粉煤气化炉的模拟计算及其分析

工艺优化.石油化工设计Petrochemical Design2008,25(1) 29~33粉煤气化炉的模拟计算及其分析亢万忠(中国石化集团公司宁波技术研究院,浙江宁波315103)摘要:文章在分析粉煤气化反应机理的基础上,建立数学模型,并采用PRO- l软件对4套投产运行的粉煤气化炉的物料、热量进行核算和分析,确立了粉煤气化炉物料和热量平衡的计算方法。关键词:粉煤;气化炉;数学模拟水煤浆气化和粉煤气化作为两个主要的煤气CO+ H20= CO2+H2-Q化技术被广泛应用于冶金、化工、城市煤气等领CH4+ H20= CO+3H2+Q域。粉煤气化技术因其氧耗低、对煤种适应性广、S+Q2=SO2+Q气化效率高而被认为是今后气化技术的主要发展SO2 + 3H2= H2S+ H20-Q方向。近年来,国内粉煤气化技术、工艺、设备、控2H2+ O2 = 2H2O+Q制的研究和工程化均取得了长足进步。随着采用从上述各反应式可以看出,煤炭中的C、S.0壳牌粉煤气化技术的4套化肥改造项目在国内相等主要元素都参与了化学反应,其中的N会与H2继投产,进一步丰富了国内粉煤气化工程化经验。反应生成NH3和HCN。因NH3和HCN生成量较为进- -步消化和探索粉煤煤气化的机理,使各装少,为简化计算模型,本文仅考虑上式中主要的化置能够适应煤种操作条件发生变化的影响，优化学反应建模。粉煤气化炉的反应温度很高(1400操作,本文旨在采用PRO- I流程模拟软件,通过~ 1700 C),介质的反应速度一般都很快,停留时建立气化炉数学模型,对粉煤气化炉系统的物料、间较短(3~ 10 g),但因气化炉内的流场(温度场、热量平衡进行计算和分析,以达到指导设计和优压力场、浓度梯度等)复杂,存在返混、回流等较多化操作的目的。不定因素,上述各反应不会完全达到化学平衡，而且反应程度各不相同。为反映各反应与化学平衡1粉煤气化炉数学模型的建立-般认为粉煤气化由两个过程组成,第- -步之间的偏差,在计算模型中采用平衡温距进行补是煤的氧化，第二步是煤的反应。第一步反应释根据天然气、渣油.脱油沥青、水煤浆等非催放出的热量用于第二步的吸热反应:即化部分氧化工艺数学模型的经验,本文通过选择C+02= CO2+Q合适的化学反应机理、热力学方法、平衡温距,即2C+ CO2+ H20=3CO+H2-Q可建立粉煤气化炉的物料、热量计算数学模型。式中:Q-反应热。通过对该模型的反复核算、分析、完善和改进,可在气化炉中,高速喷人的粉煤和氧气迅速进行燃烧和反应,少量的蒸汽也参与反应,其主要的收稿日期:2008 -01 -9。反应包括:作者简介:亢万忠(1965- -),男,陕西凤翔人。1986 年C+02=CO2-Q .中国煤化工b炼制专业,教授C+ Co2 =2C0+Q波技术研究院执IMYH.CNMHG.化技术研究。C+ H20=CO+H2+Q联系电话:0574- 87975058C+2H2=CH4-Q●30石油化工设计第25卷使该模型能够反映不同进料状况下的气化炉产物2。 A装置加入反吹氮气1200 kg/h。B装置加入特性,从而达到指导设计和生产操作的目的。下反吹氮气1050 kg/h。C装置加入反吹氮气1050面将利用该模型对4套典型的粉煤气化装置进行kg/h。 D装置采用合成气反吹。模拟计算和分析。表1各装置原煤规格 .w,%装置_A湿含量6.024套粉煤气化装置的模拟计算及其分析元素含量,干基2.1计算的基本流程69.37 69.3771.0 61.72根据干煤粉气化的特点,结合国内现有装置H4.1.12.97 3.423.5 3.54.82.5和干煤粉气化工艺流程开发的实际，确定粉煤气1.0.92 0.914.3 4.3 0.42 1.33化基本流程如图1所示。粉煤采用氮气进行密相.a0.03 0.030.01 0.01输送,为降低灰融点,在磨煤阶段加入适量的石灰灰分7.6 17.619.630.1石。