单喷嘴干煤粉气化炉的模拟与分析

2011年39卷第1期广州化工●45●科学实验单喷嘴干煤粉气化炉的模拟与分析*马银剑' ,刘万洲' ,罗永恒' ,罗春桃' ,雍晓静' ,代正华2 ,刘海峰”(1神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司,宁夏灵武750411;2华东理工大学洁净煤技术研究所，上海200237)摘要:以 Aspen Plus软件为模拟工具,选择反应平衡模型,应用Gibbs自由能最小化方法建立干煤粉气化炉模型并进行模拟研究。模拟分析了气化炉的主要参数(压力、氧煤比和燕汽煤比)对气化结果的影响,结果表明:压力增加可使甲烷含量增加,蒸汽煤比氧煤比是影响粗煤气出口温度和组成的主要因素。关键词:Aspen Plus;干煤粉;模拟Simulation and Analysis of Single Nozzle Dry Pulverized Coal Gasifier*MAYin-jian',LIUWan-Zhou',LUOYong-heng',LU0Chun-tao',YONG Xiao- jing', DAI Zheng- hua2，LIU Hai - feng2(1 Shenghua Coal Chermistry Industry Co.，Ningxia Coal Group Co.，Ningxia Lingwu 750411;2 Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract: Taking the Aspen Plus software as the simulation tool , by selecting the reaction balance model and usingthe minimizing method of the Gibbs free energy, the pulverized coal gasification model was established, and the gasifica-tion property was simulated and studied. The effects of the main working parameters on the performances of the gasifierwere analyzed, such as pressure, oxygen ●coal ratio and steamv●coal ratio. The obtained results showed that whetherpressure increased, the methane content would be rising, the temperature and components of raw syngas were greatlyeffected by oxygen●coal ratio and steamv●coal ratio.Key words: Aspen Plus; pulverized coal gasification ; simulation煤气化技术是实现煤清洁利用的有效途径,同传统的直接化的 目的;②辅助设计以及解释说明实验数据;③预测合成气的燃烧相比提高了煤的利用率，降低了污染物的排放。干煤粉气组成和污染物的排放[4]。化技术的核心是组合烧嘴和水冷壁,粉煤在0~50mm粒径下用1气化机理高压CO2输送,与纯氧和少量水蒸气经炉体顶部喷嘴进人炉膛，在高温(1 350~1 650 C)、高压(4.0~4.2 MPa)下进行部分氧气流床气化过程是煤炭在高温下的相热化学反应过程极为化反应,以CO、H2为主要成分的粗合成4 (和炉渣进人反应室底复杂,可能进行的化学反应很多。部激冷室,经高压水激冷后,粗合成气降温至约200C接近饱1.1粉煤的干 燥、裂解及挥发物的燃烧和,进入下游洗涤系统，固化成玻璃状的渣粒通过锁斗系统排出，溢流出的激冷水送至污水处理系统。粉煤的碳转化率可达由于气流床气化反应温度很高,煤颗粒受热速度极快,可以99%以上,煤气中甲烧含量极少(CH <0. 01% (q)) ,不含重烃，认为煤颗粒中的残余水分瞬间快速蒸发,同时加速脱除挥发分，合成气中CO+H2高达90% (φ)以上,冷煤气效率在80%以上生成半焦和气体产物( CO、H2、CO2、H20、CH4、COS、H2S及其他(依煤种及操作条件的不同有所差异)”。