廣東化工2012年第18期22www.gdchem.com第39卷總第242期基于 Aspen Plus的水煤漿氣化模擬肖祥,周臻,黃歆雅(長沙理工大學能源與動力工程學院,湖南長沙410004滴要]文章以過程模擬軟件 Aspen Plus為工具,建立了以純氧為氣化劑的氣流床煤氣化的數(shù)學模型,模擬計算了Teexco氣化爐的制氣過程;井利用該模型模擬研究了氧煤比和水煤漿濃度對煤氣化指標的影響。結果表明:水煤漿濃度和氧煤比是影響水煤漿氣化過程和出口煤氣成分的主要因素,同時提出了提高出口煤氣有效成分(CO+H2)的措施[關鍵詞] Aspen Plus: Texaco氣化爐;氧煤比:水煤漿濃度;模擬[中圖分類號]TQ545[文獻標識碼]A文章編號]00-1865(2012)182002203Coal-Water-Slurry Gasification Simulation Based on Aspen PlusXiao Xiang, Zhou Zhen, Huang Xinya(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)oxygen as gasification agent. The gas making process of Texaco gasifier was simulated. Oxygen-coal ratio and coal-water-slurry conceentration was simulated basedon the model. The results showed that coal-water-slurry s concentration and oxygen-coal ratio were the main factor which greatly effected CWS gasification processand composition of raw gas at exit, gether with ways of raising the percentage of effective components( Co+H)in the delivered coal gaKeywords: Aspen Plus: Texaco gasifier: oxygen-coal ratio: coal-water-slurry's concentration: Simulation我國礦物能源以煤為主,到2012年,一次能源消費結構中煤CmHn+(m+n/4)O2-mCO2+(n/2)H20用的兩個難題。因此大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g,高效清潔地利用我國CmH.+(m/2)O2 mCO+(n/2)H22C0+02=2C022H2+O2 2H2OCH4+202=2H2O+CO定發(fā)展需要,具有極其重要的戰(zhàn)略意義。而煤氣化技術作為潔凈122固體顆粒與氣化劑(氧氣、水蒸氣間的反應煤技術的重要組成部分,能夠很好得實現(xiàn)煤的高效燃燒,同時最大限度地減小污染物的排放在高溫條件下,半焦中的固定炭或脫除揮發(fā)分的煤粉顆粒與氧水蒸氣進行氣化反應:為了充分利用我國豐富的煤炭資源發(fā)展煤化工,自80年代開C+OCO始,我國就引進了 Texaco水煤漿氣化裝置,用于生產(chǎn)甲醇與合成2C+O=2CO氨,現(xiàn)已進入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。同時由于 Texaco氣化爐的運行條C+H20=H2+CO測 Texaco氣化爐氣化特性的有效手段。為了更好地提高煤氣化效123生成的氣體與固體顆粒間的反應率,完善 Texaco水煤漿氣化技術,我國許多學者都對這一領域進行了相關研究。李政提出建立完整的小室模型,該模型能夠對高溫條件下,半焦顆粒與反應生成氣的反應:C+CO,=2C0Texaco氣化爐出口合成氣成分進行有效預測,但不能給出爐內(nèi)的C+2H2=CH4流動過程。文獻[3運用 Gibbs自由能最小化方法建立了氣流床煤氣化爐的模型研究了氣化爐的主要操作參數(shù)對氣化結果的影響。文+氧獻[45]分別采用簡化概率密度函數(shù) (DPM UDF,PDF模型對Texaco氣化爐進行了數(shù)值模擬,并分析了煤漿濃度等操作參數(shù)對氣化過程的影響。文獻7Eulerian-Lagrangian方法模擬Texaco氣化爐內(nèi)復雜的氣固兩相流運動,著重研究了氧煤比對氣化性能的影響。