1、20 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUSTRY 2011年第40卷 水煤浆气化工艺过程的模拟研究与分析 余海清 (东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024) 摘要：以河南某煤种为反应原料，采用Aspen Plus流程模拟软件对水煤浆气化工艺过程进行了流程模拟，考察分析了气化炉内的氧 煤比和煤浆浓度等原料条件以及气化温度和压力等操作条件对气化反应结果的影响，并将模拟结果与实验结果进行比较，结果表 明：模型基本正确，在误差许可范围内，模拟结果与气化实验结果基本一致；氧煤比、水煤浆浓度和气化温度是影响气化反应结果 的主要因素；气化压力则对煤气化反应结果几乎没有影响，但是加
2、压气化有利于降低后续工段合成气压缩能耗。 关键词：水煤浆；气化炉；Aspen Plus；模拟 中图分类号：TQ 546 文献标识码：A 文章编号：1008021X(2011)07002004 Simulation and Analysis for Coal Water Slurry Gasification Process Technology YU Haiqing (East China Engineering Science and Technology Co，Ltd，Hefei 230024，China) Abstract：Taking some coal from Henan Prov
3、ince as raw material，and using Aspen Plus as flow sheet simulation program，a model for coal water slurry gasification process was establishedThe effects of the raw material S condition in gasifier，oxygen to coa1 mass ratio and coal water slurry concentration included。and the operation parameters，gas
4、ification temperature and gasification pressure included，on gasification performance were investigated and analyzedAnd also the simulation results and the experimental datas were comparedThe results showed that the model was right basically and the calculation results accorded with the experimental
5、datas in error allowedOxygen to coal mass ratio，coal water slurry concentration and gasification temperature were the main factors which affected gasification reaction resultsThe gasification pressure had no effect on the reaction results of coal gasificationBut the pressurized gasification could he
6、lp lower the compression energy consumption of the subsequent section Key words：coal watelslurry；gasifier；Aspen Plus；simulation 作为洁净煤技术的重要组成部分，煤气化技术 是指以煤和氧气或空气为原料，经过气化反应，将煤 炭等其他含碳可燃固体资源转化成为清洁的煤气 CO和H ，进而用于生产各类化工产品，包括合成 氨、尿素、甲醇以及乙二醇等，在很多领域可以替代 石油、天然气，节约资源，缓解日益突显的能源问题 和环境问题。煤气化工艺经过150多年历史的发 展，许多气化技术已经
7、相当成熟并广泛应用于生产 实际，近些年来，以水煤浆或干粉煤为原料，采用先 进的气流床反应器的加压气化已经成为煤气化技术 的主流，也在现代煤化工技术的发展中得到越来越 多的关注。目前比较先进的煤气化技术有Texaco 水煤浆气化技术、Shell干法粉煤加压气化技术和 GSP粉煤加压气化技术等 J。 随着现代科学技术手段的发展，可用来研究煤 气化技术工艺过程的手段越来越多，采用流程模拟 软件进行计算便是其中之一，目前，国内外的研究人 员在煤气化过程模拟和研究方面也做了大量的工 收稿日期：20110706 作者简介：余海清(1983一一)，安徽金寨人，工程师，硕士学位，主要从事化工工艺和管道设计工作
