劉建峰，鄧蜀平，蔣云峰，劉永

（1中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，山西 太原030001；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)為“富煤、缺油、少氣”，短期內(nèi)我國(guó)以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不可能獲得根本性逆轉(zhuǎn)。煤炭屬于低效、高污染能源，實(shí)現(xiàn)煤的清潔和高效利用是當(dāng)今世界能源利用與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一致要求。煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術(shù)，是煤化工行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù)。

煤氣化過(guò)程模擬是煤氣化發(fā)展、應(yīng)用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)煤氣化過(guò)程的模擬可以對(duì)整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行綜合、全面的分析，找到最佳操作點(diǎn)，并通過(guò)過(guò)程優(yōu)化提高整個(gè)過(guò)程的熱效率。另外，煤氣化過(guò)程模擬還可以輔助設(shè)計(jì)以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)測(cè)合成氣的組成、原料的消耗量和污染物的排放并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互印證。

Aspen Plus是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，在物料平衡和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，Aspen Plus提供了大量的物性數(shù)據(jù)、嚴(yán)格的熱力學(xué)估算模型庫(kù)和豐富的過(guò)程單元模型庫(kù)，可用于各種類型的過(guò)程工業(yè)流程的模擬。

Shell氣化爐是目前我國(guó)應(yīng)用范圍最廣的大型氣化爐之一，我國(guó)自2001年與殼牌公司簽訂技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議以來(lái)，共簽訂19份技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，至今國(guó)內(nèi)約引進(jìn)19套SCGP裝置，23臺(tái)氣化爐［1］。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的Shell煤氣化裝置，對(duì)于能耗的統(tǒng)計(jì)還不全面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者［2－7］雖對(duì)Shell干煤粉氣化進(jìn)行過(guò)模擬，然而相應(yīng)的模擬流程較為簡(jiǎn)單且選用煤種均未考慮高灰熔點(diǎn)煤灰可能對(duì)氣化產(chǎn)生的影響。本文選用具有代表性的高灰熔點(diǎn)的山西屯留煤，通過(guò)Aspen Plus軟件對(duì)Shell干煤粉氣化進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)分析了操作條件對(duì)氣化結(jié)果的影響，對(duì)Shell氣化的操作條件的選擇、降低能耗有一定的指導(dǎo)意義。

1 Shell干粉煤氣化的工藝流程

Shell氣化技術(shù)是由殼牌公司于20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)研究的氣化技術(shù)，該技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的第二代煤氣化工藝技術(shù)之一。1976年建立了一座日處理煤量6噸的試驗(yàn)廠，到1978年，第一套中試裝置在德國(guó)建成并投入使用，日處理煤量150噸［8］。1987年在原有的中試裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)上，殼牌公司在美國(guó)休斯敦建設(shè)了一座規(guī)模較大的工廠（SCGP），試驗(yàn)煤種約18種。1988年荷蘭南部興建的發(fā)電廠碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%以上，裝置負(fù)荷40%～100%，到2001年氣化裝置運(yùn)行率在95%以上［9］。

Shell粉煤氣化爐內(nèi)流動(dòng)過(guò)程分為射流區(qū)、旋流區(qū)、回流區(qū)、中心回流區(qū)、管流區(qū)5個(gè)區(qū)域。Shell干煤粉氣化流程見(jiàn)圖1。煤和石灰石按一定比例混合后混磨，與氧、蒸汽氣化劑一起進(jìn)入氣化爐內(nèi)燃燒，反應(yīng)溫度為1500～1600℃，壓力為3.5MPa。氣化產(chǎn)生的氣體被激冷氣激冷后由廢熱鍋爐、合成氣冷卻器回收熱量，再經(jīng)過(guò)濾器除塵后一部分作為激冷氣返回氣化爐，一部分經(jīng)洗滌后去凈化裝置。Shell煤氣化以干粉煤進(jìn)料，產(chǎn)品潔凈，有效氣體可達(dá)到90%以上，甲烷含量低，氣化過(guò)程能量損失?。?0－11］。

