利用Aspen Plus 對粉煤氣化與水煤漿氣化過程的模擬分析

張曉光，蘇 麗，王志欣，馮盛丹，李 平

（寧夏大學化學化工學院，寧夏銀川 750021）

煤炭氣化是煤炭高效潔凈利用的有效途徑。以干粉煤或水煤漿為原料，以水蒸汽和純氧作為氣化劑的氣流床煤氣化技術是現代煤氣化的核心技術之一，對煤炭的清潔高效轉化具有重要的意義。以Aspen Plus為模擬工具對煤氣化過程進行模擬具有以下意義：（1）對整個煤氣化過程進行分析，尋找到最優操作點[1]，以用于實際生產的指導和優化；（2）為煤氣化工藝提供數據支持，及對優化設計具有一定的指導意義[2]；（3）預測合成氣的組成和污染物的排放[3]；（4）對裝置設計、工藝操作提供數據支持。

煤氣化的實質就是將煤中的C、H 轉化為清潔燃料氣或合成氣（CO+H2）的過程。氣化爐中的氣化反應是一個十分復雜的體系，其中的主要反應是煤中的碳與氣化劑中的氧、水蒸氣及二氧化碳等的反應，也有碳與產物以及產物之間進行的反應。在氣化爐內，煤炭經歷了干燥、熱解、氣化三個過程。

煤在氣化過程中，第一階段的反應以揮發分的燃燒為主，當氧氣消耗殆盡后，氣化過程將以氣化產物與殘炭的氣化反應為主，主要包括以下反應：

（1）揮發分的燃燒反應

（2）焦炭的燃燒反應

（3）焦炭的氣化反應

（4）揮發分的轉化反應

本研究利用Aspen Plus 軟件，建立粉煤氣化和水煤漿氣化兩種模型，參照某氣化車間實際操作參數，分別對寧夏寧東礦區三種不同煤樣進行氣化模擬，并將模擬計算結果與實際工業生產得到的合成氣組分進行對比。模擬用煤與實際用煤的煤質檢測數據（見表1）。

1 粉煤氣化過程模擬

1.1 模型的建立及物性方程的選擇

對粉煤氣化過程的建模選擇RYield（收率反應器）和RGibbs（平衡反應器）兩個模塊反應器來進行模擬，Ryield 的主要功能是將粉煤分解成單元素分子（純元素C、S、H2、N2、O2、Cl2） 和灰渣（Ash），并將裂解熱（QDcomp）導入反應模塊[3]。煤炭是非常規組分，模擬中將粉煤通過RYield 反應器裂解轉化為單元素的分子后，再與氣化劑、氧氣一同進入RGibbs 反應器進行煤炭的氣化反應。用Heater 換熱模塊對爐氣進行冷卻以便后續工段的處理。粉煤氣化模擬流程圖（見圖1）。

圖1 粉煤氣化模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of powdered coal gasification

氣流床氣化過程是在高溫高壓下進行的[4]，因此選用RK-SOAVE 方程比較適合本次模擬的工藝過程。選用HCOALGEN 焓模型計算煤的焓，選用DCOALIGT模型計算煤的干基密度。進料的粉煤則作為非常規組分Nonconventional 來對待。

1.2 粉煤氣化模擬

粉煤氣化裝置氣化爐操作條件為：壓力約4 MPa，氣化溫度1 450 ℃～1 650 ℃。某粉煤氣化爐主要原料的工藝指標（見表2）。根據實際工況選擇氣化模型的模擬條件為：壓力4.0 MPa，溫度1 450 ℃，煤粉進料量70 t/h，水蒸氣量2.0 t/h，氧氣量43 000 m3/h。模擬結果（見表3）。

表2 實際工況主要原料Table.2 Main raw material in the actual operating conditions

表1 煤質檢測數據Table.1 Proximate and Ultimate Analysis of Coals

表3 粗煤氣組分的比較（V%）Table.3 Comparison of contents in the raw gas（V%）

圖2 Aspen plus 水煤漿氣化模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification

模擬所用原料煤與生產實際用煤的工業分析數據接近，但模擬用煤為單一煤種，煤質相對穩定，工業生產中則經常通過配煤達到生產要求煤質，產物組分在一定范圍內波動。由表3 模擬結果可見，氣化模擬產生的粗煤氣組分基本都在實際生產的數值范圍內，說明模擬結果合理，與實際工況符合較好。

2 水煤漿氣化過程模擬

2.1 水煤漿氣化模型的建立

水煤漿氣化過程模擬需要利用混合器將水和煤粉充分混合后經加壓泵送入裂解器中，然后進行氣化。其主要反應模塊與粉煤氣化差別不大，在物性方程的選擇上也基本相同，不同的是在進料物流中增加了水這一流股，并對其進行了相關設置。

2.2 水煤漿氣化過程模擬

參照某企業水煤漿氣化車間的實際工況參數設定了氣化模擬的主要指標，具體參數（見表4）。對氣化過程進行模擬。

表4 水煤漿氣化模擬工況與實際工況主要指標Table.4 Raw material consumption and process parameters

由表5 可見，三種煤在成漿濃度均為60 %的情況下模擬氣化過程，產生的粗煤氣中H2的含量較高，有效氣體（H2+CO）的總含量與實際工況的對比分析，結果（見表6），可見模擬計算結果與實際生產狀況吻合較好。

表5 水煤漿氣化模擬結果（V%）Table.5 Simulation results of coal water slurry gasification（V%）

表6 合成氣中有效氣體含量對比（V%）Table.6 Comparison of key contents in the synthesis gas（V%）

3 模擬結果分析

通過對與實際生產煤種煤質基本相同的三種不同煤采用不同的氣化方式進行模擬，其模擬計算結果與實際生產過程中產生的粗煤氣中各氣體組分基本接近，表明模擬中所選擇的模型是適合的。從表7 模擬結果對比分析發現：對于同樣的煤種，粉煤氣化過程所生產出來的煤氣中有效合成氣含量明顯高于水煤漿氣化過程；且粉煤氣化與水煤漿氣化產物中H2與CO 比差別較大，故不同氣化方式的產物適合不同化工產品合成時原料氣的生產。

表7 兩種氣化過程模擬有效氣體對比（V%）Table.7 Comparison of key contents from two gasification methods（V%）

4 結論

煤氣化過程的大型化已成為煤化工的一個重要發展趨勢，對大型煤氣化過程進行計算機模擬，是深刻理解過程本質，實現優化設計、優化操作的有效手段[5]。文中建立了粉煤及水煤漿氣化爐模型，并采用現場裝置的實際運行數據驗證了模型的可靠性，對實際生產過程能夠提供有用的理論支持。

［1］ 彭錦.高灰分劣質煤氣化特性研究［D］.重慶：重慶大學，2012：2-10.

［2］ 劉娜.新疆部分煤炭氣化過程的模擬優化［D］.新疆：新疆大學，2012：23-37.

［3］ 張宗飛，等. 基于Aspen Plus 的粉煤氣化模擬［J］.化肥設計，2008，46（3）：14-19.

［4］ KONG Xiangdong，ZHONG Weimin，DU Wenli and QIAN Feng.Three Stage Equilibrium Model for CoalGasification in Entrained Flow Gasifiers Based on Aspen Plus［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2013，21（1）：79-84.

［5］ 陳倩，等.水煤漿氣化過程的計算機模擬［J］.計算機與應用化學，2012，29（12）：1425-1428.