Aspen plus在煤氣化過程模擬中的應(yīng)用

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(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國能源資源現(xiàn)狀為富煤、貧油、少氣，煤炭將長(zhǎng)期在我國能源消費(fèi)中占主導(dǎo)地位。燃燒效率低與排污量大是我國煤炭利用所面臨的兩個(gè)主要問題，而煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤高效和清潔利用有效的途徑。利用Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)煤氣化過程進(jìn)行模擬以建立氣化模型，確定大致的最佳操作參數(shù)范圍以及研究影響煤氣化的主要指標(biāo)是模擬和優(yōu)化煤氣化生產(chǎn)過程的一種有效方法。

1 煤氣化模型的建立

1.1 煤氣化模擬的前提條件

實(shí)際煤氣化過程中有多種反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，多種相態(tài)同時(shí)存在，情況復(fù)雜，并且其中存在許多不可控與未知因素。因此，為了能研究煤氣化的一般規(guī)律和影響因素，在模擬流程建立之前一般需要先做如下假設(shè)[1]：

(1)氣化模型處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(2)氣流床粉煤與氣化劑瞬間均勻混合；

(3)模型包含氣化爐發(fā)生的所有過程：干燥、干餾、氧化和還原等；

(4)氣相反應(yīng)速度時(shí)間可忽略不計(jì)，瞬間平衡；

(5)惰性組分不參與任何反應(yīng)；

(6)以平推流為氣固兩相的流動(dòng)模型。

需要指出的是模擬不同類型的氣化爐所做的假設(shè)有所不同。

1.2 煤的定義方法

煤是多種有機(jī)物和無機(jī)物的混合物，組成極其復(fù)雜，無法直接定義其組分，一般需要以所模擬氣化的實(shí)際原料煤進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、硫形態(tài)分析為基礎(chǔ)將煤的組分定義為常規(guī)組分(在Aspen Plus中能查到的有確定分子式的物質(zhì))和非常規(guī)組分(灰渣，飛灰，煤等混合固體)。定義非常規(guī)組分時(shí)固體性質(zhì)模型中的焓模型一般采用HCOALGEN模型，密度模型一般選用DCOALIGT。

1.3 模型建立

煤氣化模擬模型不是單一的單元操作模擬，而是利用Aspen Plus 中的各單元操作模型模擬氣化爐中氣化經(jīng)歷的各個(gè)過程的組合。一般所采用的模塊有RYield、Sep、RStoic、Mixer、RGibbs和Splitters等。將煤的氣化過程[2]假定為兩個(gè)獨(dú)立過程：裂解過程和氣化過程。主要以RYield(收率反應(yīng)器)將煤分解成C、H2、N2、O2、Cl、S 和灰渣，建立煤氣化的裂解過程。RGibbs反應(yīng)器是以Gibbs自由能最小原理的反應(yīng)器模型用來模擬氣化爐中發(fā)生的各個(gè)反應(yīng)，RStoic也可用來模擬煤的裂解過程，采用以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ)平衡模型，具有一定的通用性。

2 煤氣化模擬的應(yīng)用及發(fā)展

崔杰等[3]運(yùn)用Gibbs自由能最小原理利用Aspen plus建立煤的氣化模擬流程(圖1)，其中主要包括收率反應(yīng)器、Gibbs最小自由能反應(yīng)器(氣化爐)、分離罐以及混合器(用于模擬激冷和排渣流程)等幾個(gè)模塊，利用 Hcoalgen 模型來計(jì)算煤的焓，利用Dcoaligt模型進(jìn)行計(jì)算煤的真實(shí)干基密度。模擬結(jié)果與實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)誤差不大于3%，并且借此模型研究了氧煤比對(duì)合成氣的影響，模擬結(jié)果如表1所示。

表1 氧煤比對(duì)出口合成氣的影響[3]

圖1 Aspen Plus 模擬煤氣化流程示意圖[3]

從表1中可知隨氧煤比的升高，出口合成氣中的CO2和H2O (g)含量升高，而CO、H2和H2S的含量逐漸下降。

表2 水煤漿濃度影響[4]

劉斌[4]等將煤氣化過程分為熱解反應(yīng)和燃燒反應(yīng)兩個(gè)過程。分別采用Ryield模塊和Gibbs模塊模擬熱解反應(yīng)和燃燒反應(yīng)，物性方法選擇適用于非極性或弱極性體系的RS-SOAVE建立了模擬煤氣化過程。在Ryield模擬裂解過程中，利用Fortran語言編寫計(jì)算過程，對(duì)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的煤種進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相對(duì)吻合，誤差在允許范圍內(nèi)。并且在此基礎(chǔ)上保持原數(shù)據(jù)不動(dòng)調(diào)整進(jìn)料水煤漿的濃度，對(duì)其濃度從56%到60%進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出，隨著水煤比的下降，出口氣中的有效組分增加而H2和CO2的濃度降低。這是由于進(jìn)水量的減少，水煤氣反應(yīng)變?nèi)酰珻O變換反應(yīng)向左移動(dòng)所造成。因此，水量的大小是可以起到調(diào)節(jié)H2產(chǎn)量的作用。

