煤氣化裝置粗合成氣水氣比的計(jì)算與應(yīng)用

韋華璋， 李泰山， 毛 煒

(1. 貴州航天邁未科技有限公司， 貴陽 550300；2. 內(nèi)蒙古伊泰化工有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017400)

煤氣化是以煤、半焦或焦炭為原料，以空氣、富氧(純氧)、水蒸氣、二氧化碳(CO2)或氫氣(H2)為氣化介質(zhì)，使煤經(jīng)過部分氧化和還原反應(yīng)，將其中所含的碳、氫等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為以一氧化碳(CO)、H2、甲烷等可燃組分為主的氣體產(chǎn)物的多相反應(yīng)過程[1]。現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的氣化溫度一般為1 200～1 600 ℃，氣化壓力為4.0～8.7 MPa，反應(yīng)后的粗合成氣與熔融態(tài)的灰渣一起落入氣化爐下部的激冷室中，溫度降至200～250 ℃，因此出氣化界區(qū)的粗合成氣中含有大量的水蒸氣。為核算粗合成氣中有效氣(CO+H2)的產(chǎn)量，需要計(jì)算粗合成氣的水氣比。

水氣比是粗合成氣中水蒸氣的物質(zhì)的量與其他氣體的物質(zhì)的量之比，其作為煤氣化工藝的一個(gè)重要指標(biāo)，是計(jì)算煤氣化裝置比氧耗和比煤耗等性能參數(shù)[2]的基礎(chǔ)，對評判氣化技術(shù)的氣化效率、綜合能耗及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等具有直接影響。

1 水氣分壓法

目前，行業(yè)內(nèi)對水氣比的計(jì)算多采用水氣分壓法，該方法是通過水蒸氣表查出某一溫度和壓力下的飽和蒸汽壓力，然后用水的飽和蒸汽壓力除以干氣部分的氣體分壓[3]，具體計(jì)算公式為：

(1)

式中:WGR為水氣比；psv為粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力，MPa；p0為粗合成氣的壓力，MPa。

水氣分壓法具有公式簡單、參數(shù)少、便于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。該計(jì)算方法的缺點(diǎn)是沒有考慮高溫、高壓下粗合成氣中水(H2O)分子的非理想特性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際水氣比存在一定差距。

氣化反應(yīng)生成的粗合成氣中，含有CO、H2、H2O、CO2、氮?dú)?N2)等組分，特別是H2O為極性分子，需要考慮強(qiáng)極性物質(zhì)的分子締合。根據(jù)維里方程式[4]:

(2)

式中：Z為壓縮因子；p為壓力；Vm為摩爾體積；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度；B、C為第二、第三維里系數(shù)。維里方程是物性和溫度的函數(shù)，方程式右邊為無窮級數(shù)。

理想氣體的壓縮因子為1，真實(shí)氣體的壓縮因子的表達(dá)式為1加上若干項(xiàng)，若干項(xiàng)為表征分子間作用力的若干表達(dá)式。H2O分子偶極矩大，在高溫、高壓下，壓縮因子小于1[5]，而水氣分壓法將H2O分子看成理想氣體，沒有考慮壓縮因子的變化，壓縮因子仍然取1，所以水氣分壓法計(jì)算的水蒸氣含量偏低。

當(dāng)前，一般采用水氣分壓法進(jìn)行水氣比的計(jì)算，計(jì)算出的粗合成氣水氣比偏低，有效氣含量偏高，導(dǎo)致出現(xiàn)氣化界區(qū)計(jì)量的粗合成氣流量大于下游凈化界區(qū)計(jì)量的合成氣流量等現(xiàn)象。因此，為有助于各煤氣化項(xiàng)目中計(jì)算出準(zhǔn)確的氧耗和煤耗，筆者提出一種水氣比的參數(shù)修正計(jì)算公式，可為煤氣化裝置計(jì)算粗合成氣水氣比提供參考。

