基于AspenPlus的水煤浆气化模拟

广东化工2012年第18期www.gdchem.com第39卷总第242期基于 Aspen Plus的水煤浆气化模拟肖祥,周臻,黄歆雅(长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙410004)[摘要]文章以过程模拟软件 Aspen Plus为工具,建立了以纯氧为气化剂的气流床煤气化的数学模型,模拟计算了 Texaco气化炉的制气过程;并利用该模型模拟研究了氧煤比和水煤浆浓度对煤气化指标的影响。结果表明:水煤浆浓度和氧煤比是影响水煤浆气化过程和出口煤气成分的主要因素,同时提出了提高出口煤气有效成分(CO+H)的措施[关键词] Aspen Plus: Texaco气化炉;氧煤比:水煤浆浓度;模拟中图分类号]TQ545[文献标识码]A文章编号]10071865(2012)18-002203Coal-Water-Slurry Gasification Simulation Based on Aspen PlusXiao Xiang, Zhou Zhen, Huang Xinya(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 entrained bed coal gasifiers with pureoxygen as gasification agent. The gas making process of Texaco gasifier was simulated. Oxygen-coal ratio and coal-water-slurry concentration was simulated basedn the model. The results showed that coal-water-slurry's concentration and oxygen-coal ratio were the main factor which greatly effected CwS gasification processand composition of raw gas at exit, gether with ways of raising the percentage of effective components(CO+H2)in the delivered coal gasKeywords: Aspen Plus: Texaco gasifier: oxygen-coal ratio: coal-water-slurry's concentration: Simulation我国矿物能源以煤为主,到2CmHn+(m+n/4)O2=mCO+(n/2)H2O占60%左右。而煤的低效率燃烧以及污染排放严重是我国煤炭利CmHn+(m/2)O2=mCO+(n/2)H2煤炭资源,对于促进能源与环境协调发展,满足国民经济快速稳2C0+02=2C022H2+Or 2H2OCH+202=2H20+CO定发展需要,具有极其重要的战略意义。而煤气化技术作为洁净122固体颗粒与气化剂氧气、水蒸气间的反应煤技术的重要组成部分,能够很好得实现煤的高效燃烧,同时最在高温条件下,半焦中的固定炭或脱除挥发分的煤粉颗粒与大限度地减小污染物的排放。氧气、水蒸气进行气化反应:为了充分利用我国丰富的煤炭资源发展煤化工,自80年代开+O=CO始,我国就引进了 Texaco水煤浆气化装置,用于生产甲醇与合成C+O=2CO氨,现已进入产业化推广阶段。同时由于 Texaco气化炉的运行条C+HO=H+CO件较为苛刻,炉内的反应过程较为复杂,因此数值模拟已成为预C+2H20=2H+CO测 Texaco气化炉气化特性的有效手段。为了更好地提高煤气化效12.3生成的气体与固体颗粒间的反应率,完善 Texaco水煤浆气化技术,我国许多学者都对这一领域进高温条件下,半焦颗粒与反应生成气的反应行了相关研究。李政口提出建立完整的小室模型,该模型能够对C+CO,=2C0航动过程。文献[3运用Gibs自由能最小化方法建立了气流床煤气C+2H2=CHa化炉的模型研化炉的主要操作参数对气化结果的影响。文+轨献[45]分别采用简化概率密度函数 DPM UDF,PDF模型对Texaco气化炉进行了数值模拟,并分析了煤浆浓度等操作参数对气化过程的影响。