基于Aspen Plus的Shell氣流床工業氣化爐模擬

鄭志行，李謙，張家元，周浩宇

（1 中南大學能源科學與工程學院，湖南長沙410083；2 中冶長天國際工程有限責任公司國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心，湖南長沙410205）

煤氣化是一種高效、清潔、便捷的煤炭利用方式，與傳統的直接燃燒相比，可以提高煤炭的利用率，減小污染物的排放，同時氣化氣更方便人們的使用[1-3]。近年來，很多研究者建立了煤炭熱解氣化的平衡模型，旨在優化氣化爐系統的效率和運行條件，以提高煤炭的轉化效率。Ni等[4]利用非線性規劃方法，在平衡、質量平衡和能量平衡的基礎上，建立了氣化爐的多變量模型，并與Shell 氣化爐的實際生產數據進行了對比驗證，并在此基礎上研究了氣化溫度、氣化壓力、氧煤比、蒸汽煤比對煤氣組成及氣化效率的影響。Li 等[5]建立了循環流化床的氣化平衡模型，并通過引入碳轉化實驗，對產物的氣體組成進行了預測，模擬結果與實驗結果誤差很小。Kong 等[6]基于Aspen Plus 軟件建立了Texaco煤氣化爐煤氣化三級平衡模型，在不同的操作工況下預測了氣體組成和碳轉化率，并通過實驗結果對模型進行了對比驗證。Sanchez 等[7]基于Aspen Plus 軟件對加壓鼓泡流化床建立了煤氣化模型，模擬結果與實驗結果吻合良好，在此基礎上預測并分析了溫度、壓力、蒸汽煤比和空氣煤比對煤氣組成和煤氣熱值的影響。

此前的研究大多是考慮單一因素對氣化結果的影響，未考慮多種因素共同作用下的結果，且針對煤粉富氧氣化的研究較少[8-11]。實際氣化生產中，氧氣體積分數的增加可有效地提升煤氣效率和氣化氣品質，但增加了氣化成本，因此根據不同的生產需求可選擇不同體積分數的氧氣作為氣化劑[12]。本文基于Aspen Plus 化工仿真平臺，建立了煤粉在Shell 氣流床中的氣化模型，利用靈敏度分析模擬了氧煤比、氧氣體積分數及氧氣預熱溫度對氣化指標及氣化特性的影響，并進行了正交模擬計算，研究了以上3種因素共同作用的結果。本文以探索富氧氣化規律、提高煤粉氣化效率和降低氣化成本為目標，期望為煤粉氣流床氣化的工業化方案制定和反應器設計提供理論支持和技術參考。

1 煤粉在氣化爐中的氣化模型

1.1 氣化過程

煤炭氣化指在一定溫度、壓力下，用氣化劑對煤進行熱化學加工，將煤中有機質轉變為煤氣的過程[13]，氣化劑可以是氧氣、水蒸氣、CO2等。Shell煤氣化過程是在高溫高壓下進行的，干煤粉、氧氣及少量水蒸氣在高壓下并流入氣化爐，在很短的時間內即可完成干燥、裂解、燃燒、氣化等一系列物理化學過程，1500℃左右的高溫煤氣在氣化爐頂部與激冷氣混合，溫度降至約900℃排出并進行進一步處理，爐渣則以熔融態從爐底排出，Shell 氣流床的煤氣化工藝流程如圖1所示。氣化過程中發生的主要反應見表1[14]。