文章基于 Aspen Plus強大的模擬功能,借助 Aspen Plus軟件建水煤漿濃度對氣化性能的影響,并將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較,分析操作參數(shù)變化對氣化指標的影響,為工業(yè)氣化爐的運行提供理論依據(jù)1水煤漿氣化過程分析1.1 Texaco氣化爐緣和氣exact氣化爐是典型的氣流床煤氣化爐,水煤漿和純氧(氣化1 Texaco氣化爐結構(m)劑)經(jīng)爐膛頂部外混式三通道噴嘴高速噴入氣化爐內(nèi),充分反應后Fig. I Schematic structure of Texaco gasifier(unit: m)生成的渣和合成氣從爐底排出。圖1是 Texaco氣化爐結構示意圖1.2氣化機理氣流床氣化過程實際上是水煤漿在高溫下的相熱化學反應過2 Aspen plus模擬模型的建立程,整個反應過程非常復雜,有可能進行的化學反應很多,大致根據(jù) Texaco爐的工藝與反應機理,需要考慮以下假設條件。地可概括如下流,不考慮各相的動量守恒12.1水煤漿的干燥、裂解及揮發(fā)物的燃燒氣化(2)爐內(nèi)的壓力變化不大,在此假設爐內(nèi)壓力維持常壓狀態(tài)不由于爐內(nèi)溫度很高,水煤漿被速度加熱,其中的水分瞬間快速蒸發(fā),同時煤顆粒中的揮發(fā)份迅速脫除,生成半焦和氣體產(chǎn)物(3)維假設,假設氣體在徑向無濃度和溫度梯度;CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S及其他碳氫化合物CmH,該過(4)煤顆粒表面和內(nèi)部溫度一致;程吸收熱量。在氧氣充足的條件下,氣體產(chǎn)物中的可燃成分迅速(5)軸向流速均勻。與氧氣發(fā)生燃燒反應,同時釋放出大量的熱,用以維持氣化反應1物性方法的持續(xù)進行。其中可能發(fā)生的反應有在用 Aspen Plus進行模擬計算時,一般將所涉及的組分分成非常規(guī)組分和常規(guī)組分這兩大類。定義煤為非常規(guī)組分[收稿日期]2012-11-15[作者簡介]肖樣(1986-),男,湖南衡陽人,碩士研究生,主要研究方向為煤的清潔燃燒與燃燒過程的數(shù)值模擬。2012年第18期廣東化工第39卷總第242期www.gdchem.com23Nonconventional)。非常規(guī)組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓以及密度模型( Enthalpy and Density),模型名稱選用常用煤的焓模型Ia表1煤的工業(yè)分析( HCOALGEN)與煤密度模型 DCOALIGt)。采用 RK-Soave方程來計算物質(zhì)的相關熱力學性質(zhì)。文章將要計算的氣流床煤氣化工藝煤的工業(yè)分析溫、高壓下進行的,氣化產(chǎn)生的組分多為輕氣體,因此選M是30.57擇 RK-Soave方程是比較合適的。煤的元素分析2.2流程模擬模型的建立Texaco氣化工藝主要是由水煤漿制備,煤的氣化及氣化產(chǎn)物處理三部分組成。針對該三個流程段,用 Aspen Plus流程模擬軟件69.27808128對其進行仿真模擬,其流程如圖2所示:首先,煤和水按一定的配其操作條件為:水煤漿流量為100kgh,煤漿濃度為64%:氧成水煤漿(物流 SLURRY,經(jīng)過泵(PUMP)增壓到氣化所需的壓力氣流量為016k:氣化壓力為40MPa規(guī)固體煤按照質(zhì)量平衡分解為常規(guī)的組分(在模塊出口煤中各元Aspen Plus模擬計算結果見表2素均以單質(zhì)形式出現(xiàn)),然后在氣化爐 GASIFIC( RGibbs模型)中進行氣化反應,得到各反應平衡時的氣化產(chǎn)物,接著反應得到的氣表2模擬值與實驗值比較化產(chǎn)物進入沉降分離器( SEPARATE)煤氣中的熔渣迅速冷卻后分rison of si離下來,并沉降在激冷室底部,隨后進人渣灌,由排渣系統(tǒng)定時排放,分離出來的煤氣再進行除灰,脫硫就得到較純凈的煤氣模擬值43.326.510.37Aspen Plus中的煤氣化流程圖如圖2所示。文獻值42.83.3操作條件對氣化指標的影響33.1水煤漿濃度對氣化結果的影響自0在文章中,氣化爐已經(jīng)給定,則氣化爐的結構參數(shù),氣化壓力已經(jīng)確定。而氧煤比決定了氣化溫度的大小,則煤漿的濃度成為影響氣化爐氣化溫度的關鍵因素。因此在模擬中需要選用不同濃度的煤漿濃度來分析其對氣化指標的影響。表3中列出了不同煤漿濃度下的模擬計算結果,從中可以看出,從60%增加到70%氣化爐內(nèi)平均氣化溫度變化較大,從1597K上升到1732K,而且圖2 Texaco氣化爐模擬計算流程粗煤氣的主要成分(CO+H2)所占比例增加,H2、CO2和HO的濃度Fig 2 Simulation flow chart of Texaco gasifier減少水分,從而導致爐溫度升高。