文献[7采用 Eulerian-Lagrangian方法模拟Texaco气化炉内复杂的气固两相流运动,着重研究了氧煤比对气化性能的影响文章基于 Aspen Plus强大的模拟功能,借助 Aspen Plus软件建立了τ exact水煤浆气流床煤气化的模拟模型,考察不同氧煤比和水煤浆浓度对气化性能的影响,并将模拟结果与实验数据进行比较,分析操作参数变化对气化指标的影响,为工业气化炉的运行提供理论依据1水煤浆气化过程分析1.1 Texaco气化炉Texaco气化炉是典型的气流床煤气化炉,水煤浆和纯氧(气化图1 Texaco气化炉结构(m剂)经炉膛顶部外混式三通道喷嘴高速喷入气化炉内,充分反应后Fig. I Schematic structure of Texaco gasifier(unit: m)生成的渣和合成气从炉底排出。图1是 Texaco气化炉结构示意图。1.2气化机理气流床气化过程实际上是水煤浆在高温下的相热化学反应过2 Aspen plus模拟模型的建立程,整个反应过程非常复杂,有可能进行的化学反应很多,大致根据 Texaco炉的工艺与反应机理,需要考虑以下假设条件(1)炉内流动为平推流,不考虑各相的动量守恒1.2.1水煤浆的干燥、裂解及挥发物的燃烧气化(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由于炉内温度很高,水煤浆被速度加热,其中的水分瞬间快变速蒸发,同时煤颗粒中的挥发份迅速脱除,生成半焦和气体产物(3)维假设,假设气体在径向无浓度和温度梯度CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S及其他碳氢化合物CmH),该过(4)煤颗粒表程吸收热量。在氧气充足的条件下,气体产物中的可燃成分迅速(5)轴向流中国煤化工与氧气发生燃烧反应,同时释放出大量的热,用以维持气化反应21物性方法的持续进行。其中可能发生的反应有:用 AspenCNMHG涉及的组分分成非常规组分和常规组分这两大类。定义煤为非常规组分[收稿日期]2012-11-15[作者简介]肖样(1986-),男,湖南衡阳人,硕士研究生,主要研究方向为煤的清洁燃烧与燃烧过程的数值模拟。2012年第18期广东化工第39卷总第242期www.gdchem.com23Nonconventional)非常规组分固体性质模型中选用煤的焓以及密表1煤的工业分析度模型( Enthalpy and Density),模型名称选用常用煤的焓模型Tab 1 Pro( HCOALGEN)与煤密度模型( DCOALIGT)。采用 RK-Soave方程来计算物质的相关热力学性质。文章将要计算的气流床煤气化工艺煤的工业分析M是在高温、高压下进行的,气化产生的组分多为轻气体,因此选FRK-Soave比较合适的。煤的元素分析2.2流程模拟模型的建立Texaco气化工艺主要是由水煤浆制备,煤的气化及气化产物处理三部分组成。针对该三个流程段,用 Aspen Plus流程模拟软件69.27对其进行仿真模拟,其流程如图2所示:首先,煤和水按一定的配其操作条件为:水煤浆流量为100kgh,煤浆浓度为64%;氧成水煤浆(物流 SLURRY,经过梨(PUMP增压到气化所需的压力,气流量为6016kg:化压力为40MPa(4MPa),进入一个分解模块 DECOMP, YIeld类型),将非常32 Aspen Plus模拟计算结果规固体煤按照质量平衡分解为常规的组分(在模块出口煤中各元Aspen Plus模拟计算结果见表2。素均以单质形式出现),然后在气化炉 GASIFIO( RGibbs模型)中进行气化反应,得到各反应平衡时的气化产物,接着反应得到的气表2模拟值与实验值比较离下来,并沉降在激冷室底部,随后进人渣灌,由排渣系统定时ab.2 The co排放,分离出来的煤气再进行除灰,脱硫就得到较纯净的煤气。模拟值43.326.510.37Aspen Plus中的煤气化流程图如图2所示文献值42.83.3操作条件对气化指标的影响3.3.1水煤浆浓度对气化结果的影响g自自在文章中,气化炉已经给定,则气化炉的结构参数,气化压力已经确定。而氧煤比决定了气化温度的大小,则煤浆的浓度成为影响气化炉气化温度的关键因素。因此在模拟中需要选用不同浓度的煤浆浓度来分析其对气化指标的影响。表3中列出了不同煤浆浓度下的模拟计算结果,从中可以看出,从60%增加到70%气化炉内平均气化温度变化较大,从1597K上升到1732K,而且图2 Texaco气化炉模拟计算流程Fig2 Simulation flow chart of Texaco gasifier减少水分,从而导致炉温度升高。