煤气化模拟计算模型

2010 ,20(2)弥勇等煤气化模拟计算模型9设计(煤气化模拟计算模型技术弥勇*余安华中国寰球工程公司 北京100029摘要通过对典型煤气化过程建 立ASPEN 模型进行模拟分析，确定其气化温度、平衡温度、氧耗、氧煤比、蒸汽量、蒸汽煤比、煤气成分和热损失等工艺参数。介绍ASPEN模型软件在煤气化过程中的应用方法。关键词煤气化ASPEN 模型煤气化是一-系列洁净煤技术中的一种，被煤中最主要的元素就是碳，气化过程主要为认为是最有前途的煤洁净利用技术，在工业领域碳的氧化反应。反应中，涉及到碳的氧化过程的有着极其广泛的应用。主要反应有:煤气化工艺较多,现在较为成熟的有C+O2→C02SHEIL、LURGI 以及TEXACO的气化工艺。2C+02 - +2CO本文利用ASPEN模拟软件对特定的煤气化2C0 +02→2CO2工艺进行模拟分析，得出优化的工艺参数,进而C +CO2 - +2CO为气化过程的设计提供参考。CO+H20→CO, +H2.1煤气化反应热力学基础1.3其它元素反应煤中除了碳元素以外,还有少量的元素氮和1.1煤的特性煤炭主要可以分为焦煤(冶炼、造气、电硫存在，在反应的产物中，将会存在H2S、SO2、石)、肥煤(炼焦)、无烟煤(化肥、化工)、瘦HCN、CoS等,这些化合物对设备存在- -定的腐煤(造气、发电)、弱粘结煤(造气、燃料和配蚀作用，因此在后续气体净化的过程中需要净化焦)、褐煤(制取活性炭、硫化煤、褐煤蜡、腐除去。植酸、腐植酸铵肥料和其它化工产品)、气煤1.4变换反应与煤气成分(配煤炼焦)、长焰煤(制半焦、煤气、焦油、煤气化过程中，煤气的主要成分是一氧化碳合成氨)、贫煤(用作动力煤,也可造气用作合和氢气，煤气的成分受到一氧化碳变换反应的成氨原料和气体燃料)。影响。我国煤类齐全，从褐煤到无烟煤各个煤化阶其反应方程如下:段的煤都有，能为各工业部门提供冶金、化工、CO+H20- +CO2+H2 +Q气化、动力等各种用途的煤源。但各煤类的数量通过该反应可以调节煤气化过程中的一氧化不均衡，地区间的差别也很大。主要是优质动力碳和氢气的含量。煤丰富，优质无烟煤和优质炼焦用煤不多。根据反应方程，增加反应物水蒸汽的含量有1.2 碳的氧化反应煤的气化过程是一个热化学的过程,它以煤利于反应平衡，同时，变换反应属于放热反应,或煤焦为原料，以氧气、蒸汽为气化剂，在高温降低温度有利于反应达到平衡。的条件下，通过部分氧化反应将原料煤从固体转1.5中国煤化工化为气体的过程。fYHCNMHG●弥勇:工程师。2007年毕业于北京化工大学化学工程专业，现从事化工工艺设计。联系电话: 13811706815。1(CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2010 ,20(2)C+CO2- +2C0要在模型中手动输人，取值为6,其它数值无需C+02-+CO2手动输入，取值为1。DCOALICT 中Option code2C0 +02- +2CO2value的值取系统默认值。CO+H20 +CO2 +H2其它流股的性质(温度、压力、流量)根以上均为放热反应，反应热使体系维持高温据工艺所需要的参数进行输人即可。状态。2.2.2反应模块(1)收率反应器模块:创建虛拟反应器模2 ASPEN模拟模型块(RYield), 模拟煤分解为碳、氢、氧及水的2.1煤气化过程过程，同时分解过程反应热通过热量流股与气化首先将干燥之后的煤粉输送到气化区，与输炉模块连接。送气体一起进入气化炉烧嘴，氧气与中压蒸气混(2)煤气化模块:假定气化之前已经发生合，经过喷嘴进入气化炉。以氧气和蒸汽作为气了煤的分解，则气化反应主要是指碳与水、氧化剂，煤粉在气化炉中部分氧化,得到粗合成气气、蒸汽之间的反应。创建RGIbs模块模拟煤组分，该组分中夹带飞灰。气化炉内，煤粉氧化的氧化反应，假设高温下所有反应均达到平衡，反应，除得到粗合成气外,产生高温熔渣，通过气化温度即为平衡温度。在此氧化反应中，煤进气固分离,除去炉渣。除渣之后的煤气再经过湿行部分氧化，主要得到的产物为CO和H2。法洗涤，净化得到的气体供生产下游产品所用。