煤气化工艺研究

胡庆桥

(贵州东华工程股份有限公司，贵州 贵阳 550002)

我国煤炭资源储量丰富，是世界上第一生产大国[1]，随着科技的发展，我国煤化工行业逐渐由传统煤化工向清洁、低耗、高效的新型煤化工行业发展，近年来随着清洁煤化工、新型煤化工等概念的提出[2]，传统的煤化工行业将面临全新的改变，其中煤气化技术作为煤化工的最前端其将直接影响后续的生产，传统的煤气化技术可以分为固定床煤气化技术、流化床煤气化技术、水煤浆气化技术和干粉煤气化技术[3]。其中粉煤气化技术由于其适应性广、煤利用率高、氧耗低、水耗少等优点在煤化工行业中越来越受到重视[4]。

1 干粉煤气化操作条件的确定

为探究不同操作条件对粉煤气化工艺的影响，根据文献[5]选用贵州桐梓煤进行气化研究，其组成如下：

表1 贵州桐梓煤煤质工业分析与元素分析[5]

由于干粉煤气化涉及粉煤输送，若粉煤中含水量过高会造成影响粉煤运输，贵州桐梓煤含水量过高，需对原料煤进行干燥预处理，使之干燥到含水量在2%以下，以满足输送需求。

在使用Aspen对粉煤气化计算过程中，煤作为非常规组分，不能直接参与反应，根据相关文献[6]，需先对煤进行裂解，根据其元素分析结果将其转化为对应单质，而后进行气化反应。其中粉煤干燥器、裂解器均采用化学计量反应模块，气化反应器采用吉布斯自由能反应模块，灰渣分离器采用分离模块[6]。根据相关文献[7-8]，煤气化过程中的系统存在一定的热损耗，其值一般为进料煤热值的2%，在模拟中需进行考虑。煤气化过程中的热损耗、煤的干燥、裂解等过程均由Aspen内嵌Fortran模块实现。粉煤气化过程是一个高温高压的反应过程，可以选用RK-Save、PB-RM[6]等物性方法都能够较好的描述气化过程，根据相关文献，本模型选用RK-Save为计算物性方法。粉煤气化流程模拟流程见图1。

图1 粉煤气化模拟流程

来自料仓的粉煤在干燥器内被干燥至含水率2%后进入气化炉，气化炉由裂解反应器、气化反应器及灰渣分离器组成。在裂解炉内99%的煤裂解为对应的元素，而后在气化反应器内发生气化反应。为简化模型，在计算中将气化剂及载气直接通入气化反应器，气化最终产物在灰渣分离器内实现气、渣分离，未反应的煤及灰渣自底部排出，合成气自顶部排出。

2 结果与讨论

2.1 载气量及载气类型对贵州桐梓粉煤气化过程的影响

为探索不同载气量及载气类型对贵州桐梓粉煤气化过程的影响，以60t/h干煤为基准，在煤/气化剂(95%氧，5%氮)质量比为1.95的条件下分别考察了载气类型及煤/载气比对煤气过程的影响。

图2 煤/载气比对气化温度的影响

由图2可知，在相同煤/氧化剂质量比的条件下，随着煤/载气质量比的增加，气化温度逐渐增加，在相同的煤/载气质量比的条件下，氮载气的气化温度远高于CO2载气的气化温度。这是由于在粉煤气化过程中，反应是以氧主导的系列气化反应过程，氮气在整个气化过程中为惰性组分，而二氧化碳气体则可与煤中的碳进一步反应生成一氧化碳，该反应过程为典型的吸热过程，故当在恒定煤/气化剂质量比的条件下，以二氧化碳为载气的煤气化温度低于氮气，且载气量越小，温差越小。

图3 煤/载气比对有效气体物质的量比的影响

由图3可知，当氮为载气时，合成气中有效气体组分(CO/H2)物质的量比较稳定，基本不随煤/载气质量比变化而变化，而当以二氧化碳为载气时，合成气中有效气体组成物质的量比随着煤/载气质量的增加而迅速降低。当煤/载气比大于8.5以后，随着煤/载气比的进一步增加，合成气中有效气体组分(CO/H2)物质的量比变化趋缓。