1.2 氣化指標

本文采用煤氣熱值、有效氣體積分數、煤氣產率、碳轉化率、氣化效率等指標對氣化過程進行評價。

煤氣熱值（QLHV，kcal/m3，1kcal=4.18kJ）見式(1)。

式中，yi為各氣體化合物（H2、CO、CH4）在合成氣中的體積分數。

有效氣體積分數（φ，%）見式(2)。

圖1 Shell氣流床系統流程示意圖

表1 氣化過程中發生的主要反應

式中，VH2、VCO分別為煤氣中H2和CO的體積，m3/h；V為煤氣總體積，m3/h。

煤氣產率（Vg，m3/kg）的計算見式(3)。

式中，V為煤氣總體積，m3/h；G為入爐煤量，kg/h。

冷煤氣效率（η，%）的計算見式(4)。

式中，QLHV為煤氣低位熱值，kcal/m3；Vg為煤氣產率，m3/kg；Qcoal為入爐煤低位發熱量，kcal/kg。

碳轉化率（ηC，%）的計算見式(5)。

式中，Cash為氣化殘渣中的含碳量，kg；Cash入爐煤的含碳量，kg。

對于氣化過程中發生的主要反應R1～R9（表1），影響其平衡移動的主要因素為反應物體積分數及反應溫度。反應物濃度越高，分子間碰撞的概率越大，使得反應正向移動。為了更好地解釋氣化反應中氧煤比、氧氣體積分數和氧氣預熱溫度變化對氣化結果的影響，引入范特荷夫方程式對反應R1～R9進行分析[15]，從反應溫度的角度來解釋氣化反應平衡的移動，范特荷夫方程式見式(6)。由式(6)可知，對于吸熱反應R3、R4、R9，隨著氣化溫度升高，化學平衡常數K逐漸升高，反應正向移動；對于放熱反應R1、R2、R5、R6、R7、R8，隨著氣化溫度升高，化學平衡常數K逐漸減小，反應逆向移動。

式中，K為化學平衡常數，表征反應進行的程度，其單位與反應的化學計量系數有關；ΔH為反應熱，kJ/mol；R為摩爾氣體常數，8.314J/(mol·K)。

2 模型構建及驗證

2.1 模型構建

利用Aspen Plus 建立煤粉在Shell 氣化爐中的熱解氣化流程圖需進行以下假設[16]：①氣化爐處于穩定運行狀態，爐內溫度及壓力保持恒定；②煤中的灰分為惰性物質，不參與氣化反應；③爐內氣相反應速度很快，且處于平衡態。

根據以上假設，針對Shell氣流床煤氣化實際過程，利用Aspen Plus 建立煤粉的熱解氣化模型。模擬采用的煤種為神華煤，其工業分析、元素分析見表2，熱值為29.88MJ/kg。氣化爐的操作條件見表3[17]。

表2 神華煤的工業分析和元素分析（干燥基）

表3 氣化爐操作條件

本文建立的煤粉熱解氣化模型由干燥、熱解、氣化和除塵這4部分組成，如圖2所示。由化學計量反應器RSTOIC 模擬煤粉的干燥，收率反應器RYIELD 模擬熱解過程，吉布斯反應器RGIBBS 模擬氣化過程，分流器SEP1模擬粗煤氣的除塵[18]。

圖2 煤氣化模型示意圖

煤粉在Aspen Plus 中被定義為非常規組分。RSTOIC 反應器中通過熱氮氣對煤粉進行干燥，并通過分離器FLASH將干煤粉、干燥劑及水分分離；RYIELD 反應器中使用CALCULATOR 模塊，根據煤粉的工業分析和元素分析，將煤粉分解為C、H2、O2、N2、S 和灰分，并將其作為熱解產物通入到RGIBBS 反應器，與O2、水蒸氣發生氣化反應；氣化反應后的產物通過分流器SEP1 將灰與未反應的殘炭分離出去。裂解熱由氣化過程提供，并考慮氣化過程中的熱量損失。

2.2 模型驗證

本文利用文獻[17]中Shell氣化爐的實際運行數據對模型進行驗證。文獻試驗結果與模擬結果的對比情況見表4。從表4 可以看出，實際氣化過程中產生的氣體主要為CO 和H2，而H2S 和CH4的濃度很小，模擬結果與試驗結果的誤差很小。除此之外，模型對比了文獻[19]中的Illinois No.6、Wyodak、SRC(-Ⅱ)、Exxon DSP、Western和Eastern這6種煤種，煤種的元素分析和氣化爐操作條件如表5 所示[19]，模擬結果與文獻試驗結果吻合良好，如圖3 所示。通過以上對比驗證，本文建立的Aspen Plus 氣化模型可以很好地模擬煤粉在氣流床中的氣化。

