新疆沙尔湖煤气化过程影响因素研究

能源与节社2014年第1期(总第100期)ENERGY AND ENERGY CONSERVATION2014年1月能源研究新疆沙尔湖煤气化过程影响因素研究木汗买提.塔西'，黄雪莉'，刘娜'，王玺2(1.新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046; 2. 华能新疆能源开发有限公司，新疆乌鲁木齐830017)摘要:应用AspenPlus模拟软件建立了新疆沙尔湖煤气流床气化过程的计算模型，并对新疆沙尔湖煤的气化过程进行模拟计算。以粗合成气中(H;+C0) 摩尔分数和有效气产量最高为目标函数，研究了主要参数对气化结果的影响，确定出最佳气化工艺条件。关键词:新疆沙尔湖煤; 煤气化; Aspen Plus; 模拟计算中图分类号: TQ546,TQ018文献标识码: I文章编号: 2095- -0802- (201401 -0015-03Research on the Effective Factors of Shaerhu Coal Gasification ProcessMuhammed Tash', HUANG Xue -li', LIU Na', WANG Xi2(1. Depatment of Chemical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, Xinjiang, China; .2. Huaneng Xinjiang Energy Development Co., Ltd, Urumqi 830017, Xinjiang, China)Abstract: The simulation model for Xinjiang shaerhu coal gasification process was established by Aspen plus software, and simu-lation calculation on Xinjiang Shaerhu coal was conducted. With the aim of high content of (H2+CO) and effective gas productivity,studied the main efective factor on the result of Xinjiang Shaerhu coal gasification process. The best condition of gasification pro-cess was confrmed.Key words: Xinjiang Shaerhu coal; coal gasification; Aspen Plus; simulation0引言1计算模型煤是一种广泛利用的化石能源和重要化工原料，在讨论煤气化过程的化学反应系统时，往往从动在中国能源结构和化工原料结构中占主导地位"。但力学和热力学两方面出发讨论问题。按气化方法的不是，由于煤的高碳性和目前利用技术的落后，煤同时同，煤气化过程的平均温度-一般在800 C~1 800 C也是环境的主要污染源。而煤炭气化技术是清洁利用之间，在此范围内，气化反应的速率是很高的，特别煤炭、友好环境的先导性和核心技术，也是煤制天然是气流床气化过程的反应速率更高，气化炉内瞬间达气、甲醇、二甲醚、烯烃、煤制油、先进的整体煤气到平衡"。对于此种反应速率较高的气化过程，通过化联合循环发电系统(IGCC)、 多联产系统、制氢、热力学平衡模型来确定气化炉出气体组成是非常合燃料电池、直接还原炼铁等的龙头技术。适的方法。因此本文用热力学平衡模型进行了模拟计目前，在吐鲁番地区沙尔湖区发现单层厚度达到算。建立热力学平衡模型主要有平衡常数法和Gibbs217.14 m,预测资源量644x10*↑的大型煤矿。清洁开自由能法等两种判,本文采用Gibbs自由能法建立了发和利用沙尔湖煤将极大地促进新疆社会经济的发展。Aspenplus计算模型并对新疆沙尔湖煤气化过程进行Aspen Plus 是- -种通用的化工过程模拟、优化和计算。设计软件，可用于各类过程工业流程的模拟。本文2气化过程的主要 影响因素应用该软件，按Gibbs自由能最小化原理对沙尔湖煤气化过程进行了模拟计算,分析了主要操作参数对气为方便比较，参考文献[5],设定煤进料量27.62化结果的影响，确定出最佳气化条件。kg/s，N2 进料量2.5 kg/s, 碳转化率99%，在此基础上考察气化压力、氧煤比、水蒸汽煤比对气化结果的影响，见表收稿日期: 2013-11-072.1气化压中国煤化工第一作者简介:木汗买提.塔西，1987年生，男，新疆喀什人,2011年毕业于四川大学工程与工艺专业，在读硕士研究生。设02进MHCNMHG量1.5 kgs,此●15.2014年第1期红源与节能2014年1月时，氧煤比在0.25左右，水蒸汽煤比在0.42左右,由图1、图2可见，随着压力的增加出口温度缓热损失为进料煤的总低位热值的2%。以压力作为自慢增加， 但H2和CO等关键组分的摩尔含量以及有效变量,气化炉出口组分中关键组分的摩尔分率、有效气气产量略微降低，因为甲烷化反应C0+3H2=CH4+产量以及出口温度作为目标函数，研究在0.1 MPa~ H2O 是体积减小的反应，压力的增加不利于H2和CO10 MPa的区间内气化压力对目标函数的影响。所得.的生成。但实际生产中提高压力可以提高单位时间的到的结果如图1、图2所示。产能。所以设定气化压力时看实况而定。表1沙尔湖煤的工业分析 、元素分析及热值工业分析W。