第32卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol. 32 No. 12009年1月C0AI. CONVERSIONJan. 2009IGCC示范工程煤氣化爐的數(shù)值模擬沈玲玲"姜秀民2) 王輝3) 黃庠永"摘要采用Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)某擬建的IGCC示范工程的德士古煤氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)考慮碳的不完全轉(zhuǎn)換對(duì)計(jì)算流程進(jìn)行了改進(jìn),并運(yùn)用CPD模型預(yù)測(cè)煤熱裂解的產(chǎn)物分布.研究了煤氣化爐的重要操作參數(shù)(即水煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力和氣化溫度)對(duì)氣化結(jié).果的影響.在計(jì)算區(qū)間內(nèi),發(fā)現(xiàn)高濃度水煤漿濃度范圍內(nèi),隨濃度的增加，煤氣的主要成分(H2+ .CO)的總含量增加.氣化溫度增大到1 400 C左右時(shí)，煤氣的主要成分隨氣化溫度的進(jìn)一步增加會(huì)趨于一個(gè)恒定值.關(guān)鍵詞Aspen Plus,IGCC, 德士古氣化爐中圖分類(lèi)號(hào)TQ541,TM611.3果導(dǎo)致其他元索的流失.因此,通過(guò)在模擬過(guò)程設(shè)定)引言非常規(guī)物質(zhì),把碳的不完全轉(zhuǎn)換考慮進(jìn)去,使模型的整體煤氣化燃?xì)鈤蒸汽聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技模擬更符合實(shí)際的氣化爐,從而解決了對(duì)碳的不完術(shù)可以將燃煤電站的循環(huán)效率提高至39%~41%全轉(zhuǎn)化考慮不足的問(wèn)題.本文是結(jié)合國(guó)內(nèi)擬建的首(LHV)川,是目前最先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)之一.目臺(tái)大型IGCC示范工程,利用Aspen Plus軟件對(duì)該前采用氣流床氣化技術(shù)的德士古氣化爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)月中的德士古氣化爐進(jìn)行氣化模擬.通過(guò)對(duì)碳模和已商業(yè)化的臺(tái)數(shù)最多.它的發(fā)展已度過(guò)原理概念型的改進(jìn),提出了一個(gè)新的計(jì)算方案,在改變不同氣性開(kāi)拓驗(yàn)證階段,并進(jìn)入商業(yè)示范驗(yàn)證階段.[0]它既化參數(shù)的情況下,研究各參數(shù)對(duì)生成煤氣的主要有有發(fā)電的高效率,又有極好的環(huán)保性能,因而成為世效成分(H2 +CO)的影響,計(jì)算結(jié)果可對(duì)系統(tǒng)方案界矚目的極有發(fā)展前途的一種先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).術(shù). []IGCC系統(tǒng)內(nèi)的德士古氣化爐可采用激冷式1氣化爐煤氣化爐模 型和裝有煤氣冷卻器兩種方案,本文所結(jié)合的某擬建的大型IGCC示范工程采用的是安裝煤氣冷卻器的1.1 工藝說(shuō)明氣化爐,又稱(chēng)為全熱能回收式氣化爐,從能量有效利德士古氣化爐是把水煤漿與氣化劑(約95%用的觀點(diǎn)來(lái)看,這種方案是最合理的.模擬計(jì)算是理解化工過(guò)程的有用工具.通過(guò)計(jì)氧)一起噴入氣流床氣化爐內(nèi)進(jìn)行火焰型非催化部算,可以對(duì)整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行分析,尋找最優(yōu)操作分氧化反應(yīng)的工藝過(guò)程,生成的粗煤氣采用煤氣冷點(diǎn),提高整個(gè)過(guò)程的熱效率,達(dá)到過(guò)程優(yōu)化的目的;卻器冷卻,灰渣采用液態(tài)排渣.本文只模擬水煤漿進(jìn)可以輔助設(shè)計(jì)以及解釋說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);還可以預(yù)測(cè)入氣化爐內(nèi)發(fā)生氣化的過(guò)程,暫未考慮進(jìn)入輻射廢合成氣的組成和污染物的排放.“采用AspenPlus熱鍋爐之后系統(tǒng)內(nèi)的情況.軟件對(duì)氣化爐模擬時(shí),以往建立的氣化爐模型是先1.2氣化機(jī)理把煤分解為相同質(zhì)量和發(fā)熱量的由碳?xì)浜推渌系率抗艢饣癄t的氣化過(guò)程實(shí)際上是煤炭在高溫物、純凈元素和灰組成的常規(guī)物流混合物,再通到平下的極為復(fù)雜的多相熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其可能發(fā)生衡反應(yīng)器中. [5.61這種做法假定煤全部轉(zhuǎn)化成煤氣，的化學(xué)反應(yīng)"可概括如下:無(wú)法計(jì)及碳轉(zhuǎn)化率;采用的補(bǔ)救措施是在后續(xù)流程中國(guó)煤化工燃燒氣化由于中排放掉一部分煤氣來(lái)模擬煤的不完全轉(zhuǎn)換,其結(jié)在富氧=煤粉加熱速度極:YHCNMHG#國(guó)家“863"高技術(shù)基金資助項(xiàng)8 (2007 A^05Z247).1)碩士生:2)教授、博十生導(dǎo)師:3)博士后;4)博士生，上海交通大學(xué)熱能工程研究所，200240 上海收稿日期:2008 09. 