表4 文獻值與模擬值的對比結果

圖3 模擬值與文獻值的煤氣組成及碳轉化率對比

3 單因素分析

3.1 氧煤比

表5 煤種的元素分析和氣化爐操作條件

在保持其他操作參數不變的情況下，本節利用靈敏度分析模擬了氧煤比對氣化結果的影響。其中，氧氣體積分數為21%，氧氣預熱溫度為180℃。

氧煤比對氣化溫度及氣體組成的影響如圖4所示。隨著氧煤比的增加，氣化溫度逐漸升高[20]，當氧煤比從0.2kg/kg 升高到1.2kg/kg 時，氣化溫度由765℃升高到1448℃。這是由于入爐氧氣量增加，放熱反應R1、R2、R6正向移動，使得氣化爐內溫度迅速升高。反應R6 正向移動造成H2的濃度降低；溫度升高使反應R9 正向移動，因此CH4的濃度降低；當氧煤比小于0.9kg/kg 時，反應R2 和R4占主導，CO 的濃度逐漸升高，CO2濃度逐漸降低，當氧煤比大于0.9kg/kg 時，反應R1 和R7 占主導，CO 的濃度逐漸降低，CO2濃度逐漸升高。綜合H2和CO 的變化，有效氣體積分數先增加后減小，當氧煤比在0.9kg/kg時達到最大值41%。

圖4 氧煤比對氣化溫度及氣體組成的影響

氧煤比對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響如圖5所示。隨著氧煤比的增加，煤氣熱值逐漸降低，當氧煤比從0.2kg/kg增加到1.2kg/kg時，煤氣熱值從1702kcal/m3降低到870kcal/m3，主要是由于H2、CH4的濃度降低造成的；碳轉化率逐漸增加，冷煤氣效率先增加后降低，當氧煤比為0.9kg/kg時，碳轉化率達到最大值100%，冷煤氣效率達到最大值77.72%，但此時產氣熱值僅為1303kcal/m3。

3.2 氧氣濃度

由于空氣氣化時的冷煤氣效率和煤氣熱值較低，實際氣化生產中均采用富氧或者純氧氣化。在保持其他操作參數不變的情況下，本節利用靈敏度分析模擬了氧氣濃度對氣化結果的影響。其中，氧煤比為0.8kg/kg，氧氣預熱溫度為180℃。

氧氣濃度對氣化溫度及氣體組成的影響如圖6所示。隨著氧氣濃度的增加，氣化溫度逐漸升高，當氧氣體積分數從21%增加到100%時，氣化溫度由1003℃升高到1480℃。這是由于氧氣濃度增加，氣化爐中O2活化分子數目增加，從而增加了O2與C、CO、H2的碰撞，使得放熱反應R1、R2、R6、R7 正向移動，氣化爐內溫度逐漸升高。溫度升高使反應R3、R4 正向移動，因此CO2濃度降低、H2和CO 濃度升高，而CH4濃度變化很小。有效氣的體積分數大幅度升高，從空氣氣化時的42%升高到純氧氣化時的97%。

圖5 氧煤比對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響

圖6 氧氣濃度對氣化溫度及氣體組成的影響

氧氣濃度對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響如圖7所示。隨著氧氣濃度的增加，煤氣熱值逐漸升高，當氧氣體積分數從21%增加到100%時，煤氣熱值從1316kcal/m3升高到2950kcal/m3，這是由H2和CO的體積分數升高造成的。氧氣濃度的增加使固相碳和氣相間的反應速率和反應活性大大增加，使得碳轉化率和冷煤氣效率升高，氧氣體積分數為50%時，碳轉化率達到最大值100%，冷煤氣效率達到最大值82.6%。

