2010 ,20(2)彌勇等煤氣化模擬計(jì)算模型9設(shè)計(jì)(煤氣化模擬計(jì)算模型技術(shù)彌勇*余安華中國(guó)寰球工程公司 北京100029摘要通過(guò)對(duì)典型煤氣化過(guò)程建 立ASPEN 模型進(jìn)行模擬分析，確定其氣化溫度、平衡溫度、氧耗、氧煤比、蒸汽量、蒸汽煤比、煤氣成分和熱損失等工藝參數(shù)。介紹ASPEN模型軟件在煤氣化過(guò)程中的應(yīng)用方法。關(guān)鍵詞煤氣化ASPEN 模型煤氣化是一-系列潔凈煤技術(shù)中的一種，被煤中最主要的元素就是碳，氣化過(guò)程主要為認(rèn)為是最有前途的煤潔凈利用技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域碳的氧化反應(yīng)。反應(yīng)中，涉及到碳的氧化過(guò)程的有著極其廣泛的應(yīng)用。主要反應(yīng)有:煤氣化工藝較多,現(xiàn)在較為成熟的有C+O2→C02SHEIL、LURGI 以及TEXACO的氣化工藝。2C+02 - +2CO本文利用ASPEN模擬軟件對(duì)特定的煤氣化2C0 +02→2CO2工藝進(jìn)行模擬分析，得出優(yōu)化的工藝參數(shù),進(jìn)而C +CO2 - +2CO為氣化過(guò)程的設(shè)計(jì)提供參考。CO+H20→CO, +H2.1煤氣化反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)1.3其它元素反應(yīng)煤中除了碳元素以外,還有少量的元素氮和1.1煤的特性煤炭主要可以分為焦煤(冶煉、造氣、電硫存在，在反應(yīng)的產(chǎn)物中，將會(huì)存在H2S、SO2、石)、肥煤(煉焦)、無(wú)煙煤(化肥、化工)、瘦HCN、CoS等,這些化合物對(duì)設(shè)備存在- -定的腐煤(造氣、發(fā)電)、弱粘結(jié)煤(造氣、燃料和配蝕作用，因此在后續(xù)氣體凈化的過(guò)程中需要凈化焦)、褐煤(制取活性炭、硫化煤、褐煤蠟、腐除去。植酸、腐植酸銨肥料和其它化工產(chǎn)品)、氣煤1.4變換反應(yīng)與煤氣成分(配煤煉焦)、長(zhǎng)焰煤(制半焦、煤氣、焦油、煤氣化過(guò)程中，煤氣的主要成分是一氧化碳合成氨)、貧煤(用作動(dòng)力煤,也可造氣用作合和氫氣，煤氣的成分受到一氧化碳變換反應(yīng)的成氨原料和氣體燃料)。影響。我國(guó)煤類(lèi)齊全，從褐煤到無(wú)煙煤各個(gè)煤化階其反應(yīng)方程如下:段的煤都有，能為各工業(yè)部門(mén)提供冶金、化工、CO+H20- +CO2+H2 +Q氣化、動(dòng)力等各種用途的煤源。但各煤類(lèi)的數(shù)量通過(guò)該反應(yīng)可以調(diào)節(jié)煤氣化過(guò)程中的一氧化不均衡，地區(qū)間的差別也很大。主要是優(yōu)質(zhì)動(dòng)力碳和氫氣的含量。煤豐富，優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤和優(yōu)質(zhì)煉焦用煤不多。根據(jù)反應(yīng)方程，增加反應(yīng)物水蒸汽的含量有1.2 碳的氧化反應(yīng)煤的氣化過(guò)程是一個(gè)熱化學(xué)的過(guò)程,它以煤利于反應(yīng)平衡，同時(shí)，變換反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),或煤焦為原料，以氧氣、蒸汽為氣化劑，在高溫降低溫度有利于反應(yīng)達(dá)到平衡。的條件下，通過(guò)部分氧化反應(yīng)將原料煤從固體轉(zhuǎn)1.5中國(guó)煤化工化為氣體的過(guò)程。fYHCNMHG●彌勇:工程師。