温度升高,使煤气化反应加强,3 Aspen Plus模拟的结果与讨论有利于H2浓度的升高,同时由于水分的减少,水煤气反应有所削弱,在两者的共同作用下,H2含量基本不变。同时由于温度升高3.1主要工艺参数CO2还原反应增强,从而导致CO增CO2减少。因此水煤浆浓煤的工业分析与元素分析见表1。度的升高导致炉内温度上升,CO浓度增加,水蒸气浓度下降H2浓度变化不大,总的煤气有效成分增加。见图3表3不同水煤浆浓度下的气化结果Tab. 3 The gasification result of different CwS concentration水煤浆粗煤气成分/vol,%浓度温度℃N2 CH O HS CO+H159741.730.11.2618.970.1469014210.6169.5010.37691675170425.9317.371.981.2617460.14·-CO含量一H2含量总含量100CO含量4CO+H总含量- A-CO1650162→160060%62%64%66%93%94%95%水煤浆浓度图3水煤浆浓度的变化对气化结果的影响Fig 3 Effect of CWS concentrations changes on gasification result中国煤化工向Fig 4 Effecton resul从图3可以看出,在氧煤比一定的情况下,随着水煤浆浓度的CNMHG提高,有效产气率也越来越高。因此在保证气化炉不超温的前提在保持其他操作参数个变的情况卜,改变氧气的流量,使氧下,可以尽可能地提高水煤浆浓度以得到更高的有效气成分。3.3.2氧煤比对气化结果的影响4和图4所示。从表中可以看出氧煤比对出口煤气的成分影响很大广东化工2012年第18期www.gdchem.com第39卷总第242期氧煤比增加,导致燃烧反应加强,气化炉温度升高,更多的CO和越低,出口(CO+H2)所占粗煤气的组成比例越大,气化温度也迅H2被燃烧反应消耗,但CO和H2的绝对量是增加的,同时由于反应速降低。但是氧煤比也不能被无限制地降低,否则将影响到气化加剧,碳燃烧转化为CO2的量有所增加,水蒸气含量也相应增加炉的液态排渣。因此,在不影响气化炉液态排渣的前提下,应尽了,从而导致H2和CO的相对含量降低。从图4可以看出,氧煤比可能地降低氧煤比,可以有效的提高出口煤气效率。表4不同氧煤比下的气化结果粗煤气成分/wol温度/℃CO,HO H2S川H2174942.9810.6217.960.1470.3392171243.0910.5318.330.1470.069343.1801018.5543,3026.5010.2669.6769454结论entrained flow gasifier[J]. Combust Theory and Modelling, 2001, 5(4)文章利用 Aspen Plus软件建立了水煤浆气化炉的模型,在作合595608型计算结果较为可靠。从模拟计算的结果来看,水煤浆浓度与氧煤气化炉门煤炭转化斧等.运用Gibs自由能最小化方法模拟气流床理简化的前提下,进行了模拟计算,其结果与文献数据相符[3]汪洋,代正华,于广锁20044):28-334于海龙,赵翔,周志军,等煤浆浓度对水煤浆气化影响的数值模拟门中都随着水煤浆浓度的增加而增加,同时气化炉温度随着氧煤比浓(5阿特,冯需,董绍平,等,德士古渣油气化炉的数值模拟,高校化因此,在保证能够顺利泵送和良好雾化效果以及合适的碳转化率学工程学报,2001,15(6):526-531和炉温不超过正常范围的前提下,应尽量提高煤浆浓度,同时应[6吴玉新,张建胜,王明敏,等.用简化PDF模型对气化炉运行特性的分在保证气化温度高于灰熔点至少、气化炉能够顺利排渣的前提下析[门,中国电机工程学报,2007,2732):57-62]陶明春,杜敏,郝英立,氧煤比对气流床煤气化过程的影响[.热科学尽量降低氧煤比只有这样才能达到最大限度地提高出口煤气有与技术学报,201092)1718[8]赵晓,李建伟,基于 Aspen Plus比较 Texaco气化技术门.第五届全国化工年会论文集[C,第五届全国化工年会,西安,2008.参考文献[李政,王天骄,韩志明,等. Texaco煤气化炉数学模型的研究一建模部(本文文献格式:肖祥,周臻,黄歆雅.基于 Aspen Plus的水煤浆分门,动力工程,2001,21(2):1161-1168.气化模拟[J.