煤基多聯產中兩種煤氣化工藝的模擬與性能比較

于洪偉（神華新疆吐魯番煤化工有限責任公司，新疆吐魯番10010）

煤基多聯產中兩種煤氣化工藝的模擬與性能比較

于洪偉（神華新疆吐魯番煤化工有限責任公司，新疆吐魯番10010）

煤基多聯產的研究與應用大幅提高了化工產品的附加價值，并有效促進了我國工業產業的發展。本文以煤基多聯產中的Texaco與Shell氣化工藝作為研究對象，通過對煤基多聯產與煤氣化工藝的概念進行闡述，通過建立模型的方法，從多方面多角度對兩種工藝的模擬與性能展開了深入研究。

煤基多聯產；煤氣化工工藝；Texaco氣化工藝；Shell氣化工藝

前言

通過借助Apsen Plus的相關模擬功能，建立Texaco與Shell氣化反應的模型，通過對量匯總煤氣化工藝的過程進行模擬，進而從有效氣體、無效氣體以及冷煤氣率等方面比對了兩種工藝的性能，進而為煤基多聯產中的煤氣化數據的確立提供參考。

一、煤基多聯產與煤氣化工藝簡述

所謂煤基多聯產是指利用從氣化爐等單一設備產生的CO與H2的合成氣體來從事跨部門與跨行業的多方生產，進而促使化工產品與液體燃料具有高附加值的一項大型煤氣化技術。作為實現煤清潔利用的最為有效的方式，煤基多聯產不僅可以提高煤的利用效率，而且對于高附加值產品的制備也具有重要促進作用［1］。而煤氣化工藝則是以煤作為主要燃料，通過借助純氧或水蒸氣等氣化介質，在一定的溫度與壓力下，令煤在介質作用下進行部分氧化反應，進而將其中所含的碳、氫物質轉化為CO、CH4、H2等氣體產物主要成分的反應過程［2］。

二、模型建立

1.模型簡述

氣化過程的模擬主要可分為化學動力學模型與反應平衡模型，但由于前者雖然可以將爐內的氣化過程如實反映出來，但由于建模過程相當復雜，且通用型較差，因此，并不適合于煤氣化工藝的模擬。而反應平衡模型則是以熱力學為基礎，在保持較好的通用性的基礎上，其操作方法也較為簡單，可以對碳轉化率較高的工礦進行準確預測，因此，選取反應平衡型模型用于模擬煤氣化工藝。利用Aspen Plus對煤氣化爐的模擬使得假設條件進行建立，具體條件為：（1）氣化爐內并不存在壓力、溫度梯度，各處壓力與溫度均相同；（2）氣化反應速度較快并達到了反應平衡，各項參數處于穩態；（3）爐內物料顆粒均勻且無明顯差異；（4）爐內氣化劑和煤的反應是在瞬間完成的；（5）原煤中的灰分均為惰性物質，并不參加氣化反應。

Texaco水煤漿氣化爐模擬的計算模型主要包括了水煤漿的制備與供應部分及其加壓的輸送部分、氣化爐的Gasifier模塊與供應氧氣與實現氧氣加壓的的COMB模塊和COMP模塊。水煤漿的制備系統主要是由Mixer、Mix1、Mix2、Screen等模塊構成的，從而制備出滿足實驗濃度與粒度要求的水煤漿。將Pump設定為水煤漿的加壓泵，進而將其加壓至反應所需壓力，利用物料分解模塊COM將煤進行單元素分子的分解，并將分解過程中產生的裂解熱導入后續氣化模塊［3］。Gasifier是模擬軟件Plus中RGbbis的平衡反應器模型，可以利用其求得氣化爐出口處煤氣的主要成分與溫度。

Shell粉煤氣流床氣化爐計算模型主要包括了干煤粉的制備及輸送部分、供應氧氣與對氧氣施壓的COMB和COMP模塊以及水蒸氣供應與氣化爐的Gasifier模塊。其中，干煤粉的制備系統主要由Mixer、Crusher和Screen等部分構成，從而制備出粒度滿足實驗要求的干煤粉。而Shell氣化爐計算模型中的Combd和Comp模塊以及Gasifier模塊的設定與Texaco水煤漿爐內氣化模型相同。

