2012年第12期廣東化工第39卷總第236期www.gdchem.com.123.設(shè)計(jì)與裝備基于Aspen Plus的固定床高溫煤氣化模擬原滿，劉亮，田紅，朱超(長(zhǎng)沙理T.大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙41000)[摘要]文章以過程 模擬軟件Aspen Plus為工具，建立了以高溫空氣為氣化劑的固定床煤氣化的數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算了逆流式固定床氣化的制氣過程:并利用該模型模擬研究了不同空煤比以及不同的空氣預(yù)熱溫度對(duì)煤氣化指標(biāo)的影響，結(jié)果表明:在相同空煤比與汽煤比的工況下，提高空氣的預(yù)熱溫度可以使氣化過程得到強(qiáng)化。[關(guān)鍵詞]Aspen Plus:逆流式固定床:模擬:空煤比;汽煤比[中圖分類號(hào)]TH[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-1865(2012)12-0123-03Fixed Bed Gasifier Simulation Based on Aspen Plus SoftwareYuan Man, Liu Liang, Tian Hong, Zhu Chao(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)Abstract: The paper taking the process software Aspen Plus as the simulation tools and built the mathematical model of countercurent fixed bed coal gasifirswith high temperature air as gasification agent. The gas making process of counter flow fixed bed was simulated; Different air to coal ratio and different preheatingtemperature of air on gasifiation indexes was simulated based on the model. The result indicated that improving preheating temperature of air and steam can makethe gasification process strengthen in the same air to coal ratio and steam coal ratio condition.Keywords: Aspen Plus: countercurrent fixed bed: simulation: air to coal ratio; steam to coal ratio燃燒效率低與污染排放嚴(yán)重是我國(guó)煤炭利用所面臨的兩個(gè)煤炭以塊煤從爐頂進(jìn)去常壓逆流式固定床氣化爐內(nèi)，氣化劑主要問題，而煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤高效燃燒與環(huán)保利用的最有效的途由爐底送入，與煤逆流接觸。圖I是逆流式固定床煤氣化爐的示意徑。目前在國(guó)內(nèi)較為成熟的有常壓固定床氣化技術(shù)，它具有適用圖。煤進(jìn)入爐內(nèi)依次經(jīng)歷了干燥，干餾，氣化和燃燒四個(gè)過程。于中小規(guī)模能源用戶的優(yōu)點(diǎn)，使其成為我國(guó)大量分散的中小型直做建工快控公的物空量分散工業(yè)爐窯生產(chǎn) 工業(yè)燃料'氣的現(xiàn)實(shí)、合理、經(jīng)濟(jì)的選擇。塊煤在進(jìn)入爐體下落的過程中遇到來自氣化階段的高溫氣。由于常壓固定床煤氣化爐- -般是通入常溫氣化劑進(jìn)行氣化，體，高溫氣體將能量傳遞給濕煤塊，隨者煤層溫度的升高，煤中單爐生產(chǎn)能力和煤氣熱值較低，這在很大程度上限制了其在工業(yè)的水分蒸發(fā)。爐窯上的應(yīng)用。所以，提高煤氣化爐的煤氣熱值、氣化強(qiáng)度成為濕煤- →干煤+H:O問題的關(guān)鍵。而氣化劑預(yù)熱溫度越高，則帶入爐內(nèi)的熱量越多，爐內(nèi)溫度也越高，從而加快了煤的反應(yīng)速率，使煤氣化溫度升高，當(dāng)干煤的溫度進(jìn) -步升高，從煤中逸出揮發(fā)物，在干餾階段是煤的氣化反應(yīng)加強(qiáng)。進(jìn)行煤的熱解反應(yīng)。