圖7 氧氣濃度對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響

3.3 氧氣預熱溫度

氣化生產的粗煤氣具有一定的顯熱，可利用這部分熱量對氧氣進行預熱，增加氧氣分子的氣化活性，提升氣化效果，從而實現對氣化過程中熱量的全面、高效利用。在保持其他操作參數不變的情況下，本節利用靈敏度分析模擬了空氣預熱溫度對氣化結果的影響。其中，氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分數為21%。

氧氣預熱溫度對氣化溫度及氣體組成的影響如圖8所示。隨著氧氣預熱溫度的增加，氣化溫度逐漸升高[21]，當空氣預熱溫度從25℃增加到600℃時，氣化溫度由967℃升高到1119℃。同時，吸熱反應R3、R4 正向移動，使得H2、CO 升高，CO2降低，而CH4變化很小。有效氣的體積分數逐漸升高，在600℃預熱時達到46%，相比于常溫氣化有7%的增長。

圖8 氧氣預熱溫度對氣化溫度及氣體組成的影響

氧氣預熱溫度對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響如圖9 所示。隨著氧氣預熱溫度的增加，煤氣熱值、碳轉化率和冷煤氣效率小幅升高，當空氣預熱溫度從25℃增加到600℃時，煤氣熱值從1247kcal/m3升高到1407kcal/m3，碳轉化率從93.5%升高到99.7%，冷煤氣效率從68%升高到82%，增長量分別為160kcal/m3、6.2%、14%。這是因為預熱增加了氣化溫度，使得固相碳與氣相間的反應活性和反應速率增加。

圖9 氧氣預熱溫度對產氣熱值、碳轉化率及冷煤氣效率的影響

4 正交模擬計算

通過對單因素變量的分析，得到了氧煤比、氧氣和氧氣預熱溫度對氣化結果的影響。實際氣化過程中，幾種因素之間是互相干擾、互相影響的，通常多種因素都在一定范圍內變化[22]。因此本節研究了氧煤比（A）、氧氣體積分數（B）和氧氣預熱溫度（C）對煤氣熱值、有效氣體積分數、煤氣產率、冷煤氣效率、碳轉化率的影響大小，進行了五水平三因素正交模擬計算。工程實際中各參數運行值分別為氧煤比0.81kg/kg、氧氣體積分數100%、氧氣預熱溫度180℃。氧煤比、氧氣和氧氣預熱溫度都是以工程實際為基準，在工程運行實際變化范圍內選取，具體因素水平選取值見表6，正交模擬計算方案設計及結果如表7所示。

表6 因素水平表

表8為正交模擬計算結果的極差分析表，獲得了氧煤比、氧氣體積分數和氧氣預熱溫度對不同氣化指標的影響大小及相應的最優水平，分析如下。

表7 正交模擬方案及結果表

表8 極差分析表

（1）氧煤比對冷煤氣效率和碳轉化率的影響作用占首位。在模擬研究范圍內，隨著氧煤比的增加，煤氣產率和碳轉化率逐漸增加，煤氣熱值、有效氣逐漸減小，冷煤氣效率先增加后減小。因此在工程實際中增大氧煤比旨在快速升高冷煤氣效率，根據冷煤氣效率、煤氣熱值和有效氣的正交分析結果，氧煤比的最優指標為2水平，即0.8kg/kg。

（2）氧氣對煤氣熱值、有效氣、煤氣產率的影響作用占首位。在模擬研究范圍內，隨著氧氣的增加，煤氣熱值、有效氣、冷煤氣效率、碳轉化率逐漸增加，煤氣產率逐漸減小。由于空氣氣化時的冷煤氣效率和煤氣熱值較低，實際氣化生產中均采用富氧或者純氧氣化，旨在獲得高熱值、高有效氣的氣化氣，同時相比于空氣氣化可進一步提升冷煤氣效率的上限，但過高的氧氣又會增加氣化成本，因此應根據實際需求選擇合適的富氧。根據煤氣熱值和有效氣的正交分析結果，氧氣體積分數的最優指標為5 水平，即100%；根據冷煤氣效率和碳轉化率的正交分析結果，氧氣體積分數的最優指標為3、4、5水平，最優指標區間為60%～100%。