2 水氣比計(jì)算的參數(shù)修正法

水氣比計(jì)算的參數(shù)修正法考慮氣體在高溫、高壓下的非理想特性，對溫度與壓力進(jìn)行一系列的修正，提高了極性分子、締合物質(zhì)的p-V-T計(jì)算精度。計(jì)算公式為：

(3)

(4)

p1=eTτ

K0=-7.691 23(1-T1)-26.080 2(1-T1)2-168.17(1-T1)3+64.232 85(1-T1)4-118.964(1-T1)5

式中：T0為粗合成氣的溫度，℃；T1為粗合成氣中水的對比溫度，℃;p1為粗合成氣中水的對比壓力,MPa,Tτ為粗合成氣混合物中水的虛擬對比溫度，K0為狀態(tài)方程中相互作用參數(shù);N1、N2、N3、N4、N5、N6為狀態(tài)方程[6]的壓力修正參數(shù)。

N1、N2、N3、N4、N5、N6的計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

X0=e0.763 333(1-T1)

式中:X0為水的基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)；Bl為粗合成氣系統(tǒng)中水的總物質(zhì)的量。

3 參數(shù)修正法與水氣分壓法的對比

主流氣流床煤氣化技術(shù)的操作壓力一般為4.0 MPa和6.5 MPa，氣化裝置內(nèi)一般有0.2 MPa的壓降，所以氣化界區(qū)出口處的粗合成氣壓力分別為3.8 MPa和6.3 MPa。分別用水氣分壓法和參數(shù)修正法計(jì)算這兩個(gè)壓力條件下不同溫度粗合成氣的水氣比，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 3.8 MPa下兩種方法計(jì)算水氣比隨溫度的變化趨勢

圖2 6.3 MPa下兩種方法計(jì)算水氣比隨溫度的變化趨勢

由圖1、圖2可以看出：在相同壓力條件下，粗合成氣的水氣比隨氣體溫度的升高呈指數(shù)型增長，水蒸氣在粗合成氣中的占比也越來越大。水氣分壓法計(jì)算出的水氣比小于參數(shù)修正法計(jì)算出的水氣比，且隨著溫度的升高兩種方法計(jì)算結(jié)果的偏差逐漸增大，這主要是由于高溫下水蒸氣的非理想特性增強(qiáng)所致。

為了定量分析水氣分壓法與參數(shù)修正法的計(jì)算偏差，將兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果和差值作表，結(jié)果見表1、表2。

表1 3.8 MPa下兩種方法的水氣比計(jì)算值及偏差

表2 6.3 MPa下兩種方法的水氣比計(jì)算值及偏差

由表1可以看出：當(dāng)粗合成氣的壓力為3.8 MPa，粗合成氣的溫度為170 ℃時(shí)，兩種方法計(jì)算出的水氣比相對偏差為9.95%，有效氣產(chǎn)氣量相對偏差為1.98%；當(dāng)粗合成氣溫度達(dá)到220 ℃時(shí)，兩種方法計(jì)算出的水氣比相對偏差為21.68%，有效氣產(chǎn)氣量相對偏差達(dá)到11.43%。

由表2可以看出：當(dāng)粗合成氣壓力為6.3 MPa，粗合成氣溫度為180 ℃時(shí)，兩種方法計(jì)算出的水氣比相對偏差為9.63%，有效氣產(chǎn)氣量偏差為1.48%；當(dāng)粗合成氣溫度達(dá)到240 ℃時(shí)，兩種方法計(jì)算出的水氣比相對偏差為22.57%，有效氣產(chǎn)氣量偏差達(dá)到10.56%。

在粗合成氣溫度相對較低時(shí)，水蒸氣的占比較小，其非理想特性影響不大，可用水氣分壓法簡化計(jì)算；在粗合成氣溫度相對較高時(shí)，水蒸氣的占比較大，水蒸氣的非理想特性影響顯著，應(yīng)采用參數(shù)修正法計(jì)算準(zhǔn)確的水氣比。