為此國(guó)內(nèi) 早有學(xué)者提出采用高溫氣化劑(主要指高溫空氣)進(jìn)煤→焦油+煤氣(NH3+H2S+CH4+CO+CO2+H2)+焦油行氣化，并進(jìn)行了相關(guān)研究。王連勇等四利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了煤高1.3 氣化溫空氣氣化試驗(yàn)研究，考察了空氣預(yù)熱溫度對(duì)氣化過程的影響，提經(jīng)干餾后得到的煤焦，同高溫氣體CO, H0O和H2等進(jìn)行氣化出在工藝允許的條件下空氣預(yù)熱溫度越高對(duì)氣化過程越有利;東北反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w。氣化階段主要發(fā)生的反應(yīng)如下:大學(xué)田紅巴在固定床煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤高溫2C+O2-+2CO氣化過程的特點(diǎn)，提出了建立煤高溫氣化模型的途徑和方向。2CO+O2- +2CO2 .文章基于Aspen Plus強(qiáng)大的模擬功能，借助Aspen Plus軟件建以及水蒸氣為氣化劑的氣化反應(yīng)和甲烷生成的反應(yīng):立了高溫逆流式固定床煤氣化的模擬模型，考察不同空氣預(yù)熱溫C+H2O-→CO+H2度、空煤比、汽煤比對(duì)氣化性能的影響，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)C+CO2-→2CO據(jù)進(jìn)行比較，分析操作參數(shù)變化對(duì)氣化指標(biāo)的影響。CO+H20-→CO2+H21煤氣化過程分析C+2H2-→CH41.4 燃燒燃燒層發(fā)生的主要反應(yīng)如下:C+O2- +CO22C0+O2-→2CO22H2+O2-→2H2O以上這些反應(yīng)都是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。進(jìn)而為十餾，氣化提供干燥區(qū)350-1000 |.poL煤一t焦炭+揮發(fā)物熱量。2 Aspen plus模擬模型的建立氣化區(qū)30-1000 K根據(jù)固定床煤氣化爐的工藝與反應(yīng)機(jī)理，需要考慮以下假設(shè)_燃燒區(qū) 350-1000條件。東渣區(qū)350-1000 K_(1)模擬時(shí)將制氣過程按燃燒和氣化兩個(gè)穩(wěn)態(tài)過程考慮;0-H20(2)爐內(nèi)的壓力變化不大，在此假設(shè)爐內(nèi)壓力維持常壓狀態(tài)不0-H2變0-C0(3)-維假中國(guó)煤化工晶度梯度:灰渣0-其他(4)假設(shè)煤部無質(zhì)量和熱量的傳圖1逆流式移動(dòng)床煤氣化爐遞。YHCNMHG2.1 物性方法Fig.l Schematic of countercurrent moving bed coal gasifiers在利用Aspen Plus進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，物性方法采用RK -Soave。非常規(guī)組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓以及密度模型(Enthalpy[收稿日期] 2012-06-30[作者簡(jiǎn)介]原滿(11986-). 男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦邷孛簹饣?。廣東化工2012年第12期，.124.www.gdchem.com第39卷總第236期and Density)。模型名稱選用常用煤的焓模型(HCOALGEN)和密度應(yīng)加強(qiáng)。但氣化溫度的提高受煤的灰熔點(diǎn)限制，也就限制了空氣模型(DCOALIGT)]。預(yù)熱溫度的提高。Option code value中，Heat of Combustion需要在模型中手動(dòng)輸入，取值為6,其它數(shù)值無需手動(dòng)輸入，取值為1。DCOALIGT1160中Option code value的值取系統(tǒng)默認(rèn)值。操作參數(shù)(溫度、 壓力、流量)根據(jù)工藝所需要的參數(shù)進(jìn)行輸1140入即可。2.2反應(yīng)模塊1120(1)產(chǎn)率反應(yīng)器模塊:創(chuàng)建虛擬反應(yīng)器模塊(RYield),模擬煤1100熱解成C, H2, O3, N2S, H2O, ASH的過程，并在此過程中考慮碳的不完全轉(zhuǎn)化中。其所需熱量與氣化過程均由燃燒過程提供。