煤化工甲醇生產過程中煤氣化工段的模擬

周振興

（神華寧夏煤業集團有限責任公司煤化工分公司質檢計量中心，寧夏靈武750411）

0 引言

煤氣化工段主要是將煤通過一系列物理方法制成水煤漿，然后在氣化爐中反應生成粗合成氣； 然后合成氣進入下一工段變換工段，經過變換反應將過量的CO 反應生成H2，以調節其碳氫比；而精餾工段則是將來自合成工段的粗甲醇經過四塔流程進行精餾，得到高純度的甲醇，其對最終產品的質量有著直接的影響。

1 煤氣化過程原理

煤氣化反應是利用氣化劑和煤中的可燃物在高溫下發生反應，生成CO，H2等可燃氣體的過程。 常用的氣化劑有空氣、氧氣、水蒸氣等。在反應中，有別于傳統煤燃燒過程中通入過量空氣的做法，在煤氣化技術中， 通入的空氣量一般是理論空氣量的1/5 到1/3。 而產物則以CO 和H2為主，過程中只有小部分煤炭參與燃燒反應。

在氣化反應過程中， 煤經歷了一系列復雜的物理及化學變化，其中包括：干燥、熱裂解、焦在氧氣、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、甲烷、一氧化碳等氣體中的氣化與燃燒等。反應速率及程度取決于溫度、壓力、煤種和由氣化爐決定的停留時間、傳質傳熱條件等的影響。

煤氣化過程中包括以下主要反應：放熱反應：C+O2→CO2

吸熱反應：C+H2O→CO+H2

C+CO2→2CO

變換反應：CO+H2O→CO2+H2

總體來看，煤氣化過程是一個強吸熱過程，從熱力學和動力學角度進行分析，高溫有利于氣化反應的進行。 而氣化反應又是個體積增大的過程，所以增加壓力會使化學平衡向相反的方向移動，但是增加壓力可以提高反應速率，增加生產能力，因此應該綜合分析對各方面的影響。

2 氣化爐模擬模型

2.1 Texaco 氣化爐工作原理

氣化工段采用Texaco 水煤漿氣化技術。 Texaco 氣化是一種水煤漿進料的加壓噴流床氣化工藝。

Texaco 水煤漿氣化爐在四周裝有耐火磚襯以承受高溫高壓，采用95%的O2作為氣化劑，操作壓力很高，屬于增壓噴流床氣化，氣化爐由噴嘴、氣化室和激冷室等組成。 其中噴嘴有三個通道，工藝氧氣走一、三通道，水煤漿走二通道。 Texaco 氣化爐的上半部分是氣化區；下半部分是煤氣冷卻區。 在高速氧氣流的作用下，水煤漿通過頂部的噴嘴被完全破碎、霧化，并噴入氣化爐。 然后，在爐內受到耐火襯里的高溫輻射下，迅速預熱，并依次經歷水分蒸發、煤的干餾、揮發物裂解、燃燒及炭的氣化等物理化學過程。 最后，生成主要成份為氫氣、一氧化碳、水蒸汽、二氧化碳等的合成氣。熱的合成氣和熔渣從氣高溫反應區向下進入煤氣冷卻區，合成氣經過冷卻后進入下一單元。

2.2 Texaco 氣化爐模型的假設

利用AsPenPlus 模擬軟件建立Texaco 氣化爐模型時的假設條件：

1）煤漿和氣化劑在爐內瞬間完全混合；

2）煤中的H、O、N、S 完全轉化為氣相；

3）氣化爐內無壓力降，且壓力恒定；

4）煤中的灰分為惰性物質，在氣化過程中不參與反應；

5）水煤漿中的煤粉顆粒溫度均勻，無梯度；

6）所有氣相反應速度都很快，且達到平衡。

2.3 Texaco 水煤漿氣化爐模型

在模擬時， 將氣化爐用三個模塊進行模擬， 分別是RYiekl 反應器、RGibbS 反應器和SEP 分離器。RYield 收率反應器是具有規定反應程度和轉化率的化學計量反應器模型， 它的作用是將煤分解為水、灰份和單元素分子S、O2、N2、C、H2等， 并將裂解熱傳入RGibbe 模塊中。在這里利用Calculator 應用模塊使各元素的轉化率與煤的元素分析數據相對應。 RGibbS 模塊是平衡反應器模型，它利用GibbS 自由能最小原理實現化學平衡和相平衡， 計算得到氣化爐出口溫度及主要組成。SEP 模塊對氣化爐的出口產物進行氣-固分離。

