基于Aspen plus研究气化参数对新疆阜康干粉煤加压气化过程的影响

赵雯婷

中国成达工程有限公司　成都　610041

基于Aspen plus研究气化参数对新疆阜康干粉煤加压气化过程的影响

赵雯婷*

中国成达工程有限公司成都610041

摘要借助Aspen Plus模拟软件，应用Gibbs自由能最小化方法建立新疆阜康干粉煤加压气化模型。研究了气化参数氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比对气化性能的影响。氧煤比增加有效气(CO+H2)含量存在最大值；蒸汽煤比的增加，合成气中有效气(CO+H2)和CO含量减少，CO2和H2含量增加。二氧化碳煤比对合成气组成影响不大。

关键词Aspen Plus干粉煤加压气化气化参数模拟

煤炭转化为气体燃料的技术有固定床、流化床、气流床，而目前制合成氨、甲醇等大多采用间歇式固定床煤气化技术，此技术对原料要求严格、能耗较高、污染严重。采用气流床对现有煤气化技术进行改造，可以提高煤的利用率，降低污染物的排放，实现煤炭的清洁高效利用，提高煤化工行业的能效和清洁生产水平[1-3]。

利用AspenPlus软件对新疆阜康干煤粉加压气化进行模拟，通过计算，分析操作参数氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比对煤气化效率的影响，寻找最优操作点，以提高气化效率，达到过程优化的目的。

1煤气化模拟模型的建立

1.1模拟的假设条件

根据粉煤气化工艺和反应机理，利用AspenPlus软件建立粉煤气化炉模型需考虑以下假设条件：

(1)气化炉处于稳定运行状态，所有的参数不随时间发生变化。

(2)气化剂与粉煤在炉内瞬间完全混合。

(3)煤中的H、O、N、S全部转为气相，而C随条件的变化不完全转化。

(4)气化炉内的压力相同，无压力降。

(5)原煤中的灰分为惰性物质，在气化过程中不参与反应。

1.2物性参数的选择

在用AspenPlus进行模拟计算时，一般将组分分成非常规组分和常规组分两大类。对于常规组分，包括常规固体组分(即组成均匀，有确定分子量的固体)，用RK-Soave方程计算物质的相关热力学性质。RK-Soave方程适用于非极性或弱极性的组分混合物，以及高温、高压条件。本文气流床煤气化工艺是在高温、高压下进行的，气化产生的组分多为烃类及CO2、H2S、H2等轻气体，因此RK-Soave方程适合本工艺过程。

非常规固体组分是指不同种类的固体混合物，定义煤为非常规组分。AspenPlus对这类物质作了简化处理，认为它不参与化学平衡和相平衡，只计算密度和焓。一般用密度模型DCOALIGT计算煤的干基密度，焓模型HCOALGEN来计算煤的焓，这个模型包含了燃烧热、标准生成焓和热容的不同关联式，其计算以煤的特性数据：工业分析数据、元素分析数据和硫分析数据为计算基准。

1.3煤气化模型的建立

新疆阜康干粉煤加压气化工艺主要是由磨煤与干燥、煤气化及气化产物处理三部分组成。针对这三个流程段，用AspenPlus对其进行模拟，其流程见图1。

原料煤经磨煤(Crusher模型)破碎到规定粒径后，送Dry-reac(RSTIOC模型)干燥到含水量为2%(wt)后，与氧气、蒸汽一起经组合喷嘴进入到压力为4.0MPa的气化炉内，在很短的时间内完成干燥、热解、燃烧、气化过程，反应产生高温合成气。煤气化反应分为煤的裂解和燃烧。煤的裂解采用DECOMP模块(RYield模型)，将非常规固体煤按照质量平衡分解为常规的单质形式 (C、S、H2、N2、O2、C12)和灰渣，并将裂解热导入Gasifier模块(RGibbs模型)，此模型是利用Gibbs自由能最小实现化学和相平衡，通过Gasifier模块求得气化炉出口合成气的温度与成分。最后通过Ashsep模块(Sep模型)将气化炉出口产物进行气-固分流。