（3）氧氣預熱溫度在模擬研究范圍內對煤氣化指標影響較小。氣化爐生產的煤氣具有一定的顯熱，將這部分熱量進行回收利用，對氧氣進行預熱可以提高氣化溫度，可以增強入爐O2分子的氣化活性，從而使得碳轉化率和冷煤氣效率有所增加。根據煤氣熱值和有效氣的正交分析結果，氧氣預熱溫度的最優指標為3 水平，即300℃；根據冷煤氣效率和碳轉化率的正交分析結果，氧氣預熱溫度的最優指標為3、4、5 水平，最優指標區間為300～500℃。

（4）通過分析以上3種因素對不同氣化指標的影響效果，根據實際氣化生產需求，如果是為了生產高熱值的氣化氣，最優組合為A2B5C3，即氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分數為100%，氣化劑預熱溫度為300℃，此時煤氣熱值為3011kcal/m3；如果氣化生產旨在高冷煤氣效率，最優組合為A2B3～5C3～5，即氧煤比為0.8kg/kg，氧氣體積分數為60%～100%，氣化劑預熱溫度為300～500℃，此時氣化過程中的冷煤氣效率可達83.46%，在實際生產中，可以根據生產的經濟性、安全性、有效氣純度等要求，在一定范圍內選擇最佳的運行參數。

5 結論

本文利用Aspen Plus建立了煤粉在Shell氣流床中的氣化模型，將模擬結果與工程數據進行了對比驗證。在保持其他操作參數不變的前提下，研究了氧煤比、氧氣和氧氣預熱溫度對氣化結果的影響，并進行了正交模擬計算，研究了以上3種因素共同作用的結果。考慮到工程實際，將煤氣熱值和冷煤氣效率作為主要的氣化目標，得出以下結論。

（1）空氣氣化時，研究了氧煤比對氣化結果的影響。氧煤比的增加使碳轉化率逐漸升高、煤氣熱值降低、有效氣及煤氣熱值先升高后降低。氧煤比為0.9kg/kg 時，碳轉化率達到最大值100%，但冷煤氣效率、有效氣體積分數及煤氣熱值較低，分別為77.72%、41%和1303kcal/m3。

（2）保持氧煤比為0.8kg/kg，研究了氧氣對氣化結果的影響。相比于空氣氣化，提升氧氣可增加冷煤氣效率、有效氣體積分數及煤氣熱值的峰值：氧氣體積分數為50%時，冷煤氣效率可達82.6%；氧氣體積分數為100%時，有效氣體積分數和煤氣熱值可達97%和2950kcal/m3。

（3）保持氧煤比為0.8kg/kg、氧氣體積分數為21%，研究了氧氣預熱溫度對氣化結果的影響。氧氣預熱溫度的升高使冷煤氣效率和有效氣體積分數升高。氧氣預熱溫度為600℃時，冷煤氣效率可達82%、有效氣體積分數可達46%，相比于常溫氣化，增長量分別為14%、7%。

（4）通過正交模擬計算研究了氧煤比、氧氣及氧氣預熱溫度對氣化指標的影響。氧煤比對冷煤氣效率和碳轉化率的影響作用占首位，氧氣對煤氣熱值、有效氣、煤氣產率的影響作用占首位，而氧氣預熱溫度在模擬研究范圍內對煤氣化指標影響較小。根據實際氣化生產需求，如果是為了生產高熱值的氣化氣，最優工藝參數為氧煤比0.8kg/kg、氧氣體積分數100%、氣化劑預熱溫度300℃，此時煤氣熱值可達3011kcal/m3；如果氣化生產旨在高冷煤氣效率，最優工藝參數為氧煤比0.8kg/kg、氧氣體積分數60%～100%、氣化劑預熱溫度300～500℃，此時氣化過程中的冷煤氣效率可達83.46%。

（5）氣化過程中存在多種因素的互相影響，結合工程實際進行正交模擬計算，可為氣化過程的操作參數的優化提供一定的理論指導。