新型固定床氣化模擬及驗(yàn)證

王學(xué)云，臧雪晶，讀 剛，郭良元

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

0 引 言

隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格,固定床氣化焦油引起的環(huán)境問題成為制約固定床氣化技術(shù)發(fā)展的瓶頸[1-3],針對傳統(tǒng)固定床氣化爐存在焦油品質(zhì)差、產(chǎn)量低、粉塵夾帶嚴(yán)重，產(chǎn)生煤氣熱值低、蒸氣分解率低、廢水產(chǎn)量大等問題難以解決，很多學(xué)者利用數(shù)值模擬手段采取不同模型進(jìn)行不同類型的氣化爐氣化研究[4-7]。張翼等[8]利用Fluent進(jìn)行了生物質(zhì)氣化爐壓力與流場的模擬，研究二次進(jìn)氣位置、二次進(jìn)氣氣路數(shù)量及一次進(jìn)氣與二次進(jìn)氣比例對床層壓降和氣體流場的影響，結(jié)果表明,二次進(jìn)氣位置是影響床層壓降的關(guān)鍵因素之一, 二次進(jìn)氣氣路數(shù)量對床層壓降的影響較小,但對床層壓降分布和氣體流速影響較明顯。楊文玲等[9]利用Fluent軟件對生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)空氣當(dāng)量比增大使氣體熱值、產(chǎn)氣量和碳轉(zhuǎn)化率先增大后減小，最佳空氣當(dāng)量比為0.18。王浩鵬[10]針對常壓干煤粉強(qiáng)旋轉(zhuǎn)氣流床氣化技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法研究不同氧煤比下氣化爐內(nèi)的燃燒及氣化特性，計(jì)算表明:溫度分布呈壁面高、中心低的特點(diǎn),氣化劑噴嘴區(qū)附近壁面最高溫度約3 000 K。邢文朝[11]采用數(shù)值模擬手段研究了煤粉氣化爐熱態(tài)時(shí)氣化爐內(nèi)速度分布、溫度分布和組分分布情況。 程相文等[12]基于Fluent探究了下吸式固定床氣化爐的氣化過程及氣化特性的模擬分析，追蹤生物質(zhì)氣化中顆粒的運(yùn)動與粒徑大小對氣體組分的影響；蘇倩倩等[13]基于Matlab的GUI功能，利用打靶法從底部開始計(jì)算固定床氣化爐的每個(gè)微元體，表明該系統(tǒng)使固定床煤氣化過程的計(jì)算更方便、高效；張偉[14]利用Aspen Plus進(jìn)行了生物質(zhì)氣化模擬并進(jìn)行優(yōu)化，模擬數(shù)據(jù)CO2和CH4含量相對偏高,H2和CO含量相對偏低；尹夢夢[15]對三段式氣化爐煤氣化制合成氣過程進(jìn)行數(shù)值研究，利用該模型將兩段式氣流床氣化爐模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明主要參數(shù)誤差均不大于5%。

筆者依據(jù)煤科院新型固定床氣化爐，結(jié)合小試試燒數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了Fluent動力學(xué)數(shù)值模擬與Aspen Plus熱力學(xué)數(shù)值模擬，并選擇優(yōu)者進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)控。

1 工藝介紹

通過對單段固定床氣化爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)新型固定床氣化爐，即一種新型固定床熱解氣化一體化成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原料煤單次投料、生成物分段轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品氣分段導(dǎo)出，從而有效控制熱解段溫度梯度、爐內(nèi)氣速與氣化段中心溫度，降低了煤氣中粉塵夾帶量，從而提高焦油收率[16]。

該技術(shù)以揮發(fā)分含量高的低階塊煤為原料，生產(chǎn)煤氣的同時(shí)副產(chǎn)高質(zhì)量焦油，具有良好經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保意義。該氣化爐下端通入氣化劑，頂部進(jìn)煤，中部氣化段引出第1股不含熱解氣的氣化煤氣，頂部干燥段引出第2股含有熱解氣的煤氣，其簡化原理示意如圖1所示。本文主要對煤科院新型固定床氣化進(jìn)行了Fluent動力學(xué)數(shù)值模擬與Aspen Plus熱力學(xué)數(shù)值模擬，對比模擬數(shù)據(jù)與試燒數(shù)據(jù)，然后選取模擬效果較好的模型探究O2流量與煤流量比(O2/煤)及H2O與煤的質(zhì)量流量比(H2O/煤)對煤氣組成的影響。