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 氣化模型的建立

煤氣化反應(yīng)分為煤的裂解和燃燒，本文以Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器并考慮熱損失建立反應(yīng)模型，以DECOMP模擬煤的裂解，用單元素分子（C、H、O、N、S、Cl等）和Ash（灰分）來(lái)表示煤。氣化過(guò)程中的常規(guī)組分有CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS、H2O、O2、C、S等，煤和煤灰為非常規(guī)組分。另外，SEP模擬爐渣與合成氣的分離，ADJUST模擬煤氣化激冷室。煤氣化的模擬流程圖見(jiàn)圖2，煤氣化過(guò)程的模擬流程模型的描述見(jiàn)表1。

2.2 模型的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)所建煤氣化模型的合理性，本文選定了一種特定的煤樣（llinois 6＃）進(jìn)行模擬，煤種的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。氣化參數(shù)及真實(shí)氣化結(jié)果取自相關(guān)文獻(xiàn)［12］，碳轉(zhuǎn)化率是實(shí)際氣化過(guò)程產(chǎn)生合成氣中碳元素含量與入爐煤含碳量的比值，在模擬的過(guò)程中進(jìn)行設(shè)定，驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際值見(jiàn)表3。

圖1 Shell干煤粉氣化工藝流程

圖2 Shell氣化工藝模擬流程

表1 煤氣化模型主要模塊描述

表2 llinois6＃煤的分析數(shù)據(jù)［10］

表3 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)值比較

從模擬結(jié)果看，模擬結(jié)果與廠家公布的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合，因此本文所建立的模擬流程和模擬方法是可行的。

3 屯留Shell氣化模擬

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文模擬氣化用煤為山西屯留煤礦產(chǎn)煤，樣煤的低位恒容發(fā)熱量為28.35MJ／kg，其工業(yè)分析、元素分析見(jiàn)表4，煤灰的融熔特性見(jiàn)表5。

表4 屯留煤的元素分析、工業(yè)分析數(shù)據(jù)

表5 屯留煤灰的融熔特性

3.2 流程模擬

煤氣化過(guò)程中生成的多數(shù)煤灰在高溫狀態(tài)下以熔渣的形式流到爐底，然后以液態(tài)方式排出。從Shell爐的操作情況看，約60%的非正常停車事故是高溫下煤灰黏度過(guò)高引起的，而石灰石作為一種廉價(jià)易得且資源豐富的添加劑能夠有效降低灰熔點(diǎn)［13－15］。石灰石／煤比與灰熔點(diǎn)的關(guān)系見(jiàn)表6。

針對(duì)屯留煤的特性，Shell氣化需加一定量的石灰石以降低灰熔點(diǎn)，根據(jù)石灰石添加量與灰熔點(diǎn)的關(guān)系，本文添加的石灰石與煤的比為5%。添加石灰石后煤的工業(yè)分析、元素分析計(jì)算值見(jiàn)表7。

表6 煤中石灰石含量與灰熔點(diǎn)的關(guān)系

表7 加入石灰石后屯留煤的工業(yè)分析、元素分析數(shù)據(jù)

3.3 模擬結(jié)果

Shell模擬的數(shù)據(jù)為：氧煤比為0.78kg／kg，蒸汽煤比為0.12kg／kg，氣化劑組成中氧氣占99.5%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），氮?dú)庹?.23%，氬氣占0.27%，模擬結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 氣化模擬結(jié)果

模擬氣化溫度為1554.93℃，比灰熔點(diǎn)的流動(dòng)溫度（1433℃）高，超過(guò)100℃，從氣化的經(jīng)濟(jì)性和安全性的角度看，本文設(shè)定的操作條件較為合理。

4 模擬結(jié)果分析與討論

4.1 氣化壓力的影響

在煤氣化的過(guò)程中，反應(yīng)壓力對(duì)氣化溫度和合成氣組成有一定影響，改變反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度和合成氣的組成見(jiàn)表9。

圖3 氧煤比對(duì)氣化溫度和有效氣體摩爾分?jǐn)?shù)的影響

從化學(xué)平衡來(lái)說(shuō)，增加壓力會(huì)使合成氣中CO2、CH4、H2O的含量增加，H2、CO的量減少。由表8可見(jiàn)，反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)溫度和有效合成氣的影響較小，甲烷含量隨壓力的增大而增加。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，增加壓力會(huì)提高煤氣熱值、增加產(chǎn)能，但對(duì)氣化爐的要求較高，壓力的大小要根據(jù)實(shí)際情況而定。

