新型固定床氣化模擬及驗證

王學云，臧雪晶，讀 剛，郭良元

(1.煤炭科學研究總院,北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司,北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013)

0 引 言

隨著環保要求日趨嚴格,固定床氣化焦油引起的環境問題成為制約固定床氣化技術發展的瓶頸[1-3],針對傳統固定床氣化爐存在焦油品質差、產量低、粉塵夾帶嚴重，產生煤氣熱值低、蒸氣分解率低、廢水產量大等問題難以解決，很多學者利用數值模擬手段采取不同模型進行不同類型的氣化爐氣化研究[4-7]。張翼等[8]利用Fluent進行了生物質氣化爐壓力與流場的模擬，研究二次進氣位置、二次進氣氣路數量及一次進氣與二次進氣比例對床層壓降和氣體流場的影響，結果表明,二次進氣位置是影響床層壓降的關鍵因素之一, 二次進氣氣路數量對床層壓降的影響較小,但對床層壓降分布和氣體流速影響較明顯。楊文玲等[9]利用Fluent軟件對生物質氣化過程進行模擬，發現空氣當量比增大使氣體熱值、產氣量和碳轉化率先增大后減小，最佳空氣當量比為0.18。王浩鵬[10]針對常壓干煤粉強旋轉氣流床氣化技術，采用數值模擬方法研究不同氧煤比下氣化爐內的燃燒及氣化特性，計算表明:溫度分布呈壁面高、中心低的特點,氣化劑噴嘴區附近壁面最高溫度約3 000 K。邢文朝[11]采用數值模擬手段研究了煤粉氣化爐熱態時氣化爐內速度分布、溫度分布和組分分布情況。 程相文等[12]基于Fluent探究了下吸式固定床氣化爐的氣化過程及氣化特性的模擬分析，追蹤生物質氣化中顆粒的運動與粒徑大小對氣體組分的影響；蘇倩倩等[13]基于Matlab的GUI功能，利用打靶法從底部開始計算固定床氣化爐的每個微元體，表明該系統使固定床煤氣化過程的計算更方便、高效；張偉[14]利用Aspen Plus進行了生物質氣化模擬并進行優化，模擬數據CO2和CH4含量相對偏高,H2和CO含量相對偏低；尹夢夢[15]對三段式氣化爐煤氣化制合成氣過程進行數值研究，利用該模型將兩段式氣流床氣化爐模擬結果與試驗結果進行對比,結果表明主要參數誤差均不大于5%。

筆者依據煤科院新型固定床氣化爐，結合小試試燒數據分別進行了Fluent動力學數值模擬與Aspen Plus熱力學數值模擬，并選擇優者進行工藝參數調控。

1 工藝介紹

通過對單段固定床氣化爐爐體結構設計和控制技術創新，開發新型固定床氣化爐，即一種新型固定床熱解氣化一體化成套技術，實現原料煤單次投料、生成物分段轉化、產品氣分段導出，從而有效控制熱解段溫度梯度、爐內氣速與氣化段中心溫度，降低了煤氣中粉塵夾帶量，從而提高焦油收率[16]。

該技術以揮發分含量高的低階塊煤為原料，生產煤氣的同時副產高質量焦油，具有良好經濟效益與環保意義。該氣化爐下端通入氣化劑，頂部進煤，中部氣化段引出第1股不含熱解氣的氣化煤氣，頂部干燥段引出第2股含有熱解氣的煤氣，其簡化原理示意如圖1所示。本文主要對煤科院新型固定床氣化進行了Fluent動力學數值模擬與Aspen Plus熱力學數值模擬，對比模擬數據與試燒數據，然后選取模擬效果較好的模型探究O2流量與煤流量比(O2/煤)及H2O與煤的質量流量比(H2O/煤)對煤氣組成的影響。

圖1 新型固定床氣化原理示意Fig.1 Schematic of new fixed bed gasification

氣化爐有效內徑約300 mm，高約7 000 mm，系統設計耐壓1.0 MPa。爐體根據出氣口分上下2段，可調節出氣比例，氣化爐內襯耐火層，耐火層外側為硅酸鋁保溫層；耐火層與保溫層之間由310s不銹鋼管隔開；保溫層外側為304不銹鋼板。爐體上中下分別設置法蘭，上法蘭與附帶水冷夾套的下煤管相接，下法蘭與除渣翻板相接；中部法蘭將氣化爐體分成上下2部分，方便爐內耐火層的澆筑與維護。試驗用煤工業分析與元素分析見表1。

