IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟

第32卷第1期煤炭转化Vol. 32 No. 12009年1月C0AI. CONVERSIONJan. 2009IGCC示范工程煤气化炉的数值模拟沈玲玲"姜秀民2) 王辉3) 黄庠永"摘要采用Aspen Plus流程模拟软件对某拟建的IGCC示范工程的德士古煤气化炉进行数值模拟,通过考虑碳的不完全转换对计算流程进行了改进,并运用CPD模型预测煤热裂解的产物分布.研究了煤气化炉的重要操作参数(即水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和气化温度)对气化结.果的影响.在计算区间内,发现高浓度水煤浆浓度范围内,随浓度的增加，煤气的主要成分(H2+ .CO)的总含量增加.气化温度增大到1 400 C左右时，煤气的主要成分随气化温度的进一步增加会趋于一个恒定值.关键词Aspen Plus,IGCC, 德士古气化炉中图分类号TQ541,TM611.3果导致其他元索的流失.因此,通过在模拟过程设定)引言非常规物质,把碳的不完全转换考虑进去,使模型的整体煤气化燃气~蒸汽联合循环(IGCC)发电技模拟更符合实际的气化炉,从而解决了对碳的不完术可以将燃煤电站的循环效率提高至39%~41%全转化考虑不足的问题.本文是结合国内拟建的首(LHV)川,是目前最先进的燃煤发电技术之一.目台大型IGCC示范工程,利用Aspen Plus软件对该前采用气流床气化技术的德士古气化炉的运行经验项月中的德士古气化炉进行气化模拟.通过对碳模和已商业化的台数最多.它的发展已度过原理概念型的改进,提出了一个新的计算方案,在改变不同气性开拓验证阶段,并进入商业示范验证阶段.[0]它既化参数的情况下,研究各参数对生成煤气的主要有有发电的高效率,又有极好的环保性能,因而成为世效成分(H2 +CO)的影响,计算结果可对系统方案界瞩目的极有发展前途的一种先进的洁净煤发电技的设计提供参考数据.术. []IGCC系统内的德士古气化炉可采用激冷式1气化炉煤气化炉模 型和装有煤气冷却器两种方案,本文所结合的某拟建的大型IGCC示范工程采用的是安装煤气冷却器的1.1 工艺说明气化炉,又称为全热能回收式气化炉,从能量有效利德士古气化炉是把水煤浆与气化剂(约95%用的观点来看,这种方案是最合理的.模拟计算是理解化工过程的有用工具.通过计氧)一起喷入气流床气化炉内进行火焰型非催化部算,可以对整个煤气化过程进行分析,寻找最优操作分氧化反应的工艺过程,生成的粗煤气采用煤气冷点,提高整个过程的热效率,达到过程优化的目的;却器冷却,灰渣采用液态排渣.本文只模拟水煤浆进可以辅助设计以及解释说明实验数据;还可以预测入气化炉内发生气化的过程,暂未考虑进入辐射废合成气的组成和污染物的排放.“采用AspenPlus热锅炉之后系统内的情况.软件对气化炉模拟时,以往建立的气化炉模型是先1.2气化机理把煤分解为相同质量和发热量的由碳氢和其他化合德士古气化炉的气化过程实际上是煤炭在高温物、纯净元素和灰组成的常规物流混合物,再通到平下的极为复杂的多相热化学反应过程，其可能发生衡反应器中. [5.61这种做法假定煤全部转化成煤气，的化学反应"可概括如下:无法计及碳转化率;采用的补救措施是在后续流程中国煤化工燃烧气化由于中排放掉一部分煤气来模拟煤的不完全转换,其结在富氧=煤粉加热速度极:YHCNMHG#国家“863"高技术基金资助项8 (2007 A^05Z247).1)硕士生:2)教授、博十生导师:3)博士后;4)博士生，上海交通大学热能工程研究所，200240 上海收稿日期:2008 09. 17;修回H期，2008-10-23第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤气化炉的数值模拟15快,可以认为煤粉中的水分瞬间蒸发;同时,热解速1.3气化过程模 型的简化度大大高于煤粉的燃烧及气化反应速度. []2)固体颗粒与气化剂(氧气、水蒸气)间的反运用软件建模时,需对过程进行适当的简化处应.在高温条件下,脱除挥发分的粉煤固体颗粒或半理,这里假设煤气化反应可分解成两个独立的过程:焦中的固定碳与气化剂进行燃烧反应为:1)水分蒸发和煤脱挥发分的过程,采用化学渗C+O2一→CO2滤脱挥发分模型(CPD)能很好地模拟煤热裂解、燃2C+O2一→2C0烧气化的产物分布. [8]CPD模型是Fletcher等[91]固定碳与水蒸气进行异相水煤气反应为:开发的,该模型可用于描述煤在快速加热条件下的C+H2O一→H2 +CO裂解情况.C+2H20一→2H2 +CO2CPD模型是通过煤的化学结构预测裂解产物，3)生成的气体与固体颗粒间的反应.