圖1 新型固定床氣化原理示意Fig.1 Schematic of new fixed bed gasification

氣化爐有效內(nèi)徑約300 mm，高約7 000 mm，系統(tǒng)設(shè)計(jì)耐壓1.0 MPa。爐體根據(jù)出氣口分上下2段，可調(diào)節(jié)出氣比例，氣化爐內(nèi)襯耐火層，耐火層外側(cè)為硅酸鋁保溫層；耐火層與保溫層之間由310s不銹鋼管隔開；保溫層外側(cè)為304不銹鋼板。爐體上中下分別設(shè)置法蘭，上法蘭與附帶水冷夾套的下煤管相接，下法蘭與除渣翻板相接；中部法蘭將氣化爐體分成上下2部分，方便爐內(nèi)耐火層的澆筑與維護(hù)。試驗(yàn)用煤工業(yè)分析與元素分析見表1。

表1 試驗(yàn)用煤的工業(yè)分析和元素分析

2 Fluent模擬計(jì)算

采用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模并劃分網(wǎng)格。由于爐體為軸對稱結(jié)構(gòu)，采用二維軸對稱模型，提高計(jì)算效率的同時(shí)確保網(wǎng)格精確度。整個(gè)計(jì)算域包含1 138個(gè)正四面體網(wǎng)格，分為料斗區(qū)、上部冷卻區(qū)、氣化主體及灰渣區(qū)4個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 氣化爐網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of gasifier

2.1 動力學(xué)模型

考慮煤顆粒干燥、熱解、氣化、燃燒等異相反應(yīng)，以及氣相各組分之間的均相反應(yīng)。顆粒干燥將收到基煤變?yōu)楦稍锘汉退魵?，干燥基煤進(jìn)一步熱解為輕質(zhì)氣體(H2、CO、CO2、CH4、H2O)、焦油(C6H6)、焦炭(Char)和灰分(Ash)。氣化爐內(nèi)主要反應(yīng)及動力學(xué)計(jì)算模型見表2[17]。

表2 氣化爐內(nèi)主要反應(yīng)及動力學(xué)計(jì)算模型

2.2 Fluent模擬結(jié)果

煤顆粒平均粒徑10 mm，加煤量35 kg/h，O2流量10 m3/h。運(yùn)行壓力為0.1 MPa，上下出氣口比例為1∶1，求解結(jié)果如圖3和表3所示。

圖3 Fluent模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation results of Fluent

表3 上下出氣口煤氣組成

2.3 Fluent模擬結(jié)果分析

由圖3可知，固定床內(nèi)部壓降在2.6 kPa左右，這一壓降主要用于克服多孔介質(zhì)床層對氣體流動引起的壓力損失。在靠近底部氣化劑入口上部溫度最高，最高溫度在1 050 ℃左右，這主要是由于富氧氣化中氧氣與焦炭燃燒反應(yīng)放出大量熱。CO分布于還原區(qū)域，這是燃燒產(chǎn)生的CO2與焦炭的Bouduard反應(yīng)以及水煤氣發(fā)生反應(yīng)所造成；H2分布于主氣化區(qū)，這是由于H2O與焦炭發(fā)生水煤氣發(fā)生反應(yīng)以及H2O與CO發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)。CH4分布于主氣化區(qū)偏上即熱解區(qū)域附近，這是由于干燥煤熱解導(dǎo)致。O2與焦炭燃燒使CO2分布于氣化劑噴嘴附近。由模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)對比可知，上出氣口CO、H2、CH4、CO2絕對誤差分別為0.027、0.010、0.020、-0.057，下出氣口CO、H2、CH4、CO2絕對誤差分別為-0.038、0.007、0.003、0.037，其中誤差相對較大的是上出氣口的CO2，在模擬計(jì)算中，這部分CO2源于CH4、CO、C與氧的反應(yīng)，由氧化段生成，隨氣流上升進(jìn)行還原反應(yīng)，但在實(shí)際爐體中氧化段與還原段并無明顯界限，且還原反應(yīng)進(jìn)行不徹底，因此有一部分CO2未被還原即隨煤氣上出口排出。但生成有效氣(CO+H2+CH4)的誤差在可接受范圍內(nèi)，認(rèn)為此模擬可用于該爐型的預(yù)估計(jì)算。

