煤氣化工藝研究

胡慶橋

(貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002)

我國煤炭資源儲量豐富，是世界上第一生產大國[1]，隨著科技的發展，我國煤化工行業逐漸由傳統煤化工向清潔、低耗、高效的新型煤化工行業發展，近年來隨著清潔煤化工、新型煤化工等概念的提出[2]，傳統的煤化工行業將面臨全新的改變，其中煤氣化技術作為煤化工的最前端其將直接影響后續的生產，傳統的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[3]。其中粉煤氣化技術由于其適應性廣、煤利用率高、氧耗低、水耗少等優點在煤化工行業中越來越受到重視[4]。

1 干粉煤氣化操作條件的確定

為探究不同操作條件對粉煤氣化工藝的影響，根據文獻[5]選用貴州桐梓煤進行氣化研究，其組成如下：

表1 貴州桐梓煤煤質工業分析與元素分析[5]

由于干粉煤氣化涉及粉煤輸送，若粉煤中含水量過高會造成影響粉煤運輸，貴州桐梓煤含水量過高，需對原料煤進行干燥預處理，使之干燥到含水量在2%以下，以滿足輸送需求。

在使用Aspen對粉煤氣化計算過程中，煤作為非常規組分，不能直接參與反應，根據相關文獻[6]，需先對煤進行裂解，根據其元素分析結果將其轉化為對應單質，而后進行氣化反應。其中粉煤干燥器、裂解器均采用化學計量反應模塊，氣化反應器采用吉布斯自由能反應模塊，灰渣分離器采用分離模塊[6]。根據相關文獻[7-8]，煤氣化過程中的系統存在一定的熱損耗，其值一般為進料煤熱值的2%，在模擬中需進行考慮。煤氣化過程中的熱損耗、煤的干燥、裂解等過程均由Aspen內嵌Fortran模塊實現。粉煤氣化過程是一個高溫高壓的反應過程，可以選用RK-Save、PB-RM[6]等物性方法都能夠較好的描述氣化過程，根據相關文獻，本模型選用RK-Save為計算物性方法。粉煤氣化流程模擬流程見圖1。

圖1 粉煤氣化模擬流程

來自料倉的粉煤在干燥器內被干燥至含水率2%后進入氣化爐，氣化爐由裂解反應器、氣化反應器及灰渣分離器組成。在裂解爐內99%的煤裂解為對應的元素，而后在氣化反應器內發生氣化反應。為簡化模型，在計算中將氣化劑及載氣直接通入氣化反應器，氣化最終產物在灰渣分離器內實現氣、渣分離，未反應的煤及灰渣自底部排出，合成氣自頂部排出。

2 結果與討論

2.1 載氣量及載氣類型對貴州桐梓粉煤氣化過程的影響

為探索不同載氣量及載氣類型對貴州桐梓粉煤氣化過程的影響，以60t/h干煤為基準，在煤/氣化劑(95%氧，5%氮)質量比為1.95的條件下分別考察了載氣類型及煤/載氣比對煤氣過程的影響。

圖2 煤/載氣比對氣化溫度的影響

由圖2可知，在相同煤/氧化劑質量比的條件下，隨著煤/載氣質量比的增加，氣化溫度逐漸增加，在相同的煤/載氣質量比的條件下，氮載氣的氣化溫度遠高于CO2載氣的氣化溫度。這是由于在粉煤氣化過程中，反應是以氧主導的系列氣化反應過程，氮氣在整個氣化過程中為惰性組分，而二氧化碳氣體則可與煤中的碳進一步反應生成一氧化碳，該反應過程為典型的吸熱過程，故當在恒定煤/氣化劑質量比的條件下，以二氧化碳為載氣的煤氣化溫度低于氮氣，且載氣量越小，溫差越小。

圖3 煤/載氣比對有效氣體物質的量比的影響

由圖3可知，當氮為載氣時，合成氣中有效氣體組分(CO/H2)物質的量比較穩定，基本不隨煤/載氣質量比變化而變化，而當以二氧化碳為載氣時，合成氣中有效氣體組成物質的量比隨著煤/載氣質量的增加而迅速降低。當煤/載氣比大于8.5以后，隨著煤/載氣比的進一步增加，合成氣中有效氣體組分(CO/H2)物質的量比變化趨緩。

圖4 煤/載氣(CO2)比對有效氣體流量及含量的影響

圖4為以CO2為載氣情況下煤/載氣比對和合成氣中有效氣體流量及含量的影響，由圖4可知，當CO2為載氣時，隨著煤/載氣質量比由6.0增加至10.0時，合成氣中有效氣體體積分數由0.945增加至0.955，而有效氣體物質的量流量則由4340kmol/h降低至了4263kmol/h。

