灰熔聚流化床粉煤气化模拟

计算机应用CFHI TECHNOLOGY10396/j.issn.1673- 3355.2014.04.017灰熔聚流化床粉煤气化模拟褚宏达，唐升连2商要:灰熔聚流化床粉煤气化技术是中科院煤化所开发的一种新型的粉煤气化技术，采用ASPEN PLUS模拟，可以比较准确地计算气化产物中H、CO、N2、HS、H0的含量。通过ASPEN PLUS模拟计算得出，如果希望提高气化产物中有效组分H2和C0的含量，应尽量减小氧气和水蒸气的流量。关键词:灰熔聚流化床粉煤i化; ASPEN PLUS;模拟中图分类号: TQ546.2; TP391.9 文献标识码: A文章编号: 1673-3355 (2014) 04- 0017-03Simulation of Fluid -Bed Pulverized Coal Gasification with Ash Fusion AgglomerationZhe Hongda, Tang LianshengAbst ract: Fluid -bedpulverized coal gasification with ash fusion agglomeration is a new pulverized coal gasificationtechnology developed by Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences. By simulating the gasification processwith ASPEN PLUS, the content of H2, CO, N2 HsS and H2O in the production of gasification can be calculated accurately Thsimulation calculation with ASPEN PLUS indicates the flow of oxygen and steam should be reduced as low as possible inorder to increase the content of active components ( H2 and CO) in the production of fluid-bed coal gasification with ashfusion agglomeration.Key words: fluid-bed pulverized coal gasification with ash fusion agglomeration; ASPEN PLUS; simulation灰熔聚流化床粉煤气化以粉煤为原料，以空C+H2O=CO+H2.气、富氧或氧气为氧化剂，以水蒸气作气化剂。粉C+CO2=2CO煤由氮气吹送至气化炉底部，气化剂和氧化剂以适C+2H2= CH4.当的流速吹，人流化床，使床层内的粉煤处于沸腾状H2+ 1/202=H20态，气固两相充分混合，粉煤在流化床层内一次实此外，煤炭中含有的少量硫和氮会在气流床中现破粘、脱挥发分、气化、灰熔聚及分离等过程。发生下列反应:粉煤进人流化床层后迅速升温，其中的残余水S+O2= -SO2分快速蒸发生成水蒸气，同时粉煤快速热分解，其SO2+1/202=SO3中挥发分被迅速脱除，生成C、H2、O2、N2、S、S+H=H2SH20和ASH (灰分) 及碳氢化合物CmHn等。H2S+CO=H2+COS分解后的产物和气化剂在高温环境下迅速发生N2+O2=2NO以下氧化及还原反应:N+O2=NOzCmHn+ (m+n/4) O2=mCO2+ (n/2) H2O在流化床顶部首先通人脱氧水用以降低出炉煤C+O2=CO2.气的温度，流化床中粉煤和气化剂处于沸腾状态,C+ 1/202=CO有利于煤气化反应的充分进行，但是也使煤气中夹CO+ 1/202=CO2带大量未反应的碳和飞灰，因此灰熔聚气化流程在CO+H2O=CO2+H2气化炉后端设置旋风分离器负责收集飞灰中的碳以中国煤化工1.