1080(2)平推流反應(yīng)器模塊:虛擬反應(yīng)器模塊(RPLUG)是在已確定1060化學(xué)反應(yīng)式與動(dòng)力學(xué)方程的情況下，模擬逆流式固定床氣化爐氣化區(qū)的反應(yīng)過程。其所需要的熱量均由燃燒區(qū)提供。1040(3)吉布斯反應(yīng)器模塊:創(chuàng)建虛擬反應(yīng)器模塊(RGibbs),1020RGibbs模塊對(duì)應(yīng)著反應(yīng)平衡時(shí)系統(tǒng)的自由能量最小來進(jìn)行反應(yīng)5000 650 700 750 800計(jì)算，主要用以模擬固定床煤氣化爐的燃燒反應(yīng)5。Aspen Plus中的煤氣化流程圖如圖2所示?？諝忸A(yù)熱溫度/CHEATER2HEATER1圖3空氣預(yù)熱溫度對(duì)氣化溫度的影響Fig.3 Effect of air preheating temperature on gasification-STEN}>temperatureHSTEAN3.3.2預(yù)熱空氣溫度對(duì)有效產(chǎn)氣率的影響-CR:COLF>)GASIFIER45.4tL NBURNER F)L RPULUIs.2-CROOCT]剛N45.0-圖2 Aspen Plus模擬流程Fig.2 Simulation flow chart in Aspen Plus44.63模擬結(jié)果與討論44.43.1主要工藝參數(shù)煤的工業(yè)分析 與元素分析見表1, Aspen Plus 模擬的操作參0075080數(shù)見表2。表1煤的性質(zhì)圖4空氣預(yù)熱溫度對(duì)有效產(chǎn) 氣率的影響Tab.1 Properties of coalFig.4 Effect of air preheating temperature on (CO+H2+CH4)煤的工業(yè)分析/%煤的元素分析%productivityM_AV_CCH0N5.13.62951.568.7.二4.3二5.910.6提高氣化劑溫度可以提高煤的轉(zhuǎn)化效率和氣化效率，主要是因?yàn)?一是提高了氣化溫度:二是高溫預(yù)熱的氣化劑可以帶來大量的物理熱，減少了燃燒過程所需要提高的能量份額，進(jìn)而相對(duì)表2_煤氣化操作條件的減少了燃燒所需要的空氣量，提高了煤氣熱值,使煤的轉(zhuǎn)化效Tab.2 Gasification operation conditions率與氣化效率提高。因此在工程技術(shù)條件允許的情況下，空氣預(yù)物流名稱煤空氣水蒸氣熱溫度越高，煤的氣化強(qiáng)度越高溫度/C25800225從圖4可以看出，在空煤比，汽煤比一定的情況下， 隨著空氣質(zhì)量流率/(kghr')816.51.8的溫度升高，有效產(chǎn)氣率也越來越高。壓強(qiáng)MPa .4.253.853.3.3空煤比對(duì)有效產(chǎn)氣率的影響3.2 Aspen Plus模擬計(jì)算結(jié)果49.5Aspen Plus模擬計(jì)算結(jié)果見表3。49.048.5表3模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Tab.3_ The comparison of Simulation and experimental results8.0-項(xiàng)目CO/%H2/%CH4/%CO2/%模擬值19.721.63.129.2847.0 |實(shí)驗(yàn)值.20.81 _20.472.866.5-3.3操作條件對(duì)氣化指標(biāo)的影響46.03.3.1空氣預(yù)熱溫度對(duì)氣化溫度的影響45.5.中國(guó)煤化工在煤樣粒度為20 mm,空煤比為1.6 m2/kg,給煤量為8 kg/h,YHCNMHG16o汽煤比為0.6 kgkg'的條件下，空氣預(yù)熱溫度對(duì)氣化溫度的影響見空煤比/ (kg.kg'圖3.可見，氣化溫度隨著空氣預(yù)熱溫度的升高而升高。因?yàn)轭A(yù)熱空氣溫度越高，空氣帶入爐內(nèi)的熱量就越多，爐內(nèi)溫度也就越高，從而加快了煤的反應(yīng)速率，使氣化溫度升高，使煤的氣化反圖5. 空煤比對(duì)有效產(chǎn)氣率的影routiviFig.5 Efect of air to coal ratio on (CO+H+CH2012年第12期廣東化工第39卷總第236期www.gdchem.com. 125.在空氣預(yù)熱溫度為800 C，汽煤比為0.6 kgkg'的情況下，考降低。因此游要綜合考慮I程內(nèi)系和經(jīng)濟(jì)內(nèi)數(shù)選擇. .個(gè) 介適的汽察空煤比對(duì)有效產(chǎn)氣率的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以有煤比問出，在開始階段，有效產(chǎn)氣率隨著空煤比的增加而變大，但隨斤4結(jié)論開始下降。