圖2 固定床氣化爐的模型[5]

原滿[5]等利用Ryield模塊模擬煤的熱解過程，考慮碳的不完全轉(zhuǎn)化，過程所需的熱量全由燃燒過程提供。利用RFLUG(平推流反應(yīng)器)模塊模擬逆流式固定床汽化爐的氣化區(qū)的反應(yīng)，利用Gibbs模塊模擬氣化爐的燃燒反應(yīng)。以此三個(gè)主要模塊建立了固定床氣化爐的模型，流程圖如圖2所示。

該模型模擬結(jié)果與實(shí)際值較好符合。他們還通過此模型研究了汽煤比和空氣預(yù)熱溫度對(duì)固定床氣化爐的影響。結(jié)果表明，在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)有效產(chǎn)氣產(chǎn)率最高。空氣預(yù)熱溫度是固定床氣化的重要指標(biāo)，可以影響爐子溫度，但又受灰熔點(diǎn)的限制。

陳世豪等[6]利用Aspen plus模擬了匹茲堡 8 #煙煤的固定床煤氣化過程，用帶Fortran 氣化動(dòng)力學(xué)子程序的串聯(lián)全混流反應(yīng)器取代 Gibbs 反應(yīng)器，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度高，這種模型有較好的預(yù)測(cè)性。

上述的幾種模型中的裂解模型并不能真實(shí)反映實(shí)際裂解過程。由于提前假定煤分解成為單元素分子(C、S、H2、N2、O2和Cl2等)，飛灰和灰渣組分的物流，規(guī)定了裂解產(chǎn)物的分布，利用Fortran語句編寫計(jì)算器，設(shè)定碳轉(zhuǎn)化率和其他組份的收率，且將過程發(fā)生的熱傳遞給下一個(gè)反應(yīng)單元。以此來模擬裂解過程，會(huì)產(chǎn)生物料平衡不嚴(yán)格的狀況，但是對(duì)于不同煤的適應(yīng)性強(qiáng)。

Fletcher教授等開發(fā)的化學(xué)滲濾脫揮發(fā)分(CPD)模型可以較為真實(shí)的模擬煤的裂解過程。林立[7]利用這種模型模擬煤的熱解過程，而煤的燃燒氣化過程仍采用Gibbs自由能最小原理，物性方法選用適合高溫、高壓范圍的RK-SOAVE方程，建立了Shell氣流床氣化爐模型。在CPD模型模擬計(jì)算中，他利用煤的特性數(shù)據(jù)和CPD模型數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式計(jì)算出煤的模型參數(shù)，研究了氣化壓力、氧煤比和汽煤比對(duì)煤氣化的影響，其結(jié)果與文獻(xiàn)值較為符合。

3 結(jié)論

利用Aspen plus中Ryield模塊建立的煤裂解模型和基于吉布斯自由能最小原理Gibbs平衡模型建立的氣化模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤氣化過程模擬和優(yōu)化。根據(jù)具體情況基于煤氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型并結(jié)合各類型氣化爐的特點(diǎn)建立了各種模型并得到了驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果值較為接近。Aspen Plus所建立的氣化模型可以合理的預(yù)測(cè)氣化出口組分，并且改變模型參數(shù)亦可較為方便安全的研究影響煤氣化主要指標(biāo)和因素及影響規(guī)律。模擬結(jié)果可為氣化爐提供合理的操作參數(shù)，有利于確定最佳操條件時(shí)減少大量的中間試驗(yàn)。

目前已開發(fā)的氣化模型基于諸多假設(shè)條件，忽略了溫度分布、微量元素、反應(yīng)時(shí)間，粒徑分布、碳沉降和氣化爐內(nèi)物料相互運(yùn)動(dòng)等因素，并且在計(jì)算過程中采用“黑箱” 方式，忽略了氣化過程的三傳一反及動(dòng)力學(xué)行為，而真實(shí)情況下裂解過程和氣化過程同時(shí)發(fā)生互相影響。未來利用Aspen plus對(duì)煤氣化進(jìn)行模擬應(yīng)逐步考慮解決這些問題，使之更加接近實(shí)際的氣化過程。