高温的半它不仅可以预测轻气体(H2O, Nz ,O2 , H2 ,CO,CO2焦颗粒与反应生成气的反应为:和小分子的碳氢化合物)的分布,而且可以预测氮元C+COr一+2CO素产物分布的数量和形态. [12) .C+2H2 -→+CH .2)气化产物与气化剂、固定碳间以及气化产物在高温条件下,煤中的硫也会与还原性气体发间的反应.该过程可采用气化达到化学平衡时生反应为:Gibbs自由能最小化原理,严格计算化学反应平衡(1/2)S2+ H2-→H2S和相平衡,以得到最终的气化组成.计算时,必须规.(1/2)Sr +CO-→COS定反应器温度和压力或压力和焓值,模型以原子平4)反应生成的气体彼此间的反应.高温条件衡限制为条件,使Gibbs自由能最小化;但不需要具下,反应生成气体的活性很强,彼此之间存在着可逆体的化学反应方程式和化学计量数,将整个系统看反应为:成是一个复杂化学反应过程.00+H2O-→H, +00)(-氧化碳变换反应)1.4用Aspen Plus 软件建模CO+3H2一→CH, +2H2OCO2 +4H2一→CH +2H2O采用CPD模型预测煤热裂解的产物分布,假定2CO+2H2 --→CH +CO2所有的反应遵循Gibbs自由能最小化方法!,建立H2S+CO-→COS+ H2如图1所示的气流床水煤浆气化炉模型.RyieldRgihleSpltPanbet }+口-Syp]5>[ (drcomp0”图1 Aspen Plus模拟流程Fig. 1 Aspen Plus simulation flowsheet图1中wet-coal为进入系统的水煤浆,其工业过裂解后的产物,考虑ryield模块中碳的不完全转分析与元素分析见表l;Inburner为煤浆中粉煤经化,因此inburner输出物流中包括纯元素C,纯元素表1煤样的元素和工业分析(%* ,ar)S,H2O,N2 ,O2, H2 ,CO,CO2 ,ash和UBC;QtransfeTable 1 Ultimate and proximate analysis of the为粉煤裂解热;Lost为气化系统的热损失;Syngastesting coal samples(%" ,ar)为粗合中国煤化工Ash和UBC).Ultimate analysisProximate analysis书的简单反应器.CHNsO-AMYHCNMHG-57.81 3.62 0.84 0.35 9.29 10.79 27.22 44.69 17.3主要功n比足的物妹刀肝权几胝干元素的分子,并将* Percent of weight;1) By dference.热解热传递给后面的Rgibbs单元，同时在Ryield1煤炭转化2009年单元中考虑碳的不完全转化,把ash和UBC都定义27.72成非常规物质. Rgibbs单元是一个基于Gibbs自由27.7027.68能最小化原理的反应器.对于煤气化系统,根据表127.566 I煤样分析知,除ash和UBC不进行化学反应外[41,27.64 t常规物质生成粗煤气包含的组分为:H2O,N2,O2,27.62S, H2 ,C,CO,CO2,H2S,COS,CH和NH3.体系达27.60到平衡时体系的Gibbs自由能达到最小值.Cncentrution of water coul sury1%2模型的参数设置37F36-用AspenPlus软件计算时,一般将所涉及的组。35-分分为mixed常规物质).cisolid(常规惰性固体)和8 34-NC(非常规物质)三类物流.3对于常规组分，包括常规固体组分(即组成均6062646687匀.有确定分子量的固体),用RK-soave 方程计算Concentration of water coal elumy/%物质的相关热力学性质.65-非常规固体组分是指不同种类的固体混合物.Aspen Plus对这类物质作了简化处理,认为它不参与化学平衡和相平衡,只计算密度和焓.AspenPlus一般用Hcoalgen模型来计算煤的焓,这个模型包含60了燃烧热、标准生成焓和热容的不同关联式.59采用dcoaligt模型计算煤的真实的干基密度.Concentation of water coal slumy /%3操作参数对气化结果的影响吾22d1 2.58-德士古气化炉产生的煤气的主要成分为H2和号256CO,还有部分CO2和水蒸气,其他气体含量甚微.