经预热的氧气在添加少量蒸汽后与粉煤进入表2各装置进料量气化喷嘴,气化炉采用水冷壁结构回收中压蒸汽，B__CD_气化产生的废渣经水冷后排出,离开气化炉顶部温度/心30800压力/MPa4.4.2的含灰分的合成气经急冷气冷却到900 C后在合流量/(kg*h-1) 82620 83052 83664 45864_成气冷却器中依次过热中压蒸汽和产生中压蒸滥度/C&8石灰石压力/MPa.2汽,合成气最终被冷却到340C经干灰过滤除去流量/(kg"h-1)140424847920 3672_灰分后进入洗涤塔,经洗涤、冷却后40 C的合成温度/T180180 180氧气压力/MPa4.25 4.25气部分压缩后作为急冷气,其余以产品送出界区。流量/(kg:h-I)__ 68256 6897666384 3988840000300 300。_石灰石蒸气压力MPa5.1.35.07 5.1流量/(kg:h-1)_69129047056 1440氧气一?+[气化炉]←. 蒸汽温度/CBFW-5 >C水冷壁0 +中压蒸汽氮气压力/MPa4.2 4.2冷却水流量/(kg:h-)__ 7992_ 82088784 475263C[渣冷却]C流分]合成气及灰2.3计算结果采用上述数学模型[即前述的化学反应(1)-(11) ,并考虑各反应不同的平衡温距],对A、B、C、❻。⑨000C◎饱和汽+C回收热量一过热汽D装置的气化炉进行物料热量平衡计算后,得到C压缩[回收热量5↑-13FW图1所示各物流的操作条件、组成和热力学数据,____ 340t↓0现将各装置粗合成气、急冷气、水冷壁和合成气冷却产品气去界区[洗涤塔]C流分]--灰份器产汽量灰渣的核算数据对比列于表3~表8。Ho2.4计算结果分析图1壳牌煤气化基本流程(1)对于A装置,从表8可以看到，进出气化2.2计算条件炉的碳、氧量基本平衡,进口碳量比出口小在计算中,氧气浓度为99. 6%，其余为氩0.25%,氧量小0.79%。该装置气化炉进料0/C0.4%。石灰石量取进入磨煤机的量,煤量按进入摩尔比 1.047,从表3~表7的模拟计算结果看,粗.烧嘴的粉煤量减去石灰石量计算,并取其湿含量合成气的组成及流量与原设计值非常吻合。粗合(质量分数)为2%,氮气、氧气和蒸汽量取进人烧成气q中国煤化工2.61%,原设计嘴的量。气化炉水冷壁热损为2.09 GJ/h,废锅热.值为8YHCNMHG值为26.17%，损按总热量的2.5%考虑,产汽排污量为3.5%。原设计值为 26.0% ,C0摩尔分数计算值和原设计各装置的原煤规格见表1,各装置的进料量见表值相同,为56.4% ,粗合成气中CO2摩尔分数计算第25卷亢万忠.粉煤气化炉的模拟计算及其分析●31●值为3.22%,原设计值为3.5%,粗合成气流量计算值为22619.74 kg/h,比原设计值大6.1%;废锅算值为310168.52kgh,比原设计值小0.08%。气产 过热蒸汽量计算值为126382.21 kg/h,比原设计化产蒸气量也比较接近。水冷壁产饱和蒸汽量计值大0.6%。表3 A装置与B装置的粗合成气和急冷气核算对比粗合成气:原设计值/计算值急冷气:原设计值/计算值项目A装置B装置温度/C340/340169/168.07208206.20压力(绝)/MPa4.06/4.064.14/4. 144.14/4.14流量/(kg*h-') .310428/310168.52321984/320215.11158256/158256168048/168048物料组成(体积分数),%H26.0/26.1725.5/25.9223.7/23.9723.3/24.18co56.4/56.4457. .4/58.1551.4/51.7152.4/54.26CO23.5/3.223.4/2.803.2/2.953.1/2.61N4.6/4.634.7/4.734.5/4.246.9/4.42A0.1/0.110.10.10CH40/0.01H08.2/8.217.6/7.0015.9/15.91 .13.1/13.22HS1.1/1.101.2/1.171.0/1.011/1.09COS0.13/0. 