煤气化模拟计算模型.doc

2010,202弥勇等煤气化模拟计算模型 设计 技术 煤气化模拟计算模型 弥勇*余安华中国寰球工程公司北京100029 摘要通过对典型煤气化过程建立ASPEN模型进行模拟分析,确定其气化温度、平衡温度、氧耗、氧煤比、蒸汽量、蒸汽煤比、煤气成分和热损失等工艺参数。介绍A SPEN模型软件在煤气化过程中的应用方法。 关键词煤气化A SPEN模型 煤气化是一系列洁净煤技术中的一种,被认为是最有前途的煤洁净利用技术,在工业领域有着极其广泛的应用。 煤气化工艺较多,现在较为成熟的有S H ELL、LURG I以及TEXACO的气化工艺。 本文利用ASPEN模拟软件对特定的煤气化工艺进行模拟分析,得出优化的工艺参数,进而为气化过程的设计提供参考。 1煤气化反应热力学基础 111煤的特性 煤炭主要可以分为焦煤冶炼、造气、电石、肥煤炼焦、无烟煤化肥、化工、瘦煤造气、发电、弱粘结煤造气、燃料和配焦、褐煤制取活性炭、硫化煤、褐煤蜡、腐植酸、腐植酸铵肥料和其它化工产品、气煤配煤炼焦、长焰煤制半焦、煤气、焦油、合成氨、贫煤用作动力煤,也可造气用作合成氨原料和气体燃料。 我国煤类齐全,从褐煤到无烟煤各个煤化阶段的煤都有,能为各工业部门提供冶金、化工、气化、动力等各种用途的煤源。但各煤类的数量不均衡,地区间的差别也很大。主要是优质动力煤丰富,优质无烟煤和优质炼焦用煤不多[1]。112碳的氧化反应 煤的气化过程是一个热化学的过程,它以煤或煤焦为原料,以氧气、蒸汽为气化剂,在高温的条件下,通过部分氧化反应将原料煤从固体转化为气体的过程。 煤中最主要的元素就是碳,气化过程主要为碳的氧化反应。反应中,涉及到碳的氧化过程的主要反应有 CO 2 CO 2 2CO 2 2CO 2COO 2 2CO 2 CCO 2 2CO C OH 2 O CO 2 H 2 113其它元素反应 煤中除了碳元素以外,还有少量的元素氮和硫存在,在反应的产物中,将会存在H2S、SO2、HCN、COS等,这些化合物对设备存在一定的腐蚀作用,因此在后续气体净化的过程中需要净化除去。 114变换反应与煤气成分 煤气化过程中,煤气的主要成分是一氧化碳和氢气,煤气的成分受到一氧化碳变换反应的影响。 其反应方程如下 C OH 2 O y CO 2 H 2 Q 通过该反应可以调节煤气化过程中的一氧化碳和氢气的含量。 根据反应方程,增加反应物水蒸汽的含量有利于反应平衡,同时,变换反应属于放热反应,降低温度有利于反应达到平衡。 115热平衡 煤气化过程中,主要反应 9 *弥勇工程师。2007年毕业于北京化工大学化学工程专业,现从事化工工艺设计。联系电话13811706815。 CHEM ICAL ENG I NEER I NG DE SI GN 化工设计2010,202 CCO 2y 2CO CO 2y CO 22CO O 2y 2CO 2CO H 2O y CO 2H 2 以上均为放热反应,反应热使体系维持高温 状态。 2 ASPEN 模拟模型 211 煤气化过程 首先将干燥之后的煤粉输送到气化区,与输送气体一起进入气化炉烧嘴,氧气与中压蒸气混合,经过喷嘴进入气化炉。以氧气和蒸汽作为气化剂,煤粉在气化炉中部分氧化,得到粗合成气组分,该组分中夹带飞灰。气化炉内,煤粉氧化反应,除得到粗合成气外,产生高温熔渣,通过气固分离,除去炉渣。除渣之后的煤气再经过湿法洗涤,净化得到的气体供生产下游产品所用。工艺流程框图见图1 。 图1 煤气化工艺流程框图 212 煤气化反应模型 根据煤气化工艺流程图建立ASPEN 模型,见图2 。 图2 煤气化模型流程框图 21211 煤固体物流性质规定 本模拟中,流股类别确定为M C I N CPSD 。 煤作为一种特殊的组分,根据ASPEN PLUS 程序中煤的性质方法规定 定义煤为非常规组分N onconventional。非常规组分固体性质模型中选用煤的焓以及密度模型Enthalpy and Density 。模型名称选用常用煤的焓模型HCOALGEN 与煤密度模型DCOALI GT 。 