2.參數設定

Texaco水煤漿氣化模型反應物料的設定參數為：氧量為70.5kg/h；煤69.1kg/h；水31.1kg/g；水煤漿的粒徑與氧氣純度分別為d≤100um和p≥95%。而Shell粉煤氣化爐經干燥煤粉作用后，水分僅為2%，并采用氮氣（N2）進行輸送。將粉煤氣化爐內的物料參數設定為：煤62.3kg/h；壓力為13.3MPa；汽煤比0.11；供氧量為57.5kg/h［4］。Texaco與Shell氣化爐的模擬計算采用多種煤種，Texaco氣化物料為水煤漿，粉煤氣化物料為經干燥處理后的煤粉。

三、結果分析

1.氣化性能指標

隨著水煤漿濃度的不斷增加，爐內H2含量基本保持不變，CO含量增加，故有效氣體即CO+H2的含量增加。在合成氣中，水蒸氣與CO2的含量不斷降低，主要原因為水煤漿濃度增加使得Texaco工藝下，氣化爐內的水分不斷減少，而水分氣化的潛熱降低了其自身對爐內燃燒反應所需熱量，降低了氧耗量，故CO2含量下降。此外，水煤漿濃度的增加也使得冷煤氣的效率不斷提高。

2.不同因素對氣化性的影響

（1）水煤漿濃度

作為實際工業生產中的重要參數，水煤漿濃度對于工業性能具有重要影響。水煤漿濃度為：煤的質量/（煤的質量+水的質量），因此，在保持煤和氧氣流量不變的條件下，可通過改變水的流量來改變水煤漿濃度。當水煤漿濃度不斷升高時，合成氣的熱值也隨之升高，主要原因為合成氣中CO與H2含量增加。故在確保氣化爐內的各項參數均滿足相關參數要求的基礎上，在成漿性允許范圍內，盡可能地增加水煤漿濃度，可以有效提高合成氣中有效氣體的含量，進而使得氣化工藝獲得較高的冷煤氣效率及熱值，在實際生產中被工廠認可。

（2）氧煤比

研究氧煤比對氣化性的影響，對于水煤漿氣化爐，應以同類煤作為計算對象，將溫度設置在1370℃并保持不變，氣化壓力與煤耗分別為2.65MPa和69.1kg/h，在保證水煤漿濃度不變的前提下，改變O2的流量，進而達到改變爐內氧煤比的目的。對于粉煤氣化爐，將氣化溫度設置在1500℃并保持不變，氣化壓力與煤耗分別為2.76MPa和62.5t/h，調節氧氣流量從而改變氧煤比。

通過實驗得知，通過提高氧煤比，兩種氣化爐合成氣中的CO和H2均有所下降，但合成氣中的水蒸氣與CO2的含量均有所增加。具體原因為隨著流入O2含量的不斷增加，同數量的煤所獲O2超過了爐內氣化作用所需O2的化學當量比，使爐內的燃燒反應持續性增強，進而使部分CO與H2被反應后的剩余O2所消耗掉，增加了合成氣中水蒸氣與CO2的含量，在實際操作中有指導意義。

四、兩種煤氣化工藝的性能比較

比較Texaco氣化工藝和Shell氣化工藝兩種工藝下氣化爐中的有效氣體、無效氣體、碳轉化率以及冷煤氣效率和氧耗率與煤耗率，結果如下：（1）在有效氣體方面，Texaco氣化爐與Shell氣化爐中的有效氣體即CO和H2的含量分別為84%和90%。由此可知，與水煤漿氣化爐相比，煤粉氣化爐中有效氣體的含量較多；（2）對于兩種工藝下產生的無效氣體，Shell氣化爐合成氣中的無效氣體即CO2與水蒸氣（H2O）的含量僅為2.9%，而Texaco氣化爐中無效氣體的含量則高達16%。由此可知，Texaco工藝下所產生的無效氣體較多，不利于生產。因此，對于應用Texaco氣化爐進行工藝生產的企業而言，需要對其顯熱回收過程進行合理配置，從而降低水蒸氣凝結潛熱而帶來的生產損失；（3）在碳轉化率方面，由于干粉爐的氣化溫度較高（約為1500℃），而Texaco氣化爐的溫度只有1300℃左右，因此，Shell工藝下的碳轉化率要高于Texaco工藝的氣化爐碳轉化率；而對于冷煤氣效率而言，Shell氣化爐也以其82%的冷煤氣率遠遠高于Texaco氣化爐的71%的冷煤氣率；（4）在氧耗率與煤耗率方面，Shell氣化爐的氧耗率（348m3·（10m）-3）與煤耗率580（kg·（10m）-3）均低于Texaco氣化爐的氧耗率（416m3·（10m）-3））與煤耗率651（kg·（10m）-3）。