图4 煤/载气(CO2)比对有效气体流量及含量的影响

图4为以CO2为载气情况下煤/载气比对和合成气中有效气体流量及含量的影响，由图4可知，当CO2为载气时，随着煤/载气质量比由6.0增加至10.0时，合成气中有效气体体积分数由0.945增加至0.955，而有效气体物质的量流量则由4340kmol/h降低至了4263kmol/h。

图5 煤/载气(N2)比对有效气体流量及含量的影响

图5为以N2为载气情况下煤/载气比对和合成气中有效气体流量及含量的影响，由图5可知，当N2为载气时，随着煤/载气质量比由6.0增加至10.0时，合成气中有效气体体积分数由0.860增加至0.889，但合成气中有效气体物质的量流量变化极小，仅增加2kmol。

2.2 气化剂量对贵州桐梓粉煤气化过程的影响

为探索气化剂用量对贵州桐梓粉煤气化过程的影响，以60t/h干煤为基准，在煤/载气质量比为7.69、载气分别为N2、CO2条件下研究不同气化剂流量对煤气过程的影响。

图6 煤/气化剂比对气化温度的影响

由图6可知，当煤/气化剂质量比为1.4～1.75时，随着气化剂的减少，煤气化温度迅速减低，在此阶段，载气类型对气化温度影响较小，随着气化剂的进一步减小，气化温度变化趋势逐渐趋于平缓，但气化剂类型对气化温度影响显著增大，在相同条件下气化温差由30℃迅速扩大至249℃，且成持续过大趋势。

图7 煤/气化剂比对有效气体物质的量比的影响

由图7可知，随着气化剂流量的减少，合成气中有效气体(CO/H2)物质的量比呈现先减少后增加大趋势，当煤/气化剂质量比为小于1.9时，以二氧化碳为气化剂所获得的合成气中有效气体(CO/H2)物质的量比大于以氮为载气的气化过程，随着气化剂的减少，以氮为载气的气化合成气中有效气体(CO/H2)物质的量比迅速增加。

图8 煤/气化剂比对有效气体物质的量比的影响(CO2为载气)

图8为以CO2为载气情况下煤/气化剂比对和合成气中有效气体体积分数及物质的量流量的影响图，由图8可知，随着气化剂的减少，合成其中的有效气体体积分数及物质的量流量均呈现先增加后减小的变化趋势，其中当煤/气化剂质量比为1.83时，合成气中有效气体流量达到最大4405kmol/h，此时合成气有效体积分数为0.95。

图9为以N2为载气情况下煤/气化剂比对和合成气中有效气体体积分数及物质的量流量的影响图，由图9可知，随着气化剂的减少，合成其中的有效气体体积分数及物质的量流量也呈现先增加后减小的变化趋势，其中当煤/气化剂质量比为1.75时，合成气中有效气体流量达到最大4324kmol/h，此时合成气有效体积分数为0.91。

图9 煤/气化剂比对有效气体物质的量比的影响(N2为载气)

图10 煤/气化剂比对合成气中甲烷的影响

由图10可知，随着气化剂的减少，合成气中甲烷流量随着气化剂的减少而增大，当煤/气化剂质量比小于1.7时，合成气中的甲烷含量均低于3kmol/h，而随着气化剂的进一步减少，合成气的甲烷含量迅速增加，在相同质量气化剂的条件下，以氮为载气的气化过程生成的甲烷量远大于与二氧化碳为载气的气化过程。

3 结论

载气类型在一定程度上影响了粉煤气化性能，当载气为氮气类惰性气体时，载气量对煤气化性能的影响较小，若载气为CO2等可发生反应的介质时，载气量对煤气化性能的影响较大，在实际设计中可以根据后续产品需求合理选择载气的类型及流量。气化剂用量直接影响煤气化性能，随着气化剂的减少，粉煤气化温度迅速降低，而后变化趋势趋于平缓，而合成气有效气体(CO/H2)体积比量随着气化剂的减少呈现先降低后增加的状态，在煤/气化剂质量比为1.75～1.9之间存在最小值，而合成气有效气体(CO/H2)摩尔分数及有效气体体积流量随着煤/气化质量比的增大呈现先增加后减小的状况，而合成中甲烷的量则随着煤/气化剂质量比的增加逐渐增加，当煤/氧比大于1.75时，甲烷的生成量迅速增加。故在实际设计过程中可以通过调整气化剂对合成气的组成、物质的量比进行调整，以满足后续工序生成需求。