水煤漿水冷壁廢鍋氣化過(guò)程的模擬研究

袁 蘋(píng)，張建勝,2，畢大鵬，馬 潔，張晉玲

（1.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，山西 太原 030032；2.清華大學(xué)，北京 100084）

以水煤漿為進(jìn)料的氣流床氣化技術(shù)具有氣化壓力高、生產(chǎn)能力強(qiáng)、氣化穩(wěn)定性強(qiáng)、產(chǎn)物清潔等特點(diǎn)，是主流煤氣化技術(shù)之一。水煤漿進(jìn)料的氣流床氣化技術(shù)按照氣化室結(jié)構(gòu)分為熱壁爐（耐火磚）和冷壁爐（水冷壁），按照熱量回收方式分為激冷、廢鍋和半廢鍋激冷3 種流程[1]。其中水煤漿水冷壁廢鍋氣化技術(shù)是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用的煤氣化技術(shù)，具有氣化壓力高、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、副產(chǎn)蒸汽、整體熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

Aspen Plus 是功能較為強(qiáng)大的化工過(guò)程模擬軟件，本文以Aspen Plus 為工具，對(duì)水煤漿水冷壁廢鍋氣化過(guò)程進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分析了氣化壓力、水煤漿濃度對(duì)氣化溫度、有效氣產(chǎn)量、合成氣組成、氧煤比、比氧耗和比煤耗的影響。

1 模型搭建及驗(yàn)證

1.1 氣化流程

氣化原料（水煤漿）和氧化劑（純氧）通過(guò)組合式工藝燒嘴進(jìn)入氣化室，在氣化爐內(nèi)，煤粉顆粒、氧氣、水等在高溫、高壓條件下發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主的高溫粗合成氣。氣化室襯里采用垂直懸掛自然循環(huán)膜式水冷壁，利用凝渣保護(hù)的原理，氣化溫度可以提高至1 700 ℃。在氣化室生成的高溫粗合成氣與熔融的灰渣一起進(jìn)入輻射廢鍋，回收高溫合成氣的熱量，并產(chǎn)生蒸汽。換熱后的粗合成氣進(jìn)入氣化爐下部激冷室，經(jīng)過(guò)激冷后進(jìn)入洗滌塔洗滌，并送至后續(xù)工段。

1.2 組分規(guī)定及熱力學(xué)方法的選擇

煤氣化一般是在高溫、高壓下進(jìn)行的，定義其常規(guī)組分為：H2O、N2、O2、CO、H2、H2S、CO2、C、CH4等，定義其非常規(guī)固體組分：COAL 為煤、ASH 為灰分[2]。煤氣化工藝模擬多使用RKS 或RKS-BM、PR-BM 方程，這兩種方程多用于烴加工、燃燒、石化等工藝過(guò)程計(jì)算，適用體系為非極性或弱極性的組分混合物，本文選擇RKS-BM 物性方法。

1.3 氣化模型的建立

將整個(gè)氣化過(guò)程主要?jiǎng)澐譃? 個(gè)單元：裂解、氣化和熱量回收。

（1）裂解單元

選用RYield 模塊模擬裂解單元，命名為DECOMP。DECOMP 單元是一個(gè)僅計(jì)算收率的簡(jiǎn)單反應(yīng)器，其主要功能是將煤分解轉(zhuǎn)化成各個(gè)元素的分子，并將裂解產(chǎn)生的熱量Q 傳遞給氣化單元。通過(guò)Aspen Plus 中的Calculator 計(jì)算模塊，使用Fortran 語(yǔ)言計(jì)算分解產(chǎn)物收率。

（2）氣化單元

選擇Aspen Plus 中的RGibbs 反應(yīng)模塊模擬氣化單元，命名為GASIFIER，該反應(yīng)器根據(jù)Gibbs 自由能最小原則，在不需要提供化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的條件下，可以計(jì)算常規(guī)固體相和流體相之間的化學(xué)平衡，非常規(guī)固體相如煤渣和殘?zhí)縿t由于惰性不影響反應(yīng)平衡。

（3）熱量回收單元

將氣化室的水冷壁和輻射廢鍋視為換熱器，選擇模塊為HeatX，分別命名為E1301 和E1302。HeatX 為兩股物流換熱器，可以模擬高溫粗合成氣和冷卻水的換熱。Flash 模塊可以模擬給定熱力學(xué)條件下的氣-液平衡，因此采用Flash 模塊模擬汽包，命名為DRUM1和DRUM2。

根據(jù)上述主要單元模型，建立了水煤漿水冷壁廢鍋氣化工藝模擬流程，如圖1 所示，圖1 中主要物流符號(hào)說(shuō)明如表1 所示。模擬所用原料煤（神木煤）的元素分析、工業(yè)分析和灰熔融性溫度如表2 所示。

圖1 水煤漿水冷壁廢鍋氣化工藝模擬流程圖

表1 主要物流符號(hào)說(shuō)明

表2 神木煤的基礎(chǔ)性質(zhì)分析結(jié)果

1.4 模型的驗(yàn)證

（1）平衡公式的驗(yàn)證

采用 A.P.WATKINSON 等[3]提出的模型[見(jiàn)公式（1）]對(duì)反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證：

式中：YH2、YCO2、YCO、YH2O分 別 代 表 粗 合成氣中 H2、CO2、CO、H2O 的體積分?jǐn)?shù)，分別為 24.50%、12.16%、36.74%、25.96%；T 代表合成氣的出口溫度，為1 623 K。