五、結語

本文通過對煤基多聯產與煤氣化工藝的概念進行闡述，進而建立了Texaco和Shell氣化工藝的模型，并從水煤漿濃度與氧煤比等方面研究了不同因素對氣化性的影響。經分析得知，Shell氣化工藝在有效氣體、碳轉化率等方面均高于Texaco氣化工藝，而在無效氣體與氧耗率與煤耗率等方面又低于Texaco氣化工藝，這是理論方面的結論。但實際生產中Shell氣化設備多，投資大，沒有備用氣化爐，長周期生產不容易保證。我國內實際運行20臺左右，經濟效益不好。Texaco氣化設備少，投資少，有備用氣化爐，檢修量大，雖然氧耗，煤耗高8%左右，碳轉化率低1.5%，但長周期運行有保證。我國內實際運行70多臺，經濟效益良好。經濟效益是企業生存的根本，因此應從實際出發，目前看Texaco氣化工藝更適合我國。

［1］張進春.氣流床煤氣化工藝性能穩健優化與控制研究［D］.長沙：中南大學，Texaco氣化2011.

［2］黃桃花.兩段組合式煤氣化爐優化及流程模擬［D］.上海：華東理工大學，2011.

［3］朱赟.氣流床煤氣化模擬中反應動力學參數的優化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［4］崔勇.煤層逆向燃燒氣化機理及工藝過程模擬研究［D］.北京：中國礦業大學，2014.置，一般而言，檢測點應抽取建筑單體中具有代表性的房間，數量不小于房間總數的5%且應大于3間，當總數小于3間，應對其全部監測；在檢測點數目設計上，一般而言50㎡以下房間設定1個，50—100㎡設計2個，100—500㎡應多于3個，500-1000㎡多于5個，當大于1000㎡需要保證每200-300㎡最少有1個檢測點；檢測點位置的選擇應避開通風口和通風道，采用對角線、梅花狀等方式均勻分布，并采用檢測結果的平均值。其次，在時間選擇上需要進行把握，通常而言，對于竣工的民用建筑，應該最少在工程完工7天后進行環境質量驗收，并對廚房、衛生間進行閉水試驗；當進行室內甲醛、苯、氨以及TVOC物質的檢測時，采用自然風的建筑工程需要在所有門窗關閉1h后進行，而采用集中空調的需要在空調正常運轉下進行檢測；而對于氡的監測，與甲醛、苯等的檢測基本相同，只是采用自然風的建筑工程需要在所有門窗關閉24h后進行。

（2）檢測項目的確定

在樣品的檢測過程中，大多樣品只能進行一次檢測，尤其是與化學試劑反應的樣品，因此，需要根據樣品選擇不同的檢測項目。根據GB18883—2002室內空氣質量標準規定，需要對含有物理性、化學性、生物性以及放射性污染的項目進行檢測，而化學性污染物除了甲醛、苯、氨、TVOC等有毒性物質外，還包括二氧化硫、二氧化碳以及可吸入顆粒物等13項化學性污染物質［5］。

3.特定目的室內環境監測

在某些室內環境監測時，除了常見的污染源和空氣質量監測外，還需要進行一些特定目的的監測，以實現對室內環境更加全面的監測。以通風換氣為目的的室內環境監測時，其監測內容是室內環境的新風量或換氣次數情況，其目的是為了通過科學可行的措施來提高室內空氣的質量。

四、結語

通過科學可行的環境監測技術，對室內環境質量進行監測，對于保護人們的身體健康有著重要作用。為了提高室內環境監測的水平，需要對造成室內環境污染的源頭有著足夠了解，在監測過程中遵循科學的檢測方法，才能保證檢測結果結果的準確性。

參考文獻：

［1］王晨雨.加強室內環境監測創造健康生活環境［J］.科學導報，2014，7：107-107.

［2］劉棟，吳健敏，楊舉華等.我國室內環境監測行業發展現狀及對策研究［J］.河南科技，2013，5：154-155.

［3］陳明佳，蘇振凱.淺談我國室內環境監測與治理方法［J］.科技創業家，2011，7：293.

［4］蔡大文.室內二甲苯污染的兩類情況要點分析［J］.中國科技博覽，2009，8：121-121.

［5］劉廣友.民用建筑室內環境監測問題研究［J］.資源節約與環保，2013，11：54.