基于Aspen Plus的多元料漿氣化工藝模擬與分析

陳羅剛，馬亞軍，張衛(wèi)鋒

（1.陜西延長石油延安能源化工有限責任公司，陜西延安 727500；2.榆林學院 化學與化工學院，陜西榆林 719000）

我國是一個煤炭資源相對豐富的國家，煤炭在我國能源體系中有著不可替代的作用。煤炭的大量使用在很大程度上滿足了國民經濟的發(fā)展需要。但是，我國煤炭直接燃燒約占煤炭總消耗量的80%左右[1]，這樣不僅浪費資源，而且排放出大量粉塵以及二氧化硫等污染物，對生活環(huán)境造成嚴重污染。而以煤炭氣化為代表的潔凈煤技術則是降低污染物排放、實現煤炭潔凈高效利用的重要舉措。

1 多元料漿氣化過程簡述

多元料漿氣化屬濕法氣流床氣化技術，是指以石油焦、煤或煤液化殘渣等為原料，與水、添加劑、pH調節(jié)劑經研磨制成黏度300~700mPa·s、濃度60%左右的料漿，再經加壓后噴入氣化爐在高溫、高壓的條件下，與純氧發(fā)生一系列復雜的分解、氧化、還原反應，生成以CO、CO2、H2為主的粗煤氣。該法碳轉化率約98%，有效氣（CO+H2）干基含量約80%左右[2]。延安能化氣化裝置采用的水煤漿加壓氣化技術屬多元料漿氣化工藝的特定型式，氣化過程中發(fā)生的主要反應見表1。

表1 氣化過程中主要反應

2 多元料漿氣化過程建模

Aspen Plus是一款功能強大的集化工設計、穩(wěn)態(tài)模擬等于一體的大型流程模擬軟件，其以完備的物性數據庫、完整的單元操作模塊、簡單靈活的操作界面等優(yōu)勢，在各大設計院、化工廠及工程公司中被廣泛使用。

2.1 組分規(guī)定

水煤漿氣化過程涉及高溫、高壓下的多相湍流與復雜的化學反應，組分較多。在Aspen Plus中，定義H2O、N2、O2、CO、H2、H2S、CO2、C、CH4等為常規(guī)組分，選擇其組分類型為Conventional；定義煤（COAL）、灰分（ASH）為非常規(guī)組分，選擇其組分類型為Nonconventional。煤質分析數據如表2所示。

表2 煤質分析數據 %（w）

2.2 物性方法

物性方法選擇是否合適對模擬結果是否準確起重要作用，選取不同的物性方法，得到的模擬結果可能大相徑庭。水煤漿氣化過程中所產生氣體多為非極性或弱極性氣體，在Aspen Plus中 一 般 選 擇RENG-ROB、PR-BM或RKS-BM的物性方法，本次模擬選擇PR-BM物性方法。煤的焓模型選用HCOALGEN，密度模型選用DCOALIGT。

2.3 氣化過程模塊分析

Mixer模塊模擬水煤漿制備。氣化爐內水煤漿的氣化過程分解為裂解單元與反應單元，分別用RStoic模塊、RGibbs模塊模擬，其中RStoic模塊是把水煤漿在RStoic模塊中通過Fortran語句控制分解成C、H2、O2、N2、S、CL2、水分和灰分，然后將分解產物送入RGibbs反應器，利用吉布斯自由能最小化原理對氣化產物進行預測。后續(xù)平衡反應器REquil糾正實際平衡溫度與理論平衡溫度的偏差，從而對模擬結果進行修正[3]。最后Mixer模塊對氣化產物進行混合。

2.4 氣化過程流程模擬

通過以上模型分析，結合工藝流程圖，建立多元料漿氣化過程的模型如圖1所示。模型中設備、位號及功能如表3所示。本文針對設計工況進行模擬，其主要模擬參數為：水煤漿進料量96 474kg/h，水煤漿濃度60%、氧氣流量 54 990.18kg/h，氣化壓力6.5MPa。