100.1/0.10表4 C装置粗合成气、循环气和D装置粗合成气.急冷气核算对比粗合成气循环气(C装置)急冷气(D装置)项目原设计值/计算值调整工况原设计值/计算值调整工况原设计值/计算值调整工况C装置D装置C装置/D装置209/209.05209.05200/208.4208.44.144. 14/4.14流量/qg*h-1 320220/316128.47 163008/157367.70 319029 .49/152677.74 165816/ 16581616581679128/7909279092h22.972.6022.3/24.1222.67/24.1121.1/21.0921.1420.722.372.4362.0/64.46 .60. 1/52.6762.14/60.3757.2/60. 1657.9455.9/48.8456.16C23.01/0.544.3/10.52.86/2.22.8/0.502.674.0/9.732.535.14/5.104.9/5.065.09/5.065.2/4.764.754.8/4.704.710.11/0.110.1/0.140.120.120.110.1/0.13.11aH0/0.060.01/0.020/0.050.010/0H2O6.77.007.8/7.056.98/7.1513.28/13.213.2614.0/13.81 .3.630.12/0.120.4/0.410.12/0.410.4/0.38).380.02/0.010.1/0.040.01/0.040.01/0.010.04表5 A、B.C、D 装置水冷璧和废锅产蒸汽核算对比水冷壁产饱和蒸汽废锅产过热蒸汽A装置.B装置C装置 D装置| C装置D装置A装置B装置C装置 D装置C装置D装置271/270.66 270.65/269.5 270.66 269.5400/4000 400/4000 400/400 400/4000 400 400压力(绝)/MPs 5.6/5.6 /5.6/5.5 5.6 5.5 | 5.3/5.3 5.3/5.3 5.3/5.3 5.1/5.1| 5.3 5.121312/125640/114012/ 17000 57780/流量(gh-1)22619.742001.93/52637.65 15505.71 18728.75126382.21 117851 .69 91876.22 90972.1101097.32 58525.42表6 A.B.C.D 装置气化炉主要参数对比反应炉温度/1600/16001600/1569.951500/150016001500压缩前急冷气温度/C160/157200/195.24200/197.91200/197.8198.01197.4急冷后粗合成气温度/心/884.7/886.20中国煤化工852.9冷却单位渣耗水量/g*kg~'43.7/42.953.8/42.454.6/39.61冷却后渣温度/C63/6373/739/YHC NMH G_56石油化工设计第25卷表7 A.B、C、D装置灰、渣量核算对比项目原设计值/计算值调整工况A装置B装置C装置D装置|C装置 D装置 A装置B装置 C装置 D装置|C装置 D装置温度/C1600/1600 600/1600 60569.9 101000 1600 1500 340/340 340/340 340/340 340/340 340 340压力/MPa 4.1/4.1 4.1/4.1 4.1/4.1 4.1/4.1 4.1 4.1 4.06/4.06 4.06/4.06 4.06/4.06 4.06/4.06 4.06 4.0612708/ 12672/ 15696/ 9432/18143.94 13031.734392/6133.78 4396.48流氧/(gh~") 12616 13017.87 155.95 13013.024235.32 4464.59 6151.80 4363.23碳(质量分数),%<1/1 <1/1 <1/0.6 <1/0.3 0.5_ 0.4 | <5/5 <5/4.3 <5/2.8 <5/1.4 2.5 2.1表8各装置碳、氧和灰渣量核算结果出口灰渣量计算值比原设计出口灰渣量大2.2%，装置B进出口是完全平衡的。