基于反應動力學的煤氣化技術模擬與分析

劉 蓉 王 琪 郭 強 呂 洋 王 濤 董國亮

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇公司，甘肅 華亭 744100；3.二氧化碳捕集與處理北京市重點實驗室，北京 102209)

0 前言

煤氣化技術是煤炭資源實現高效清潔利用的關鍵技術。在以往研究中，固定床加壓氣化技術和水煤漿加壓氣化技術均采用統一模型進行近似模擬，假設氣化爐內的氣化區、燃燒區、干燥區、熱解區的溫度各不相同，氣化區和燃燒區內的所有氣體均處于熱力學平衡狀態；而且不考慮煤顆粒的粒徑分布、反應過程中的物料返混情況以及灰渣顆粒的反應停留時間[1-2]。但是，在真實氣化過程中，氣化爐內的反應和物料流動情況非常復雜，相比之下，傳統模型過度簡化，無法客觀真實地反應煤氣化過程，模擬的煤氣化產物往往與實際煤氣化產物差別很大。此外，傳統模擬的可調參數有限，無法進行大范圍多參數優化。基于上述原因，本文介紹了一種新的模擬方法，即基于反應動力學的煤氣化技術模擬方法，利用ASPEN PLUS 軟件進行分區模擬的方法。該方法結合反應動力學和熱力學參數，充分考慮氣化爐內的顆粒分布和返混情況，能夠真實地反應不同煤氣化工藝過程，模擬結果與真實值誤差較小，同時可調參數多，可以進行大范圍的多參數優化研究。

1 煤熱解實驗

氣化爐作為煤氣化系統的關鍵和核心裝置，其內發生的多相強放熱反應的機理十分復雜，且藕合性強[3-4]。煤氣化過程分為煤的熱解、熱解固相產物的分解以及氣相、固相單質的氣化。為了準確模擬煤氣化過程，需要通過實驗確定煤熱解產物分布。

1.1 實驗裝置

以固定床加壓氣化技術和水煤漿加壓氣化技術的工廠實際氣化用煤為原料，在管式爐固定床實驗裝置上進行煤熱解實驗，熱解溫度設置為600 ℃。管式爐熱解實驗系統主要包括供氣裝置、流量控制系統、管式熱解爐和產物收集裝置[5]，如圖1 所示。實驗過程中首先用推桿將反應物料煤加入反應管內，在系統升溫至反應熱解溫度600 ℃后，在氮氣氣氛下進行熱解實驗，液相產物通過U 形曲管和燒杯進行冷凝收集分析，氣相產物進入色譜進行分析。

圖1 煤熱解實驗系統結構

1.2 熱解產物分類

煤熱解主要發生如下反應:

可根據上述反應，將煤熱解產物分為以下三類:

2)液相產物，主要是煤焦油和熱解水。

3)氣相產物，主要是CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體。

1.3 產物收率

產物收率均采用質量收率，計算公式如下所示:

式中:Yx——固相產物、液相產物或氣相產物x的質量收率，%；

Wx——固相產物、液相產物或氣相產物x的質量，g；

W0——實驗室加入的煤樣質量，g。

熱解實驗得到的不同產物分布(表1)將用于后續固定床加壓氣化技術和水煤漿氣化技術的模擬。

除上述的問題外，稅改之前建筑企業在計算營業稅時，所根據的主營業務是含稅收入，而稅改之后的主營業務收入為不含稅收入，增值稅被獨立出來。因此，財務指標也會受到一定的影響。

表1 不同氣化技術煤熱解實驗產物分布

2 煤氣化模型的建立

2.1 固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異分析

為了準確模擬兩種氣化過程，首先對固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異進行分析[6-8]。

2.1.1 固定床加壓氣化過程

原料煤從氣化爐上端入口進入，氣化劑從氣化爐下端進入，根據氣化爐內部軸向溫度分布和發生反應的類別，氣化爐自下而上可以分為燃燒區(980～1 370 ℃，主要進行碳燃燒反應，生成CO2)、氣化區(650～815 ℃，主要進行氣相反應，生成CO、H2和CH4)、熱解區與干燥區(25～650 ℃，主要進行原料煤的水分和揮發分的脫除)，如圖2 所示。

圖2 典型固定床氣化爐分區示意圖及其軸向溫度分布

2.1.2 水煤漿加壓氣化過程

煤和水在常規的煤漿磨中被制成濃度為60%～68%的水煤漿，水煤漿和95%及以上純度的氧氣被同時送入氣化爐噴嘴，在氣化爐內發生反應，氣化爐內溫度一般為1 000～1 200 ℃。

2.1.3 差異分析

綜上所示，固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異(圖3)主要體現在以下兩方面:

1)氣化劑氧氣與原料煤的接觸方式不同。固定床加壓氣化過程中，原料煤從氣化爐上端入口進入，氣化劑氧氣和水從氣化爐下端進入，兩者處于逆流接觸狀態，因此氣化劑氧氣和水僅參與煤氣化過程的最后一步反應，即固相殘碳化合物分解成為單質后的氧化反應；在水煤漿氣化技術中，氣化劑氧氣與水煤漿一同從氣化爐上端進入并流至爐底部，因此氧氣直接與熱解氣相產物發生氧化反應。