广东化工,2012,39(18):22-24)[2]LIU XJ, ZHANG WR, PARK T J. Modelling coal gasification in an(上接第26页)当pH调为8时就得到了标题配合物,其中一个单核铜结构春:东北师范大学,2008单元的配位方式和报道的配合物相似,而另一个单核铜单元中[8]费宝丽,李雯,燕庆玲,等,脱氢枞基一稀土配合物的合成、表征及其的两个磺酸基氧原子均参与了配位,据我们所知,这种情况并不与DNA的相互作用,林产化学与工业,2012,2(1):1-7多见。可见,溶液的pH对磺酸基O的配位性能影响较大,在此配9许海南,刘文奇,彭丽芬,等.含水四氢呋喃中二茂钛全氟辛基磺酸配体中,当pH升高时,磺酸基氧原子的配位能力增强,使中心金属合物催化锌粉还原二硫醚及其在合成硫代酸酯中的应用[,有机化学,20离子的配位数增大。11,31(10):1719-1722[10JCHANDLER B D, CRAMB D T, SHIMIZU G K H, et al. Micro参考文献porous Metal-Organic Frameworks Formed in a Stepwise Manner from Iuminescent Building Blocks[JJ. Am Chem Soc, 2006, 128(32): 10403[cAI J W, CHEN C H, FENG X L, et al. A novel supramolecularsynthon for H-bonded coordination networks: syntheses and structures of12.xtended 2-dimensionaL cadmium(II)arenedisulfonates[J]. J Chem Soc, D[张辉,赵鸿斌,陆旭甲,等,水溶性磺酸钠苯基卟啉及其金属配合物alton Trans.2001:2370-2375共价与非共价修饰多壁碳纳米管的研究门,化学学报,201169(3)316DELGADO S, MOLINA-ONTORI A, MEDINA M E, et al. An unexpectedsulfinate-sulfonate mixed coordination polymer of copper( Il)J].I2]史娟.白杨素6-磺酸根与AL(D配位作用及荧光性能的研究门有机norganic Chemistry Communications, 2006. 9: 1289-1292匕学,2011,31(2):35-238[3]XIAO H P, LIU B L, LIANG X Q, et al. Synthesis and crystal str[3]欧阳淼,基于磺酸类席夫碱锌、镉配合物的 TG-DTG和荧光性质研uctures of manganese( ll) complexes with the ligands from in situ ov s f河池学院学报,201,31(5:525[14刘光祥,黄荣谊,任小明,等.物{ Cd(bpds)(bp)2]2H2O}n的水热onof2 mercaptonanicotinic acid[n]. Inorganic Chemistry Communication合成、晶体结构和荧光性质研究.无机化学学报,2010,269):1680s,2008,11(1):9-43[4]HU S, HE K H, ZENG M H, et al. Crystalline-State Guest-Exche and Gas-Adsorption Phenomenon for a"sof" Supramolecular Porous F[5欧阳淼,蔡成翔,赵志愿,等.一种双核铜配合物Cu()OBsP)4,ramework Stacking by a Rigid Linear Coordination Polymer[. Inorg Ch4 py) (H2O)(LOb}的合成,晶体结构及表征门人工晶体学报,20em,2008,47(12):5218-5224[16JYANG GG, OU-YANG M, MENG X J, et al. Bis[2-(2-pyridyLmeI5JOU-YANG M, HUANG X R, ZHANG Y L, et al. 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