(3)气固分离(排渣)模块:创建SSplit工艺流程框图见图1。模块模拟气固分离(排渣)过程,在此分离模块中，模拟将气化炉高温产生的炉渣与粗合成气进行分离。原料煤粉+气化炉+气固分离翟法洗谦2.2.3工 艺参数的确定气」本模拟中，进入气化区的煤粉的质量流量为20000kg/h,含水量为2%,气化温度为15009C图1煤气化工艺流程框图.左右，采用氮气作为输送煤粉的气体。2.2煤气化反应模型根据煤气化工艺流程图建立ASPEN模型,3计算结果及讨论见图2。3.1 ASPEN 模拟计算结果N2一WATERASPEN模拟计算结果见表1。+CoAL t RYIELD-RGIBBSHSSPLITFLASH2- GAS3.2主要工艺参数PRODUCT)soLuD WATER3.2.1气化温度1.进入气化炉的辈料体输2万础气化护的凯合此 1.为解液之日的价威气气化温度的确定主要根据原料煤种的灰熔点图2煤气化模型流程框圉及反应活性而定，在满足上述限制的条件下，气2.2.1煤(固体)物流性质规定化温度越高，则氧耗越高。模拟中确定气化温度本模拟中，流股类别确定为MCINCPSD。为1450C,可以适用于一般煤种的气化。煤作为- -种特殊的组分, 根据ASPEN PLUS3.2.2氧耗、 氧煤比程序中煤的性质方法规定:模拟中，根据确定的气化温度，由模拟结果定义煤为非常规组分(Nonconventional)。得出氧气消耗量为156164kg/h, 氧煤比约为非常规组分固体性质模型中选用煤的焓以及0.78 (质量流量比)。密度模型( Enthalpy and Density)。 模型名称选中国煤化工尤意味着是氧气用常用煤的焓模型( HCOALGEN)与煤密度模的消iYHCN M H C消耗与气化温型(DCOALIGT)。度的天墩及万切大乐见图2。Option code value 中，Heat of Combustion 需2010,20(2)弥勇等煤气化模拟计算模型I1表1 ASPEN 模拟计算结果(摩尔分数)气体3N)2温度,C40551450.8质量流量，kg/h200003397863412493500719609156164H200.0280.0420. 0490.0490.0160.00400.0690.996s8ppm0.0150.048H0.2780.2790. 825C0.6460.6490. 649CO2图4可以看出,随着蒸汽用量的增加，气化8温度逐渐降低。模拟中，确定蒸汽用量在833kmoV/h ( 15000kg/h)即可维持气化温度在1450C左右。3.2.4煤气成分煤气化得到的煤气的主要成分是CO和H,模拟中得到的煤气中主要组分的含量CO为000000000 7000 7500 80064.6% mol, H2为27. 8% mol,同时还存在着少O2lkmol/b)}量的硫、二氧化硫、三氧化硫等物质。圄3氧气消耗对气化温度的彩响3.2.5热损失由图3可以看出，随着氧气的量的增加，气气化炉热损失一般取值为原料煤热值化温度逐渐升高。此气化过程中，保持氧气的消的2%。.耗量在4880. 125kmol/h ( 156164kg/h)左右，4结语即可使得气化温度维持在1450C左右。在此耗氧量的条件下，氧煤比约为0.78。(1) ASPEN 模拟软件可以较好地模拟煤气3.2.3蒸汽量、 蒸汽煤比化过程，优化并确定若千工艺参数，可以为过程在加氧量- -定的情况下，蒸汽煤比对气化温设计提供充分和可靠的依据。度的影响也就是蒸汽量对气化温度的影响，见(2)气化温度是影响气化过程的最重要的图4。参数。模拟计算结果定量说明氧煤比、蒸汽煤比与气化温度的关系。(3)模拟模型适用于加压气流床煤气化工00140艺过程。10p 144参考文献141许世森，张东亮，任永强.大规樸煤气化技术[M].90北京:化学工业出版社, 2006.2孙铭绪. 多喷嘴对暨式水煤浆气化技术工程设计[J].202010101001010010800 1600 200 200中国煤化工蔫汽(kmol/h)旧期2000 -10-16)图4蒸汽消耗对气化温度的影响MHCNMHG