基于Aspen Plus的Shell氣流床工業(yè)氣化爐模擬

鄭志行，李謙，張家元，周浩宇

（1 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083；2 中冶長天國際工程有限責(zé)任公司國家燒結(jié)球團裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410205）

煤氣化是一種高效、清潔、便捷的煤炭利用方式，與傳統(tǒng)的直接燃燒相比，可以提高煤炭的利用率，減小污染物的排放，同時氣化氣更方便人們的使用[1-3]。近年來，很多研究者建立了煤炭熱解氣化的平衡模型，旨在優(yōu)化氣化爐系統(tǒng)的效率和運行條件，以提高煤炭的轉(zhuǎn)化效率。Ni等[4]利用非線性規(guī)劃方法，在平衡、質(zhì)量平衡和能量平衡的基礎(chǔ)上，建立了氣化爐的多變量模型，并與Shell 氣化爐的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了對比驗證，并在此基礎(chǔ)上研究了氣化溫度、氣化壓力、氧煤比、蒸汽煤比對煤氣組成及氣化效率的影響。Li 等[5]建立了循環(huán)流化床的氣化平衡模型，并通過引入碳轉(zhuǎn)化實驗，對產(chǎn)物的氣體組成進行了預(yù)測，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果誤差很小。Kong 等[6]基于Aspen Plus 軟件建立了Texaco煤氣化爐煤氣化三級平衡模型，在不同的操作工況下預(yù)測了氣體組成和碳轉(zhuǎn)化率，并通過實驗結(jié)果對模型進行了對比驗證。Sanchez 等[7]基于Aspen Plus 軟件對加壓鼓泡流化床建立了煤氣化模型，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，在此基礎(chǔ)上預(yù)測并分析了溫度、壓力、蒸汽煤比和空氣煤比對煤氣組成和煤氣熱值的影響。

此前的研究大多是考慮單一因素對氣化結(jié)果的影響，未考慮多種因素共同作用下的結(jié)果，且針對煤粉富氧氣化的研究較少[8-11]。實際氣化生產(chǎn)中，氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加可有效地提升煤氣效率和氣化氣品質(zhì)，但增加了氣化成本，因此根據(jù)不同的生產(chǎn)需求可選擇不同體積分?jǐn)?shù)的氧氣作為氣化劑[12]。本文基于Aspen Plus 化工仿真平臺，建立了煤粉在Shell 氣流床中的氣化模型，利用靈敏度分析模擬了氧煤比、氧氣體積分?jǐn)?shù)及氧氣預(yù)熱溫度對氣化指標(biāo)及氣化特性的影響，并進行了正交模擬計算，研究了以上3種因素共同作用的結(jié)果。本文以探索富氧氣化規(guī)律、提高煤粉氣化效率和降低氣化成本為目標(biāo)，期望為煤粉氣流床氣化的工業(yè)化方案制定和反應(yīng)器設(shè)計提供理論支持和技術(shù)參考。

1 煤粉在氣化爐中的氣化模型

1.1 氣化過程

煤炭氣化指在一定溫度、壓力下，用氣化劑對煤進行熱化學(xué)加工，將煤中有機質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程[13]，氣化劑可以是氧氣、水蒸氣、CO2等。Shell煤氣化過程是在高溫高壓下進行的，干煤粉、氧氣及少量水蒸氣在高壓下并流入氣化爐，在很短的時間內(nèi)即可完成干燥、裂解、燃燒、氣化等一系列物理化學(xué)過程，1500℃左右的高溫煤氣在氣化爐頂部與激冷氣混合，溫度降至約900℃排出并進行進一步處理，爐渣則以熔融態(tài)從爐底排出，Shell 氣流床的煤氣化工藝流程如圖1所示。氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)見表1[14]。

1.2 氣化指標(biāo)

本文采用煤氣熱值、有效氣體積分?jǐn)?shù)、煤氣產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率等指標(biāo)對氣化過程進行評價。

煤氣熱值（QLHV，kcal/m3，1kcal=4.18kJ）見式(1)。

式中，yi為各氣體化合物（H2、CO、CH4）在合成氣中的體積分?jǐn)?shù)。

有效氣體積分?jǐn)?shù)（φ，%）見式(2)。

圖1 Shell氣流床系統(tǒng)流程示意圖

表1 氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)

