利用Aspen Plus 對粉煤氣化與水煤漿氣化過程的模擬分析

張曉光，蘇 麗，王志欣，馮盛丹，李 平

（寧夏大學化學化工學院，寧夏銀川 750021）

煤炭氣化是煤炭高效潔凈利用的有效途徑。以干粉煤或水煤漿為原料，以水蒸汽和純氧作為氣化劑的氣流床煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤氣化的核心技術(shù)之一，對煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化具有重要的意義。以Aspen Plus為模擬工具對煤氣化過程進行模擬具有以下意義：（1）對整個煤氣化過程進行分析，尋找到最優(yōu)操作點[1]，以用于實際生產(chǎn)的指導和優(yōu)化；（2）為煤氣化工藝提供數(shù)據(jù)支持，及對優(yōu)化設計具有一定的指導意義[2]；（3）預測合成氣的組成和污染物的排放[3]；（4）對裝置設計、工藝操作提供數(shù)據(jù)支持。

煤氣化的實質(zhì)就是將煤中的C、H 轉(zhuǎn)化為清潔燃料氣或合成氣（CO+H2）的過程。氣化爐中的氣化反應是一個十分復雜的體系，其中的主要反應是煤中的碳與氣化劑中的氧、水蒸氣及二氧化碳等的反應，也有碳與產(chǎn)物以及產(chǎn)物之間進行的反應。在氣化爐內(nèi)，煤炭經(jīng)歷了干燥、熱解、氣化三個過程。

煤在氣化過程中，第一階段的反應以揮發(fā)分的燃燒為主，當氧氣消耗殆盡后，氣化過程將以氣化產(chǎn)物與殘?zhí)康臍饣磻獮橹鳎饕ㄒ韵路磻?/p>

（1）揮發(fā)分的燃燒反應

（2）焦炭的燃燒反應

（3）焦炭的氣化反應

（4）揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化反應

本研究利用Aspen Plus 軟件，建立粉煤氣化和水煤漿氣化兩種模型，參照某氣化車間實際操作參數(shù)，分別對寧夏寧東礦區(qū)三種不同煤樣進行氣化模擬，并將模擬計算結(jié)果與實際工業(yè)生產(chǎn)得到的合成氣組分進行對比。模擬用煤與實際用煤的煤質(zhì)檢測數(shù)據(jù)（見表1）。

1 粉煤氣化過程模擬

1.1 模型的建立及物性方程的選擇

對粉煤氣化過程的建模選擇RYield（收率反應器）和RGibbs（平衡反應器）兩個模塊反應器來進行模擬，Ryield 的主要功能是將粉煤分解成單元素分子（純元素C、S、H2、N2、O2、Cl2） 和灰渣（Ash），并將裂解熱（QDcomp）導入反應模塊[3]。煤炭是非常規(guī)組分，模擬中將粉煤通過RYield 反應器裂解轉(zhuǎn)化為單元素的分子后，再與氣化劑、氧氣一同進入RGibbs 反應器進行煤炭的氣化反應。用Heater 換熱模塊對爐氣進行冷卻以便后續(xù)工段的處理。粉煤氣化模擬流程圖（見圖1）。

圖1 粉煤氣化模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of powdered coal gasification

氣流床氣化過程是在高溫高壓下進行的[4]，因此選用RK-SOAVE 方程比較適合本次模擬的工藝過程。選用HCOALGEN 焓模型計算煤的焓，選用DCOALIGT模型計算煤的干基密度。進料的粉煤則作為非常規(guī)組分Nonconventional 來對待。

1.2 粉煤氣化模擬

粉煤氣化裝置氣化爐操作條件為：壓力約4 MPa，氣化溫度1 450 ℃～1 650 ℃。某粉煤氣化爐主要原料的工藝指標（見表2）。根據(jù)實際工況選擇氣化模型的模擬條件為：壓力4.0 MPa，溫度1 450 ℃，煤粉進料量70 t/h，水蒸氣量2.0 t/h，氧氣量43 000 m3/h。模擬結(jié)果（見表3）。