圖1 多元料漿氣化過程模型

表3 模型中設備、位號及功能

2.5 模擬結果與分析

氣化爐燃燒室出口粗煤氣（PRODUCT）為氣化產品，所以通過粗煤氣分析可以判斷該模型的精度。粗煤氣組成及誤差分析（干基）見表4。

表4 粗煤氣組成及誤差分析（干基）

由上表可以看出，模擬值與設計值相差不大，誤差分析在工程上是可以接受的，由此說明該模型具有較高的精度。

3 關鍵控制參數對氣化結果的影響

3.1 水煤漿濃度

保持水煤漿進料量96 474kg/h，氧煤比0.95，氣化壓力6.5MPa，通過改變煤量和水量，使水煤漿濃度56%~ 66%，運行程序得到不同水煤漿濃度下的模擬結果，如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，當水煤漿濃度由56%提高至66%時，粗煤氣溫度升高，粗煤氣主要組分中CO濃度升高，H2、CO2、H2O濃度呈下降趨勢，但有效氣（CO+H2）濃度持續(xù)升高。水煤漿濃度提高，水分含量降低，水分蒸發(fā)所消耗的熱量降低，使得粗煤氣溫度升高。由于受到氣化爐溫度升高及煤漿中水分減少的影響，導致CO2還原反應增強，同時促進了變換反應的左移，綜合影響后CO濃度升高，H2、CO2濃度 降低。

圖2 水煤漿濃度對粗煤氣主要組分的影響

圖3 水煤漿濃度對粗煤氣溫度的影響

一方面受制于磨煤及水煤漿輸送技術水平限制，另一方面煤漿濃度升高后反應溫度上升，對氣化爐的材質要求提高，爐磚損耗也加劇，因此，水煤漿濃度不能控制過高。根據我廠氣化裝置多年運行經驗，煤漿濃度控制在60%~64%較為經濟合理。

3.2 氧煤比

保持水煤漿進料量96 474kg/h、水煤漿濃度60%，氣化壓力6.5MPa，通過改變氧氣流量，使氧煤比0.5~1.5，運行程序得到不同氧煤比下的模擬結果，如圖4和圖5所示。

圖4 氧煤比對粗煤氣主要組分的影響

圖5 氧煤比對粗煤氣溫度的影響

從圖4和圖5可以看出，當氧煤比由0.5增大至1.5時，粗煤氣溫度逐漸升高。對于粗煤氣主要組分CO、H2濃度先升后降，CO2濃度先降后升，H2O含量逐漸上升，有效氣（CO+H2）濃度先漲后降。隨著氧煤比逐漸增加，爐內溫度上升，進而造成水煤氣反應右移，CO和H2生成量增大。當C消耗殆盡時，氧氣流量繼續(xù)增大，部分CO和H2與之發(fā)生燃燒反應，由于O2與H2反應速率大于O2與CO反應速率，結果導致H2濃度先降低，粗煤氣中H2O含量迅速升高。當O2過量到一定程度后CO消耗增多，導致CO2濃度升高。為了確保氣化爐安全運行，杜絕過氧事故發(fā)生，我廠設置了“氧煤比高、高高”停車聯(lián)鎖。

3.3 氣化壓力

保持水煤漿進料量96 474kg/h，氧煤比0.95，水煤漿濃度60%，通過改變氣化壓力，使氣化壓力0.5~6.5MPa，運行程序得到不同氣化壓力下的模擬結果，如圖6和圖7所示。

圖6 氣化壓力對粗煤氣主要組分的影響

圖7 氣化壓力對粗煤氣溫度的影響

從圖6可以看出，在其他工藝參數不變的情況下，改變氣化壓力對氣化反應生成的粗煤氣組分和溫度基本沒有影響。在工業(yè)生產中，氣化壓力往往由裝置的設計生產能力及下游的配套工藝決定。對延安能化氣化裝置而言，選擇6.5MPa等級的氣化壓力，既能節(jié)省甲醇合成煤基氣壓縮的費用，又能提高產能[4]。

4 結論

本文利用Aspen Plus軟件建立了水煤漿氣化模型，并進行了模擬計算，其模擬結果與設計值吻合較好，所建模型準確可靠。基于此模型，分別分析了水煤漿濃度、氧煤比和氣化壓力對粗煤氣的影響。結果表明：水煤漿濃度提高，粗煤氣溫度升高，有效氣（CO+H2）含量增加；氧煤比增加時，粗煤氣溫度升高，有效氣（CO+H2）含量先升后降，存在最大值；改變氣化壓力對生成的粗煤氣基本沒有影響，但當壓力增大時，可以節(jié)省下游甲醇合成煤基氣壓縮的費用。