式中，VH2、VCO分別為煤氣中H2和CO的體積，m3/h；V為煤氣總體積，m3/h。

煤氣產(chǎn)率（Vg，m3/kg）的計算見式(3)。

式中，V為煤氣總體積，m3/h；G為入爐煤量，kg/h。

冷煤氣效率（η，%）的計算見式(4)。

式中，QLHV為煤氣低位熱值，kcal/m3；Vg為煤氣產(chǎn)率，m3/kg；Qcoal為入爐煤低位發(fā)熱量，kcal/kg。

碳轉(zhuǎn)化率（ηC，%）的計算見式(5)。

式中，Cash為氣化殘渣中的含碳量，kg；Cash入爐煤的含碳量，kg。

對于氣化過程中發(fā)生的主要反應(yīng)R1～R9（表1），影響其平衡移動的主要因素為反應(yīng)物體積分?jǐn)?shù)及反應(yīng)溫度。反應(yīng)物濃度越高，分子間碰撞的概率越大，使得反應(yīng)正向移動。為了更好地解釋氣化反應(yīng)中氧煤比、氧氣體積分?jǐn)?shù)和氧氣預(yù)熱溫度變化對氣化結(jié)果的影響，引入范特荷夫方程式對反應(yīng)R1～R9進行分析[15]，從反應(yīng)溫度的角度來解釋氣化反應(yīng)平衡的移動，范特荷夫方程式見式(6)。由式(6)可知，對于吸熱反應(yīng)R3、R4、R9，隨著氣化溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)K逐漸升高，反應(yīng)正向移動；對于放熱反應(yīng)R1、R2、R5、R6、R7、R8，隨著氣化溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)K逐漸減小，反應(yīng)逆向移動。

式中，K為化學(xué)平衡常數(shù)，表征反應(yīng)進行的程度，其單位與反應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)有關(guān)；ΔH為反應(yīng)熱，kJ/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)。

2 模型構(gòu)建及驗證

2.1 模型構(gòu)建

利用Aspen Plus 建立煤粉在Shell 氣化爐中的熱解氣化流程圖需進行以下假設(shè)[16]：①氣化爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，爐內(nèi)溫度及壓力保持恒定；②煤中的灰分為惰性物質(zhì)，不參與氣化反應(yīng)；③爐內(nèi)氣相反應(yīng)速度很快，且處于平衡態(tài)。

根據(jù)以上假設(shè)，針對Shell氣流床煤氣化實際過程，利用Aspen Plus 建立煤粉的熱解氣化模型。模擬采用的煤種為神華煤，其工業(yè)分析、元素分析見表2，熱值為29.88MJ/kg。氣化爐的操作條件見表3[17]。

表2 神華煤的工業(yè)分析和元素分析（干燥基）

表3 氣化爐操作條件

本文建立的煤粉熱解氣化模型由干燥、熱解、氣化和除塵這4部分組成，如圖2所示。由化學(xué)計量反應(yīng)器RSTOIC 模擬煤粉的干燥，收率反應(yīng)器RYIELD 模擬熱解過程，吉布斯反應(yīng)器RGIBBS 模擬氣化過程，分流器SEP1模擬粗煤氣的除塵[18]。

圖2 煤氣化模型示意圖

煤粉在Aspen Plus 中被定義為非常規(guī)組分。RSTOIC 反應(yīng)器中通過熱氮氣對煤粉進行干燥，并通過分離器FLASH將干煤粉、干燥劑及水分分離；RYIELD 反應(yīng)器中使用CALCULATOR 模塊，根據(jù)煤粉的工業(yè)分析和元素分析，將煤粉分解為C、H2、O2、N2、S 和灰分，并將其作為熱解產(chǎn)物通入到RGIBBS 反應(yīng)器，與O2、水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)；氣化反應(yīng)后的產(chǎn)物通過分流器SEP1 將灰與未反應(yīng)的殘?zhí)糠蛛x出去。裂解熱由氣化過程提供，并考慮氣化過程中的熱量損失。

2.2 模型驗證

本文利用文獻[17]中Shell氣化爐的實際運行數(shù)據(jù)對模型進行驗證。文獻試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比情況見表4。從表4 可以看出，實際氣化過程中產(chǎn)生的氣體主要為CO 和H2，而H2S 和CH4的濃度很小，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差很小。除此之外，模型對比了文獻[19]中的Illinois No.6、Wyodak、SRC(-Ⅱ)、Exxon DSP、Western和Eastern這6種煤種，煤種的元素分析和氣化爐操作條件如表5 所示[19]，模擬結(jié)果與文獻試驗結(jié)果吻合良好，如圖3 所示。通過以上對比驗證，本文建立的Aspen Plus 氣化模型可以很好地模擬煤粉在氣流床中的氣化。

