基于Aspen Plus的固定床高温煤气化模拟

2012年第12期广东化工第39卷总第236期www.gdchem.com.123.设计与装备基于Aspen Plus的固定床高温煤气化模拟原满，刘亮，田红，朱超(长沙理T.大学能源与动力工程学院，湖南长沙41000)[摘要]文章以过程 模拟软件Aspen Plus为工具，建立了以高温空气为气化剂的固定床煤气化的数学模型，模拟计算了逆流式固定床气化的制气过程:并利用该模型模拟研究了不同空煤比以及不同的空气预热温度对煤气化指标的影响，结果表明:在相同空煤比与汽煤比的工况下，提高空气的预热温度可以使气化过程得到强化。[关键词]Aspen Plus:逆流式固定床:模拟:空煤比;汽煤比[中图分类号]TH[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2012)12-0123-03Fixed Bed Gasifier Simulation Based on Aspen Plus SoftwareYuan Man, Liu Liang, Tian Hong, Zhu Chao(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)Abstract: The paper taking the process software Aspen Plus as the simulation tools and built the mathematical model of countercurent fixed bed coal gasifirswith high temperature air as gasification agent. The gas making process of counter flow fixed bed was simulated; Different air to coal ratio and different preheatingtemperature of air on gasifiation indexes was simulated based on the model. The result indicated that improving preheating temperature of air and steam can makethe gasification process strengthen in the same air to coal ratio and steam coal ratio condition.Keywords: Aspen Plus: countercurrent fixed bed: simulation: air to coal ratio; steam to coal ratio燃烧效率低与污染排放严重是我国煤炭利用所面临的两个煤炭以块煤从炉顶进去常压逆流式固定床气化炉内，气化剂主要问题，而煤气化是实现煤高效燃烧与环保利用的最有效的途由炉底送入，与煤逆流接触。图I是逆流式固定床煤气化炉的示意径。目前在国内较为成熟的有常压固定床气化技术，它具有适用图。煤进入炉内依次经历了干燥，干馏，气化和燃烧四个过程。于中小规模能源用户的优点，使其成为我国大量分散的中小型直做建工快控公的物空量分散工业炉窑生产 工业燃料'气的现实、合理、经济的选择。块煤在进入炉体下落的过程中遇到来自气化阶段的高温气。由于常压固定床煤气化炉- -般是通入常温气化剂进行气化，体，高温气体将能量传递给湿煤块，随者煤层温度的升高，煤中单炉生产能力和煤气热值较低，这在很大程度上限制了其在工业的水分蒸发。炉窑上的应用。所以，提高煤气化炉的煤气热值、气化强度成为湿煤- →干煤+H:O问题的关键。而气化剂预热温度越高，则带入炉内的热量越多，炉内温度也越高，从而加快了煤的反应速率，使煤气化温度升高，当干煤的温度进 -步升高，从煤中逸出挥发物，在干馏阶段是煤的气化反应加强。进行煤的热解反应。为此国内 早有学者提出采用高温气化剂(主要指高温空气)进煤→焦油+煤气(NH3+H2S+CH4+CO+CO2+H2)+焦油行气化，并进行了相关研究。王连勇等四利用实验平台进行了煤高1.3 气化温空气气化试验研究，考察了空气预热温度对气化过程的影响，提经干馏后得到的煤焦，同高温气体CO, H0O和H2等进行气化出在工艺允许的条件下空气预热温度越高对气化过程越有利;东北反应，生成可燃气体。气化阶段主要发生的反应如下:大学田红巴在固定床煤气化炉数学模型研究的基础上，结合煤高温2C+O2-+2CO气化过程的特点，提出了建立煤高温气化模型的途径和方向。2CO+O2- +2CO2 .