一重集团大连设计研究院有限公司助理工程师，辽宁大连1166002.一重集团大连设计研究院有限公司高级工程师，辽宁大连16600MHCNMH G2014年第4期(总160期)59yzjsechi.comCFHI一重技术| 计算机应用|再利用，避免飞灰对后续工序产生影响并提高整体过粉煤的元素分析得到，H20 和ASH (灰分)含量燃烧效率;在流化床底部采用了独特的气体分布器通过粉煤的工业分析得到;吉布斯反应器模块和灰团聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区RGibbs根据Cibbs自由能趋近于最小的原则，计(1200~1 300 C)，使其中的灰分处于半熔融状态算同时达到化学平衡和相平衡的情况，它不要求规并逐渐团聚成球,借助重力作用使灰分球从流化床定反应的化学计量系数，可以应用于发生的反应未底部分离凹"。知或由于有许多组分参与反应致使反应数量很多的情况，它是唯一能处理汽-液-固相平衡的反应器模块甲，因此选用RGibbs反应模块模拟粉煤热分解过程;灰熔聚流化床炉体顶部通人脱氧水对高温图1灰熔聚流化床 粉煤气化过程的模拟流程图煤气进行降温，由于此处煤气中氧化剂和C等成分的含量已经很少，假定此处通人的脱氧水不再和1 ASPEN PLUS模型建立煤气中的组分发生反应，只是降低煤气温度并提高了煤气中水分含量，因此选用Mixer模块模拟计算本文根据灰熔聚流化床粉煤气化过程建立粗煤气和水分混合的过程。ASPEN PLUS模拟流程图(见图1)。灰熔聚流化床粉煤气化过程中大部分灰分在高因煤气化过程中温度和压力分布复杂，组分和温状态下发生熔融形成颗粒状灰渣从炉底排出，少化学反应繁多，采用ASPEN模拟粉煤气化过程首量灰分被煤气从炉顶带走，经旋风分离系统分离,先要设定下列条件2.3!:因此选用SSplit模块将流化床层中的灰分全部分(1)粉煤气化过程稳定，各运行参数不随时间离，最终得到煤气。发生变化。(2)粉煤和气化剂在流化床内瞬间混合,无温2模型的检验度梯度和压力梯度。(3)粉煤在流化床层中发生的热解反应和气化某厂新建年产量为8亿N.m3的煤气站，选用反应速度非常快，完全能够达到反应平衡状态。灰熔聚流化床粉煤气化技术，单台气化炉处理量为(4)粉煤中的灰分为惰性物质,在灰熔聚流化12 500 kg/h，运行压力为0.1 MPaG,使用原煤为内蒙古呼蒙境内的褐煤(见表 1)。床层中不参与任何反应。表1入炉粉煤分析数据表(5)炉体保温效果好，整个气化反应过程中没分析类型，分析内容数值有热量损失。工业分析水分(Mad%)12.00粉煤气化过程是固态的粉煤在高温状态下进行挥发分(Vad%)31.05的燃烧反应，气化产物均为轻气体，因此物性方法灰分(Aad%)23.87选用PR-BM。元素分析Cad (%)46.52粉煤成分复杂，无法用具体的组分来对其进行Had (%)3.08表征，是一种典型的非常规固体组分，本文选用煤Nad (%) .0.64的焓以及密度模型(EnthalpyandDensity)来表征，Sad (%)0.28焓模型选用HCOALGEN，密度模型选用Oad (%)13.60MJ/kg19.24DCOALIGT。粒度mr<8灰熔聚流化床粉煤气化过程分为热解反应和气化反应，因此为得到更准确的模拟结果，选用两个粉煤通过氮气吹送进人流化床层，选用氧气为模块模拟气化过程产率:反应模块RYield可以用氧化剂，水蒸汽作为气化剂，在气化炉顶部通人脱于模拟化学计量系数和反应动力学数据未知或不重氧水进行降温(见表2)。要的反应，但需要已知反应产物的产率分布，它只运行ASPEN PLUS模型得出煤气各组分含量,考虑总质量平衡，能够模拟单相、两相、和三相反部分组分因含量较少而忽略不计(见表3)。