2.4 氣化爐的模擬方法

本模擬中，流股類別設定為MCINCPSD；煤（COAL）和灰分（ASH）定義為非常規組分（Nononconventional）。在非常規組分固體性質中選擇煤及灰分的焓和密度計算模型。 分別選用常用煤的焓模型（HCOALGEN）與密度模型（DCOALIGT）。 在煤的焓模型選擇欄中，Option Codes Value下的Heat of Combustion 要手動輸入為6， 即將HCoMB 設定為User input value，其它數值取默認值1。 灰分的焓模型及密度模型均選擇默認值1。

此外，在Properties/Paramcters/Pure Component 下面需要新建目標HEAT，選擇類型為HCOMB，并輸入數值來規定煤的發熱量。

3 流程介紹

煤漿與高壓氧氣按照一定的氧煤比進入氣化爐，在高溫高壓下反應而產生合成氣（CO、H2、CO2等）。 氧氣通過燒嘴的中心管和外環管，煤漿通過燒嘴的中環進入氣化爐。

煤中的灰份在高溫下熔融，熔渣與熱合成氣一起離開氣化爐燃燒室從反應室順流向下進入氣化爐下段激冷室，被激冷水淬冷后合成氣溫度降低至約223℃。熔渣迅速固化并產生大量蒸汽，被水蒸汽飽和并夾帶少量飛灰的合成氣從激冷室上部合成氣出口排出。氣體與從噴嘴噴出的洗滌水混合，完全潤濕夾帶的固體顆粒后進碳洗塔T01，再沿下降管進入底部水浴內。碳洗塔為板式塔，合成氣穿過水層，固體就沉入水中。 而后送至變換工段。

4 模擬結果及分析

模擬中選用的煤的特性數據見表1 和表2。

表1 工業分析

表2 元素分析

表3 煤氣化工段出口物流結果

煤氣化段出口物流模擬結果及其與實際物流數據的比較見表3。關鍵組分的相對誤差都小于3%。可見，本文所建模擬流程良好地表達了實際的生產過程。 并且可以在此基礎上對關鍵操作參數進行分析。

下面，對氣化工段主要操作參數做靈敏度分析：

（1）氣化壓力的影響

在其它條件保持定值的情況下，改變氣化壓力，模擬結果如表4所示。 從表中可以看出，對整個煤氣化反應體系而言，由于溫度比較高，氣化壓力在2MPa 以上變動時對煤氣化反應幾乎沒有影響。 但對于實際生產過程，氣化壓力提高，單位時間可獲得的氣體量增加，產能相對有所增加。 所以氣化壓力應略大于2MPa。

表4 氣化溫度及各組分組成隨壓力變化分布

（2）氧煤比的影響

其它條件保持定值的情況下，改變氧煤比，模擬結果如圖1：

圖1 氧煤比對氣化溫度的影響

氧煤比的增加，就意味著氧氣流量的增加，從而導致燃燒反應量的增加，進而氣化爐溫度升高。 氣化爐溫度升高，使氣化反應加劇。 然而，因為氧氣流量的增加，加快了燃燒反應，使CO 和H2更多的被燒掉了，但是CO 和H2的絕對量是增加的，所以提高了粗煤氣熱值和碳轉化率。 隨著碳的燃燒反應，CO2的量也有所增加，水蒸汽含量也增加了，所以H2和CO 的含量相對降低，CO2和H2O 的含量升高。 因此，雖然氣化溫度的升高使氣化反應加劇了，但是有效氣體成分卻減少了。

圖2 氧煤比對有效氣體摩爾百分比含量的影響

如圖1 和圖2 可見，隨著氧煤比的增加，煤的氣化溫度升高，煤氣中的有效氣體含量（CO+H2）先升高后降低，并且拐點對應的最佳氧煤比為0.62。

4 結束語

本文對煤氣化工段建立的流程模擬良好地表達了實際的生產流程，并通過分析解決了生產中遇到的問題。 其成果可以總結為幾點：

4.1 煤氣化工段模擬結果與實際檢測值吻合良好；

4.2 為保證較高的碳轉化率和產能， 氣化爐操作壓力應略大于2MPa；

4.3 氧煤比應在0.62 左右。

［1］張子鋒，張凡軍.甲醇生產技術[M].北京：化學工業出版社,2007.

［2］姚佩芳，房鼎業，朱炳辰.多段原料氣冷激型甲醇合成塔的定態模擬[J].華東化工學院學報, 1990，(4)：401-407.

［3］應衛勇，房鼎業，朱炳辰.大型甲醇合成反應器模擬設計[J].華東理工大學學報,2000，（1）：5-9.