文章基于Aspen Plus强大的模拟功能，借助Aspen Plus软件建以及水蒸气为气化剂的气化反应和甲烷生成的反应:立了高温逆流式固定床煤气化的模拟模型，考察不同空气预热温C+H2O-→CO+H2度、空煤比、汽煤比对气化性能的影响，并将模拟结果与实验数C+CO2-→2CO据进行比较，分析操作参数变化对气化指标的影响。CO+H20-→CO2+H21煤气化过程分析C+2H2-→CH41.4 燃烧燃烧层发生的主要反应如下:C+O2- +CO22C0+O2-→2CO22H2+O2-→2H2O以上这些反应都是强烈的放热反应。进而为十馏，气化提供干燥区350-1000 |.poL煤一t焦炭+挥发物热量。2 Aspen plus模拟模型的建立气化区30-1000 K根据固定床煤气化炉的工艺与反应机理，需要考虑以下假设_燃烧区 350-1000条件。东渣区350-1000 K_(1)模拟时将制气过程按燃烧和气化两个稳态过程考虑;0-H20(2)炉内的压力变化不大，在此假设炉内压力维持常压状态不0-H2变0-C0(3)-维假中国煤化工晶度梯度:灰渣0-其他(4)假设煤部无质量和热量的传图1逆流式移动床煤气化炉递。YHCNMHG2.1 物性方法Fig.l Schematic of countercurrent moving bed coal gasifiers在利用Aspen Plus进行模拟计算时，物性方法采用RK -Soave。非常规组分固体性质模型中选用煤的焓以及密度模型(Enthalpy[收稿日期] 2012-06-30[作者简介]原满(11986-). 男，河南新乡人，硕士研究生，主要研究方向为高温煤气化。广东化工2012年第12期，.124.www.gdchem.com第39卷总第236期and Density)。模型名称选用常用煤的焓模型(HCOALGEN)和密度应加强。但气化温度的提高受煤的灰熔点限制，也就限制了空气模型(DCOALIGT)]。预热温度的提高。Option code value中，Heat of Combustion需要在模型中手动输入，取值为6,其它数值无需手动输入，取值为1。DCOALIGT1160中Option code value的值取系统默认值。操作参数(温度、 压力、流量)根据工艺所需要的参数进行输1140入即可。2.2反应模块1120(1)产率反应器模块:创建虚拟反应器模块(RYield),模拟煤1100热解成C, H2, O3, N2S, H2O, ASH的过程，并在此过程中考虑碳的不完全转化中。其所需热量与气化过程均由燃烧过程提供。1080(2)平推流反应器模块:虚拟反应器模块(RPLUG)是在已确定1060化学反应式与动力学方程的情况下，模拟逆流式固定床气化炉气化区的反应过程。其所需要的热量均由燃烧区提供。1040(3)吉布斯反应器模块:创建虚拟反应器模块(RGibbs),1020RGibbs模块对应着反应平衡时系统的自由能量最小来进行反应5000 650 700 750 800计算，主要用以模拟固定床煤气化炉的燃烧反应5。Aspen Plus中的煤气化流程图如图2所示。空气预热温度/CHEATER2HEATER1图3空气预热温度对气化温度的影响Fig.3 Effect of air preheating temperature on gasification-STEN}>temperatureHSTEAN3.3.2预热空气温度对有效产气率的影响-CR:COLF>)GASIFIER45.4tL NBURNER F)L RPULUIs.2-CROOCT]刚N45.0-图2 Aspen Plus模拟流程Fig.2 Simulation flow chart in Aspen Plus44.63模拟结果与讨论44.43.1主要工艺参数煤的工业分析 与元素分析见表1, Aspen Plus 模拟的操作参0075080数见表2。表1煤的性质图4空气预热温度对有效产 气率的影响Tab.1 Properties of coalFig.4 Effect of air preheating temperature on (CO+H2+CH4)煤的工业分析/%煤的元素分析%productivityM_AV_CCH0N5.13.62951.568.7.二4.3二5.910.6提高气化剂温度可以提高煤的转化效率和气化效率，主要是因为:一是提高了气化温度:二是高温预热的气化剂可以带来大量的物理热，减少了燃烧过程所需要提高的能量份额，进而相对表2_煤气化操作条件的减少了燃烧所需要的空气量，提高了煤气热值,使煤的转化效Tab.2 Gasification operation conditions率与气化效率提高。因此在工程技术条件允许的情况下，空气预物流名称煤空气水蒸气热温度越高，煤的气化强度越高温度/C25800225从图4可以看出，在空煤比，汽煤比一定的情况下， 随着空气质量流率/(kghr')816.51.8的温度升高，有效产气率也越来越高。