表4 文獻值與模擬值的對比結(jié)果

圖3 模擬值與文獻值的煤氣組成及碳轉(zhuǎn)化率對比

3 單因素分析

3.1 氧煤比

表5 煤種的元素分析和氣化爐操作條件

在保持其他操作參數(shù)不變的情況下，本節(jié)利用靈敏度分析模擬了氧煤比對氣化結(jié)果的影響。其中，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%，氧氣預(yù)熱溫度為180℃。

氧煤比對氣化溫度及氣體組成的影響如圖4所示。隨著氧煤比的增加，氣化溫度逐漸升高[20]，當(dāng)氧煤比從0.2kg/kg 升高到1.2kg/kg 時，氣化溫度由765℃升高到1448℃。這是由于入爐氧氣量增加，放熱反應(yīng)R1、R2、R6正向移動，使得氣化爐內(nèi)溫度迅速升高。反應(yīng)R6 正向移動造成H2的濃度降低；溫度升高使反應(yīng)R9 正向移動，因此CH4的濃度降低；當(dāng)氧煤比小于0.9kg/kg 時，反應(yīng)R2 和R4占主導(dǎo)，CO 的濃度逐漸升高，CO2濃度逐漸降低，當(dāng)氧煤比大于0.9kg/kg 時，反應(yīng)R1 和R7 占主導(dǎo)，CO 的濃度逐漸降低，CO2濃度逐漸升高。綜合H2和CO 的變化，有效氣體積分?jǐn)?shù)先增加后減小，當(dāng)氧煤比在0.9kg/kg時達到最大值41%。

圖4 氧煤比對氣化溫度及氣體組成的影響

氧煤比對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響如圖5所示。隨著氧煤比的增加，煤氣熱值逐漸降低，當(dāng)氧煤比從0.2kg/kg增加到1.2kg/kg時，煤氣熱值從1702kcal/m3降低到870kcal/m3，主要是由于H2、CH4的濃度降低造成的；碳轉(zhuǎn)化率逐漸增加，冷煤氣效率先增加后降低，當(dāng)氧煤比為0.9kg/kg時，碳轉(zhuǎn)化率達到最大值100%，冷煤氣效率達到最大值77.72%，但此時產(chǎn)氣熱值僅為1303kcal/m3。

3.2 氧氣濃度

由于空氣氣化時的冷煤氣效率和煤氣熱值較低，實際氣化生產(chǎn)中均采用富氧或者純氧氣化。在保持其他操作參數(shù)不變的情況下，本節(jié)利用靈敏度分析模擬了氧氣濃度對氣化結(jié)果的影響。其中，氧煤比為0.8kg/kg，氧氣預(yù)熱溫度為180℃。

氧氣濃度對氣化溫度及氣體組成的影響如圖6所示。隨著氧氣濃度的增加，氣化溫度逐漸升高，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%增加到100%時，氣化溫度由1003℃升高到1480℃。這是由于氧氣濃度增加，氣化爐中O2活化分子數(shù)目增加，從而增加了O2與C、CO、H2的碰撞，使得放熱反應(yīng)R1、R2、R6、R7 正向移動，氣化爐內(nèi)溫度逐漸升高。溫度升高使反應(yīng)R3、R4 正向移動，因此CO2濃度降低、H2和CO 濃度升高，而CH4濃度變化很小。有效氣的體積分?jǐn)?shù)大幅度升高，從空氣氣化時的42%升高到純氧氣化時的97%。

圖5 氧煤比對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響

圖6 氧氣濃度對氣化溫度及氣體組成的影響

氧氣濃度對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響如圖7所示。隨著氧氣濃度的增加，煤氣熱值逐漸升高，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%增加到100%時，煤氣熱值從1316kcal/m3升高到2950kcal/m3，這是由H2和CO的體積分?jǐn)?shù)升高造成的。氧氣濃度的增加使固相碳和氣相間的反應(yīng)速率和反應(yīng)活性大大增加，使得碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率升高，氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%時，碳轉(zhuǎn)化率達到最大值100%，冷煤氣效率達到最大值82.6%。

圖7 氧氣濃度對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響

3.3 氧氣預(yù)熱溫度

氣化生產(chǎn)的粗煤氣具有一定的顯熱，可利用這部分熱量對氧氣進行預(yù)熱，增加氧氣分子的氣化活性，提升氣化效果，從而實現(xiàn)對氣化過程中熱量的全面、高效利用。在保持其他操作參數(shù)不變的情況下，本節(jié)利用靈敏度分析模擬了空氣預(yù)熱溫度對氣化結(jié)果的影響。其中，氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%。