表1 試驗用煤的工業分析和元素分析

2 Fluent模擬計算

采用Gambit軟件進行幾何建模并劃分網格。由于爐體為軸對稱結構，采用二維軸對稱模型，提高計算效率的同時確保網格精確度。整個計算域包含1 138個正四面體網格，分為料斗區、上部冷卻區、氣化主體及灰渣區4個部分，如圖2所示。

圖2 氣化爐網格劃分Fig.2 Grid division of gasifier

2.1 動力學模型

考慮煤顆粒干燥、熱解、氣化、燃燒等異相反應，以及氣相各組分之間的均相反應。顆粒干燥將收到基煤變為干燥基煤和水蒸氣，干燥基煤進一步熱解為輕質氣體(H2、CO、CO2、CH4、H2O)、焦油(C6H6)、焦炭(Char)和灰分(Ash)。氣化爐內主要反應及動力學計算模型見表2[17]。

表2 氣化爐內主要反應及動力學計算模型

2.2 Fluent模擬結果

煤顆粒平均粒徑10 mm，加煤量35 kg/h，O2流量10 m3/h。運行壓力為0.1 MPa，上下出氣口比例為1∶1，求解結果如圖3和表3所示。

圖3 Fluent模擬計算結果Fig.3 Simulation results of Fluent

表3 上下出氣口煤氣組成

2.3 Fluent模擬結果分析

由圖3可知，固定床內部壓降在2.6 kPa左右，這一壓降主要用于克服多孔介質床層對氣體流動引起的壓力損失。在靠近底部氣化劑入口上部溫度最高，最高溫度在1 050 ℃左右，這主要是由于富氧氣化中氧氣與焦炭燃燒反應放出大量熱。CO分布于還原區域，這是燃燒產生的CO2與焦炭的Bouduard反應以及水煤氣發生反應所造成；H2分布于主氣化區，這是由于H2O與焦炭發生水煤氣發生反應以及H2O與CO發生水煤氣變換反應。CH4分布于主氣化區偏上即熱解區域附近，這是由于干燥煤熱解導致。O2與焦炭燃燒使CO2分布于氣化劑噴嘴附近。由模擬數據與真實數據對比可知，上出氣口CO、H2、CH4、CO2絕對誤差分別為0.027、0.010、0.020、-0.057，下出氣口CO、H2、CH4、CO2絕對誤差分別為-0.038、0.007、0.003、0.037，其中誤差相對較大的是上出氣口的CO2，在模擬計算中，這部分CO2源于CH4、CO、C與氧的反應，由氧化段生成，隨氣流上升進行還原反應，但在實際爐體中氧化段與還原段并無明顯界限，且還原反應進行不徹底，因此有一部分CO2未被還原即隨煤氣上出口排出。但生成有效氣(CO+H2+CH4)的誤差在可接受范圍內，認為此模擬可用于該爐型的預估計算。

3 Aspen Plus模擬計算

3.1 模型簡介

利用Aspen Plus進行熱力學計算，從熱力學角度分析新型固定床氣化的模擬效果。將該新型固定床氣化爐的熱解氣化過程建模設計分成4個部分，包括干燥、熱解、氣化、燃燒。該爐型的Aspen Plus流程模擬如圖4所示。流程根據該氣化爐的原理簡化圖構建，由各反應單元模塊構成，分別包含干燥(RYield)、熱解(RYield)、氣化(RGibbs)、燃燒(RGibbs)、分離(Seps)以及換熱(Heater)模塊。通過干燥過程，煤中水分分離，進入熱解過程，生成CO、H2、CO2、H2O、H2S、N2、CH4、焦油和焦炭，反應如圖4所示，其中熱解出口溫度為227 ℃。

(1)

干燥熱解過程所需能量由高溫下段氣提供。熱解后的焦炭進入氣化區氣化，氣化區溫度838 ℃，一部分氣化氣由分離模塊分離作為下段氣出口組分，另一部分在熱解段與熱解氣一起作為上段氣排出，剩余殘碳進入燃燒區被氧化，燃燒區溫度為1 168 ℃。氣化燃燒過程發生的反應[18]有：

(2)

(3)

(4)

(5)

圖4 Aspen Plus流程模擬Fig.4 Aspen Plus process simulation

(6)

(7)

(8)

氣化過程基于吉布斯自由能最小化原理[19]，使氣化反應達到熱力學平衡狀態。

模型模擬煤的熱解氣化工藝，氣體產物以輕質氣體為主，故整個系統選擇RKS-BM物性方法。

3.2 Aspen Plus模擬結果

新型固定床富氧氣化爐中的主要假設如下[20]：① 熱解氣化整個過程處于穩定狀態，且內部反應達到化學平衡和相平衡狀態；② 氣化爐內各反應階段的熱傳導獨立，無熱和壓力損失；③ 灰分惰性，不參與化學反應，最終作為灰渣排出；④ 熱解生成的焦油用C6H6表示。