压强MPa .4.253.853.3.3空煤比对有效产气率的影响3.2 Aspen Plus模拟计算结果49.5Aspen Plus模拟计算结果见表3。49.048.5表3模拟值与实验值比较Tab.3_ The comparison of Simulation and experimental results8.0-项目CO/%H2/%CH4/%CO2/%模拟值19.721.63.129.2847.0 |实验值.20.81 _20.472.866.5-3.3操作条件对气化指标的影响46.03.3.1空气预热温度对气化温度的影响45.5.中国煤化工在煤样粒度为20 mm,空煤比为1.6 m2/kg,给煤量为8 kg/h,YHCNMHG16o汽煤比为0.6 kgkg'的条件下，空气预热温度对气化温度的影响见空煤比/ (kg.kg'图3.可见，气化温度随着空气预热温度的升高而升高。因为预热空气温度越高，空气带入炉内的热量就越多，炉内温度也就越高，从而加快了煤的反应速率，使气化温度升高，使煤的气化反图5. 空煤比对有效产气率的影routiviFig.5 Efect of air to coal ratio on (CO+H+CH2012年第12期广东化工第39卷总第236期www.gdchem.com. 125.在空气预热温度为800 C，汽煤比为0.6 kgkg'的情况下，考降低。因此游要综合考虑I程内系和经济内数选择. .个 介适的汽察空煤比对有效产气率的影响，结果如图5所示。从图中可以有煤比问出，在开始阶段，有效产气率随着空煤比的增加而变大，但随斤4结论开始下降。这是因为空煤比增加，煤燃烧反应增强，使煤层的热(1)文 章利用Aspen Plus建 立逆流式固定床煤’(化炉的数学模量蓄储增多，但是随着空煤比进一步增大，多余空气会带走大量到，较好的模拟了煤化过程，模拟数据与试验数据吻合较好。的热量，是有效产气率降低3.3.4汽煤比对有效产气本的影响(2)气化剂温度是影响煤气化过程的重要指标，在模拟温度范围内，随着气化剂预热温度的升高，煤气品质以及有效产气率均有明显提高。(3)在高温煤气化过程中，所需要的空气量较少。模拟得出在0.4-'气化剂温度固定的情况下，空煤比在1.5,汽煤比为0.5时候有效户“率最高。500-参考文献49.8-[]T连勇，蔡九菊，李明杰。气化参数对固定床煤病温空气气化的影响49.6-D]东北大学学报，2009， 30(4): 579-581.[2]用红，蔡九箱，王爱华， 等.煤高温气化数学模型分析与探讨[D].200549.4-年中国钢铁年会年会论文集，2005， 11: 597-599.49.2-[3]Aspen Technology Company Aspen Plus User Guide[M]. USA: CambridgyUniversity Press, 19949.0-[4]米斌，李政，江宁.等.基于Aspen Plus建立喷浼床煤气化炉模型[0].化0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60工学报，2003， 27，1179-1182.汽煤比(kg . kg")[5]汪洋， 代正华，于广锁，等.运用Gibbs白由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化，2004, 27(4): 27-33图6汽煤比对有 效产气率的影响[6]朱有健，E定标，周俊杰.固定床煤气化炉的模拟与优化[].化工学报，Fig.6 ETect of air lo coal raio on (CO+H2+CH4) productivity2011，62(6): 1606-1611.在空煤比为1.5 kgkg'，空气预热温度为800 C的情况下，考(本文文献格式:原满，刘亮，田红，等.基于Aspen Plus的固尽不同汽煤比对有效产期率的影响。结果如图6所较小的情况下，虽然有效产气率比较高，但是产气量小:汽煤比定床高温煤气化模拟[J].广东化工，2012， 39(12): 123-125)较大又会导致气化温度下降，煤气品质和产气率下降，气化性能(上接第127页)随着Re的增大，Ap明显增大，且两台换热器的增幅大体相当。在相同Re下，螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的壳程压降[1]Kral D, Stehlik P, van der Ploeg HJ, et al. Helical bffles in sel-and-ubeAp是螺旋隔板光滑管换热器的1.2~1.4倍。对比螺旋隔板光滑管heat exchangers(C): Experimental venfication[J]. Heat Transfer Engineering,换热器的Nu和Op,可以看出，螺旋导流板三维A型针翅片管换1996， 17(): 93-101.