表9 氣化壓力對(duì)氣化反應(yīng)的影響

4.2 氧煤比的影響

氧煤比是影響Shell干粉煤氣化的重要原因之一，在蒸汽煤比為0.12kg／kg，其他條件不變的情況下，改變氧煤比的值，合成氣組成和反應(yīng)溫度的相關(guān)性如圖3所示。氧煤比值的變化范圍為0.50～0.94kg／kg，反 應(yīng) 溫 度 從1137.12℃上 升 到2209.13℃，有效氣體所占摩爾分?jǐn)?shù)由0.882上升到0.954后又下降到0.841。氧煤比能夠直接影響反應(yīng)的溫度和合成氣的組成，隨氧煤比的增高，反應(yīng)溫度升高，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)先高后低，因此，Shell干煤粉氣化過(guò)程有一個(gè)最佳氧煤比的操作點(diǎn)，山西屯留煤的氧煤比的最佳操作點(diǎn)應(yīng)在0.74～0.80kg／kg，對(duì)應(yīng)的操作溫度為1475.6～1580.17℃。氧煤比對(duì)反應(yīng)溫度的影響中有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，主要是灰渣的熔融造成的，加入石灰石原料的灰熔點(diǎn)為1433℃，灰渣晶型被破壞，吸收熱量減少，氧煤比增加對(duì)反應(yīng)溫度的影響加大，因此產(chǎn)生一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。

4.3 蒸汽煤比的影響

在煤氣化過(guò)程中加入蒸汽可以調(diào)節(jié)氣化溫度，增加合成氣的產(chǎn)量，氧煤比為0.78kg／kg時(shí)，蒸汽煤比對(duì)煤氣化過(guò)程的影響如圖4所示。蒸汽煤比從0.03kg／kg調(diào)節(jié)到0.17kg／kg，在蒸汽 煤 比為0.10kg／kg時(shí)，有 效 氣 體 的 摩 爾 分 數(shù) 最 大 為0.955。隨著蒸汽煤比的增大，反應(yīng)溫度降低，從一定程度上可以起到保護(hù)氣化爐的效果。CO和水蒸氣在高溫下可以發(fā)生反應(yīng)生成H2，因此隨著氧煤比的增加，CO的含量降低，H2的含量增加，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)降低。反應(yīng)溫度降低不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，因此，蒸汽煤比應(yīng)該控制在0.09～0.13kg／kg，對(duì)應(yīng)的操作溫度從1630.60℃下降到1532.11℃。此時(shí)的溫度拐點(diǎn)是由于溫度達(dá)到了灰渣的熔融溫度1433℃，溫度降低減慢。

圖4 蒸汽煤比對(duì)反應(yīng)溫度和有效氣體摩爾分?jǐn)?shù)的影響

5 結(jié) 論

（1）氣化壓力對(duì)氣化反應(yīng)的溫度和合成氣組成影響較小，但高壓有利于甲烷的生成。

（2）氣化溫度和合成氣組成受氧煤比的影響明顯，隨著氧煤比的增加，煤中的C、H元素與氧氣反應(yīng)主要生成CO和H2O，當(dāng)氧煤比超過(guò)0.78kg／kg時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的O2含量過(guò)高，大量的CO與氧氣反應(yīng)生成CO2，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)減小，在氧煤比為0.78kg／kg時(shí)，有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)有最大值，因參與的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以氣化反應(yīng)的溫度隨氧煤比的增加而增大。

（3）蒸汽在一定程度上能夠抑制反應(yīng)中的燃燒，加上蒸汽本身的溫度相對(duì)反應(yīng)溫度來(lái)說(shuō)比較低，因此蒸汽煤比可以調(diào)節(jié)氣化的反應(yīng)溫度。隨著蒸汽煤比的增加，蒸汽和CO反應(yīng)生成H2和CO2，而蒸汽又抑制燃燒，使得有效氣體的摩爾分?jǐn)?shù)增加。蒸汽的增加使得物料的總摩爾數(shù)增加，當(dāng)蒸汽煤比超過(guò)0.12kg／kg時(shí)，使得有效合成氣的的總摩爾分?jǐn)?shù)降低，因此從反應(yīng)溫度和有效合成氣的摩爾分?jǐn)?shù)的角度出發(fā)，應(yīng)該合理控制蒸汽煤比。

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