碳氢化合物C_H)。在富含氧气的条件下,气体产物中的可燃Aspen Plus是- -种通用的化工过程模拟、优化和设计软件,成分(CO H2、CO2、H20、CH、COS、H2S、C_H.)与氧气迅速发生在物料和热量平衡、相平衡、化学平衡及反应动力学基础上,燃烧反应,并放出大量的热,维持气化反应的进行5。Aspen Plus提供了大量的物性数据、严格的热力学估算模型库和可能存在的反应有:丰富的过程单元模型库,可用于各种类型的过程工业流程的模中国煤化工D2 + (n/2)H20(1)拟(2-3] ,在了解可靠的热力学数据、流程操作参数和设备模型的YHCN MH G+(n/2)H(2)情况下,工厂实际生产流程可用Aspen Plus模拟。Aspen Plus对(3)煤气化过程进行模拟具有以下意义:①对整个煤气化过程进行2H, + 02 =2H20(4)分析,寻找到最优操作点,提高整个过程的热效率,达到过程优CH, + 202 =2H20 + CO2(5)●基金项目:国家科技支撑计划项目(项目编号:2007BAA08B01)。作者简介:马傲剑所蒴-) ,男，理学硕士,现从事煤气化研究工作。E - mail:4393754@ qq. com●46.厂州化工2011年39卷第1期.1.2固定炭 与氧气的反应用PR - BM方程计算物质的相关热力学性质。PR - BM方在高温条件下,脱除挥发分的煤粉颗粒或半焦中的固定炭程多用于气体加工、炼油和化工方面等工艺过程的计算。适用的体系为非服性或弱极性混合物,如烃类及CO2、H2、HS等轻气与气化剂进行反应:(6)体。该方程尤其适用于高温、高压条件,如烃类加工、超临界萃取等。本文将要计算的流化床煤气化工艺是在高温、高压下进2C +O2 =2C0(7)行的,气化产生的组分多为轻气体，因此PR - BM方程是比较适1.3固定炭 与水蒸气进行氧化还原反应合本工艺过程的。C+H0=H2 +CO(8)2.2气化过程模型简化C+ 2H20=2H +CO2(9)通过煤气化过程分析,可以将其理想地分为煤的裂解和煤1.4生成的气体 与固体颗粒的反应.的燃烧( Burm)2个过程。裂解过程利用Decomp模块模拟,它是高温的半焦颗粒与反应生成气的反应:-个仅计算收率的简单反应器Ryield。Ryield的主要功能是将C+ CO2 =2CO(10)粉煤分解成单元素分子(纯元素C、S、H.N、O、C)和灰渣(Ash),C +2H, =CH4并将裂解热( QDecomp)导入Bum模块。Decomp模块同时还考虑礙的不完全转化，裂解后生成未燃尽碳( UBC)。Burn模块采2气化炉模型用Cibbs反应器单元进行模拟,它是一一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器,在同时考虑热损失(Qlosso)的前提下求得气化2.1 热力学方程用AspenPlus软件计算时,-般将所涉及的组分分为常规炉的出口组成(粗合成气、Ash)和温度。煤气化的模拟流程见图组分和非常规组分两大类。非常规固体组分是指不同种类的固1。模拟过程中Coal、Ash定义为非常规组分,生成的粗合成气包体混合物。Aspen Plus 对这类物质作了简化处理,认为它不参与括C0、H2、CO2、CH、Ar、N、NO、H2S、COS.H20 02、HCl、HCN等化学平衡和相平衡,只计算密度和焓。AspenPlus--般用气体成分。HCOALGEN模型来计算煤的焓,这个模型包含了燃烧热标准生DECOMP成焓和热容的不同关联式。本文选用的关联模型见表1。.Q 1.055<- 0C0表1选用的关联模型热力学函数关联模型D-C0AQUSRAW CAS-燃烧热Boie关联四}-。JISSLAC HO-四标准生成焓燃烧热基础上的关联PRODL.CT00]-STEAN热容Kirov 关联FUED-图1煤气化模型示意焓计算的基准为1.013 25 x 10 Pa,298. 15 K下组分的标准态。用DCOALIGT模型计算煤真实的干基密度。煤的焓和密度2.3模拟结果 与文献数据比较计算都要用到煤的特性数据,如:工业分析数据、元素分析数据和硫分析数据回。计算所采用的煤组成数据见表2。表2煤组成数据工艺分析w./%元索分析w/%wAFvCHNClI2.0013.1057.3129. 5968.233.4513.930.570.670.05表3 Aspen plus软件模拟结果与干煤粉气化炉的文献值比较续表Aspen计算值文献值HCI0.006 30.007 8温度/C1 451.301 450.00H2058.9759.79 .