氧氣預(yù)熱溫度對氣化溫度及氣體組成的影響如圖8所示。隨著氧氣預(yù)熱溫度的增加，氣化溫度逐漸升高[21]，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從25℃增加到600℃時，氣化溫度由967℃升高到1119℃。同時，吸熱反應(yīng)R3、R4 正向移動，使得H2、CO 升高，CO2降低，而CH4變化很小。有效氣的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，在600℃預(yù)熱時達到46%，相比于常溫氣化有7%的增長。

圖8 氧氣預(yù)熱溫度對氣化溫度及氣體組成的影響

氧氣預(yù)熱溫度對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響如圖9 所示。隨著氧氣預(yù)熱溫度的增加，煤氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率小幅升高，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度從25℃增加到600℃時，煤氣熱值從1247kcal/m3升高到1407kcal/m3，碳轉(zhuǎn)化率從93.5%升高到99.7%，冷煤氣效率從68%升高到82%，增長量分別為160kcal/m3、6.2%、14%。這是因為預(yù)熱增加了氣化溫度，使得固相碳與氣相間的反應(yīng)活性和反應(yīng)速率增加。

圖9 氧氣預(yù)熱溫度對產(chǎn)氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率及冷煤氣效率的影響

4 正交模擬計算

通過對單因素變量的分析，得到了氧煤比、氧氣和氧氣預(yù)熱溫度對氣化結(jié)果的影響。實際氣化過程中，幾種因素之間是互相干擾、互相影響的，通常多種因素都在一定范圍內(nèi)變化[22]。因此本節(jié)研究了氧煤比（A）、氧氣體積分?jǐn)?shù)（B）和氧氣預(yù)熱溫度（C）對煤氣熱值、有效氣體積分?jǐn)?shù)、煤氣產(chǎn)率、冷煤氣效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響大小，進行了五水平三因素正交模擬計算。工程實際中各參數(shù)運行值分別為氧煤比0.81kg/kg、氧氣體積分?jǐn)?shù)100%、氧氣預(yù)熱溫度180℃。氧煤比、氧氣和氧氣預(yù)熱溫度都是以工程實際為基準(zhǔn)，在工程運行實際變化范圍內(nèi)選取，具體因素水平選取值見表6，正交模擬計算方案設(shè)計及結(jié)果如表7所示。

表6 因素水平表

表8為正交模擬計算結(jié)果的極差分析表，獲得了氧煤比、氧氣體積分?jǐn)?shù)和氧氣預(yù)熱溫度對不同氣化指標(biāo)的影響大小及相應(yīng)的最優(yōu)水平，分析如下。

表7 正交模擬方案及結(jié)果表

表8 極差分析表

（1）氧煤比對冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率的影響作用占首位。在模擬研究范圍內(nèi)，隨著氧煤比的增加，煤氣產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率逐漸增加，煤氣熱值、有效氣逐漸減小，冷煤氣效率先增加后減小。因此在工程實際中增大氧煤比旨在快速升高冷煤氣效率，根據(jù)冷煤氣效率、煤氣熱值和有效氣的正交分析結(jié)果，氧煤比的最優(yōu)指標(biāo)為2水平，即0.8kg/kg。

（2）氧氣對煤氣熱值、有效氣、煤氣產(chǎn)率的影響作用占首位。在模擬研究范圍內(nèi)，隨著氧氣的增加，煤氣熱值、有效氣、冷煤氣效率、碳轉(zhuǎn)化率逐漸增加，煤氣產(chǎn)率逐漸減小。由于空氣氣化時的冷煤氣效率和煤氣熱值較低，實際氣化生產(chǎn)中均采用富氧或者純氧氣化，旨在獲得高熱值、高有效氣的氣化氣，同時相比于空氣氣化可進一步提升冷煤氣效率的上限，但過高的氧氣又會增加氣化成本，因此應(yīng)根據(jù)實際需求選擇合適的富氧。根據(jù)煤氣熱值和有效氣的正交分析結(jié)果，氧氣體積分?jǐn)?shù)的最優(yōu)指標(biāo)為5 水平，即100%；根據(jù)冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率的正交分析結(jié)果，氧氣體積分?jǐn)?shù)的最優(yōu)指標(biāo)為3、4、5水平，最優(yōu)指標(biāo)區(qū)間為60%～100%。