Option code value 中,H eat of Co m bustion 需 要在模型中手动输入,取值为6,其它数值无需 手动输入,取值为1。DCOALI GT 中Option code va l u e 的值取系统默认值。 其它流股的性质温度、压力、流量根据工艺所需要的参数进行输入即可。 21212 反应模块 1收率反应器模块创建虚拟反应器模块RY ield,模拟煤分解为碳、氢、氧及水的过程,同时分解过程反应热通过热量流股与气化炉模块连接。 2煤气化模块假定气化之前已经发生了煤的分解,则气化反应主要是指碳与水、氧气、蒸汽之间的反应。创建RGIbbs 模块模拟煤的氧化反应,假设高温下所有反应均达到平衡,气化温度即为平衡温度。在此氧化反应中,煤进行部分氧化,主要得到的产物为CO 和H 2。 3气固分离排渣模块创建SSp lit 模块模拟气固分离排渣过程,在此分离模块中,模拟将气化炉高温产生的炉渣与粗合成气进行分离。 21213 工艺参数的确定 本模拟中,进入气化区的煤粉的质量流量为200000kg /h ,含水量为2,气化温度为1500e 左右,采用氮气作为输送煤粉的气体。 3 计算结果及讨论 311 ASPEN 模拟计算结果 ASPEN 模拟计算结果见表1。312 主要工艺参数 31211 气化温度 气化温度的确定主要根据原料煤种的灰熔点及反应活性而定,在满足上述限制的条件下,气化温度越高,则氧耗越高。模拟中确定气化温度为1450e ,可以适用于一般煤种的气化。31212 氧耗、氧煤比 模拟中,根据确定的气化温度,由模拟结果得出氧气消耗量为156164kg /h ,氧煤比约为0178质量流量比。 氧煤比对气化温度的影响也就意味着是氧气的消耗量对气化温度的影响,氧气消耗与气化温度的灵敏度分析关系见图3。 10 2010,202弥 勇等 煤气化模拟计算模型 表1 ASPEN 模拟计算结果 摩尔分数 煤 气体31N 2O 22温度,e 40155145018404040145018质量流量,kg /h 200000 339786341249 3500719609 156164 341249 H 2O 0102801042N 201049 01049010161 0100401049 O 201069 01996 S 8ppm 010150104801015H 2012780127901825 01279CO 01646 01649 01649CO 2 图3 氧气消耗对气化温度的影响 由图3可以看出,随着氧气的量的增加,气化温度逐渐升高。此气化过程中,保持氧气的消 耗量在48801125km o l/h 156164kg /h 左右,即可使得气化温度维持在1450e 左右。在此耗氧量的条件下,氧煤比约为0178。 31213 蒸汽量、蒸汽煤比 在加氧量一定的情况下,蒸汽煤比对气化温度的影响也就是蒸汽量对气化温度的影响,见图4 。 图4 蒸汽消耗对气化温度的影响 图4可以看出,随着蒸汽用量的增加,气化温度逐渐降低。模拟中,确定蒸汽用量在833km ol/h 15000kg /h即可维持气化温度在1450e 左右。31214 煤气成分 煤气化得到的煤气的主要成分是CO 和H 2,模拟中得到的煤气中主要组分的含量CO 为6416m o,l H 2为2718m o,l 同时还存在着少量的硫、二氧化硫、三氧化硫等物质。 31215 热损失 气化炉热损失一般取值为原料煤热值的2。 4 结语 1ASPEN 模拟软件可以较好地模拟煤气化过程,优化并确定若干工艺参数,可以为过程设计提供充分和可靠的依据。 2气化温度是影响气化过程的最重要的参数。模拟计算结果定量说明氧煤比、蒸汽煤比与气化温度的关系。 3模拟模型适用于加压气流床煤气化工艺过程。 参 考 文 献 1 许世森,张东亮,任永强.大规模煤气化技术[M ].北京化学工业出版社,2006. 2 孙铭绪.多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程设计[J].化工设计,2007, 175. 收稿日期2009-10-16 11