煤气化装置粗合成气水气比的计算与应用

韦华璋， 李泰山， 毛 炜

(1. 贵州航天迈未科技有限公司， 贵阳 550300；2. 内蒙古伊泰化工有限责任公司， 内蒙古鄂尔多斯 017400)

煤气化是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧(纯氧)、水蒸气、二氧化碳(CO2)或氢气(H2)为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其中所含的碳、氢等物质转化为以一氧化碳(CO)、H2、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程[1]。现代煤气化技术的气化温度一般为1 200～1 600 ℃，气化压力为4.0～8.7 MPa，反应后的粗合成气与熔融态的灰渣一起落入气化炉下部的激冷室中，温度降至200～250 ℃，因此出气化界区的粗合成气中含有大量的水蒸气。为核算粗合成气中有效气(CO+H2)的产量，需要计算粗合成气的水气比。

水气比是粗合成气中水蒸气的物质的量与其他气体的物质的量之比，其作为煤气化工艺的一个重要指标，是计算煤气化装置比氧耗和比煤耗等性能参数[2]的基础，对评判气化技术的气化效率、综合能耗及运行经济性等具有直接影响。

1 水气分压法

目前，行业内对水气比的计算多采用水气分压法，该方法是通过水蒸气表查出某一温度和压力下的饱和蒸汽压力，然后用水的饱和蒸汽压力除以干气部分的气体分压[3]，具体计算公式为：

(1)

式中:WGR为水气比；psv为粗合成气温度下水的饱和蒸汽压力，MPa；p0为粗合成气的压力，MPa。

水气分压法具有公式简单、参数少、便于计算等优点。该计算方法的缺点是没有考虑高温、高压下粗合成气中水(H2O)分子的非理想特性，导致计算结果与实际水气比存在一定差距。

气化反应生成的粗合成气中，含有CO、H2、H2O、CO2、氮气(N2)等组分，特别是H2O为极性分子，需要考虑强极性物质的分子缔合。根据维里方程式[4]:

(2)

式中：Z为压缩因子；p为压力；Vm为摩尔体积；R为摩尔气体常数；T为温度；B、C为第二、第三维里系数。维里方程是物性和温度的函数，方程式右边为无穷级数。

理想气体的压缩因子为1，真实气体的压缩因子的表达式为1加上若干项，若干项为表征分子间作用力的若干表达式。H2O分子偶极矩大，在高温、高压下，压缩因子小于1[5]，而水气分压法将H2O分子看成理想气体，没有考虑压缩因子的变化，压缩因子仍然取1，所以水气分压法计算的水蒸气含量偏低。

当前，一般采用水气分压法进行水气比的计算，计算出的粗合成气水气比偏低，有效气含量偏高，导致出现气化界区计量的粗合成气流量大于下游净化界区计量的合成气流量等现象。因此，为有助于各煤气化项目中计算出准确的氧耗和煤耗，笔者提出一种水气比的参数修正计算公式，可为煤气化装置计算粗合成气水气比提供参考。

2 水气比计算的参数修正法

水气比计算的参数修正法考虑气体在高温、高压下的非理想特性，对温度与压力进行一系列的修正，提高了极性分子、缔合物质的p-V-T计算精度。计算公式为：

(3)

(4)

p1=eTτ

K0=-7.691 23(1-T1)-26.080 2(1-T1)2-168.17(1-T1)3+64.232 85(1-T1)4-118.964(1-T1)5

式中：T0为粗合成气的温度，℃；T1为粗合成气中水的对比温度，℃;p1为粗合成气中水的对比压力,MPa,Tτ为粗合成气混合物中水的虚拟对比温度，K0为状态方程中相互作用参数;N1、N2、N3、N4、N5、N6为状态方程[6]的压力修正参数。

N1、N2、N3、N4、N5、N6的计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

X0=e0.763 333(1-T1)