圖5 煤/載氣(N2)比對有效氣體流量及含量的影響

圖5為以N2為載氣情況下煤/載氣比對和合成氣中有效氣體流量及含量的影響，由圖5可知，當N2為載氣時，隨著煤/載氣質量比由6.0增加至10.0時，合成氣中有效氣體體積分數由0.860增加至0.889，但合成氣中有效氣體物質的量流量變化極小，僅增加2kmol。

2.2 氣化劑量對貴州桐梓粉煤氣化過程的影響

為探索氣化劑用量對貴州桐梓粉煤氣化過程的影響，以60t/h干煤為基準，在煤/載氣質量比為7.69、載氣分別為N2、CO2條件下研究不同氣化劑流量對煤氣過程的影響。

圖6 煤/氣化劑比對氣化溫度的影響

由圖6可知，當煤/氣化劑質量比為1.4～1.75時，隨著氣化劑的減少，煤氣化溫度迅速減低，在此階段，載氣類型對氣化溫度影響較小，隨著氣化劑的進一步減小，氣化溫度變化趨勢逐漸趨于平緩，但氣化劑類型對氣化溫度影響顯著增大，在相同條件下氣化溫差由30℃迅速擴大至249℃，且成持續過大趨勢。

圖7 煤/氣化劑比對有效氣體物質的量比的影響

由圖7可知，隨著氣化劑流量的減少，合成氣中有效氣體(CO/H2)物質的量比呈現先減少后增加大趨勢，當煤/氣化劑質量比為小于1.9時，以二氧化碳為氣化劑所獲得的合成氣中有效氣體(CO/H2)物質的量比大于以氮為載氣的氣化過程，隨著氣化劑的減少，以氮為載氣的氣化合成氣中有效氣體(CO/H2)物質的量比迅速增加。

圖8 煤/氣化劑比對有效氣體物質的量比的影響(CO2為載氣)

圖8為以CO2為載氣情況下煤/氣化劑比對和合成氣中有效氣體體積分數及物質的量流量的影響圖，由圖8可知，隨著氣化劑的減少，合成其中的有效氣體體積分數及物質的量流量均呈現先增加后減小的變化趨勢，其中當煤/氣化劑質量比為1.83時，合成氣中有效氣體流量達到最大4405kmol/h，此時合成氣有效體積分數為0.95。

圖9為以N2為載氣情況下煤/氣化劑比對和合成氣中有效氣體體積分數及物質的量流量的影響圖，由圖9可知，隨著氣化劑的減少，合成其中的有效氣體體積分數及物質的量流量也呈現先增加后減小的變化趨勢，其中當煤/氣化劑質量比為1.75時，合成氣中有效氣體流量達到最大4324kmol/h，此時合成氣有效體積分數為0.91。

圖9 煤/氣化劑比對有效氣體物質的量比的影響(N2為載氣)

圖10 煤/氣化劑比對合成氣中甲烷的影響

由圖10可知，隨著氣化劑的減少，合成氣中甲烷流量隨著氣化劑的減少而增大，當煤/氣化劑質量比小于1.7時，合成氣中的甲烷含量均低于3kmol/h，而隨著氣化劑的進一步減少，合成氣的甲烷含量迅速增加，在相同質量氣化劑的條件下，以氮為載氣的氣化過程生成的甲烷量遠大于與二氧化碳為載氣的氣化過程。

3 結論

載氣類型在一定程度上影響了粉煤氣化性能，當載氣為氮氣類惰性氣體時，載氣量對煤氣化性能的影響較小，若載氣為CO2等可發生反應的介質時，載氣量對煤氣化性能的影響較大，在實際設計中可以根據后續產品需求合理選擇載氣的類型及流量。氣化劑用量直接影響煤氣化性能，隨著氣化劑的減少，粉煤氣化溫度迅速降低，而后變化趨勢趨于平緩，而合成氣有效氣體(CO/H2)體積比量隨著氣化劑的減少呈現先降低后增加的狀態，在煤/氣化劑質量比為1.75～1.9之間存在最小值，而合成氣有效氣體(CO/H2)摩爾分數及有效氣體體積流量隨著煤/氣化質量比的增大呈現先增加后減小的狀況，而合成中甲烷的量則隨著煤/氣化劑質量比的增加逐漸增加，當煤/氧比大于1.75時，甲烷的生成量迅速增加。故在實際設計過程中可以通過調整氣化劑對合成氣的組成、物質的量比進行調整，以滿足后續工序生成需求。