2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事化工工藝設(shè)計(jì)。聯(lián)系電話: 13811706815。1(CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設(shè)計(jì)2010 ,20(2)C+CO2- +2C0要在模型中手動(dòng)輸人，取值為6,其它數(shù)值無(wú)需C+02-+CO2手動(dòng)輸入，取值為1。DCOALICT 中Option code2C0 +02- +2CO2value的值取系統(tǒng)默認(rèn)值。CO+H20 +CO2 +H2其它流股的性質(zhì)(溫度、壓力、流量)根以上均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱使體系維持高溫?fù)?jù)工藝所需要的參數(shù)進(jìn)行輸人即可。狀態(tài)。2.2.2反應(yīng)模塊(1)收率反應(yīng)器模塊:創(chuàng)建虛擬反應(yīng)器模2 ASPEN模擬模型塊(RYield), 模擬煤分解為碳、氫、氧及水的2.1煤氣化過(guò)程過(guò)程，同時(shí)分解過(guò)程反應(yīng)熱通過(guò)熱量流股與氣化首先將干燥之后的煤粉輸送到氣化區(qū)，與輸爐模塊連接。送氣體一起進(jìn)入氣化爐燒嘴，氧氣與中壓蒸氣混(2)煤氣化模塊:假定氣化之前已經(jīng)發(fā)生合，經(jīng)過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐。以氧氣和蒸汽作為氣了煤的分解，則氣化反應(yīng)主要是指碳與水、氧化劑，煤粉在氣化爐中部分氧化,得到粗合成氣氣、蒸汽之間的反應(yīng)。創(chuàng)建RGIbs模塊模擬煤組分，該組分中夾帶飛灰。氣化爐內(nèi)，煤粉氧化的氧化反應(yīng)，假設(shè)高溫下所有反應(yīng)均達(dá)到平衡，反應(yīng)，除得到粗合成氣外,產(chǎn)生高溫熔渣，通過(guò)氣化溫度即為平衡溫度。在此氧化反應(yīng)中，煤進(jìn)氣固分離,除去爐渣。除渣之后的煤氣再經(jīng)過(guò)濕行部分氧化，主要得到的產(chǎn)物為CO和H2。法洗滌，凈化得到的氣體供生產(chǎn)下游產(chǎn)品所用。(3)氣固分離(排渣)模塊:創(chuàng)建SSplit工藝流程框圖見(jiàn)圖1。模塊模擬氣固分離(排渣)過(guò)程,在此分離模塊中，模擬將氣化爐高溫產(chǎn)生的爐渣與粗合成氣進(jìn)行分離。原料煤粉+氣化爐+氣固分離翟法洗謙2.2.3工 藝參數(shù)的確定氣」本模擬中，進(jìn)入氣化區(qū)的煤粉的質(zhì)量流量為20000kg/h,含水量為2%,氣化溫度為15009C圖1煤氣化工藝流程框圖.左右，采用氮?dú)庾鳛檩斔兔悍鄣臍怏w。2.2煤氣化反應(yīng)模型根據(jù)煤氣化工藝流程圖建立ASPEN模型,3計(jì)算結(jié)果及討論見(jiàn)圖2。3.1 ASPEN 模擬計(jì)算結(jié)果N2一WATERASPEN模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。+CoAL t RYIELD-RGIBBSHSSPLITFLASH2- GAS3.2主要工藝參數(shù)PRODUCT)soLuD WATER3.2.1氣化溫度1.進(jìn)入氣化爐的輩料體輸2萬(wàn)礎(chǔ)氣化護(hù)的凱合此 1.為解液之日的價(jià)威氣氣化溫度的確定主要根據(jù)原料煤種的灰熔點(diǎn)圖2煤氣化模型流程框圉及反應(yīng)活性而定，在滿(mǎn)足上述限制的條件下，氣2.2.1煤(固體)物流性質(zhì)規(guī)定化溫度越高，則氧耗越高。