利用Aspen Plus对粉煤气化与水煤浆气化过程的模拟分析

第33卷 第12期石油化工应用Vol.33 No.122014年12月PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATIONDec.2014利用Aspen Plus对粉煤气化与水煤浆气化过程的模拟分析张晓光,苏丽,王 志欣,冯盛丹,李平(宁夏大学化学化工学院,宁夏银川750021)摘要:基于Aspen Plus模拟软件, 建立了粉煤气化和水煤浆气化过程模拟的模型,选择反应平衡模型以及合适的反应模块,应用Gibbs自由能最小化方法分别对宁夏宁东矿区的三种煤进行气化模拟,参照实际生产指标建立模型,将模拟计算的结果与实际生产中所产粗煤气组分进行比较,结果吻合较好。故该模型对于指导实际生产及预测煤种气化产物具有一定的意义。关键词:粉煤气化;水煤浆气化;合成气;Aspen Plusdoi:10.39/.issn.1673-5285.2014.12.027中图分类号:TQ531文献标识码:A文章编号:1673- 5285( 2014)12- 0098-04Simulation and analysis of the powdered coal and coal water slurrygasification based on Aspen PlusZHANG Xiaoguang,SU Li, WANG Zhixin, FENG Shengdan,LI Ping( College of Chemistry and Chemical Engineering,Ningcia University,Yinchuan Ningxia 750021 ,China)Abstract:The powdered coal and coal water slurry gasifcation simulation models are estab-lished based on Aspen Plus simulation software.The appropriate reaction equilibrium modeland reaction modules were selected.The Gibbs free energy minimization method is appliedfor three kinds of coals from Ningdong minefield in Ningxia.The parameters of the modelswere set according to actual operating conditions.The simulation results accorded with theactual constituent content of synthesis gas from industrial production.So this simulation mod-el can be used to direct production and predict coal gasification products.Key words:powdered coal ;coal water slurry gasification;synthesis gas;Aspen Plus煤炭气化是煤炭高效洁净利用的有效途径。以干为模拟工 具对煤气化过程进行模拟具有以下意义:(1)粉煤或水煤浆为原料，以水蒸汽和纯氧作为气化剂的对 整个煤气化过程进行分析,寻找到最优操作点",以气流床煤气化技术是现代煤气化的核心技术之一- ,对用于实际生 产的指导和优化;(2)为煤气化工艺提供数煤炭的清洁高效转化具有重要的意义。以Aspen Plus据支持,及对优化设计具有-定的指导 意义);(3)预测中国煤化工MHCNMHG*收稿日期:2014-10-21基金项目:中科院“西部之光”计划项目资助(2012年)。作者简介:张晓光,男(1972-),宁夏中卫人,副教授,硕士,研究方向为化工分离工程,邮箱:liping@nxu.edu.cno第12期张晓光等利用 Aspen Plus 对粉煤气化与水煤浆气化过程的模拟分析99合成气的组成和污染物的排放!;(4)对装置设计、工艺Ryield 的主要功能是将粉煤分解成单元素分子(纯元操作提供数据支持。素C、S、H2、N2.O2、Cl2)和灰渣(Ash)， 并将裂解热煤气化的实质就是将煤中的C、H转化为清洁燃(QDcomp)导 人反应模块咧。煤炭是非常规组分,模拟中料气或合成气(CO+H2)的过程。