不同煤質對干粉煤氣化性能的影響

胡慶橋

(貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

我國具有十分豐富的煤炭儲量，是世界上煤炭第一生產大國[1 ]，隨著科技的發展，煤炭下游產品逐漸的增加，除傳統合成氨工藝外，以合成氣為原料的醇、烴等下游產品的大量產業化為傳統的煤化工注入了新的活力[2]。而隨著國家對環保、能耗不斷提出新的要求，研究和發展清潔、低耗、高效的煤化工技術也成為企業和國家的不斷發展的需求[3]。

目前對煤炭資源可以概括為兩大類，其中一類為直接使用煤的熱能，另一類以煤為原料轉化制備其他清潔能源及化工產品。煤的轉化方式有多種，其中氣化是眾多手段中最為成熟有效的轉化手段，大量的煤化工行業均建立于煤氣化的基礎上。

1 干粉煤氣化操作條件的確定

煤氣化是以煤為原料，通過各類氣化劑將煤或煤焦轉化為生產所需要的氣體混合物[4]，根據煤氣化工藝不同，煤氣化技術可以分為固定床煤氣化技術、流化床煤氣化技術、水煤漿氣化技術和干粉煤氣化技術。由于干粉煤氣化技術具有氣化強大、單爐生產能力大、對煤質的適應性廣等優點，且由于氧耗低、煤利用率高、有效氣含量高，十分適用于合成氨及煤制甲醇工藝[4]。由于不同產地煤質相差較大，為探究不同煤質對氣化性能的影響，根據文獻[5]選用不同產地的煤進行氣化研究，其組成如下表1。

表1 不同煤質的工業分析與元素分析

由于粉煤氣化工藝要求粉煤中含水量低于2%，故在設計水份大于2%的煤均需要干燥處理，取干燥后水份Mad為2%，氣化要求煤氣輸送密度為400kg/m3左右，常用的氣化載氣有N2和CO2，可根據煤氣化產品差異選擇，如煤氣化最終產品為氨，則采用N2為載氣，若最終產品為甲醇則可以采用CO2，此處選CO2為載氣，取粉煤堆密度為1200kg/m3，采用4MPa的CO2載氣輸送粉煤，載氣溫度為80℃，此時載氣的密度為67.71kg/m3，易得粉煤密度與煤/載氣質量比關系如下圖1。

圖1 不同煤/載氣比下粉煤密度 (載氣CO2，溫度80℃，壓力4.0MPa)

由圖1可知，隨著煤/載氣質量比的增加，粉煤的堆密度逐漸增大，當煤/載氣質量比為7.4左右時，粉煤密度為400kg/m3，能夠滿足粉煤氣力輸送要求，故設計中取煤/載氣質量比為7.4。

由于氧氣進料會直接改變煤氣化程度，本研究中設定煤氧比為1.25。

2 干粉煤氣化模型建立

劉斌[6]、李文軍[7]、薛霏霏[8]等人采用Aspen Plus對煤氣化建模過程中將煤氣化過程劃分為熱解和氣化兩個部分，其中熱解部分是將非常規物流煤轉化為以煤元素分析為基礎的常規物流，而后在在氣化部分氣化。在設計中熱解反應器可以選用Ryield反應器模塊或RStoic反應器模塊，其熱解反應通過Aspen Plus內嵌的Fortran程序確定。氣化反應器選用Gibbs自由能反應器，該反應器可以在不知道具體化學反應的條件下自動計算平衡狀態下合成氣的組成和溫度，在設計中可以通過規定合成氣出口組成對反應進行限制。由于煤氣化爐高溫高壓，在計算過程中需考慮氣化爐的熱損，根據相關文獻[9-10]，在設計中規定氣化反應器熱損為進口煤熱值的2%，模型中裂解反應器和氣化反應器之間的能量傳遞及氣化反應器的熱損耗均通過Aspen Plus內嵌Fortran程序實現。由于粉煤氣化發生在高溫、加壓條件下，在設計中選用RK-Save物性方法[11]，具體模擬流程如圖2。

圖2 粉煤氣化模擬流程

圖2中裂解反應器、氣化反應器和分離器構成一個完成的粉煤氣化爐，來自料倉的溫度為80℃，壓力為4.0MPa的粉煤現在裂解反應器內發生裂解，該過程為吸熱過程，熱量由氣化反應器提供。在不影響計算結果準確性的情況下，對裂解模型進行適當的簡化，將載氣直接通入氣化反應器。裂解后的煤在氣化反應器內發生反應，最后未反應的煤及灰分由分離器底部排出，煤氣由分離器頂部排出。

3 結果與討論

采用Aspen Plus分別研究對進料量為85000kg/h情況下，不同煤質對氣化爐反應器出口氣體的影響進行研究，結果如表2。

表2 不同煤質的氣化爐出口氣相組成

由表2可知，在相同的載氣量、煤氧比、操作壓力情況下，煤質對氣化爐出口尾氣的溫度、組成影響較大，當氣化溫度過低，尾氣中甲烷的增加，而高溫氣化雖然使尾氣中的甲烷含量降低了，但會使氮氧化物和二氧化碳含量增加。

圖3 不同煤質對氣化溫度的影響

由圖3可知，在相同的煤/氧比條件下，煤質對氣化溫度影響較大，其中四川攀枝花煤氣化溫度最低，貴州桐梓煤氣化溫度最高，而氣化溫度總體隨煤內碳元素的增加而降低，由于粉煤氣化過程中水含量很低，氣化爐內的主要反應為碳和氧的燃燒反應，當煤/氧比一定量的情況下，煤內炭含量越高，其燃燒越不充分，熱量越少，氣化溫度越低。

圖4 不同煤質對有效氣體流量的影響

對于煤化工產業而言，爐氣中有效氣體成分主要為CO和H2，由圖4可知，在相同的煤氧比條件下，氣化反應器出口有效氣體流量隨煤質不同差異較大，其中四川攀枝花煤氣中有效氣流量最大，貴州桐梓煤氣中有效氣體流量最小。由于有效氣體主要組成為CO和H2，當煤中碳、氫元素之和越高，氣化爐出口氣體中有效氣體流量越大。

圖5 不同煤質對有效氣體物質的量比的影響

由圖5可知，在相同的煤氧比條件下，氣化反應器出口有效氣體物質的量比差異較大，其中山西銅川煤中有效氣體物質的量比最大，廣西百色有效氣體物質的量比最小，有效氣體物質的量比隨著煤質碳/氫比的增加而增加，但廣西百色煤質和貴州桐梓出現異常，這可能主要是由于貴州桐梓煤在高溫氣化過程中部分氫與氧發生反應生成水，造成合成氣中氫氣量降低，從而使合成氣中CO/H2比增加。

4 結論

煤氣化爐設計中，不同煤質對煤氣化爐的性能影響較大，通過研究不同煤質的煤氣化性能發現，在相同的進料條件下，煤質中碳含量越低，氣化溫度越高，合成氣中甲烷含量越低。通過研究煤質中碳氫含量與合成氣中碳氫含量關系發現，相同進料條件下，煤質中碳氫總量越高，合成氣有效成分越多，而煤質中碳氫比也影響合成氣中碳氫物質的量比，煤質中碳氫比越高，則合成氣中碳氫比越高。研究結果對煤氣化爐的設計和實際操作具有指導意義。