元素分析W.Qnet,ar%MAF(MJ/kgCH0N1.935 75.307 835.899 758.792 530.866.811 73.371 023.7694 0.660 50.079 61202.121420..1410城1002.1.140030 t2.08.1390尔60↓2.06十有效气产量.1380鸭七出口温度器1370王40+2.0420 t主。2.02.1360(H+CO) .1 3501 3406124610压力/MPa图1气化压力对粗合成 气中关键组分摩尔分率的影响图2气化压力对粗合成气中关键组分摩尔分率的影响2.2 热损失的影响变化不太大，但是出口温度的变化比较明显。随热损气化温度是由气化条件和热损失共同影响的，通失的增大出口温度减小，因此进行绝热反应，提高气过热损失和温度之间的关系间接研究温度对气化结果化温度对气化结果有利。的影响。损失的热量越大气化炉内操作温度越小，而2.1051 550损失的热量越小气化炉内的操作温度越大。其它参数2.100→有效气产量1 500固定不变时，改变损失的热量，观察此对气化结果的2.095一出口温度1 450影响，通过模拟计算所得到的结果如图3、图4所示。14002.0901350明12想2.0851300日必2.080 .1 250如2.075802.0701 150热损失在总热值中的百分比1%图4热损失对有效气产率和出口温 度的影响主2.3氧煤比氧煤比是煤气化过程中相当重要的一个影响因素,它会直接影响到合成气组成和气化温度等重要指图3热损失对合成气中关键组分摩尔分率的影响标回。水蒸汽进料量设定为11.5 kg/s， 热损失2%，其它条件不变中国煤化工的进料量来改变由图3、图4可见，随着热损失的增大(也就是氧煤比，进YHCNMH(北对气化结果的影温度的减小)，关键组分的摩尔分率以及有效气产量响。计算结果如图5、图6所不。●16.2014年第1期汗买提.塔西,等:新疆沙尔湖煤气化过程影响因素研究2014年1月.100.2 r2 000里91 900.11 800主2.0 I! 70070 - 一(H2+CO).9士有效气产量1600益60←出口温度t 1500照.8.71300提40t1200.6事301 1001.5I10000.0.20.30.40.50.60.18 0.28 0.380.48氧煤比水蒸汽煤比图5氧煤比对粗合 成气中关键组分摩尔分率的影响圉8水蒸汽煤比对有效气产量和出 口温度的影响由图7、图8可知，出口温度对水蒸汽煤比比较2..2000敏感，原因是C+H20=CO+H2是吸热反应，导致温度2.1下降。在0.1~0.7区间内出口组分中关键组分H2的摩首2.0尔分率有一一个最佳值，CO的含量略微降低，导致啊1.91 600(H2+CO)的总百分含量有一个最佳值。在0~0.4范围有效气产量变化比较明显，随水蒸汽煤比的增加有长1.81.士有效气产量|1200效气产量增加，当水蒸汽煤比大于0.4后，有效气含十出口温度量趋近于稳定，稍有下降。总体来说，水蒸汽煤比在1.6↓1 0000.36 ~ 0.45范围是最好的。0.150.250.353结语图6氧煤比对有效气产量和出口温度的影响通过用AspenPlus模拟软件对沙尔湖煤气化过由图5、图6可见，氧煤比的变化对气化结果的程进行模拟计算，确定了新疆沙尔湖煤的最佳气化条影响比较明显，是沙尔湖煤气化过程中最关键的影响件,得出如下结论:a)应用Aspen Plus软件,对煤气化过程进行模因素之一。氧煤比大于0.25时，出口温度对氧煤比的拟计算是可行的，获得的结论可以作为实际设计与开变化比较敏感，是因为02剩余的情况下C的燃烧反发的依据; b) 对于所涉及的煤种，气化压力的增加不应作为主导反应，放出大量的热量。在0.25左右关键利于有效气的生成，但实际生产中提高压力可以提高组分的摩尔分率和有效气产量都有一最佳值。此时，合单位时间的产量;绝热反应更有利于气化过程;最佳成气中关键组分(H,+CO) 的摩尔分率达到95.56%,有氧煤比0.23 ~0.28;最佳水蒸汽煤比0.36 ~ 0.45为较效气产量达到2.09 m/kg。合理的气化条件。在上述条件下，粗合成气中，H2含2.4水 蒸汽煤比其它参数固定不变时通过改变水蒸汽的进料量，量可达到40.26%，CO含量可达到55.02%，有效气产改变水蒸汽煤比，由此研究水蒸汽煤比对气化结果的量达到2.07 m2/kg。参考文献: .影响，计算结果如图7、图8所示。[1] 唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京:化学工业出版社，00工2010,11:1-45.90个[2] Aspen Technology.Aspen Plus User Guide[ M ].USA:Aspen和80|Technology , 2000.你70|3] 王辅臣.气流床气化过程研究[D].上海:华东理工大学，主岛。1995.R 60一(H+CO) .S 50|[4] 于遵宏,王辅臣煤炭气化技术[M].北京:化学工业出版社,2010.提40元[5] 张宗飞,汤连英,吕庆元.基于Aspen Plus的粉煤气化模拟30 1[J].化肥设计: 2008 , 46(3): 14- 26.0.18 0.28 0.38 0.48 0.58 0.68 0.78[6] 姚月华,中国煤化工Texaco水煤浆气化模拟对比MHC N M H G2012,29(1):75-79.图7水蒸汽煤比对粗合 成气中关键组分摩尔分率的影响(责任编辑:赵春梅)●17.