選用低階煤，煤顆粒平均粒徑10 mm，加煤量35 kg/h，氧氣量10 m3/h。運行壓力設定為0.1 MPa，上下出氣口比例為1∶1。利用低階煤進行新型固定床O2/H2O熱解氣化試驗，分別在4個時間段取得上下段出口氣組分的體積分數，對數據取平均值確定上下段出口氣體成分比例。表4為對應的試驗值和模擬值對比，發現除上端出氣中H2體積分數絕對誤差為-0.028，其余各組分的誤差絕對值都在0.025以內。綜上，筆者建立的新型固定床氣化的熱力學模型能較好模擬試驗值。

表4 Aspen Plus模擬值與試驗值的對比

3.3 O2/煤對煤氣組成的影響

由于Aspen Plus模擬結果相比Fluent模擬結果的最大誤差更小，模擬效果更佳，因此選擇Aspen Plus研究氧煤比對煤氣組成的影響，為工藝條件選擇提供參考。

為研究O2/煤比分別對下段和上段煤氣的影響，保持氣化溫度和水煤比一定，通過調節入爐氧氣量，分別得出上下段合成氣的量隨O2/煤比的變化如圖5所示。發現隨O2/煤比增加，CO先增大，O2/煤比達約0.328后下降，而CO2開始增加較慢隨后增大趨勢明顯增加。這主要是因為O2/煤比的增大使爐內氧氣量增加，初始焦炭的反應主要以反應(2)為主，但隨O2/煤比進一步增大，反應(3)增強，CO2生成量增大，CO生成量減小。此外，H2體積分數隨O2/煤比增加呈下降趨勢，這主要是因為氧氣量增加使反應(7)增強，消耗H2。另外發現CH4含量隨O2/煤比變化不明顯。

圖5 O2/煤對上下氣出口燃氣組分的影響Fig.5 Influence of O2/coal on gas composition of upper and lower outlets

此外，根據氣體組分變化計算熱值，發現當O2/煤比小于0.328時，下段和上段出氣的低位熱值略增大。O2/煤比大于0.328后，2段出氣的煤氣熱值均快速減小，這主要是因為O2量增多使CO和H2的氧化反應加強，合成氣品質下降。因此，O2/煤比為0.328時系統產氣性能較好，1∶1混合后熱值可達11 MJ/m3。

3.4 H2O/煤對煤氣組成的影響

為探究H2O/煤比對上下段合成氣成分以及產氣特性的影響，保持氧煤比一定，通過改變入爐水蒸氣量，分別得出上下段合成氣的變化如圖6所示。發現隨H2O/煤比增加，合成氣中CO和CH4含量呈減少趨勢，而H2和CO2體積分數則呈上升趨勢。這主要是因為H2O/煤比增加使進入爐內的H2O量增加，反應(6)增強，一部分CO轉化為CO2，反應(8)增強也使部分CH4消耗轉化生成H2，水煤氣變換反應的加強也使H2產量提升。

圖6 H2O/煤對上下出氣口燃氣組分的影響Fig.6 Influence of H2O/coal on gas compositionof upper and lower outlets

此外，根據氣體組分變化計算熱值，可知H2O/煤比小于0.405時，上出氣口合成氣的熱值降低趨勢較小，下出氣口合成氣熱值變化不大。但H2O/煤比大于0.405時，兩出口合成氣低位熱值均快速降低，這是由于H2O增至一定量時使焦炭氣化反應達到平衡，繼續增大H2O通入量只能稀釋合成氣或降低合成氣溫度。因此，推測H2O/煤為0.405時，上下段合成氣的性能較好，1∶1混合后熱值可達11 MJ/m3。

4 結 論

1)Fluent與Aspen Plus均可較好模擬新型固定床氣化爐，且Aspen Plus模擬的最大誤差更小，絕對誤差皆在0.028以內。

2)上段煤氣中有效氣(CO、H2、CH4)體積分數約為80%，上段煤氣中CH4體積分數高于下段煤氣；CO體積分數高于下段煤氣；H2體積分數低于下段煤氣。

3)當O2/煤為0.328，H2O/煤為0.405時，上、下兩段氣特性較好，熱值較高，上出氣口皆能達到11 MJ/m3以上，因此可作為日后氣化爐運行推薦的操作參數。