2011年2月化工第36卷第1期Guizhou ChemicalIndustryTexaco水煤漿氣化爐的建模與模擬謝芳,李海洋,閣世媚(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州貴陽55000摘要:為更好的分析 TEXACO煤氣化爐采用化工流程模擬軟件對(duì)該過程進(jìn)行了流程建模和模擬。通過對(duì)原料和流程分析選擇了合適于該流程的各操作單元模塊及熱力學(xué)方法,并應(yīng)用 Fortran語言并非常規(guī)組分及模型進(jìn)行修正,考慮碳的不完全轉(zhuǎn)化等問題建立煤氣化模型。分析了影響煤氣化過程的重要操作參數(shù)結(jié)果表明水煤漿濃度、氧煤比是影響氣化過程的重要因素。(CO+H2)含量和氣化爐溫度隨著水煤漿濃度、氧煤比的增加而增關(guān)鍵詞:煤氣化;建模;模擬中圖分類號(hào):TQ545文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-9411(2011)01-0001-04化過程,在化工流程模擬軟件中建立模型,通過模引言擬,將所得結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)比較,若結(jié)果吻合,分析煤炭是我國最主要的能源資源,廣泛應(yīng)用于國影響過程的主要參數(shù);若不吻合,則需嵌入煤的組分民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。煤炭氣化是潔凈、高效利用煤組成,含水量等方面,并考慮焓值、密度及粒度分布炭的最主要途徑之一-2,目前較為成熟的煤氣化等因素相關(guān)的 Fortran語句對(duì)模型進(jìn)行修正。工藝有 SHELL、 LURGI和 TEXACO工藝。 TEXACO工藝有著氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、原料適應(yīng)性強(qiáng)、壓力范圍寬和自動(dòng)控制水平高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用發(fā)電和化氣體凈化肥生產(chǎn)中;但 TEXACO工藝同時(shí)又存在碳轉(zhuǎn)化率不H2O-4MPa高,冷煤氣效率低和氣化所需的耗氧量較多等問題,由于系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究往往代價(jià)高,因此利用化工流程模擬技術(shù)對(duì) TEXACO工藝進(jìn)行深入了解分析是具有十分重要意義。本文應(yīng)用化工流程模擬軟件,對(duì) TEXACO水煤圖1煤氣化流程圖漿氣化過程進(jìn)行建模及模擬計(jì)算。通過對(duì)氣化爐的煤氣化工藝建模模擬計(jì)算,以及模擬分析水煤漿濃度、氧煤比及碳轉(zhuǎn)模擬化率等操作參數(shù)對(duì)氣化結(jié)果的影響,確定影響氣化工程的主要參數(shù),以期能為實(shí)際生產(chǎn)操作的優(yōu)化提修正模型供理論依據(jù)是1流程建模和模擬Fortran語言分析模型1.1煤氣化原料、產(chǎn)物的組成及流程煤在氣化劑氧氣、水蒸氣或氫氣等氣化劑,在高圖2模擬采取的技術(shù)路線溫條件下通過氣化爐將煤轉(zhuǎn)化為氣體燃料,通過氣2水煤漿氣化過程及氣化反應(yīng)體凈化裝置將爐氣凈化為后續(xù)工序使用,其工藝流1.2.1水分蒸發(fā)及揮發(fā)份的析出程如圖1所示。煤在霧化噴入氣化爐后,由于與氣流之間的強(qiáng)模擬煤氣化過程采取的路線如圖2,結(jié)合煤氣烈的熱交熱水煤漿中的水分迅速愛,爆同時(shí)發(fā)生中國煤化工基金項(xiàng)目:貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(校研理工2010018)資助CNMHG收稿日期:2010作者簡介:謝芳(1987-),女,研究生通訊聯(lián)系人,電話:15185147346。貴州化011年2月Guizhou ChemicalIndustry第36卷第I期熱分解反應(yīng)。SO3,H2,Cl2,HCL,CO,CO2灰分。煤樣的元素分析水煤漿→干煤+H2O和工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。表1煤樣元素分析和工業(yè)分析干煤一煤氣(CO2、CO、H2、CH4、NH3、H2S、焦元素分析組分分析油1.2.2燃燒氣化74.551.50.60.050.525.3517.43104.4668.11燃燒氣化過程的主要反應(yīng):在對(duì)組分的定義時(shí),煤是一種非常規(guī)組分(Noconventional Solid),由不同組分構(gòu)成的,無固定的分2Co+O2→2C0子量,無固定化學(xué)和相平衡,在化工流程模擬軟件中Co+H2O→CO2+H2做了簡化處理,認(rèn)為非常規(guī)組分不參與化學(xué)平衡和2流程建模和模擬相平衡,利用 HCOALGEN和 DCOALIGHT計(jì)算焓和密度來表征煤的性質(zhì),并通過選擇 NCPSD流型來對(duì)2.1代表組分的選擇及定義煤的粒度分布進(jìn)行設(shè)定。