热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，[2]Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical三维A型针翅片管具有很好的传热强化性能。三维A型针翅片管baffles([J]. Heat Trans fer Engineering, 2002， 23(3); 43-49.的强化传热机理为:三维A型针翅片管的外表面积是光滑管的3.2[3]Bergles A E. Enhanced heat transfer: endless frontier, or mature and倍，翅片管外表面积的增加提高了三维A型针翅片管的传热性能;routine[J]. Journal of Enhanceci Heat Transfer, 1999， 6: 79-88.另外，由于三维A型针翅片管的翅片呈错齿状排列，翅片对管表[4]Zhang Z G，Wang s P，Lin P s. Condensation heat transfer and面油流体进行了不规则的切割，极大地破坏了管表面油流体边界enhancement of nonazeotropic mixtures on petal-shaped finned tubes//Shah R层的形成，激发了油流体的湍流程度，另外翅片形状呈A字形，K. Proceedings of the Intermational Conference on Compact Heat Exchangers有利于翅片的放热，提高了二次传热面积的翅片效率，同时也有for the Process Industries[J]. New York: Begoll House, 1999: 385-388.利于流体在翅片间的流动，当润滑油在三维A型针翅片管外螺旋[5]张正国，余昭胜，方晓明，等.三维翅片管外螺旋流动传热强化[J].化流动时，油流体可以完全到达齿根部，充分利用了- -次传热面积。工学报，2006, 57(11); 2531-2535.因此螺旋导流板三维A型针翅片管换热器实现了流场与温度场的[6)Zhang zG, YuZS, Fang X M. An experimental heat transfer study for协同，从而强化了传热。helically flowing outside petal-shaped finned tubes with different geometricalparameters[J]. Applied Thermal Engineering，2007， 27(1): 268-272.[7]ZhangXX, Tang Y, WanZP. et al. Rolling-plowing extrusion of Outside对于螺导流板光滑管换热器和螺旋导流板三维A型针翅片3Dintegral Fins on the Stainless Steel Tube[J]. Advanced Materials Research管换热器，随着壳程油流体Re的增大，其Nu和压降Ap也增Volx，2010: 139-141， 1392-1395.大，在相同Re下，螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的Nu[8]TangY, Yuan D, LuLS, et al. Influence of Feed on Spiral Inner Grooves和Op分别是螺旋隔板光滑管换热器的2.4~2.8倍和1.2~1.4倍。Formation with Ploughing[J]. Key Engineering Materials, 2010: 393-396，与螺旋隔板光滑管换热器相比，螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，三维A型针翅片管具有很好的传热强化性能。(本文文献格式:王真勇，张正国，吴炳权.三维针翅片管在螺旋板换热器应用传热强化研究[J].广东化工, 2012, 39 (10): 126-127)(上接第137页)[2]于静江，周春晖.过程控制中的软测量技术[].控制理论与应用，1996，3011);: 61-67.13(4); 137-144.中国煤化工[3]钱伯章、世纪之交的石油化1.自动化技术[J].石油化工出版社，1999(本文文献格先进控制技术在聚乙(3): 2-7.[4]朱学峰.软测量技术及其应用[J].华南理工大学学报:自然科学版, 2003,烯装置中的应MYHCNM. HC成进控制技术