這是因?yàn)榭彰罕仍黾?，煤燃燒反?yīng)增強(qiáng)，使煤層的熱(1)文 章利用Aspen Plus建 立逆流式固定床煤’(化爐的數(shù)學(xué)模量蓄儲(chǔ)增多，但是隨著空煤比進(jìn)一步增大，多余空氣會(huì)帶走大量到，較好的模擬了煤化過程，模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。的熱量，是有效產(chǎn)氣率降低3.3.4汽煤比對(duì)有效產(chǎn)氣本的影響(2)氣化劑溫度是影響煤氣化過程的重要指標(biāo)，在模擬溫度范圍內(nèi)，隨著氣化劑預(yù)熱溫度的升高，煤氣品質(zhì)以及有效產(chǎn)氣率均有明顯提高。(3)在高溫煤氣化過程中，所需要的空氣量較少。模擬得出在0.4-'氣化劑溫度固定的情況下，空煤比在1.5,汽煤比為0.5時(shí)候有效戶“率最高。500-參考文獻(xiàn)49.8-[]T連勇，蔡九菊，李明杰。氣化參數(shù)對(duì)固定床煤病溫空氣氣化的影響49.6-D]東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 30(4): 579-581.[2]用紅，蔡九箱，王愛華， 等.煤高溫氣化數(shù)學(xué)模型分析與探討[D].200549.4-年中國(guó)鋼鐵年會(huì)年會(huì)論文集，2005， 11: 597-599.49.2-[3]Aspen Technology Company Aspen Plus User Guide[M]. USA: CambridgyUniversity Press, 19949.0-[4]米斌，李政，江寧.等.基于Aspen Plus建立噴浼床煤氣化爐模型[0].化0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60工學(xué)報(bào)，2003， 27，1179-1182.汽煤比(kg . kg")[5]汪洋， 代正華，于廣鎖，等.運(yùn)用Gibbs白由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2004, 27(4): 27-33圖6汽煤比對(duì)有 效產(chǎn)氣率的影響[6]朱有健，E定標(biāo)，周俊杰.固定床煤氣化爐的模擬與優(yōu)化[].化工學(xué)報(bào)，F(xiàn)ig.6 ETect of air lo coal raio on (CO+H2+CH4) productivity2011，62(6): 1606-1611.在空煤比為1.5 kgkg'，空氣預(yù)熱溫度為800 C的情況下，考(本文文獻(xiàn)格式:原滿，劉亮，田紅，等.基于Aspen Plus的固盡不同汽煤比對(duì)有效產(chǎn)期率的影響。結(jié)果如圖6所較小的情況下，雖然有效產(chǎn)氣率比較高，但是產(chǎn)氣量小:汽煤比定床高溫煤氣化模擬[J].廣東化工，2012， 39(12): 123-125)較大又會(huì)導(dǎo)致氣化溫度下降，煤氣品質(zhì)和產(chǎn)氣率下降，氣化性能(上接第127頁)隨著Re的增大，Ap明顯增大，且兩臺(tái)換熱器的增幅大體相當(dāng)。在相同Re下，螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片管換熱器的殼程壓降[1]Kral D, Stehlik P, van der Ploeg HJ, et al. Helical bffles in sel-and-ubeAp是螺旋隔板光滑管換熱器的1.2~1.4倍。對(duì)比螺旋隔板光滑管heat exchangers(C): Experimental venfication[J]. Heat Transfer Engineering,換熱器的Nu和Op,可以看出，螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片管換1996， 17(): 93-101.熱器的傳熱性能的提高遠(yuǎn)高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，[2]Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical三維A型針翅片管具有很好的傳熱強(qiáng)化性能。三維A型針翅片管baffles([J]. Heat Trans fer Engineering, 2002， 23(3); 43-49.