溫度升高,使煤氣化反應加強3 Aspen Plus模擬的結果與討論有利于H2濃度的升高,同時由于水分的減少,水煤氣反應有所削弱,在兩者的共同作用下,H2含量基本不變。同時由于溫度升高3.1主要工藝參數(shù)CO2還原反應增強,從而導致CO增多、CO2減少。因此水煤漿濃煤的工業(yè)分析與元素分析見表1復的升高導致爐內(nèi)溫度上升,CO濃度增加,水蒸氣濃度下降H2濃度變化不大,總的煤氣有效成分增加。見圖3表3不同水煤漿濃度下的氣化結果Tab. 3 The gasification result of different CWS concentration水煤漿粗煤氣成分(vo%)濃度%溫度℃cO H0 Hs CO+H,159741.7311261897426210.6l8.8610.3769844.7418.11709170446.0525.931.1217,371.981260.14CO含量一H含量且2總含量8百爾CO含量▲-CO+H,總含量▲CO1660王H總含到16751620160060%62%64%66%68%70%水煤漿濃度氧煤比圖3水煤漿濃度的變化對氣化結果的影響Fig 3 Effect of CWS concentration's changes on gasification result氧煤比的變化對氣化結果的影響Fig 4ect of oxygen-coal ratio on gasification result從圖3可以看出,在氧煤比一定的情況下,隨著水煤漿濃度的提高,有效產(chǎn)氣率也越來越此在保證氣化爐不超溫的前提在保持其他操作參數(shù)不變的情況下,改變氧氣的流量,使氧下,可以盡可能地提高水煤漿濃度以得到更高的有效氣成分。煤比由91%增加到96%,氣化產(chǎn)品的組成和溫度的計算結果如表3.3.2氧煤比對氣化結果的影響4和圖4所示。從表中可以看出氧煤比對出口煤氣的成分影響很大廣東化工2012年第18期www.gdchem.com第39卷總第242期氧煤比增加,導致燃燒反應加強,氣化高,更多的CO和越低,出口(CO+H2)所占粗煤氣的組成比例越大,氣化溫度也迅H2被燃燒反應消耗,但CO和H2的絕對的,同時由于反應速降低。但是氧煤比也不能被無限制地降低,否則將影響到氣化加劇,碳燃燒轉化為CO2的量有所增加含量也相應增加爐的液態(tài)排渣。因此,在不影響氣化爐液態(tài)排渣的前提下,應盡了,從而導致H2和CO的相對含量降低以看出,氧煤比可能地降低氧煤比,可以有效的提高出口煤氣效率。表4不同氧煤比下的氣化結果氧煤氣化粗煤氣成分(vo比%溫度/℃H,cO2,CO+H?174942.982735106217960.1470.339243.0926.979410.5318330.1470.069343.180.104118.550.6443.3026.50.144310.26190.1469.6743.5619.314結論entrained flow gasifier[J]. Combust Theory and Modelling, 2001, 5(4)文章利用 Aspen Plus軟件建立了水煤漿氣化爐的模型,在作合3汪洋,代正華,于廣鎖,等運用Gibs自由能最小化方法模擬氣流床型計算結果較為可靠。從模擬計算的結果來看,水煤漿濃度與氧煤氣化爐口煤炭轉化學報,200.,104):2834]于海龍,趙翔,周志軍,等煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數(shù)值模擬[中煤比是影響氣化指標的主要因素。氣化爐溫度與氣化指標(CO+H2)國動力工程學報,200625(2):21722S賀阿特,馮霄,董紹平,等.德士古渣油氣化爐的數(shù)值模擬高校化因此,在保證能夠順利泵送和良好霧化效果以及合適的碳轉化率和爐溫不超過正常范圍的前提下,應盡量提高煤漿濃度,同時應[6吳玉新,張建勝,王明敏,等.用簡化PDF模型對氣化爐運行特性的分在保證氣化溫度高于灰熔點至少、氣化爐能夠順利排渣的前提下,析門中國電機工程學報,2007,27(32):57-62盡量降低氧煤比,只有這樣才能達到最大限度地提高出口煤氣有]陶明春,杜敏,郝英立.氧煤比對氣流床煤氣化過程的影響[熱科學效成分(O+H2)的目的與技術學報,2010,9(2):177-182[8趙曉,李建偉,基于 Aspen Plus比較 Texaco與Shel'氣化技術門,第五屆全國化工年會論文集C,第五屆全國化工年會,西安,2008參考文獻李政,王天驕,韓志明,等: Texaco煤氣化爐數(shù)學模型的研究一建模部本文文獻格式:肖祥,周臻,黃歆雅,基于 Aspen P|us的水煤漿分門,動力工程,2001,21(2):1161-1168[2]LIU X J, ZHANG W R, PARK T J. Modelling coal gasification in an(上接第26頁)而當pH調(diào)為8時就得到了標題配合物,其中一個單核銅結構春:東北師范大學,2008單元的配位方式和報道的配合物相似,而另一個單核銅單元中8費寶麗,李雯,燕慶玲,等,脫氫樅基一稀土配合物的合成、表征及其的兩個磺酸基氧原子均參與了配位,據(jù)我們所知,這種情況并不與DNA的相互作用門,林產(chǎn)化學與工業(yè),2012,2(1):1-7多見?？