压力/MPa4.204.20.从表3中可以看出,除了CH4、HCl等微量组分模拟偏差较粗合成(摩尔百分比H29.459.03大外,其中国煤化工co29.8229. 373改YHCNMH切的影响CO21.511.473.1气化压力 的影响CH,0.00610.005 3在氧煤比和蒸汽煤比保持定值的条件下,改变气化压力,模H2S0. 0920.093拟结果见表4。2011年39卷第1期广州化工●47●表4气化压力比对 干粉煤气化反应的影响1460-气化气化粗合成气摩尔百分比组成(湿基)/%1455- ,压力温度1450-/MPa /CH2COCH4H2SHCI1 1452.30 9.468 29.8341.5030.00034 0.0916 0.00635 1451.33 9.445 29.8081.508 0.00860 0.0915 0.006 31435-10 1451.95 9.376 29.739 1.523 0.03360 0.0914 0.00630.03 0.040.05 0.06 0.0蒸汽煤l比/(kg/kg5 1454.59 9.269 29.635 1.543 0.07160 0.0912 0.0063图4蒸汽煤比对气化温度的影响20 1458.49 9.138 29.5071.567 0.11822 0.0909 0.00630.935由表4中可以看出,对整个煤气化反应体系而言,由于温度比较高,气化压力对温度反应几乎影响不大，微量组分H2S、HCl0.930-也不发生变化,随着气化压力的升高,氢气和- -氧化碳的量有所三0.925-减少,甲烷的生成量会提高,但对于实际生产过程,气化压力提8 0.920-高,单位时间可获得的气体量增加,使产能增加。3.2 氧煤比的影响0.9150.910-氧煤比是煤气化的-一个重要操作条件,它对煤气化性能的影响可见图2、图3。0.03 0.04 0.05 0.06 0.07蒸汽煤比/(kg/kg)2000圄5蒸汽煤比对有效气体组分摩尔 百分比含量的影响18001600在较低的蒸汽煤比条件下,气化温度较高,抑制了水煤气的变换反应此时CO + H保持较高的浓度,当蒸汽煤比增加时,变换反应加剧,H2 + CO2量会增加, CO减少。隨蒸汽煤比的增加1200气化温度略有降低,但是蒸汽量过多增加气化负荷,并且造成蒸汽的浪费。10000.300.350.400.450.500.550.604结论氧煤比/(Nm'kg)(1)用Aspen Plus软件模拟干煤粉气流床气化技术,能够合图2氧煤比对气化温度影响理预测煤气中关键组分的浓度，但对CH,、HCl等微量组分的模拟结果不理想，模型计算中未将微量组分CoS、NH,、HCN、NOx0.967的详细结果列入。0.94-(2)用Aspen Plus软件模拟操作条件的改变对气化性能的区0.92-影响,计算结果比较符合实际，可用于指导生产。0.90-(3)文中建立的模型还有需要进一一步完善的地方,比如目前兰0.88所考虑的气化炉热损失是否合理,没有考虑粗煤气中微量物质，”0.86-需进步验证煤种和运行条件不同时,对气化炉最佳平衡参数范围的影响等。0.84-0.821030 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60参考文献氧煤比/(Nm'/kg)[1] 崔意华,袁普录加压气流床气化技术工艺分析[J].煤炭转化,2008,31(1);:93 -9s.图3氧煤比对有效气体摩尔 百分比含量的影响2] 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(4) :27 -33.由图2、3可见，随着氧煤比的增加，气化炉的温度呈上升趋[3]中国煤化工auide. USA: Aspen Technology,势['6) ,而煤气中有效气体体积组分(CO + H2)先增加后降低。在氧煤比为0.46时,有效气体成分达到最高,继续增加氧煤比其[4]fYHC N M H G的機批[J].上海化工,2006,61含量迅速降低,导致冷煤气效率降低。(8):10-13.3.3蒸汽煤比的影响5] 许世森，张东亮，任永强.大规模气化技术[M].北京:化学工业出版社2005:11-14.蒸汽煤比对气化性能的影响见图4、图5。6]张宗飞,汤连英,日庆元等基于Aspen Plus的粉煤气化模拟[J].化肥设计,2008 ,46(3):14 -18.