模擬中確定氣化溫度本模擬中，流股類(lèi)別確定為MCINCPSD。為1450C,可以適用于一般煤種的氣化。煤作為- -種特殊的組分, 根據(jù)ASPEN PLUS3.2.2氧耗、 氧煤比程序中煤的性質(zhì)方法規(guī)定:模擬中，根據(jù)確定的氣化溫度，由模擬結(jié)果定義煤為非常規(guī)組分(Nonconventional)。得出氧氣消耗量為156164kg/h, 氧煤比約為非常規(guī)組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓以及0.78 (質(zhì)量流量比)。密度模型( Enthalpy and Density)。 模型名稱(chēng)選中國(guó)煤化工尤意味著是氧氣用常用煤的焓模型( HCOALGEN)與煤密度模的消iYHCN M H C消耗與氣化溫型(DCOALIGT)。度的天墩及萬(wàn)切大樂(lè)見(jiàn)圖2。Option code value 中，Heat of Combustion 需2010,20(2)彌勇等煤氣化模擬計(jì)算模型I1表1 ASPEN 模擬計(jì)算結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù))氣體3N)2溫度,C40551450.8質(zhì)量流量，kg/h200003397863412493500719609156164H200.0280.0420. 0490.0490.0160.00400.0690.996s8ppm0.0150.048H0.2780.2790. 825C0.6460.6490. 649CO2圖4可以看出,隨著蒸汽用量的增加，氣化8溫度逐漸降低。模擬中，確定蒸汽用量在833kmoV/h ( 15000kg/h)即可維持氣化溫度在1450C左右。3.2.4煤氣成分煤氣化得到的煤氣的主要成分是CO和H,模擬中得到的煤氣中主要組分的含量CO為000000000 7000 7500 80064.6% mol, H2為27. 8% mol,同時(shí)還存在著少O2lkmol/b)}量的硫、二氧化硫、三氧化硫等物質(zhì)。圄3氧氣消耗對(duì)氣化溫度的彩響3.2.5熱損失由圖3可以看出，隨著氧氣的量的增加，氣氣化爐熱損失一般取值為原料煤熱值化溫度逐漸升高。此氣化過(guò)程中，保持氧氣的消的2%。.耗量在4880. 125kmol/h ( 156164kg/h)左右，4結(jié)語(yǔ)即可使得氣化溫度維持在1450C左右。在此耗氧量的條件下，氧煤比約為0.78。(1) ASPEN 模擬軟件可以較好地模擬煤氣3.2.3蒸汽量、 蒸汽煤比化過(guò)程，優(yōu)化并確定若千工藝參數(shù)，可以為過(guò)程在加氧量- -定的情況下，蒸汽煤比對(duì)氣化溫設(shè)計(jì)提供充分和可靠的依據(jù)。度的影響也就是蒸汽量對(duì)氣化溫度的影響，見(jiàn)(2)氣化溫度是影響氣化過(guò)程的最重要的圖4。參數(shù)。模擬計(jì)算結(jié)果定量說(shuō)明氧煤比、蒸汽煤比與氣化溫度的關(guān)系。(3)模擬模型適用于加壓氣流床煤氣化工00140藝過(guò)程。10p 144參考文獻(xiàn)141許世森，張東亮，任永強(qiáng).大規(guī)樸煤氣化技術(shù)[M].90北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.2孫銘緒. 多噴嘴對(duì)暨式水煤漿氣化技術(shù)工程設(shè)計(jì)[J].202010101001010010800 1600 200 200中國(guó)煤化工蔫汽(kmol/h)舊期2000 -10-16)圖4蒸汽消耗對(duì)氣化溫度的影響MHCNMHG