本文通过改变水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和气化温度对产生煤气中的主要可燃成分(H2+CO)进行出2.440.60.62 0640660.68 0.70模拟并分析各参数变化对只计算(H2+C0)成分时Concentration o waler coal slumry1%所生成煤气的热值的影响.图2水煤浆浓度对气化结果的影响本文所模拟的国内拟建的IGCC示范工程中煤.Fig.2 Effect of concentration of water coal slurry气化炉的工艺参数为:水煤浆流量为107. 23 t/h,煤on gasification results浆浓度变化范围60%~70%(质量分数);氧气流量a--H2;b- -COre- H2+CO;d-- Heat value57. 969 t/h(O2体积分数为95,N2为5),氧煤比和有效气成分(H2 +CO)呈上升趋势,H2呈下降趋0. 7~1.0;气化压力为2 MPa~ 10 MPa;气化温度势.其原因是由于氧煤比不变,随着煤浆浓度的增1100C~2000C.考虑的碳转化率为98%,热损加,水蒸发所消耗的热量占总热量的份额越来越小，失为0.5%..从而导致气化炉温度升高.温度的升高,加剧异相反.应的进行,有利于碳转化率的升高,促进了CO和3.1水煤浆浓度H2的生成[152;但是,水煤浆中水量的减少以及温度设定氧煤比，碳转化率为98%，热损失为的升高,使水煤气反应受到限制[15] ,不利于H2的生0.5%,气化压力为3. 6 MPa,并保持煤和氧气的量成.两种因素综合作用,结果H2含量有所减少.不变,通过改变水的量,使水煤浆浓度在60%~中国煤化工呈上升趋势.从70%之间变化,得到不同水煤浆浓度下煤气主要成.热值吉果越有利;但提分H2和CO体积分数和热值的计算结果(见图2).高煤:IHCNM HG给成浆和气化炉由图2a~图2c可知,随着煤浆浓度的增加,CO加料带来困难,故选取煤浆浓度时应综合考虑.第1期枕玲玲等IGCC 示范工程煤气化炉的数值模揿，173.2.氧煤比的量也增加.但燃烧反应增强，气化炉温度就会增固定水煤浆流量并保持其他参数不变,通过改高，又使气化反应强化.综合两种因素,氧煤比增大.变氧气的流量,使氧煤比(kg氧气/kg干煤)由0.7造成的结果是H和c浓度下降了,生成气中(H,+变化到1.0,计算得到的H2和c的体积分数及C0)的含量也下降了,导致生成煤气的热值相应也就(H2+CO)的热值变化见图3.下降了(见图3d).所以当氧煤比在0.7~1.0时,应尽量减小氧煤比,继而可以减少空分系统的制氧量,使厂用电量减少,提高IGCC整体效率及经济性.3.3气化压力 .其他操作参数不变的情况下，使气化压力从242MPa变化到10MPa,计算得到的H2和co的体2Li0.70 0.750.80 0.85 0.90.95 1.00积分数及(H; +CO)的热值变化见图4.Oaygn/col mass ratio/0g*kg7)27.75ro27.7027.65还27.6027.5027.4527.40七IPesure 1 MPw0.70.5 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Oxygn/col m ntio 1 (g*kg")4.72 r34.7034.68= 34.66 tg 34.6434.6234.6034.58 t34.560.70 0.75 0.800.85 0.90 0.95 1.0023peOsyen/col mass matio/ (kg*kg)624-之62.3-.265-自2060已62.1+文250-62.02.532厂 d0.700.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00, 2528- .Oaxyen/coal ma nti/ig*tg)2.526 F2.524 H图3氧煤比对气化结果的影响Fig.3 Efet of oxygen/ coal mass raio on gasification resutsa一-H2rb一 -C1e-- H; +CO;d一- Heat value2.518由图3a~图3c可以看出,当氧煤比在0.7~1.0范围内变化时,随着氧煤比增加，H2和(H2 +中国煤化工CO)含量迅速降低,Co含量降低的斜率稍缓.