梢?溶液的pH對磺酸基O的配位性能影響較大,在此配⑨許海南,劉文奇,彭麗芬,等.含水四氫呋喃中二茂鈦全氟辛基磺酸體中,當pH升高時,磺酸基氧原子的配位能力增強,使中心金屬合物催化鋅粉還原二硫醚及其在合成硫代酸酯中的應用U有機化學,20離子的配位數(shù)增大11,31(10):1719-1722[10]CHANDLER B D, CRAMB D T, SHIMIZU G K H, et al. Micro參考文獻porous Metal-Organic Frameworks Formed in a Stepwise Manner from Iuminescent Building Blocks[JJ. Am Chem Soc, 2006, 128(32): 10403-[CAI J W, CHEN C H, FENG X L, et al. A novel supramolecularsynthon for H-bonded coordination networks: syntheses and structures of10412extended 2-dimensionaL cadmium(II)arenedisulfonates[J]. J Chem Soc, D[1張輝,趙鴻斌,陸旭甲,等,水溶性磺酸鈉苯基卟啉及其金屬配合物共價與非共價修飾多壁碳納米管的研究門.化學學報,2011,69(3):316alton Trans.2001:2370-2375[2]DELGADO S, MOLINA-ONTORI A, MEDINA M E, et al. An unepectedsulfinate-sulfonate mixed coordination polymer of copper()12史娟白楊素6磺酸根與ALm)配位作用及熒光性能的研究口有機[3]XIAO H P, LIU B L, LIANG X Q, et al. Synthesis and crystal str[13歐陽淼.基于磺酸類席夫堿鋅、鎘配合物的TG一DTG和熒光性質(zhì)研究[門.河池學院學報,2011,31(5):52-55uctures of manganese( ll) complexes with the ligands from in situ oxidation of2 mercaptonanicotinic acidJ- organic Chemistry Communication合成、晶體結構和熒光性質(zhì)研究U,無機化學學報,2010,269):1680s,2008,11:943e and Gas-Adsorption Phenomenon for a"Sof"saa tate Guest-Exchang1歐陽森,蔡成翔,趙志愿,等,一種雙核銅配合物u)(oBSP)4[]HU S, HE K H, ZENG M H, et al. Crystallineramework Stacking by a Rigid Linear Coordination Polymer[]. Inorg Chem,2008,47(12):5218-5224[SJOU-YANG M, HUANG X R, ZHANG Y L, et al. Bis[2-(2-pyridyl[16JYANG GG, OU-YANG M, MENG X J, et al. Bis[2-(2-pyridyLmemethy Lene-amino)benzenesulfonato-K3 N, N,, O]cadmium( Il )dehydratethyLene-amino) benzenesuLfonatoI-k3 N, N, O: K2 N, N'-copper(ID[]. Acta Cryst, E65, 2009, mlJ. Acta Cryst, E64, 2008: 46ctures of Two Cu ll cushion somers (Cu(pmt)2)4 H0 Crystal stru(本文文獻格式歐陽張運良配合物[ou100100H6Li J X, JIANG Y M, LIAN B R, et al. Syntheses and艾和結構(pmt)22 H2OInU]. J Chem Crystallog, 2008, 38: 711-715.7張勝東,以杯[4磺酸鈉為構筑塊的配合物的合成及晶體結構研究[D]長