气化炉中的气化反应将粉煤通过RYield反应器裂解转化为单元素的分子是一个十分复杂的体系，其中的主要反应是煤中的碳后， 再与气化剂、氧气- -同进人RGibbs反应器进行煤与气化剂中的氧、水蒸气及二氧化碳等的反应,也有碳炭的气化反应。 用Healer换热模块对炉气进行冷却以与产物以及产物之间进行的反应。在气化炉内,煤炭经便 后续工段的处理。粉煤气化模拟流程图(见图1)。历了干燥热解、气化三个过程。蒸汽一o N;煤在气化过程中，第一阶段的反应以挥发分的燃烧为主,当氧气消耗殆尽后,气化过程将以气化产物与RYieldHeater .残炭的气化反应为主,主要包括以下反应:coal中---中Product(1 )挥发分的燃烧反应CO+ 1/202=2CO2RGibbsH2+ 1/202=H2OCH4+202=CO2+2H2OC2H6+7/2O2=2C02+3H2OPump图1粉煤气化模拟流程图(2 )焦炭的燃烧反应Fig.l Simulation fnow chart of powdered coal gasificationC+1/202=CO气流床气化过程是在高温高压下进行的",因此选C0+1/202=CO2 .用RK- SOAVE方程比较适合本次模拟的工艺过程。选(3 )焦炭的气化反应用HCOALGEN焓模型计算煤的焓，选用DCOALIGTC+H2O=CO+H2模型计算煤的干基密度。进料的粉煤则作为非常规组C+CO2=2CO分Nonconventional来对待。(4 )挥发分的转化反应1.2粉煤气化模拟CH4+ H20=CO+3H2粉煤气化装置气化炉操作条件为:压力约4 MPa,CH4+CO2=2CO+H2本研究利用Aspen Plus 软件，建立粉煤气化和水气化温度1450C~1650C。某粉煤气化炉主要原料煤浆气化两种模型.参照某气化车间实际操作参数,分的工艺指标(见表2)。根据实际工况选择气化模型的别对宁夏宁东矿区三种不同煤样进行气化模拟，并将模拟条件为:压力4.0 MPa,温度1 450 C,煤粉进料量模拟计算结果与实际工业生产得到的合成气组分进行70 th,水蒸气量2.0 th,氧气量43 000 m2/h。 模拟结果对比。模拟用煤与实际用煤的煤质检测数据(见表1)。(见表3)。表2实际工况主要原料Table.2 Main raw material in the actual operating conditions1粉煤气化过程模拟主要原料压力/MPa温度/C流量煤粉4.4-4.670-8060-80 th .1.1 模型的建立及物性方程的选择对粉煤气化过程的建模选择RYield(收率反应器)瓦气4.7-5.0130-150-43000 m/h和RGibbs(平衡反应器)两个模块反应器来进行模拟，水蒸气4.8~5.3430~4500.5~3 th表1 煤质检测数据Table.1 Proximate and Ultimate Analysis of Coals工业分析/(ad,%)元素分析/( ad,%)煤种FCCNSCoal-168.1878.56中国煤化工1.24.0.26.764.176.29TYHCNMHGo.79.1.Coal-l25.7559.3467.953.789.511.08实际用煤25.93-26.6550.25-56.97100石油化工应用2014 年第33卷表3粗煤气组分的比较(V%)Table.3 Comparison of contents in the raw gas (V% )煤种CoCO2CH,NHSCOSCoal-124.1662.094.0740.010 74.0920.02390.002 7Coal-224.4961.554.130.010 64.075Coal-323.1061.544.840.010.0240.002 83生产用煤22-2559~704~90.01-0.050.3~90~0.098 70~0.016 2}-白DCOMP应↓RGIBBSCCOAL回>个)回。N3PUMPCOMPRESS图2 Aspen plus水煤浆气化模拟流程图Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification模拟所用原料煤与生产实际用煤的工业分析数据了 气化模拟的主要指标,具体参数(见表4)。对气化过接近,但模拟用煤为单- -煤种.煤质相对稳定,工业生程进行模拟。产中则经常通过配煤达到生产要求煤质，产物组分在表4水煤浆气化模拟工况与实际工况主要指标Table.4 Raw material consumption and process parameters一定范围内波动。由表3模拟结果可见，气化模拟产生的粗煤气组分基本都在实际生产的数值范围内，说明主要指标.