原因CNMHG果的影响是氧煤比增大导致燃烧反应增强,H2和co更多地Fig.4 Ettect of pressure on gasification results被燃烧反应掉,使燃烧分别转化成为H2O和CO,H2;b-- CO,cH2+CO,d- Heat value8煤炭转化2009年由图4可以看出,当气化压力在2 MPa~10 MPa8.5 r范围内变化时,随着气化压力的升高,H2,CO和有8.0 t效产物(H2 +CO)含量增加，煤气热值也增加.随着压力的升高，温度条件不变时,炉内气化反应得到强化,反应生成了更多的CO和H216],所以,H2和CO及(H2 +CO)有效产物含量增加了.6.0 F气化炉中气化压力主要是根据所需煤气组成而1000 1200 1400 1600 1800 2000定[7,但气化压力并不是越高越好,它的确定还需Temperaure/C要考虑工艺制造和操作管理方面的条件..37.0rb36.5 t3.4气化温度35.5 F350-保持其他操作条件不变,使气化温度从1100 C变化到2 000 C,CO和H2的体积分数及(H2 +34.0CO)的热值变化见图5.3.0由图5可以看出,随着气化温度的升高,H2的含量先略升高然后降低,CO的含量逐渐增加,在Temperature1 C .1 400 C左右(H2+CO)的总量趋于一个恒定值.当62.6e温度超过1300 C时,水煤气反应发生显著川],生2.4 F2.2-成CO和H2量增加;而且随着温度的升高,碳转化62.0 t率增高,在氧气量不变的条件下,相应CO生成量增61.8 F加;而根据Hougen的研究，随着温度的升高,一氧51.6 F化碳变化反应受制约,因此H2含量减少.综合上述因素,出现图5a中的曲线变化趋势.由图5d可以看出,随着气化温度的升高,气化Temperature/ C有效产物(H2 +CO)的热值逐渐降低,原因是H2的256厂d热值比CO的热值要大,CO增加量的热值无法弥补H2减少量的热值,所以出现图5d中热值曲线下降52 t的趋势.随着温度的升高,对气化炉耐火材料要求增2.50 I高,从而增加设备的费用.因而,温度不是越高越好，2.48 F可取1400C作为气化温度.4结论Temperature/C1)水煤浆浓度在60%~70%范围内增大时，图5气化温 度对气化结果的影响(H2 +CO)的总含量增加,煤气热值也是增加的.Fig.5 Effect of temperature on gasification results2)氧煤比在0. 7~1.0范围内增大时,H2和a- H2;b-- -CO;c- -- H2 +C0;d-- Heat valueCO及(H2 +CO)的质量分数都是减小的，导致煤气煤 气热值也是增大的.热值降低,所以应尽量降低氧煤比.4)当气化温度高于1 400 C时,(H2 +CO)的3)气化压力在2 MPa~10 MPa范围内增大质 量分数会趋于一个恒定值,综合考虑各因素,建议时,H2和CO及(H2 +CO)的质量分数都增大,因而气化温度保持在 1 400 C以下.参考文献中国煤化工[1]许世森。张东亮 ,任永强.大规模煤气化技术[M].北京化学工业出版社.MYHCNMHG.[2]江丽霞,族睿贤 ,金红光等.世界上若干典型IC0C电站的发展现状[J].燃气轮机发电技术,000:3-4.第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤气化炉的数值模拟19[3]董卫国 ,危师让. IGCC技术在我国发展前最[J].燃气轮机发电技术,999(3):1-6.[4] 林立.Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J]. 上海化工，2006,31(8);10-13.5]徐越.吴一宁,危师让.基于ASPENPLUS平台的干煤粉加压气流床气化性能模拟[J].西安交通大学学报,2003,37(7);692 -694.6]徐越,吴一宁,危师让.二段式干煤粉气流床气化枝术的模拟研究与分析[J].中国电机工程学报,2003 ,23(10) ;186-190.7] 高正阳,阎维平,刘 忠.煤颗粒在快速升过程中非傅立叶导热效应的计算研究[J].中国电机工程学报.2022(9);141-145.8] Tian Yajun, Xie Kechang, Zhu Suyu et al. Simulation of Coal Pyrolysis in Plasma Jet by CPD Mode[J]. Energy and Fuels,2001 ,15:1354-1358.9] Grant D M,Pugmire R J,Fletcher T H et al. A Chemical Model of Coal Devolatilization Using Percolation Lattice Statistics[J]. Energy and Fuels,1989(3) :175-186.