在實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)目中，典型粉煤氣化技術(shù)的操作壓力為4.0 MPa，合成氣溫度為195～205 ℃，平均有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)為91%。典型水煤漿氣化技術(shù)的操作壓力為4.0 MPa和6.5 MPa，合成氣溫度分別為210～220 ℃和 230～245 ℃，平均有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)為80%[7]。分別取對應(yīng)壓力下各氣化技術(shù)粗合成氣的平均溫度，定量分析水氣分壓法的計(jì)算偏差，結(jié)果見表3。

表3 水氣分壓法計(jì)算的各工藝參數(shù)與實(shí)際值的相對偏差

由表3可以看出：粉煤氣化粗合成氣水氣比相對偏差為15.32%，有效氣量相對偏差為5.76%，比煤耗和比氧耗的相對偏差為6.11%。水煤漿氣化粗合成氣水氣比相對偏差約為20%，有效氣量相對偏差約為10%，比煤耗和比氧耗的計(jì)算偏差約為11%，均高于粉煤氣化，這主要是由于水煤漿氣化的粗合成氣溫度更高，其水蒸氣含量更多，所以計(jì)算的偏差也更大。由此可見，在粗合成氣溫度達(dá)到一定數(shù)值后，采用水氣分壓法計(jì)算出的氣化性能參數(shù)是不能反應(yīng)氣化裝置真實(shí)消耗的，此時(shí)應(yīng)采用參數(shù)修正法計(jì)算粗合成氣的水氣比。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概況

以內(nèi)蒙古伊泰化工有限責(zé)任公司年產(chǎn)120萬t精細(xì)化學(xué)品項(xiàng)目(簡稱伊泰化工項(xiàng)目)氣化裝置為例，分別采用水氣分壓法和參數(shù)修正法計(jì)算氣化裝置粗合成氣的水氣比，進(jìn)而得出對應(yīng)的有效氣產(chǎn)量、比氧耗和比煤耗，為準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目的氣化性能參數(shù)提供依據(jù)。

伊泰化工項(xiàng)目包括氣化、變換、低溫甲醇洗、費(fèi)托合成、化學(xué)品加工等主裝置，產(chǎn)品包括穩(wěn)定輕烴、重質(zhì)液體石蠟、液化石油氣等主產(chǎn)品，硫黃、硫酸銨、混醇等副產(chǎn)品。氣化裝置包括6套粉煤氣化和3套水煤漿氣化，氣化爐操作壓力為4.2 MPa,設(shè)計(jì)總有效氣(CO+H2)體積流量為714 000 m3/h。其中，干粉煤氣化裝置采用6臺(tái)全開的操作模式，平均有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)為90.60%，單臺(tái)氣化爐有效氣(CO+H2)體積流量為102 000 m3/h，總有效氣(CO+H2)體積流量為612 000 m3/h；水煤漿氣化裝置采用2開1備的操作模式，平均有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)為79.89%,單臺(tái)氣化爐有效氣(CO+H2)體積流量為51 000 m3/h，總有效氣(CO+H2)體積流量為102 000 m3/h。實(shí)際氣化爐有效氣(H2+CO)體積流量見表4。

表4 實(shí)際氣化爐有效氣(H2+CO)體積流量

4.2 氣化性能參數(shù)的計(jì)算

該項(xiàng)目在實(shí)際生產(chǎn)中，對水氣分壓法公式進(jìn)行進(jìn)一步簡化，以合成氣的表壓替代其絕對壓力，即合成氣水氣比=粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力/(合成氣表壓-粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力)，該計(jì)算值反映了生產(chǎn)現(xiàn)場情況。分別采用水氣分壓法和參數(shù)修正法計(jì)算氣化裝置的性能參數(shù)，結(jié)果見表5。其中，粗合成氣溫度、壓力、干基煤質(zhì)量流量、氧氣(O2)體積流量、濕合成氣體積流量和有效氣體積分?jǐn)?shù)均來自于裝置現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體見表6。

