含量隨著氣化爐操作壓力增加而降低，二氧化碳含量隨氣化爐操作壓力的增加而增加。

3.3 氣化爐水碳比對熱值與組分的影響

水碳比是指進入爐內(nèi)的水蒸汽與煤中碳的摩爾比，用于表征煤氣化對氣化劑的需求，也反映了水耗、能耗的大小，進而影響整個氣化裝置的消耗、冷煤氣效率、廢水處理規(guī)模等。水蒸氣的多少直接影響氣化中水煤氣反應(yīng)。該反應(yīng)主要是水蒸氣分解反應(yīng)。燃氣中甲烷、一氧化碳、氫氣隨水碳比的變化趨勢見圖5和圖6。其中，該研究在氣化壓力0.5MPa(G)，氣化溫度1000℃時，冷煤氣效率、干基熱值變化趨勢見圖7。

圖5 甲烷濃度隨氣化爐水碳比的變化趨勢

圖6 CO、H2濃度隨氣化爐水碳比的變化趨勢

圖7 氣化爐冷煤氣效率、干基熱值隨氣化爐水碳比的變化趨勢

通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，一氧化碳濃度隨氣化爐水碳比提高呈現(xiàn)下降趨勢；氫氣呈現(xiàn)升高趨勢。這主要是因為水蒸氣分解反應(yīng)引起的，也稱為一氧化碳變換反應(yīng)。甲烷濃度隨氣化爐水碳比增加而降低，是因為甲烷的裂解反應(yīng)，水蒸汽高，有利于甲烷裂解。氣化爐冷煤氣效率隨水碳比提高逐步降低，主要是因為越多的水蒸氣進入氣化爐，氣化就需要消耗更多的氧氣以及煤，以便釋放足夠能量用于加熱這部分蒸汽，從而導(dǎo)致總的有效氣的量降低。

另外，降低水碳比可以縮小氣化爐尺寸，節(jié)約設(shè)備投資；節(jié)約煤、氧、蒸汽等原料消耗；增加副產(chǎn)蒸汽的對外銷售，降低綜合運行升本；提高蒸汽分解率，提高冷煤氣效率。因此，對于流化床氣化爐，在低的水碳比下操作是非常經(jīng)濟的。但是水蒸汽作為氣化劑的同時，還承擔(dān)著保證爐內(nèi)床料的良好流態(tài)化、促進床料強烈返混、防止結(jié)渣的功能。因此，降低水碳比必須以保證爐內(nèi)良好的流態(tài)化為基本前提。

4 結(jié)語

(1)通過模擬并比對實際操作數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，流化床氣化反應(yīng)溫度在950～1000℃是較為理想的氣化溫度。

(2)對于燃料氣行業(yè)，氣化爐操作壓力高，燃氣中甲烷含量高，有利于燃氣燃燒效率提高，但空分能耗會相應(yīng)增加。

(3)氣化反應(yīng)水碳比直接影響氣化爐運行的經(jīng)濟性。應(yīng)在保證良好流態(tài)化、滿足氣化劑總量需求的前提下，盡量降低水碳比。