3 Aspen Plus模擬計(jì)算

3.1 模型簡介

利用Aspen Plus進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，從熱力學(xué)角度分析新型固定床氣化的模擬效果。將該新型固定床氣化爐的熱解氣化過程建模設(shè)計(jì)分成4個(gè)部分，包括干燥、熱解、氣化、燃燒。該爐型的Aspen Plus流程模擬如圖4所示。流程根據(jù)該氣化爐的原理簡化圖構(gòu)建，由各反應(yīng)單元模塊構(gòu)成，分別包含干燥(RYield)、熱解(RYield)、氣化(RGibbs)、燃燒(RGibbs)、分離(Seps)以及換熱(Heater)模塊。通過干燥過程，煤中水分分離，進(jìn)入熱解過程，生成CO、H2、CO2、H2O、H2S、N2、CH4、焦油和焦炭，反應(yīng)如圖4所示，其中熱解出口溫度為227 ℃。

(1)

干燥熱解過程所需能量由高溫下段氣提供。熱解后的焦炭進(jìn)入氣化區(qū)氣化，氣化區(qū)溫度838 ℃，一部分氣化氣由分離模塊分離作為下段氣出口組分，另一部分在熱解段與熱解氣一起作為上段氣排出，剩余殘?zhí)歼M(jìn)入燃燒區(qū)被氧化，燃燒區(qū)溫度為1 168 ℃。氣化燃燒過程發(fā)生的反應(yīng)[18]有：

(2)

(3)

(4)

(5)

圖4 Aspen Plus流程模擬Fig.4 Aspen Plus process simulation

(6)

(7)

(8)

氣化過程基于吉布斯自由能最小化原理[19]，使氣化反應(yīng)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

模型模擬煤的熱解氣化工藝，氣體產(chǎn)物以輕質(zhì)氣體為主，故整個(gè)系統(tǒng)選擇RKS-BM物性方法。

3.2 Aspen Plus模擬結(jié)果

新型固定床富氧氣化爐中的主要假設(shè)如下[20]：① 熱解氣化整個(gè)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，且內(nèi)部反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡狀態(tài)；② 氣化爐內(nèi)各反應(yīng)階段的熱傳導(dǎo)獨(dú)立，無熱和壓力損失；③ 灰分惰性，不參與化學(xué)反應(yīng)，最終作為灰渣排出；④ 熱解生成的焦油用C6H6表示。

選用低階煤，煤顆粒平均粒徑10 mm，加煤量35 kg/h，氧氣量10 m3/h。運(yùn)行壓力設(shè)定為0.1 MPa，上下出氣口比例為1∶1。利用低階煤進(jìn)行新型固定床O2/H2O熱解氣化試驗(yàn)，分別在4個(gè)時(shí)間段取得上下段出口氣組分的體積分?jǐn)?shù)，對數(shù)據(jù)取平均值確定上下段出口氣體成分比例。表4為對應(yīng)的試驗(yàn)值和模擬值對比，發(fā)現(xiàn)除上端出氣中H2體積分?jǐn)?shù)絕對誤差為-0.028，其余各組分的誤差絕對值都在0.025以內(nèi)。綜上，筆者建立的新型固定床氣化的熱力學(xué)模型能較好模擬試驗(yàn)值。

表4 Aspen Plus模擬值與試驗(yàn)值的對比

3.3 O2/煤對煤氣組成的影響

由于Aspen Plus模擬結(jié)果相比Fluent模擬結(jié)果的最大誤差更小，模擬效果更佳，因此選擇Aspen Plus研究氧煤比對煤氣組成的影響，為工藝條件選擇提供參考。