17;修回H期，2008-10-23第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數(shù)值模擬15快,可以認(rèn)為煤粉中的水分瞬間蒸發(fā);同時(shí),熱解速1.3氣化過(guò)程模 型的簡(jiǎn)化度大大高于煤粉的燃燒及氣化反應(yīng)速度. []2)固體顆粒與氣化劑(氧氣、水蒸氣)間的反運(yùn)用軟件建模時(shí),需對(duì)過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處應(yīng).在高溫條件下,脫除揮發(fā)分的粉煤固體顆?；虬肜?這里假設(shè)煤氣化反應(yīng)可分解成兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程:焦中的固定碳與氣化劑進(jìn)行燃燒反應(yīng)為:1)水分蒸發(fā)和煤脫揮發(fā)分的過(guò)程,采用化學(xué)滲C+O2一→CO2濾脫揮發(fā)分模型(CPD)能很好地模擬煤熱裂解、燃2C+O2一→2C0燒氣化的產(chǎn)物分布. [8]CPD模型是Fletcher等[91]固定碳與水蒸氣進(jìn)行異相水煤氣反應(yīng)為:開(kāi)發(fā)的,該模型可用于描述煤在快速加熱條件下的C+H2O一→H2 +CO裂解情況.C+2H20一→2H2 +CO2CPD模型是通過(guò)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)裂解產(chǎn)物，3)生成的氣體與固體顆粒間的反應(yīng).高溫的半它不僅可以預(yù)測(cè)輕氣體(H2O, Nz ,O2 , H2 ,CO,CO2焦顆粒與反應(yīng)生成氣的反應(yīng)為:和小分子的碳?xì)浠衔?的分布,而且可以預(yù)測(cè)氮元C+COr一+2CO素產(chǎn)物分布的數(shù)量和形態(tài). [12) .C+2H2 -→+CH .2)氣化產(chǎn)物與氣化劑、固定碳間以及氣化產(chǎn)物在高溫條件下,煤中的硫也會(huì)與還原性氣體發(fā)間的反應(yīng).該過(guò)程可采用氣化達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)生反應(yīng)為:Gibbs自由能最小化原理,嚴(yán)格計(jì)算化學(xué)反應(yīng)平衡(1/2)S2+ H2-→H2S和相平衡,以得到最終的氣化組成.計(jì)算時(shí),必須規(guī).(1/2)Sr +CO-→COS定反應(yīng)器溫度和壓力或壓力和焓值,模型以原子平4)反應(yīng)生成的氣體彼此間的反應(yīng).高溫條件衡限制為條件,使Gibbs自由能最小化;但不需要具下,反應(yīng)生成氣體的活性很強(qiáng),彼此之間存在著可逆體的化學(xué)反應(yīng)方程式和化學(xué)計(jì)量數(shù),將整個(gè)系統(tǒng)看反應(yīng)為:成是一個(gè)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過(guò)程.00+H2O-→H, +00)(-氧化碳變換反應(yīng))1.4用Aspen Plus 軟件建模CO+3H2一→CH, +2H2OCO2 +4H2一→CH +2H2O采用CPD模型預(yù)測(cè)煤熱裂解的產(chǎn)物分布,假定2CO+2H2 --→CH +CO2所有的反應(yīng)遵循Gibbs自由能最小化方法!,建立H2S+CO-→COS+ H2如圖1所示的氣流床水煤漿氣化爐模型.RyieldRgihleSpltPanbet }+口-Syp]5>[ (drcomp0”圖1 Aspen Plus模擬流程Fig. 1 Aspen Plus simulation flowsheet圖1中wet-coal為進(jìn)入系統(tǒng)的水煤漿,其工業(yè)過(guò)裂解后的產(chǎn)物,考慮ryield模塊中碳的不完全轉(zhuǎn)分析與元素分析見(jiàn)表l;Inburner為煤漿中粉煤經(jīng)化,因此inburner輸出物流中包括純?cè)谻,純?cè)乇?煤樣的元素和工業(yè)分析(%* ,ar)S,H2O,N2 ,O2, H2 ,CO,CO2 ,ash和UBC;QtransfeTable 1 Ultimate and proximate analysis of the為粉煤裂解熱;Lost為氣化系統(tǒng)的熱損失;Syngastesting coal samples(%" ,ar)為粗合中國(guó)煤化工Ash和UBC).Ultimate analysisProximate analysis書(shū)的簡(jiǎn)單反應(yīng)器.CHNsO-AMYHCNMHG-57.81 3.62 0.84 0.35 9.29 10.79 27.22 44.69 17.3主要功n比足的物妹刀肝權(quán)幾胝干元素的分子,并將* Percent of weight;1) By dference.