式中:X0为水的基团摩尔分数；Bl为粗合成气系统中水的总物质的量。

3 参数修正法与水气分压法的对比

主流气流床煤气化技术的操作压力一般为4.0 MPa和6.5 MPa，气化装置内一般有0.2 MPa的压降，所以气化界区出口处的粗合成气压力分别为3.8 MPa和6.3 MPa。分别用水气分压法和参数修正法计算这两个压力条件下不同温度粗合成气的水气比，结果见图1和图2。

图1 3.8 MPa下两种方法计算水气比随温度的变化趋势

图2 6.3 MPa下两种方法计算水气比随温度的变化趋势

由图1、图2可以看出：在相同压力条件下，粗合成气的水气比随气体温度的升高呈指数型增长，水蒸气在粗合成气中的占比也越来越大。水气分压法计算出的水气比小于参数修正法计算出的水气比，且随着温度的升高两种方法计算结果的偏差逐渐增大，这主要是由于高温下水蒸气的非理想特性增强所致。

为了定量分析水气分压法与参数修正法的计算偏差，将两种计算方法的计算结果和差值作表，结果见表1、表2。

表1 3.8 MPa下两种方法的水气比计算值及偏差

表2 6.3 MPa下两种方法的水气比计算值及偏差

由表1可以看出：当粗合成气的压力为3.8 MPa，粗合成气的温度为170 ℃时，两种方法计算出的水气比相对偏差为9.95%，有效气产气量相对偏差为1.98%；当粗合成气温度达到220 ℃时，两种方法计算出的水气比相对偏差为21.68%，有效气产气量相对偏差达到11.43%。

由表2可以看出：当粗合成气压力为6.3 MPa，粗合成气温度为180 ℃时，两种方法计算出的水气比相对偏差为9.63%，有效气产气量偏差为1.48%；当粗合成气温度达到240 ℃时，两种方法计算出的水气比相对偏差为22.57%，有效气产气量偏差达到10.56%。

在粗合成气温度相对较低时，水蒸气的占比较小，其非理想特性影响不大，可用水气分压法简化计算；在粗合成气温度相对较高时，水蒸气的占比较大，水蒸气的非理想特性影响显著，应采用参数修正法计算准确的水气比。

在实际运行的项目中，典型粉煤气化技术的操作压力为4.0 MPa，合成气温度为195～205 ℃，平均有效气(CO+H2)体积分数为91%。典型水煤浆气化技术的操作压力为4.0 MPa和6.5 MPa，合成气温度分别为210～220 ℃和 230～245 ℃，平均有效气(CO+H2)体积分数为80%[7]。分别取对应压力下各气化技术粗合成气的平均温度，定量分析水气分压法的计算偏差，结果见表3。

表3 水气分压法计算的各工艺参数与实际值的相对偏差

由表3可以看出：粉煤气化粗合成气水气比相对偏差为15.32%，有效气量相对偏差为5.76%，比煤耗和比氧耗的相对偏差为6.11%。水煤浆气化粗合成气水气比相对偏差约为20%，有效气量相对偏差约为10%，比煤耗和比氧耗的计算偏差约为11%，均高于粉煤气化，这主要是由于水煤浆气化的粗合成气温度更高，其水蒸气含量更多，所以计算的偏差也更大。由此可见，在粗合成气温度达到一定数值后，采用水气分压法计算出的气化性能参数是不能反应气化装置真实消耗的，此时应采用参数修正法计算粗合成气的水气比。

4 实例分析

4.1 项目概况

以内蒙古伊泰化工有限责任公司年产120万t精细化学品项目(简称伊泰化工项目)气化装置为例，分别采用水气分压法和参数修正法计算气化装置粗合成气的水气比，进而得出对应的有效气产量、比氧耗和比煤耗，为准确掌握项目的气化性能参数提供依据。