2)煤熱解產物后續的反應路徑不同。固定床加壓氣化技術煤熱解后的氣相產物直接作為粗煤氣排出，而水煤漿氣化技術熱解后的氣相產物會進一步與氣化劑氧氣發生氧化反應。

圖3 固定床加壓氣化技術和水煤漿加壓氣化技術流程

2.2 固定床加壓氣化模型

根據以上分析，采用分區模擬的方法模擬固定床加壓氣化過程。基于ASPEN PLUS 軟件的固定床加壓氣化模擬流程如圖4 所示，ASPEN PLUS 中固定床加壓氣化各操作模塊功能詳見表2。

圖4 固定床加壓氣化模擬流程圖

表2 ASPEN PLUS 中固定床加壓氣化各操作模塊功能

首先，原料煤在干燥區中脫除水分，水分與氣化爐產物混合，而干燥后的煤粉進入熱解區。利用ASPEN PLUS 軟件中的兩個RYield 模塊來模擬煤的熱解過程，并根據實際煤熱解實驗來確定RYield 模塊的出口產物分布。產物中的半焦、粉煤灰和煤焦油分別為模擬過程產生的熱解固相產物和液相產物；煤熱解生成的粗煤氣直接作為產品氣；殘碳化合物繼續分解產生的氣相和固相單質分別與氣化劑發生反應。熱解殘碳化合物的分解過程采用內置計算器的RStoic 模塊來模擬。

其次，煤熱解產物經分離模塊SEP2 進行氣固分離。分離后的氣相單質O2、N2、H2與氣化劑混合后，再與分離后的固相單質進行反應。由于氣化爐內氣固兩相為逆流，為了準確模擬氣固兩相的流動和反應，采用多個RCSTR 反應器串聯進行模擬。氣相流動方向為自左向右，殘碳化合物流動方向為自右向左，兩股物流逆向流動，從不同方向進入串聯的RCSTR 反應器，在反應器內進行燃燒和氣化反應，所有RCSTR 反應器的體積之和等于氣化爐的總體積。此外，在反應器中加入熱物流回收粗煤氣的熱量，然后將其用于煤的干燥和熱解。反應器的熱量損失采用內置的Calculator 根據以下公式進行計算。

式中:Q——反應器的熱量損失，kW；

U——反應器傳熱系數，kW/m2·℃；

Treactor——反應器內溫度，℃；

Twall——反應器外壁溫度，取室溫，℃；

A——反應器表面積，m2。

最后，利用Fortran 語言輸入已知的反應動力學參數進行熱力學非平衡模擬。

2.3 水煤漿加壓氣化模型

與固定床加壓氣化技術不同，水煤漿氣化技術的水煤漿和氣化劑屬于并流，流動方向均為自氣化爐頂部到底部。從流動特征上來說，水煤漿氣化過程屬于受限射流反應過程，按流動過程可將氣化爐內分為三個區域，即射流區、回流區和管流區。

水煤漿和氧氣剛進入氣化爐時，氧氣濃度相當高。隨著燃燒和氣化反應的進行，氧氣濃度逐漸降低直至為零。因此，射流區進行的反應可分為兩類:一類為有氧反應，主要是煤的部分氧化反應、燃燒反應、熱解反應、碳的完全燃燒反應，這些反應統稱為一次反應；第二類為一次反應產物繼續進行的無氧反應，主要是一次反應的燃燒產物、CH4、殘碳化合物、水蒸氣等在管流區內繼續進行射流區的CO2還原反應、非均相水煤氣反應、甲烷轉化反應、逆變換反應，這些反應統稱為二次反應。

由于射流作用，殘碳化合物在燒嘴附近形成相對低壓區，造成大量的高溫氣體被卷吸回流，形成一個回流區。由于回流區的存在，氣化爐內存在物料返混，物料的停留時間不一樣，二次反應程度也不一樣，因此若采用簡單的熱力學平衡模擬會產生較大偏差。由于不同粒徑的煤顆粒在氣化爐內的流動情況和停留時間差異較大，而顆粒停留時間直接決定了氣化反應的持續時間和程度，因此水煤漿氣化爐是一個帶有停留時間分布函數的平推流反應器。顆粒停留時間采用下式計算。

式中:Vg——反應器內氣相的體積流率，m3/h；

t——顆粒停留時間，h；

D——氣化爐直徑，m；

h——氣化爐高度，m。

圖5 水煤漿氣化模擬流程

基于ASPEN PLUS 軟件的水煤漿氣化模擬流程如圖5 所示，各分區選擇的模塊和相應的模塊功能設置見表3。采用RPlug 模塊的平推流反應模型模擬不同停留時間的煤氣化反應，利用內置計算器根據粒徑分布計算顆粒停留時間，并利用Fortran 語言輸入已知的反應動力學參數進行熱力學非平衡模擬。

表3 ASPEN PLUS 中水煤漿加壓氣化各操作模塊功能

2.4 氣化模型的驗證

對比固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化技術的工廠真實生產數據與模擬數據，結果見表4，其中CH4由于含量較低相對誤差較大。由表4 可知，基于ASPEN PLUS 軟件的氣化模擬能夠很好地預測和模擬固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化的特性。

表4 固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化技術的實際結果與模擬結果對比 %

3 結束語

基于煤氣化爐內的物料流動情況，結合熱力學和反應動力學，明確不同煤氣化技術的特點，然后基于反應動力學建立固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程模型，并將模擬結果與工廠實際運行數據進行對比，結果表明基于反應動力學的煤氣化技術模擬能真實反映氣化爐內的實際運行情況。實踐證明，基于反應動力學的煤氣化技術模擬可調節參數覆蓋范圍廣，可推廣性強，便于進行多參數優化，也可用于指導氣化爐的規格設計。