（3）氧氣預(yù)熱溫度在模擬研究范圍內(nèi)對煤氣化指標(biāo)影響較小。氣化爐生產(chǎn)的煤氣具有一定的顯熱，將這部分熱量進行回收利用，對氧氣進行預(yù)熱可以提高氣化溫度，可以增強入爐O2分子的氣化活性，從而使得碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率有所增加。根據(jù)煤氣熱值和有效氣的正交分析結(jié)果，氧氣預(yù)熱溫度的最優(yōu)指標(biāo)為3 水平，即300℃；根據(jù)冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率的正交分析結(jié)果，氧氣預(yù)熱溫度的最優(yōu)指標(biāo)為3、4、5 水平，最優(yōu)指標(biāo)區(qū)間為300～500℃。

（4）通過分析以上3種因素對不同氣化指標(biāo)的影響效果，根據(jù)實際氣化生產(chǎn)需求，如果是為了生產(chǎn)高熱值的氣化氣，最優(yōu)組合為A2B5C3，即氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分?jǐn)?shù)為100%，氣化劑預(yù)熱溫度為300℃，此時煤氣熱值為3011kcal/m3；如果氣化生產(chǎn)旨在高冷煤氣效率，最優(yōu)組合為A2B3～5C3～5，即氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分?jǐn)?shù)為60%～100%，氣化劑預(yù)熱溫度為300～500℃，此時氣化過程中的冷煤氣效率可達83.46%，在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)濟性、安全性、有效氣純度等要求，在一定范圍內(nèi)選擇最佳的運行參數(shù)。

5 結(jié)論

本文利用Aspen Plus建立了煤粉在Shell氣流床中的氣化模型，將模擬結(jié)果與工程數(shù)據(jù)進行了對比驗證。在保持其他操作參數(shù)不變的前提下，研究了氧煤比、氧氣和氧氣預(yù)熱溫度對氣化結(jié)果的影響，并進行了正交模擬計算，研究了以上3種因素共同作用的結(jié)果?？紤]到工程實際，將煤氣熱值和冷煤氣效率作為主要的氣化目標(biāo)，得出以下結(jié)論。

（1）空氣氣化時，研究了氧煤比對氣化結(jié)果的影響。氧煤比的增加使碳轉(zhuǎn)化率逐漸升高、煤氣熱值降低、有效氣及煤氣熱值先升高后降低。氧煤比為0.9kg/kg 時，碳轉(zhuǎn)化率達到最大值100%，但冷煤氣效率、有效氣體積分?jǐn)?shù)及煤氣熱值較低，分別為77.72%、41%和1303kcal/m3。

（2）保持氧煤比為0.8kg/kg，研究了氧氣對氣化結(jié)果的影響。相比于空氣氣化，提升氧氣可增加冷煤氣效率、有效氣體積分?jǐn)?shù)及煤氣熱值的峰值：氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%時，冷煤氣效率可達82.6%；氧氣體積分?jǐn)?shù)為100%時，有效氣體積分?jǐn)?shù)和煤氣熱值可達97%和2950kcal/m3。

（3）保持氧煤比為0.8kg/kg、氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%，研究了氧氣預(yù)熱溫度對氣化結(jié)果的影響。氧氣預(yù)熱溫度的升高使冷煤氣效率和有效氣體積分?jǐn)?shù)升高。氧氣預(yù)熱溫度為600℃時，冷煤氣效率可達82%、有效氣體積分?jǐn)?shù)可達46%，相比于常溫氣化，增長量分別為14%、7%。

（4）通過正交模擬計算研究了氧煤比、氧氣及氧氣預(yù)熱溫度對氣化指標(biāo)的影響。氧煤比對冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率的影響作用占首位，氧氣對煤氣熱值、有效氣、煤氣產(chǎn)率的影響作用占首位，而氧氣預(yù)熱溫度在模擬研究范圍內(nèi)對煤氣化指標(biāo)影響較小。根據(jù)實際氣化生產(chǎn)需求，如果是為了生產(chǎn)高熱值的氣化氣，最優(yōu)工藝參數(shù)為氧煤比0.8kg/kg、氧氣體積分?jǐn)?shù)100%、氣化劑預(yù)熱溫度300℃，此時煤氣熱值可達3011kcal/m3；如果氣化生產(chǎn)旨在高冷煤氣效率，最優(yōu)工藝參數(shù)為氧煤比0.8kg/kg、氧氣體積分?jǐn)?shù)60%～100%、氣化劑預(yù)熱溫度300～500℃，此時氣化過程中的冷煤氣效率可達83.46%。

（5）氣化過程中存在多種因素的互相影響，結(jié)合工程實際進行正交模擬計算，可為氣化過程的操作參數(shù)的優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。