图1　干粉煤加压气化模拟流程

2气化参数对模拟气化结果的影响

2.1气化工艺条件

本次模拟分析选用的煤种为新疆阜康煤，其特性数据见表1。

表1　煤的工业分析和元素分析(干基)　(W%)

煤的变形温度(DT)为1260℃，软化温度(ST)为1270℃，半球温度(HT)为1275℃，流动温度(FT)为1280℃。

为保证煤粉流动特性，煤粉颗粒尺寸分布：90%(重量比)小于或等于90μm；最大10%(重量比)小于5μm。

气化操作条件为：气化压力为4MPa，干粉煤含水量为2%(wt)，干粉煤进料量为2000t/d，采用二氧化碳作为干煤粉输送气体。

2.2氧煤比的影响

采用AspenPlus软件模拟干粉煤加压气化，在保证蒸汽煤比一定，其他操作参数不变的情况下，改变氧煤比值，研究气化炉出口合成气组成和温度的变化情况，其运算结果见图2～5。

图2　氧煤比对合成气温度的影响

图3　氧煤比对合成气组成的影响

图4　氧煤比对H2含量的影响

图5　氧煤比对CO2含量的影响

从图2可知，随着氧煤比(Nm3氧气/kg干煤)由0.3增加到0.65，气化反应加剧，反应放热量增加，合成气温度逐渐升高，在蒸汽煤比为0.1kg/kg时，合成气温度由852.1℃上升至2212.6℃；当氧煤比为0.5Nm3/kg，合成气出口温度为1343.5℃，高于煤的灰熔点，保证气化炉能够液态排渣。

从图3、4可知，随着氧煤比的增大，合成气中有效气(CO+H2)和H2含量先升高后降低，当氧煤比为0.5Nm3/kg时，有效气含量最大。氧煤比的增大使得燃烧反应加强，释放大量热，而煤气化反应为吸热反应，温度升高导致气化反应平衡点向右移，碳与水蒸气反应生成的煤气CO和H2，其反应式：

C+H2O→CO+H2

C+2H2O→CO+2H2

当增加到一定值时，气化炉内过剩的氧气导致燃烧反应的急剧加强，即多余的氧气使更多的CO和H2燃烧生成CO2和H2O，有效合成气含量开始降低。

从图5可知，在蒸汽煤比一定的情况下，合成气中CO2的含量随着氧煤比的增加先减少后增加。这是由于随着氧煤比的增加，气化温度逐渐升高，抑制了变换反应：

CO+H2O→CO2+H2

使得CO2的含量降低。随着氧煤比进一步增大，过量的O2促使更多的CO燃烧生成CO2，导致其量增加。在蒸汽煤比为0.1kg/kg时，CO2的含量最低为2%。

2.3蒸汽煤比的影响

水蒸气作为气化剂，一方面使煤气化反应得到加强，合成气中有效气的含量减少；另一方面能够降低气化系统的温度，使气化温度不至于太高。在保证氧煤比为0.5Nm3/kg，其他操作参数不变的情况下，改变蒸汽煤比值，研究气化炉出口合成气组成和反应温度的变化情况，结果见图6。

从图6可知，随着蒸汽煤比的增加，合成气中的有效合成气和CO的含量逐渐减小。当蒸汽煤比较低时，气化炉的气化温度较高，有利于煤中的碳与气化剂O2，水蒸汽和H2、CO2等作用，发生煤气化反应，另外碳与产物之间也会发生反应，生成H2、CO2、CO、CH4等，此时CO含量相对较高。且此时的气化温度较高，抑制了变换反应，