表2 實際工況主要原料Table.2 Main raw material in the actual operating conditions

表1 煤質(zhì)檢測數(shù)據(jù)Table.1 Proximate and Ultimate Analysis of Coals

表3 粗煤氣組分的比較（V%）Table.3 Comparison of contents in the raw gas（V%）

圖2 Aspen plus 水煤漿氣化模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification

模擬所用原料煤與生產(chǎn)實際用煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)接近，但模擬用煤為單一煤種，煤質(zhì)相對穩(wěn)定，工業(yè)生產(chǎn)中則經(jīng)常通過配煤達到生產(chǎn)要求煤質(zhì)，產(chǎn)物組分在一定范圍內(nèi)波動。由表3 模擬結(jié)果可見，氣化模擬產(chǎn)生的粗煤氣組分基本都在實際生產(chǎn)的數(shù)值范圍內(nèi)，說明模擬結(jié)果合理，與實際工況符合較好。

2 水煤漿氣化過程模擬

2.1 水煤漿氣化模型的建立

水煤漿氣化過程模擬需要利用混合器將水和煤粉充分混合后經(jīng)加壓泵送入裂解器中，然后進行氣化。其主要反應模塊與粉煤氣化差別不大，在物性方程的選擇上也基本相同，不同的是在進料物流中增加了水這一流股，并對其進行了相關(guān)設置。

2.2 水煤漿氣化過程模擬

參照某企業(yè)水煤漿氣化車間的實際工況參數(shù)設定了氣化模擬的主要指標，具體參數(shù)（見表4）。對氣化過程進行模擬。

表4 水煤漿氣化模擬工況與實際工況主要指標Table.4 Raw material consumption and process parameters

由表5 可見，三種煤在成漿濃度均為60 %的情況下模擬氣化過程，產(chǎn)生的粗煤氣中H2的含量較高，有效氣體（H2+CO）的總含量與實際工況的對比分析，結(jié)果（見表6），可見模擬計算結(jié)果與實際生產(chǎn)狀況吻合較好。

表5 水煤漿氣化模擬結(jié)果（V%）Table.5 Simulation results of coal water slurry gasification（V%）

表6 合成氣中有效氣體含量對比（V%）Table.6 Comparison of key contents in the synthesis gas（V%）

3 模擬結(jié)果分析

通過對與實際生產(chǎn)煤種煤質(zhì)基本相同的三種不同煤采用不同的氣化方式進行模擬，其模擬計算結(jié)果與實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粗煤氣中各氣體組分基本接近，表明模擬中所選擇的模型是適合的。從表7 模擬結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)：對于同樣的煤種，粉煤氣化過程所生產(chǎn)出來的煤氣中有效合成氣含量明顯高于水煤漿氣化過程；且粉煤氣化與水煤漿氣化產(chǎn)物中H2與CO 比差別較大，故不同氣化方式的產(chǎn)物適合不同化工產(chǎn)品合成時原料氣的生產(chǎn)。

表7 兩種氣化過程模擬有效氣體對比（V%）Table.7 Comparison of key contents from two gasification methods（V%）

4 結(jié)論

煤氣化過程的大型化已成為煤化工的一個重要發(fā)展趨勢，對大型煤氣化過程進行計算機模擬，是深刻理解過程本質(zhì)，實現(xiàn)優(yōu)化設計、優(yōu)化操作的有效手段[5]。文中建立了粉煤及水煤漿氣化爐模型，并采用現(xiàn)場裝置的實際運行數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性，對實際生產(chǎn)過程能夠提供有用的理論支持。

［1］ 彭錦.高灰分劣質(zhì)煤氣化特性研究［D］.重慶：重慶大學，2012：2-10.

［2］ 劉娜.新疆部分煤炭氣化過程的模擬優(yōu)化［D］.新疆：新疆大學，2012：23-37.

［3］ 張宗飛，等. 基于Aspen Plus 的粉煤氣化模擬［J］.化肥設計，2008，46（3）：14-19.

［4］ KONG Xiangdong，ZHONG Weimin，DU Wenli and QIAN Feng.Three Stage Equilibrium Model for CoalGasification in Entrained Flow Gasifiers Based on Aspen Plus［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2013，21（1）：79-84.

［5］ 陳倩，等.水煤漿氣化過程的計算機模擬［J］.計算機與應用化學，2012，29（12）：1425-1428.