表5 氣化裝置性能參數(shù)

表6 裝置現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表5可以看出：由于水煤漿氣化的粗合成氣溫度比粉煤氣化的粗合成氣溫度高約15 K，在采用水氣分壓法計(jì)算氣化性能參數(shù)時(shí)，水煤漿氣化的計(jì)算結(jié)果偏差更大，比煤耗和比氧耗比計(jì)算消耗高約7.05%，已經(jīng)超出可接受的誤差范圍，此時(shí)應(yīng)采用修正計(jì)算法。

如果按照水氣分壓法計(jì)算，該項(xiàng)目氣化裝置的總有效氣產(chǎn)氣體積流量為838 334 m3/h，而凈化單元計(jì)量的總有效氣產(chǎn)氣體積流量約為800 000 m3/h，二者存在38 334 m3/h的偏差。如果采用參數(shù)修正法計(jì)算，該項(xiàng)目氣化裝置的總有效氣產(chǎn)氣體積流量為797 721 m3/h，與凈化單元計(jì)量的總有效氣產(chǎn)氣體積流量基本一致，證明參數(shù)修正法的準(zhǔn)確性。

在國內(nèi)很多煤化工項(xiàng)目中，都出現(xiàn)煤氣化裝置的有效氣產(chǎn)量大于下游凈化裝置的有效氣產(chǎn)量，用噸產(chǎn)品煤耗折算出的比煤耗大于氣化裝置內(nèi)部算出的比煤耗等問題，其主要原因在于氣化裝置的水氣比計(jì)算公式未經(jīng)過修正，計(jì)算結(jié)果存在偏差。

伊泰化工項(xiàng)目2種煤氣化技術(shù)采用相同的原料煤，即紅慶河煤和馬泰壕煤等當(dāng)?shù)孛旱幕烀?，原料煤中全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%，灰熔點(diǎn)為1 200 ℃，熱值為22 608 kJ/kg。由于采用相同的原料煤，該項(xiàng)目非常適合對比分析2種氣化技術(shù)的氣化性能參數(shù)。通過表5中數(shù)據(jù)可見:水煤漿氣化的實(shí)際比氧耗和比煤耗均明顯高于粉煤氣化的實(shí)際比氧耗和比煤耗。該結(jié)果是在相同的進(jìn)料條件下計(jì)算得到的，具有很好的代表性，有助于新建項(xiàng)目在氣化技術(shù)的比選時(shí)做出準(zhǔn)確的判斷。

5 結(jié)語

筆者提出了一種煤氣化粗合成氣水氣比計(jì)算的參數(shù)修正法，并對水氣分壓法和參數(shù)修正法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過對伊泰化工項(xiàng)目氣化裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的核算，驗(yàn)證了參數(shù)修正法的準(zhǔn)確性。

與水氣分壓法相比，參數(shù)修正法的計(jì)算過程十分復(fù)雜，在合成氣溫度較低時(shí)，兩種計(jì)算方法的水氣比十分接近，可用水氣分壓法代替參數(shù)修正法。但當(dāng)合成氣溫度較高時(shí)，水氣分壓法計(jì)算的水氣比與實(shí)際值偏差較大，應(yīng)使用參數(shù)修正法計(jì)算水氣比。在實(shí)際應(yīng)用中，典型粉煤氣化的全廢鍋流程和半廢鍋流程的粗合成氣溫度約為165 ℃和185 ℃，此時(shí)可采用水氣分壓法計(jì)算水氣比，典型粉煤氣化激冷流程、典型水煤漿氣化的粗合成氣溫度均較高，應(yīng)采用參數(shù)修正法計(jì)算水氣比。

另外，通過伊泰化工項(xiàng)目煤氣化裝置運(yùn)行參數(shù)的對比分析，粉煤氣化在氧耗和煤耗方面具有明顯的優(yōu)勢。