进口碳鼠/(gh-1) 160.66 109852.2 148.6 5755.6(3)对于C装置,从表8原设计进出气化炉出口碳量(kg*h-I) 10928.8 11080.4 136.125662.4进口比出口,%-0.25-0.94-5.4碳、氧量衡算结果看,碳量基本平衡,进口碳量比进口氧量(grh-) 1741.04 100.44169807280.106出口小0.94%,氧量差别较大,进口氧量比出口小出口氧量(kg+h-I) 678.822 176385.92 1703.44 899.16-0.79-3.5-2.4-2.12.4%,进料0/C 摩尔比较A、B 装置都小,为进口灰渣量(g*h-') 156.2 1679.1323831.7817127.321.002,从表4~表7模拟计算结果看,计算值与原出口灰渣量/(kg~h~-) 171002120412904-8.6+12.+32.5设计值相差很大。气化炉温度原设计值为从原设计进出口灰渣衡算结果看，进口灰渣1600C,计算发现气化炉温度最高只能达到量比出口灰渣量小8.6% ,这可能是专利商为充分1569.95C ,粗合成气中有效气摩尔分数计算值为考虑排灰渣能力而放大设计的结果。从模拟计算87 .06% ,原设计值为84.9%,其中H2摩尔分数计结果看,气化炉出口灰渣量计算值比原设计出口算值为22.6%，原设计值为22.9%,co摩尔分数灰渣量小3.7%,灰渣中含碳量分别按1%和5%计算值为64. 46% ,原设计值为62.0%,粗合成气中CO2摩尔分数计算值为0.54%,原设计值为考虑时,进出口是完全平衡的。(2)对于B装置,从表8看原设计进出气化炉3.01 % ,粗合成气流量计算值为316128 .47kg/h,比碳氧量衡算结果较A装置差别更大,进口碳量比原设计值小1.3%;废锅产过热蒸汽量计算值为.出口小2%,氧量小3.5%,进料0/C摩尔比为91876. 2kg/h,比原设计值小21.5%。以上计算结1.040。从表4~表7模拟计算结果看,粗合成气果表明气化炉进料中02量偏低。参照A.B装置的经验,将气化炉进料中02量的组成及流量与原设计值吻合情况较好,H2和CO提高,使0/C摩尔达到1.044,重新进行计算,其结等主要成分最大误差3.8%。粗合成气中有效气果见表4~表7中的调整工况数据。可以看出粗摩尔分数计算值偏高,为84.07%, 原设计值为合成气组成、流量以及水冷壁、废锅产蒸气量计算82.9%,误差1.4%。,其中H2摩尔分数计算值为结果得到很大改善。计算结果中气化炉温度提高25. 92% ,原设计值为25.5% , CO摩尔分数计算值到1600,粗合成气中有效气摩尔分数为偏高,为58.15% ,原设计值为57.4% ,粗合成气中84.81%.，其中H2摩尔分数为22.67%,C0摩尔分CO2摩尔分数计算值偏低,为2.80%,原设计值为数为62.14%, 粗合成气中CO2摩尔分数为3.4% ,粗合成气流量计算值为320215.11kg/h,比5.09%,以上结果与原设计值非常吻合。粗合成原设计值小0.5%。废锅产过热蒸汽量计算值为气流量计算值为319029 .49kg/h,比原设计值小117851 .69kg/h,比原设计值大3.4%。以上结果虽0.4%。水冷壁产饱和蒸汽量为15505.71 kg/h;废然较装置A拟合性差,但计算值与原设计值差距锅产中国煤化,比原设计值小不算大,基本吻合。从原设计进出气化炉灰渣衡算结果看,进口TYH.CNMH G算结果看,进口.灰渣量比出口小2% ,这也应是专利商加大排渣系灰渣量比出口大12.4%是不合理的,从模拟计算统设计能力的体现。