的強(qiáng)化傳熱機(jī)理為:三維A型針翅片管的外表面積是光滑管的3.2[3]Bergles A E. Enhanced heat transfer: endless frontier, or mature and倍，翅片管外表面積的增加提高了三維A型針翅片管的傳熱性能;routine[J]. Journal of Enhanceci Heat Transfer, 1999， 6: 79-88.另外，由于三維A型針翅片管的翅片呈錯(cuò)齒狀排列，翅片對(duì)管表[4]Zhang Z G，Wang s P，Lin P s. Condensation heat transfer and面油流體進(jìn)行了不規(guī)則的切割，極大地破壞了管表面油流體邊界enhancement of nonazeotropic mixtures on petal-shaped finned tubes//Shah R層的形成，激發(fā)了油流體的湍流程度，另外翅片形狀呈A字形，K. Proceedings of the Intermational Conference on Compact Heat Exchangers有利于翅片的放熱，提高了二次傳熱面積的翅片效率，同時(shí)也有for the Process Industries[J]. New York: Begoll House, 1999: 385-388.利于流體在翅片間的流動(dòng)，當(dāng)潤(rùn)滑油在三維A型針翅片管外螺旋[5]張正國(guó)，余昭勝，方曉明，等.三維翅片管外螺旋流動(dòng)傳熱強(qiáng)化[J].化流動(dòng)時(shí)，油流體可以完全到達(dá)齒根部，充分利用了- -次傳熱面積。工學(xué)報(bào)，2006, 57(11); 2531-2535.因此螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片管換熱器實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的[6)Zhang zG, YuZS, Fang X M. An experimental heat transfer study for協(xié)同，從而強(qiáng)化了傳熱。helically flowing outside petal-shaped finned tubes with different geometricalparameters[J]. Applied Thermal Engineering，2007， 27(1): 268-272.[7]ZhangXX, Tang Y, WanZP. et al. Rolling-plowing extrusion of Outside對(duì)于螺導(dǎo)流板光滑管換熱器和螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片3Dintegral Fins on the Stainless Steel Tube[J]. Advanced Materials Research管換熱器，隨著殼程油流體Re的增大，其Nu和壓降A(chǔ)p也增Volx，2010: 139-141， 1392-1395.大，在相同Re下，螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片管換熱器的Nu[8]TangY, Yuan D, LuLS, et al. Influence of Feed on Spiral Inner Grooves和Op分別是螺旋隔板光滑管換熱器的2.4~2.8倍和1.2~1.4倍。Formation with Ploughing[J]. Key Engineering Materials, 2010: 393-396，與螺旋隔板光滑管換熱器相比，螺旋導(dǎo)流板三維A型針翅片管換熱器的傳熱性能的提高遠(yuǎn)高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，三維A型針翅片管具有很好的傳熱強(qiáng)化性能。(本文文獻(xiàn)格式:王真勇，張正國(guó)，吳炳權(quán).三維針翅片管在螺旋板換熱器應(yīng)用傳熱強(qiáng)化研究[J].廣東化工, 2012, 39 (10): 126-127)(上接第137頁)[2]于靜江，周春暉.過程控制中的軟測(cè)量技術(shù)[].控制理論與應(yīng)用，1996，3011);: 61-67.13(4); 137-144.中國(guó)煤化工[3]錢伯章、世紀(jì)之交的石油化1.自動(dòng)化技術(shù)[J].石油化工出版社，1999(本文文獻(xiàn)格先進(jìn)控制技術(shù)在聚乙(3): 2-7.[4]朱學(xué)峰.軟測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2003,烯裝置中的應(yīng)MYHCNM. HC成進(jìn)控制技術(shù)