图6　蒸汽煤比对合成气组成的影响

CO保持较高的浓度。随着蒸汽煤比增大，气化炉的气化温度降低，不利于气化反应的进行，而变换反应得到加强，CO和H2O反应生成CO2和H2，体系CO含量降低而H2和CO2含量增加。同时，蒸汽煤比较低时，气化煤气中的H2含量增加主要取决于CO含量的多少。两者综合导致合成气有效气含量和CO含量随蒸汽煤比的增大而减小，CO2和H2含量随蒸气煤比的增大而增加。在保证气化炉不超温的情况下可以尽量降低蒸汽加入量以得到更高的有效气成分。当氧煤比为0.5Nm3/kg，蒸汽煤比为0.1kg/kg时，合成气中有效合成气最高达到93.3%，CO的摩尔分数最高67.6%，H2的摩尔分数25.7%。当蒸汽煤比增至0.5时，总的有效气降为74%，CO的摩尔分数逐渐降至44.4%，H2摩尔分数渐增至29.6%。

2.4二氧化碳的影响

干煤粉输送采用加压密相输送专利技术，粉煤用密封料斗法升压(即间断升压)，常压粉煤经变压仓升压进入工作仓(压力仓)，其压力略高于气化炉，粉煤用二氧化碳经喷嘴夹带入炉。干煤粉加压气化系统可保证输送过程中干煤粉不易堵塞，干煤粉输送连续、平稳、均匀、脉动小，满足干煤粉加压气化装置系统的运行要求。

干煤粉输送气可采用氮气或二氧化碳，针对本项目后续产品为甲醇，采用二氧化碳作为输送气，以减少氮气作为杂质带入后续系统，同时二氧化碳也可在气化炉中部分转化为有效气一氧化碳。若后续产品为氨时，应采用氮气作为输送气，以减少后续氮气消耗。

二氧化碳作为干煤粉输送气，一方面起到干煤粉输送作用，另一方面其自身也能部分转化为有效气一氧化碳。在保证氧煤比为0.5Nm3/kg，蒸汽煤比为0.1kg/kg，其他操作参数不变的情况下，改变二氧化碳煤比值，研究气化炉出口合成气组成的变化情况，其运算结果见图7。

图7　二氧化碳煤比对合成气组成的影响

从图7可知，随着二氧化碳煤比的增加，合成气中的有效合成气、CO、H2和CO2的含量基本不变。由于输送气二氧化碳气量不大，因此二氧化碳煤比对气化炉内的气化反应和变换反应影响不大。本项目选择二氧化碳煤比0.045Nm3/kg，根据运行经验，可保证合成气有效气组成一定时，干煤粉加压密相输送气二氧化碳用量最少。

3结语

用AspenPlus软件探索新疆阜康干粉煤加压气化的最佳操作条件和设计参数，分析了氧煤比、蒸汽煤比和二氧化碳煤比的操作参数对煤气化过程的影响，并确定了给煤量一定的最佳操作范围。结果表明：合成气温度随氧煤比增加而升高，随蒸汽煤比增加而降低；在蒸汽煤比一定的情况下，随着氧煤比的增大，当有效气和H2含量先升高后降低，CO2的含量先减少后增加。当氧煤比一定时，合成气有效气含量和CO含量随蒸汽煤比的增大而减小，CO2和H2含量随蒸气煤比的增大而增加；当氧煤比为0.5Nm3/kg，蒸汽氧比为0.1kg/kg时，合成气中有效合成气最高达到93.3%，此时气化效率最高。二氧化碳煤比对合成气组成影响不大，当二氧化碳煤比为0.045Nm3/kg时，二氧化碳用量小，且干煤粉输送满足加压密相输送。

参考文献

1孙曙光.国内煤气化技术现状[J].设计与计算，2014，(4)：1～5.

2戴厚良，何祚云. 煤气化技术发展的现状和进展[J].石油炼制与化工，2014,45(4)：1～7.

3王辅臣. 煤的先进气化技术[J].化学世界，2013:52～59.

(收稿日期2015-06-29)

*赵雯婷：工程师。2010年毕业于浙江大学化学工程专业获硕士学位。从事化工工程设计工作。联系电话：(028)65530589，

Email：zhaowenting@chengda.com。