H2O,N2,O2,NO2,NO,S煤氣化過程實(shí)際組分非常復(fù)雜,體系包含多個(gè)SO2,SO3,H2,Cl2,HCL,CO,CO2屬于常規(guī)組分,用化學(xué)反應(yīng),主要可分為三個(gè)部分,熱解及揮發(fā)分的燃RK-save方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)燒煤的燃燒和氣化還原反應(yīng)。三個(gè)主要反應(yīng)過程2.2操作單元模塊的選擇涉及的主要組分有C,H2O,N2,O2,NO2,NO,S,SO2,Cie.oas目自。日〓目LOst圖3煤氣化工藝模塊流程圖基于化工模擬軟件建立的工藝流程圖見圖3。器)模塊將氣固逐級(jí)分離。模擬過程選擇 Yield(收率反應(yīng)器)和 Rgibbs(平衡反應(yīng)器)兩模塊反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐的模擬,因3結(jié)果與討論rgibbs模塊通過 Gibbs自由能最小實(shí)現(xiàn)化學(xué)和相平3.1水煤漿濃度衡,但對(duì)于煤來說,該模塊是不能進(jìn)行計(jì)算器吉布斯水煤漿濃度從5.07%變化到65.22%,(CO+最小自由能的,因?yàn)樗且粋€(gè)非常規(guī)組分,無固定化H2)含量及氣化溫度計(jì)算結(jié)果如圖45所示。此時(shí)學(xué)和相平衡,所以在煤進(jìn) Rgibbs模塊反應(yīng)器之前先氧煤比為0.9817,碳轉(zhuǎn)化率為98%,氣化壓力為進(jìn)入 Yield反應(yīng)器將煤分解成單元素分子和灰分,2MPa。由圖表明(CO+H2)含量隨著水煤漿濃度的同時(shí)并將分解熱一同導(dǎo)入 Rgibbs反應(yīng)器。但這種增加而增加。這是因?yàn)楫?dāng)煤漿濃度升高時(shí),用來蒸做法是建立在煤的完全轉(zhuǎn)化的情況,在模擬過程中發(fā)水的熱量降低,從而使得氣化溫度升高碳轉(zhuǎn)化率若考慮實(shí)際生產(chǎn)中煤的不完全轉(zhuǎn)化可以通過對(duì)的提V凵中國煤化工斤以研究水煤漿特Yield反應(yīng)器中C的收率來實(shí)現(xiàn)。 HEATER換性和CNMHG非常必要的;但提熱模塊對(duì)爐氣進(jìn)行冷卻送入 CYCLONE模塊(旋風(fēng)高水燥度云引匙保豕種及的增加,使得氣化爐分離)模塊, FABFL(織布過濾器),ESP(靜電除塵的加料困難故在選取水煤漿濃度時(shí)應(yīng)綜合各條件2011年2月第36卷第1期謝芳等: Texaco水煤漿氣化爐的建模與模擬考慮使其得到最優(yōu)值6-9。(CO+H)%58氧煤比水煤漿濃度%圖4水煤漿濃度對(duì)(CO+H2)含量的影響圖6氯煤比對(duì)(CO+H2)含量的彩響120051050氧煤比水煤漿濃度%圖7氧煤比對(duì)氣化溫度的影響圖5水煤漿濃度對(duì)氣化溫度的影響轉(zhuǎn)化率的升高而增加,(CO2+H2O)含量氣化溫度3.2氧煤比隨著碳轉(zhuǎn)化率的升高反而下降。這是因?yàn)樘嫁D(zhuǎn)化率保持水煤漿濃度及其他參數(shù)不變,通過改變氧升高即相當(dāng)于氧煤比下降,氣化溫度降低,抑制氣化氣的流量來調(diào)節(jié)氧煤比使氧煤比從0.87變化到和燃燒反應(yīng),結(jié)果使H2和CO含量增加,CO2和1219,(cO+H2)含量及氣化溫度計(jì)算結(jié)果如圖6、H2O含量降低{5-1。7所示。此時(shí)水煤漿濃度為60%,碳轉(zhuǎn)化率為98%0.550氣化壓力為2MPa。由圖表明(CO+H2)含量隨著氧煤比的增加而增加,與圖5、6比對(duì),增加幅度大,這是因?yàn)檠趺罕仁菤饣闹匾笜?biāo),當(dāng)其他條件不變0.545時(shí),提高氧煤比使反應(yīng)加強(qiáng),碳的轉(zhuǎn)化率上升,氣化爐溫度也明顯升高。但當(dāng)氧氣用量過大時(shí),部分碳完全燃燒生產(chǎn)二氧化碳或不完全燃燒而生產(chǎn)的一氧化碳又進(jìn)一步氧化為二氧化碳,從而使煤氣中的有效組分減少,氣化效率下降。故在操作過程中應(yīng)確定合適的氧煤比。33碳轉(zhuǎn)化率中國煤化工981.00保持水煤漿濃度、氧煤比及其他參數(shù)不變,考察CNMHG碳轉(zhuǎn)化率對(duì)(CO+H2)、(CO2+H2O)含量及氣化溫孔平刈{Un2J玄量的影響度的關(guān)系。