8、。 第7期 余海清：水煤浆气化工艺过程的模拟研究与分析 21 作 。本文将运用Aspen Plus软件对煤气化进行 模拟，对影响水煤浆气化工艺技术的不同因素进行 研究和分析。 1气化工艺说明 水煤浆气化是以煤、石油焦等含碳、氢固体为原 料，加入各种助剂，经湿磨制成一定浓度的煤浆，经 加压后喷入特殊结构的气流床气化炉，与纯氧进行 一系列复杂的分解、氧化、还原反应，生成以CO、 H 、CO 、H。0为主要成分，以CH 、H S、N 等为次 要成分的粗煤气 。气化炉内进行的反应非常复 杂，一般认为包括煤的热裂解和挥发、裂解物和挥发 分与氧气发生燃烧反应、煤焦与水蒸汽、CO：等发生 气化反应，发生的反
9、应较多，需要高浓度的氧气，并 有大量的反应热放出 5 J。 2气化过程模拟计算 21热力学模型 用Aspen Plus软件模拟计算煤化工过程时，对 于高温、高压条件下的烃类及CO、H：等气体混合物 的反应加工过程通常选用RKSoave方程 。由 于水煤浆气化过程是在高温、高压条件下进行的，反 应产生的气体多为CO、H 、CO 、H 0及CH 等轻气 体或烃类，因此，本文所采用RKSoave方程用于 计算水煤浆气化过程物质的相关热力学性质是比较 适合的。 22流程模拟 图1 水煤浆气化工艺模拟流程 运用Gibbs自由能最小化方法建立的气化炉模 出渣和黑水，工艺气进人洗涤单元经C一103洗涤 型见
10、图1，其中包括煤浆加压、裂解、气化、激冷、排 后得到63 MPa，24Oc【=左右的工艺气PG3。 渣、洗涤等六个单元。具体流程如下：水和煤通过混 23模型的检验 合器M一101得到煤浆CS2，然后通过加压单元泵P 表1煤气化模拟结果与实验数据比较 一101加压至所需的压力(如65 MPa)，加压后的 煤浆CS3进人气化炉的分解单元R一101，模拟过程 按照质量平衡原则将所有非常规固体分解为常规组 分，分解后的煤浆常规单质组分Fl进入气化炉的反 应单元R一102，与进入R一102的氧气OG发生气 化反应，气化反应过程假定所有反应均遵守Gibbs 自由能最小化的原则，反应平衡后得到的气化产物 P
11、G1进人气化炉的激冷单元C一101，在C一101中， 气化产物被进人激冷单元的蒸汽HS冷却，冷却后 分离出来的反应剩余固体灰渣及部分未反应的残渣 和水(ASH+H：0)一起进入除渣单元C一102，分离 模型的模拟结果与实验数据的比较如表1所 示，通过对河南某煤气化模拟结果与实验数据的比 较可以看出，模拟结果基本正确，可以用来描述多 水煤浆气化反应性能，并可用来考察操作参数对水 煤浆气化反应结果的影响。 3 操作参数对气化性能的影响 31氧煤比的影响 22 山东化工 SHANDONG CHEMICAL INDU Y 2011年第4O卷 保持其他操作参数不变，采用上述模型考察了 氧煤比对气化炉出口
12、气体组成的影响。氧煤比由 06增大至10时，气化炉出口的气体组成的模拟 结果见表2所示。 表2 氧煤比对煤气化反应的影响 气化反应时气化炉中的氧气和干基煤的质量比 (氧煤比)是影响煤气化反应操作条件之一 6j。氧 煤比值增大，会使反应加剧，煤炭中的碳和氧燃烧生 成为CO：的量增多，氢和氧转化成水蒸汽含量也增 加；氧煤比低时，碳转化率较低，煤在气化过程中主 要发生热解反应，煤气主要来自煤中的挥发分，CH 含量比较高E 。因此，随着氧煤比的增加，H2和 CO的含量降低，CO 和H 0的含量升高。 32水煤浆浓度的影响 水煤浆浓度也是影响气化反应结果的重要操作 参数之一I61。通过流程模拟考察了煤浆
13、浓度变化 时的气化反应性能情况，结果如表3所示。 表3 煤浆浓度对煤气化反应的影响 通过模拟，由表3可以看出，当煤浆浓度从 60增加至70时，气化炉出口气体组成中CO的 量增加，H：、CO 和H：0的量均呈下降趋势。原因 分析如下：当氧煤比保持不变时，一方面随着煤浆浓 度的增加，水分含量减少，蒸发所需的热量减少，气 化炉反应温度上升，反应加强，可以提高气化效率， 减少煤的消耗量；另一方面由于原料中水分含量相 对减少，使得整个反应有所减弱，同时，由于温度上 升，CO 还原反应增强：CO的量增加。综合以上因 素，当煤浆浓度提高时，气化炉出口气体组成中CO 增多，H：含量有所减少，但不显著，CO：减