实际工况模拟工况模拟结果合理,与实际工况符合较好。水煤浆浓度/%58-6250水煤浆流量/(m'h*)15 000~18 00015 7502水煤浆气化过程模拟氧气浓度1%2.1 水煤浆气化模型的建立氧气流量/(m*h")10 000~11 00010172水煤浆气化过程模拟需要利用混合器将水和煤粉气化炉压力/MPa3~64充分混合后经加压泵送人裂解器中,然后进行气化。其气化炉温度/C .1 200-1 4001 350主要反应模块与粉煤气化差别不大，在物性方程的选由表5可见，三种煤在成浆浓度均为60%的情况择_上也基本相同，不同的是在进料物流中增加了水这下 模拟气化过程，产生的粗煤气中H2的含量较高,有- -流股,并对其进行了相关设置。效气体(H2+CO)的总含量与实际工况的对比分析,结2.2水煤 浆气化过程模拟果(见表6),可见模拟计算结果与实际生产状况吻合参照某企业水煤浆气化车间的实际工况参数设定较好。表5水煤浆A气化模拟结果( V%)Table.5 Simulation results of coal water slury gasification( V% )H2COCH。H40.6042.4616.90.012中国煤化工-0.026 5CNMHGCoal-2 .40.3841.957.550.032YH0.084 839.7841.7318.330.0590.003 70.000 50.096 97(下转第105页)第12期麻超等一种改性淀粉的合成及性能评价105和4 %盐水钻井液中都具有较好的流变性能，其表观化学与黏合,2009,31(5):45- -49.粘度、塑性粘度、动切力、静切力都随产品加量的增加[2] 李文飞,张换换,刘军海.复合交联淀粉在造纸中 应用[J].而升高,降滤失效果明显,尤其是在淡水钻井液中更加天津造纸,2010,(3):28-31.显著。[3] 陈宗淇,戴闽光.胶体化学[M].北京:高等教育 出版社，1984:32- -46.参考文献:[4]沈钟,赵振国, 王果庭.胶体与表面化学[M].北京:化学工[1] 吴溪,侯昭升, 阚成友.化学改性淀粉胶黏剂研究进展[J].业出版社,2008:116-117.(上接第100页)表6合成气中有效气体含对比( V%)3 模拟结果分析Table.6 Comparison of key contents in the synthesis gas( V% )煤种模拟值实际生产值相对偏差通过对与实际生产煤种煤质基本相同的三种不同CO+H/%C0+H2/%19煤采用不同的气化方式进行模拟，其模拟计算结果与Coal-183.063.31实际生产过程中产生的粗煤气中各气体组分基本接Coal-282.3380.402.40近,表明模拟中所选择的模型是适合的。从表7模拟结Coal-381.511.38果对比分析发现:对于同样的煤种,粉煤气化过程所生表7两种气化过程模拟有效 气体对比( V% )Table.7 Comparison of key contents from Itwo gasification methods(V% )粉煤气化水煤浆气化H2%C0/%C0+H/%H/%24.1662.0986.2540.6042.46 .24.4961.5586.0440.3841.9523.1061.5484.6439.7841.73产出来的煤气中有效合成气含量明显高于水煤浆气化参考文献:过程;且粉煤气化与水煤浆气化产物中H与CO比差[1] 彭锦,高灰分 劣质煤气化特性研究[D].重庆:重庆大学,2012:2-10.别较大，故不同气化方式的产物适合不同化工产品合[2]刘 娜.新疆部分煤炭气化过程的模拟优化[D].新疆;新疆大成时原料气的生产。学,2012:23-37.[3] 张宗飞,等. 基于Aspen Plus的粉煤气化模拟[J].化肥设4结论计,2008 ,46(3):14-19.[4KONG Xiangdong,ZHONG Weimin,DU Wenli and QIAN煤气化过程的大型化已成为煤化工的一个重要发Feng.Three Stage Equilibrium Model for CoalGasifcation in展趋势,对大型煤气化过程进行计算机模拟,是深刻理Entrained中国媒化工”Plus IJ.Chineee解过程本质,实现优化设计、优化操作的有效手段。文Joumal ofML21(1):79-84.中建立了粉煤及水煤浆气化炉模型，并采用现场装置[陈倩,等.YH. C N.MHG[].计算机与应用的实际运行数据验证了模型的可靠性，对实际生产过化学,2012, 29( 12): 1425-1428.程能够提供有用的理论支持。.