為研究O2/煤比分別對下段和上段煤氣的影響，保持氣化溫度和水煤比一定，通過調(diào)節(jié)入爐氧氣量，分別得出上下段合成氣的量隨O2/煤比的變化如圖5所示。發(fā)現(xiàn)隨O2/煤比增加，CO先增大，O2/煤比達(dá)約0.328后下降，而CO2開始增加較慢隨后增大趨勢明顯增加。這主要是因?yàn)镺2/煤比的增大使?fàn)t內(nèi)氧氣量增加，初始焦炭的反應(yīng)主要以反應(yīng)(2)為主，但隨O2/煤比進(jìn)一步增大，反應(yīng)(3)增強(qiáng)，CO2生成量增大，CO生成量減小。此外，H2體積分?jǐn)?shù)隨O2/煤比增加呈下降趨勢，這主要是因?yàn)檠鯕饬吭黾邮狗磻?yīng)(7)增強(qiáng)，消耗H2。另外發(fā)現(xiàn)CH4含量隨O2/煤比變化不明顯。

圖5 O2/煤對上下氣出口燃?xì)饨M分的影響Fig.5 Influence of O2/coal on gas composition of upper and lower outlets

此外，根據(jù)氣體組分變化計(jì)算熱值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)O2/煤比小于0.328時(shí)，下段和上段出氣的低位熱值略增大。O2/煤比大于0.328后，2段出氣的煤氣熱值均快速減小，這主要是因?yàn)镺2量增多使CO和H2的氧化反應(yīng)加強(qiáng)，合成氣品質(zhì)下降。因此，O2/煤比為0.328時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)氣性能較好，1∶1混合后熱值可達(dá)11 MJ/m3。

3.4 H2O/煤對煤氣組成的影響

為探究H2O/煤比對上下段合成氣成分以及產(chǎn)氣特性的影響，保持氧煤比一定，通過改變?nèi)霠t水蒸氣量，分別得出上下段合成氣的變化如圖6所示。發(fā)現(xiàn)隨H2O/煤比增加，合成氣中CO和CH4含量呈減少趨勢，而H2和CO2體積分?jǐn)?shù)則呈上升趨勢。這主要是因?yàn)镠2O/煤比增加使進(jìn)入爐內(nèi)的H2O量增加，反應(yīng)(6)增強(qiáng)，一部分CO轉(zhuǎn)化為CO2，反應(yīng)(8)增強(qiáng)也使部分CH4消耗轉(zhuǎn)化生成H2，水煤氣變換反應(yīng)的加強(qiáng)也使H2產(chǎn)量提升。

圖6 H2O/煤對上下出氣口燃?xì)饨M分的影響Fig.6 Influence of H2O/coal on gas compositionof upper and lower outlets

此外，根據(jù)氣體組分變化計(jì)算熱值，可知H2O/煤比小于0.405時(shí)，上出氣口合成氣的熱值降低趨勢較小，下出氣口合成氣熱值變化不大。但H2O/煤比大于0.405時(shí)，兩出口合成氣低位熱值均快速降低，這是由于H2O增至一定量時(shí)使焦炭氣化反應(yīng)達(dá)到平衡，繼續(xù)增大H2O通入量只能稀釋合成氣或降低合成氣溫度。因此，推測H2O/煤為0.405時(shí)，上下段合成氣的性能較好，1∶1混合后熱值可達(dá)11 MJ/m3。

4 結(jié) 論

1)Fluent與Aspen Plus均可較好模擬新型固定床氣化爐，且Aspen Plus模擬的最大誤差更小，絕對誤差皆在0.028以內(nèi)。

2)上段煤氣中有效氣(CO、H2、CH4)體積分?jǐn)?shù)約為80%，上段煤氣中CH4體積分?jǐn)?shù)高于下段煤氣；CO體積分?jǐn)?shù)高于下段煤氣；H2體積分?jǐn)?shù)低于下段煤氣。

3)當(dāng)O2/煤為0.328，H2O/煤為0.405時(shí)，上、下兩段氣特性較好，熱值較高，上出氣口皆能達(dá)到11 MJ/m3以上，因此可作為日后氣化爐運(yùn)行推薦的操作參數(shù)。