將各參數(shù)代入到公式（1）中得到：

二者誤差為2.37%，證明模型中的反應(yīng)已經(jīng)接近平衡。

（2）與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

將采用Aspen Plus 模擬的數(shù)據(jù)與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出，模擬的數(shù)據(jù)與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好，證明模型搭建合理。

表3 模擬結(jié)果與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

2 操作參數(shù)對(duì)氣化過(guò)程的影響

2.1 氣化壓力的影響

采用搭建的Aspen Plus 模擬流程，在保持煤漿濃度、氧煤比不變的條件下，調(diào)節(jié)氣化壓力從1 MPa（G）變化到8 MPa（G），探討壓力對(duì)氣化過(guò)程的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 壓力對(duì)氣化過(guò)程的影響

從圖2 可以看出，在所取的壓力區(qū)間內(nèi)，氣化壓力對(duì)氣化溫度、有效氣產(chǎn)量、合成氣組成、比氧耗和比煤耗基本沒(méi)有影響。目前煤氣化生產(chǎn)中普遍采用加壓操作，主要原因有：加壓氣化可以使單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的合成氣增加，產(chǎn)能增加[5]；有利于提高水煤漿的霧化質(zhì)量；可減小設(shè)備體積，單爐產(chǎn)氣量增大，便于實(shí)現(xiàn)大型化；可以降低壓縮功耗。

2.2 水煤漿濃度的影響

水煤漿成漿性的影響因素有煤質(zhì)組成、顆粒粒徑、添加劑組成等[6-7]。在保持用煤量、氣化壓力、氧氣量不變的條件下，調(diào)節(jié)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%到70%變化，探討煤漿濃度變化對(duì)氣化過(guò)程的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著煤漿濃度的增加，氣化溫度逐漸增加，合成氣中有效氣（CO+H2）與CO 含量增加、H2含量基本不變、CO2和H2O 含量略微下降，而有效氣產(chǎn)量、比氧耗和比煤耗基本保持不變。

圖3 水煤漿濃度對(duì)氣化過(guò)程的影響

在氣化爐內(nèi)發(fā)生的非均相反應(yīng)見(jiàn)式（2）～（4）：

當(dāng)用煤量、氧氣流量保持不變時(shí)，隨著煤漿濃度增加，用水量減少，碳的燃燒反應(yīng)劇烈，使氣化爐溫度升高。而反應(yīng)（2）、（3）、（4）均為吸熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)加劇，CO、H2、CO2含量增加；但由于 H2O 量減少，導(dǎo)致反應(yīng)（2）、（3）平衡左移，使 H2、CO2、CO 含量降低。因此，綜合來(lái)看，H2含量基本保持不變、CO 含量增加、CO2含量降低。

在保持氧氣流量不變的情況下，提高水煤漿濃度會(huì)導(dǎo)致氣化爐飛溫。而在實(shí)際氣化運(yùn)行中，一般控制氣化溫度比煤灰流動(dòng)溫度高50 ℃～100 ℃，因此在保持氣化溫度為1 365 ℃及其他氣化條件不變情況下，模擬探討了提高水煤漿濃度對(duì)氣化過(guò)程的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 氣化溫度為1 365 ℃時(shí)水煤漿濃度對(duì)氣化過(guò)程的影響

從圖4 可以看出，隨著煤漿濃度增大，氧煤比逐漸降低，有效氣產(chǎn)量和合成氣中CO、H2含量增加，CO2和H2O 含量降低，比氧耗和比煤耗逐漸降低。這主要是由于隨著煤漿濃度增大，煤漿中水分減少，水在氣化過(guò)程中經(jīng)歷升溫、相變及過(guò)熱等過(guò)程所需要的碳燃燒所放出的燃燒熱也將減少。碳的燃燒反應(yīng)包括式（5）～（7）：

其中反應(yīng)（7）放出的熱量最多[8]，因此在煤漿濃度低時(shí)，為維持氣化反應(yīng)溫度，氧氣消耗將增多[9]，反應(yīng)（6）進(jìn)行劇烈，合成氣中CO2含量多，導(dǎo)致有效氣中碳利用率低，氧耗和煤耗較高。隨著煤漿濃度增大，水量減少，水變化過(guò)程吸收的熱量減少，過(guò)多的熱量可以被反應(yīng)（2）、（3）和（4）吸收，從而使合成氣中 CO、H2含量增加，有效氣產(chǎn)量增多，比氧耗和比煤耗降低[10]。因此，在實(shí)際操作中，在保證氣化爐不超溫時(shí)，應(yīng)盡可能地提高煤漿濃度，從而提高煤的利用率，并降低系統(tǒng)能耗。

3 結(jié) 論

本文采用Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)水煤漿水冷壁廢鍋氣化過(guò)程進(jìn)行模擬，將氣化室的水冷壁和輻射廢鍋均視為換熱器，采用HeatX 模塊進(jìn)行模擬，得出如下結(jié)論：

3.1 利用平衡公式計(jì)算的誤差為2.37%，說(shuō)明反應(yīng)接近平衡。

3.2 模擬數(shù)據(jù)與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3.3 壓力對(duì)氣化過(guò)程基本沒(méi)有影響，但加壓有利于降低氣體壓縮能耗，節(jié)省設(shè)備投資；在保持氣化爐溫度恒定時(shí)，隨著水煤漿濃度增大，有效氣含量增加，比煤耗、比氧耗降低，因此在氣化爐不超溫的情況下，應(yīng)盡量提高水煤漿的濃度，降低系統(tǒng)能耗。