[10] Fletcher T H,Kerstein A R,Pugmire R J. Chermical Percolation Model for Devltilization ( I ); Temperature and HeatingRate Effects on Product Yields[J]. Energy and Fuels, 1990(4) ,54-60.11] Fletcher T H. Users Manual for the CPD Model[S]. Chemical Engineering Department,1999.[12] Verasa C A G,Carvalho J」A,Ferreira M A. The Chemical Percolation Devolatilization Model Aplied to the Devolatilizationof Coal in High Intensity Acoustic Fields[J]. Brazil Chemical Society ,2002(3) :358-367.[13]汪洋,代正华,于广 锁等.运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化,2004.27()27-33.14] 张斌,李政,江宁等.基于Aspen Plus建立啧流床煤气化炉模型[J]化工学报,2003 5411112.2[15]昊玉新 ,张建胜，王明敏等.用简化PDF模型对气化炉运行特性的分析[J].中国电机工程学报，2007 ,27(32):57-62.[16]王金 花.水煤浆气化机理及气化过程的仿真[D].北京:北京科技大学,2004.[17]谭井坤 .韩雪东,白庆泰等.对提高煤气产量降低能耗的研究[J].化工技术与开发2002.313);54-55. .NUMERICAL SIMULATION OF GASIFIER IN AN IGCCDEMONSTRATION PROJECTShen Lingling Jiang Xiumin Wang Hui and Huang Xiangyong(School of Mechanical Engineering ,Shanghai J iaotong University ,200240 Shanghai)ABSTRACT Aspen Plus. software is used to simulate a Texaco gasifier of an IGCC demon-stration project. By considering incomplete carbon conversion to improve simulation flowsheetand using CPD model to predict production of coal thermal decomposition, the effect of some im-portant operation parameters such as coal concentration of water coal slurry, oxygen/ coal ratio,pressure and temperature in coal gasifier on the gasification production has been studied. The re-sults show that within the calculation range, the percentage of main components increases as thecoal slurry concentration increases within high coal concentration. And main components tend tobe a constant value when temperature is about 1 400 centigrade.KEY WORDS Aspen Plus,integrated gasification combined cycle,Texaco gasifier中国煤化工MYHCNMHG