伊泰化工项目包括气化、变换、低温甲醇洗、费托合成、化学品加工等主装置，产品包括稳定轻烃、重质液体石蜡、液化石油气等主产品，硫黄、硫酸铵、混醇等副产品。气化装置包括6套粉煤气化和3套水煤浆气化，气化炉操作压力为4.2 MPa,设计总有效气(CO+H2)体积流量为714 000 m3/h。其中，干粉煤气化装置采用6台全开的操作模式，平均有效气(CO+H2)体积分数为90.60%，单台气化炉有效气(CO+H2)体积流量为102 000 m3/h，总有效气(CO+H2)体积流量为612 000 m3/h；水煤浆气化装置采用2开1备的操作模式，平均有效气(CO+H2)体积分数为79.89%,单台气化炉有效气(CO+H2)体积流量为51 000 m3/h，总有效气(CO+H2)体积流量为102 000 m3/h。实际气化炉有效气(H2+CO)体积流量见表4。

表4 实际气化炉有效气(H2+CO)体积流量

4.2 气化性能参数的计算

该项目在实际生产中，对水气分压法公式进行进一步简化，以合成气的表压替代其绝对压力，即合成气水气比=粗合成气温度下水的饱和蒸汽压力/(合成气表压-粗合成气温度下水的饱和蒸汽压力)，该计算值反映了生产现场情况。分别采用水气分压法和参数修正法计算气化装置的性能参数，结果见表5。其中，粗合成气温度、压力、干基煤质量流量、氧气(O2)体积流量、湿合成气体积流量和有效气体积分数均来自于装置现场的运行数据，具体见表6。

表5 气化装置性能参数

表6 装置现场的运行数据

由表5可以看出：由于水煤浆气化的粗合成气温度比粉煤气化的粗合成气温度高约15 K，在采用水气分压法计算气化性能参数时，水煤浆气化的计算结果偏差更大，比煤耗和比氧耗比计算消耗高约7.05%，已经超出可接受的误差范围，此时应采用修正计算法。

如果按照水气分压法计算，该项目气化装置的总有效气产气体积流量为838 334 m3/h，而净化单元计量的总有效气产气体积流量约为800 000 m3/h，二者存在38 334 m3/h的偏差。如果采用参数修正法计算，该项目气化装置的总有效气产气体积流量为797 721 m3/h，与净化单元计量的总有效气产气体积流量基本一致，证明参数修正法的准确性。

在国内很多煤化工项目中，都出现煤气化装置的有效气产量大于下游净化装置的有效气产量，用吨产品煤耗折算出的比煤耗大于气化装置内部算出的比煤耗等问题，其主要原因在于气化装置的水气比计算公式未经过修正，计算结果存在偏差。

伊泰化工项目2种煤气化技术采用相同的原料煤，即红庆河煤和马泰壕煤等当地煤的混煤，原料煤中全水质量分数为17%，灰分质量分数为14%，挥发分质量分数为31%，灰熔点为1 200 ℃，热值为22 608 kJ/kg。由于采用相同的原料煤，该项目非常适合对比分析2种气化技术的气化性能参数。通过表5中数据可见:水煤浆气化的实际比氧耗和比煤耗均明显高于粉煤气化的实际比氧耗和比煤耗。该结果是在相同的进料条件下计算得到的，具有很好的代表性，有助于新建项目在气化技术的比选时做出准确的判断。

5 结语

笔者提出了一种煤气化粗合成气水气比计算的参数修正法，并对水气分压法和参数修正法的计算结果进行对比分析。通过对伊泰化工项目气化装置运行数据的核算，验证了参数修正法的准确性。

与水气分压法相比，参数修正法的计算过程十分复杂，在合成气温度较低时，两种计算方法的水气比十分接近，可用水气分压法代替参数修正法。但当合成气温度较高时，水气分压法计算的水气比与实际值偏差较大，应使用参数修正法计算水气比。在实际应用中，典型粉煤气化的全废锅流程和半废锅流程的粗合成气温度约为165 ℃和185 ℃，此时可采用水气分压法计算水气比，典型粉煤气化激冷流程、典型水煤浆气化的粗合成气温度均较高，应采用参数修正法计算水气比。

另外，通过伊泰化工项目煤气化装置运行参数的对比分析，粉煤气化在氧耗和煤耗方面具有明显的优势。