应器4，因此选用RYield反应模块模拟粉煤热分解由上表可中国煤化工算得到的煤过程，热分解产物中C、H2、 O2、 N2、S的含量通气中H2、CO、MHCN MH G拟值与实际6020141年第4期(总160期)V2.is@chi.com计算机应用CFHI TECHNOLOGY表2入炉物料条件表字号物流名称温度(C) 压力(MPaG)进料量C0+ |粉煤常温0.112 500 kg/h氧气).11 774 N .m2/h水蒸气 143.8.37 500 kg/h0.2000.6 08i G2氮气421 N.mr/h直汽煤比NMV4g脱氧水865 kg/h图3蒸汽煤比对有 效组分含量的影响表3煤气组成模拟值和实际值对比表增大而缓慢减小; H2 和CO的总含量随氧气煤比的组分HCO CH, CO2 NH2S C0S H,O增大一直减小，但减小速度逐渐变小，主要原因是模拟值27.4 31.2 微量6.6 1.65 0.08 微量33.1随着氧气流量的增大，煤气中已生成的CO和H2(V%)继续发生氧化反应生成CO2和H2O。因此，在保证实际值27.78 30.34 2.50 ，5.12 1.56 0.08 0.01 3 ? .55灰熔聚流化床可以正常运行的情况下，尽量减少氧气流量可以有效提高生成煤气中H2和CO的总含相对偏差.0 5.1.量。值基本相符，因此ASPEN PLUS可以用于计算其他由图3可知，随着蒸汽煤比的增大，煤气中工况下的煤气中这几种组分的含量;但是CH4含CO含量迅速减小，主要原因是蒸汽煤比较低时，量的模拟值和实际值相差较大，原因是CH4主要流化床层内温度较高，抑制了煤气变换反应，当蒸是产生于灰熔聚气化炉中高温区域，而模拟过程假汽煤比增大时，大量低温蒸汽导致流化床层内温度定粉煤和氧化剂、气化剂在流化床内瞬间混合，无降低，变换反应加剧，CO含量逐渐减少;而H2含.温度梯度和压力梯度,没有考虑气化过程中局部高量比较稳定，并没有随蒸汽煤比的增大发生明显变化。因此在保证灰熔聚流化床可以正常运行的情况温区域发生的气化反应。煤气中H2和CO能够和氧气发生剧烈的燃烧下，尽量减少蒸汽流量可以有效提高生成煤气中放热反应，是煤气中的有效成分。灰熔聚流化床粉H2和CO的总含量。煤气化过程中氧气和水蒸气分别是最重要的氧化剂3结语和气化剂，两者流量的大小直接影响气化产物中有效组分H2和CO的含量。氧气流量和煤炭处理量采用ASPEN PLUS模拟灰熔聚流化床粉煤气化之比定义为氧煤比，蒸汽流量和煤炭处理量之比定过程可以比较准确地计算气化产物中H2、CO、N、义为蒸汽煤比，本文将分别根据ASPEN PLUS模H2S、H2O的含量，但是由于反应模拟过程未考虑型，在不改变其他条件的情况下，分析氧气煤比和反应床层中，局部的温度和压力梯度，无法准确计算蒸汽煤比对有效组分含量的影响(见图2、 图3)。CH4的含量;通过模拟软件计算得出，如果希望提←C0高气化产物中有效成分H2和CO的含量，应在保-C04H证灰熔聚流化床正常运行的情况下尽量减小氧气和水蒸气的流量。参考文献0.40.608T2[1] 徐振钢，曲思建.煤化工技术一理论与实践[M] .中国石化出氧气煤IEIMhg)[2]项友谦.煤气化过程热力学平衡过程的理论计算[J] .煤气与热图2 氧气煤比对有效组分含量的影响力，1986， (1); 4-9.由图2可知，灰熔聚流化床粉煤气化生成的煤[3] Watkinson A P, LucasJ P, Lim C J. A prediction of performance ofcommercial coal gasifiers [0] . Fuel, 1991,70 (4): 519-527.气中H2含量随着氧气煤比的增大迅速减小;氧气[4] 孙兰义.化工流程模拟实训- ASPENPLUS教程 [M] .化学工业煤比较小时煤气中C0含量几乎不受氧气煤比得影出版社，2012: 125-130.响，氧气煤比超过0.3后，CO含量随氧气煤比的收稿日期: 2014-0中国煤化工YHCNM HG2014年第4期(总160期)61yzjsechi.comFHI