由圖8~10表明(CO+H2)含量隨著碳貴州化工2011年2月4Guizhou ChemicalIndustry第36卷第1期(CO+H2)含量及氣化溫度隨著氧煤比的升高而升高;碳轉(zhuǎn)化率在95%-99%,(CO+H2)含量隨碳轉(zhuǎn)化率的升高而升高,(CO2+H2O)含量隨氣化溫度隨著碳轉(zhuǎn)化率的升高而下降。參考文獻(xiàn)[1]梁占耀煤炭資源開發(fā)利用中存在的問題、成因及對(duì)策[J].煤炭工程,2006,(2):55-57[2]郭樹才煤化工工藝學(xué)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20070.420[3]李斌 TEXACO水煤漿氣化爐的建模及仿真研究[D]002,重慶大學(xué):重慶碳轉(zhuǎn)化率[4]林立. Aspen Plus軟件應(yīng)用于煤氣化的模擬[J]上?；?2006,31(8):10-13圖9碳轉(zhuǎn)化率對(duì)(CO2+H2O)含量的影響[5]ASPEN Technology Inc, Getting Started Modeling Processeith Solids, 2000[6]ASPEN Technology Inc, Unit Operation Models, 20011020[7]ASPEN Technology Inc, ASPEN PLUS USER GUIDE, 2001[8]L Jimenez, M. Gadalla, D, Boer, T. Majozi. Integrated gasification combined cycle(IGCC) process simulation and optimi[9]Ftion[ J]. 18th European Symposium on Computer Aided Peo-ESCAPE 18碳轉(zhuǎn)化率[10]沈玲玲,姜秀民,ICCC示范工程煤氣化爐的數(shù)值模擬[]煤炭轉(zhuǎn)化,2009,(1):1圖10碳轉(zhuǎn)化率對(duì)氣化溫度的影響[11汪洋帶正華.運(yùn)用Cib自由能最小化方法模擬氣4結(jié)論流床煤氣化爐[J]煤炭轉(zhuǎn)化,2004,24(10):27-3[12]徐越,吳一寧危師讓.基于 ASPEN PLUS平臺(tái)的干煤(1)C0和H2是爐氣的主要成分,本文通過模粉加壓氣流床氣化性能模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)擬考察水煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力和煤的粒度分2003,37(7):692-694布對(duì)(Co+H2)含量及氣化溫度的影響可得知水煤13】于戈文,許志琴焦玉杰煤氣化工藝過程模擬研究[J]漿濃度和氧煤比是影響氣化過程的主要參數(shù)。內(nèi)蒙古石油化工,2007,(2):15-17(2)模擬結(jié)果表明:水煤漿濃度在56.0%-14張宗飛湯連英,呂慶元基于 Aspen Plus的粉煤氣化模擬[刀].化肥設(shè)計(jì),2008,46(3):14-186522%時(shí),(CO+H2)含量及氣化溫度隨著水煤漿濃度的增加而增加;氧煤比在0.887~1.219時(shí),Modeling and flwosheeting of the coal-gasification processXIE Fang, LI Hai-yang, GE Shi-mei(School of Chemistry and Chemical Engineering Guizhou University Guiyang 550003, Guizhou Province, ChinaAbstract To analysis tEXACO coal gasification process, the peocess modeling and flowsheeting were completedbased on the chemical process simulation software. Appropriate unit module, Fortran language and thermodynamicnethod were selected by analysing the raw materials and process.conversion was considered in the modle. To consider sever important operating parameters, showed the中國煤化工 in coalslurry are the main factors affecting the gas composition at gasifiCN MHGmperature ofgasifierwas increased with the oxygen-coal ratio, and also inceased with the water- coal mass ratio in coal slurry.Key words: coal gasification; simulation