从模拟计算结果看,气化炉第25卷亢万忠.粉煤气化炉的模拟计算及其分析灰渣量大12.8%,因此,模拟计算进出口灰渣量是进出口灰渣 量极不平衡,进口灰渣量比出口大平衡的。32.5%,从模拟计算结果看,出口灰渣量计算值比(4)对于D装置,从表8原设计气化炉进出原设计出 口灰渣量大34.4%,进出口灰渣量基本碳、氧量衡算结果看,原设计值进出口碳、氧量相平衡。差较大,进口碳量为53755.56kg/h, 比出口小(5)对于渣冷却水量,由原设计值看,A装置5.4% ,进口氧量为88080. 16kg/h,比出口小2.1%，每千 克渣由1600C冷却到63C耗冷却水43.7kg,进料0/C摩尔比为1. 167,比其他均高出较多。从核算值为 42.9kg/kgo B装置每千克渣由1600C冷表4~表7模拟计算结果看,计算结果与原设计值却到73C,耗冷却水53.8kg,核算值为42.4kg/kgo相差很大。粗合成气中有效气摩尔分数计算值为C装置每千克渣由1600C冷却到79C,耗冷却水76.79% ,原设计值为82.4% ,其中H2摩尔分数计54.6kg,核算值为40.6kg/kgo D装置每千克渣由算值为24. 12% ,原设计值为22.3% ,CO摩尔分数1500C冷却到66C,耗冷却水45.8kg, 核算值为计算值为52.67% ,原设计值为60. 1% ,粗合成气39.57kgkg。具体见表6。从以上数据可以看到，中Co2摩尔分数计算值为10.5%,原设计值为A装置耗水量低,其他装置耗水量高。从模拟计4.3% ,粗合成气流量计算值为157367 .70kgh,比算结果看,A装置计算值与原设计值比较吻合。原设计值小3.5% ;水冷壁产饱和蒸汽量计算值为.52637.65kgh;废锅产过热蒸汽量计算值为3结论90972. 17kg/h,比原设计值大57.4%。以上计算结(1)对于A.B.C、D四套装置核算表明。A和果表明气化炉进料中02量偏高。B装置进出气化炉的碳、氧量基本平衡,流程模拟参照A、B装置的经验将气化炉进料中02量计算结果与原设计值非常吻合。C装置原设计物提高,使0/C摩尔达到1.042, 重新进行计算,其结料衡算结果以及流程模拟计算结果表明进料中的果见表4~表7中的调整工况数据。可以看出粗氧气量偏低。D装置原设计物料衡算结果表明进合成气组成流量以及水冷壁、废锅产蒸气量计算出气化炉的碳、氧量不平衡,从流程模拟计算结果结果得到很大改善。计算结果中气化炉温度提高看,气化用氧气量偏大。由原设计值看A装置和到1500, 粗合成气中有效气摩尔分数为B装置进出气化炉的渣量较平衡,C装置和D装置84.48% ,其中H2摩尔分数为24.11%, CO摩尔分进出气化炉的渣量相差较大。数为60.37% ,以上结果与原设计值非常吻合,合(2)采用本文建立的数学模型,对粉煤气化炉成气中CO2摩尔分数为2.72%,原设计为4.3%。进行物料 热量计算是可行的，本文选择的气化反粗合成气流量计算值为152677.74kgh, 比原设计应机理热力学方程是合适的。值小6.34%。废锅产过热蒸汽量为58525.42kg/(3)本文仅对四套装置的原设计数据进行了h,比原设计值多1.29%。核算和分析,应通过对装置实际操作数据的核算从表7原设计进出气化炉灰渣衡算结果看,和分析,进-步完善和优化该计算模型。●石化在钱.2007年全国乙烯生产能力9.985Mt乙烯产量10.278Mt2007年全国乙烯生产能力达到9.985Mt。全行业乙烯生产能力9.185Mt:中国石化6.295Mt;中国石油2.71Mt;盘锦乙烯180kt/a;中海壳牌0. 80Mt。2007年全国乙烯产量约10.278Mt。2007 年乙烯行业(乙中国煤化工由+盘锦)全年乙烯产量超过了9.40Mt,为9.447Mt,增长率为10.47%。其MHCNMH G5.73%;中国石油2.58Mt,增长率为26.52% ;盘锦0.1718Mt,增长率为- 4.84% ;中海壳牌0.831Mt。〈全国乙烯工业协会)2008 -02 - 12