14、少。因 此，为得到更高的有效气组成，可以适当提高煤浆浓 度，但由于浓度太高会使气化炉温度上升，使得对气 化炉的要求更高，并且容易出现气化炉超温现象，因 此，水煤浆浓度应保持适当的范围，不宜太高或太 低E6,8 。 33气化压力的影响 目前，煤气化实际生产中大多数都采用加压气 化，采用的压力一般有26，40，65MPa等 j。保 持其他操作因素不变，本文通过模拟考察了气化压 力为28，40，65，80MPa条件下的反应结果，模 拟结果如表4所示。 表4 气化压力对煤气化反应的影响 由表4的反应结果可以看出，随着气化压力的 升高，有效气CO和H2以及CO 和H：0的量均没 有发生变化，只有生成的甲
15、烷量增加，可以说，气化 压力对气化反应结果没有影响。但从节省设备投 资、装置大型化、以及降低后续气体压缩功耗来考 虑，在实际生产中常采用加压气化 J。 34气化温度的影响 为考察不同温度对反应产物组成的影响，采用 Aspen Plus对I300I700C下多元煤浆气化反应进 行了模拟，模拟结果如表5所示。 表5 气化温度对煤气化反应的影响 由结果可以看出，随着气化温度的升高，工艺气 第7期 余海清：水煤浆气化工艺过程的模拟研究与分析 23 中有效气体成分H 和CO降低，CH 的含量降低， CO 和H 0的生成量增加。因此，提高气化炉的温 度，有利于反应的进行，可以改善出口工艺气中有 效气体的组
16、成，提高碳转化率和气化效率，有利于降 低副反应的发生。但是也不能无限制地提高炉温， 气化炉温度过高，将对耐火材料腐蚀加剧，影响或缩 短耐火材料的寿命，甚至烧坏耐火衬里，影响气化装 置的长周期运行。相反，过低的气化温度还有可能 造成气化排渣困难，影响气化炉正常运行。由此可 见，气化反应温度是很重要的工艺运行参数，是气化 操作的关键。此外，由于煤种煤质不同，操作温度的 控制也不尽相同，一般在煤的灰熔点以上5O 100oC为宜，水煤浆气化温度13001500oC。 4结论 (1)氧煤比和水煤浆浓度是影响气化炉出口煤 气组成的主要因素，为满足工艺对合成气组成的要 求，气化过程需要有适宜的氧煤比参数和水
17、煤浆质 量分数。 (2)气化反应温度是很重要的工艺运行参数， 一般控制在煤的灰熔点以上5O一100C为宜。 (3)加压气化有利于降低后续气体压缩能耗， 还有利于节省设备投资。 (4)应用Aspen Plus软件建立的水煤浆气化炉 模型计算结果与实际基本相符，可用于考察不同操 作条件对水煤浆气化性能的影响 参考文献 f 1于光元，李亚东煤气化工艺技术分析J洁净煤技 术，2005，11(4)：3943 2夏鲲鹏，陈汉平，王贤华，等气流床煤气化技术的现 状及发展J煤炭转化，2005，28(4)：6973 3门长贵多元料浆气化制合成气技术J煤化工， 1998(1)：35 4徐红东，门长贵多元料浆气化工
18、艺过程模拟J化 肥设计，2008，46(2)：912 5孟辉，段立强，杨勇平基于Aspen Plus的Texaco气化 炉性能研究J现代电力，2008，25(4)：5358 6国蓉，程光旭，王毅，等Texaco煤气化装置长周期运 行影响因素分析J现代化工，2004，24(1)：49 53 7汪洋，代正华，于广锁，等运用Gibbs自由能最小化 方法模拟气流床煤气化炉J煤炭转化，2004，27 (10)：2733 8于海龙，赵翔，周志军，等煤浆浓度对水煤浆气化影 响的数值模拟J中国动力工程学报，2005，25(2)： 217220 9林立Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟J上海 化工，20
19、06，31(8)：1013 (本文文献格式：余海清水煤浆气化工艺过程的模 拟研究与分析J山东化工，2011，40(7)：20 231 (上接第4页) 的产业链结构，提高水资源重复利用率，实现经济效 益、环境效益和社会效益全面发展。 为更好地做好两个服务，圆满完成“十二五”目 标，我们协会将重点开展以下工作：一是继续加强与 上级部门的协调和沟通，为会员企业争取更有利的 发展空间。二是切实抓好信息工作，完善有效的统 计指标报送体系，建立可行的报送制度。建立行业 的市场信息站，及时广泛收集和分析多变的市场信 息，为企业提供可参考的信息源。三是建立烧碱出 口和省外分销机制，协调组织统一对外销售。四是
20、加强与科研院所和兄弟行业协会的沟通，开展新产 品、新技术的研究、培训、引进，为企业拉长、优化产 业链提供支撑。 各位领导、各位会员、各位朋友，今年以来，氯碱 工业迎来了新的发展机遇，也面临着诸多不利因素， 只要我们认清形势，紧跟政策，同心协力，取长补短， 一定会在市场大潮中拥有一席之地。我们相信，在 各级各部门领导机关和社会各界的大力支持下，在 协会理事会的领导下，通过各位会员的奋力拼搏和 积极努力，我省氯碱工业必将进人健康有序发展的 新阶段! 谢谢! 二。一一年六月 (注：本文为江政辉理事长在山东省氯碱行业 协会第五届二次全体会员大会上的讲话。) (本文文献格式：江政辉高点定位抢抓开局推 进“十二五”期间氯碱工业健康发展J山东化工， 2011，4O(7)：14，23)