熱解熱傳遞給后面的Rgibbs單元，同時(shí)在Ryield1煤炭轉(zhuǎn)化2009年單元中考慮碳的不完全轉(zhuǎn)化,把a(bǔ)sh和UBC都定義27.72成非常規(guī)物質(zhì). Rgibbs單元是一個(gè)基于Gibbs自由27.7027.68能最小化原理的反應(yīng)器.對(duì)于煤氣化系統(tǒng),根據(jù)表127.566 I煤樣分析知,除ash和UBC不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)外[41,27.64 t常規(guī)物質(zhì)生成粗煤氣包含的組分為:H2O,N2,O2,27.62S, H2 ,C,CO,CO2,H2S,COS,CH和NH3.體系達(dá)27.60到平衡時(shí)體系的Gibbs自由能達(dá)到最小值.Cncentrution of water coul sury1%2模型的參數(shù)設(shè)置37F36-用AspenPlus軟件計(jì)算時(shí),一般將所涉及的組。35-分分為mixed常規(guī)物質(zhì)).cisolid(常規(guī)惰性固體)和8 34-NC(非常規(guī)物質(zhì))三類(lèi)物流.3對(duì)于常規(guī)組分，包括常規(guī)固體組分(即組成均6062646687勻.有確定分子量的固體),用RK-soave 方程計(jì)算Concentration of water coal elumy/%物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì).65-非常規(guī)固體組分是指不同種類(lèi)的固體混合物.Aspen Plus對(duì)這類(lèi)物質(zhì)作了簡(jiǎn)化處理,認(rèn)為它不參與化學(xué)平衡和相平衡,只計(jì)算密度和焓.AspenPlus一般用Hcoalgen模型來(lái)計(jì)算煤的焓,這個(gè)模型包含60了燃燒熱、標(biāo)準(zhǔn)生成焓和熱容的不同關(guān)聯(lián)式.59采用dcoaligt模型計(jì)算煤的真實(shí)的干基密度.Concentation of water coal slumy /%3操作參數(shù)對(duì)氣化結(jié)果的影響吾22d1 2.58-德士古氣化爐產(chǎn)生的煤氣的主要成分為H2和號(hào)256CO,還有部分CO2和水蒸氣,其他氣體含量甚微.本文通過(guò)改變水煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力和氣化溫度對(duì)產(chǎn)生煤氣中的主要可燃成分(H2+CO)進(jìn)行出2.440.60.62 0640660.68 0.70模擬并分析各參數(shù)變化對(duì)只計(jì)算(H2+C0)成分時(shí)Concentration o waler coal slumry1%所生成煤氣的熱值的影響.圖2水煤漿濃度對(duì)氣化結(jié)果的影響本文所模擬的國(guó)內(nèi)擬建的IGCC示范工程中煤.Fig.2 Effect of concentration of water coal slurry氣化爐的工藝參數(shù)為:水煤漿流量為107. 23 t/h,煤on gasification results漿濃度變化范圍60%~70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));氧氣流量a--H2;b- -COre- H2+CO;d-- Heat value57. 969 t/h(O2體積分?jǐn)?shù)為95,N2為5),氧煤比和有效氣成分(H2 +CO)呈上升趨勢(shì),H2呈下降趨0. 7~1.0;氣化壓力為2 MPa~ 10 MPa;氣化溫度勢(shì).其原因是由于氧煤比不變,隨著煤漿濃度的增1100C~2000C.考慮的碳轉(zhuǎn)化率為98%,熱損加,水蒸發(fā)所消耗的熱量占總熱量的份額越來(lái)越小，失為0.5%..從而導(dǎo)致氣化爐溫度升高.溫度的升高,加劇異相反.應(yīng)的進(jìn)行,有利于碳轉(zhuǎn)化率的升高,促進(jìn)了CO和3.1水煤漿濃度H2的生成[152;但是,水煤漿中水量的減少以及溫度設(shè)定氧煤比，碳轉(zhuǎn)化率為98%，熱損失為的升高,使水煤氣反應(yīng)受到限制[15] ,不利于H2的生0.5%,氣化壓力為3. 6 MPa,并保持煤和氧氣的量成.兩種因素綜合作用,結(jié)果H2含量有所減少.不變,通過(guò)改變水的量,使水煤漿濃度在60%~中國(guó)煤化工呈上升趨勢(shì).從70%之間變化,得到不同水煤漿濃度下煤氣主要成.熱值吉果越有利;但提分H2和CO體積分?jǐn)?shù)和熱值的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖2).高煤:IHCNM HG給成漿和氣化爐由圖2a~圖2c可知,隨著煤漿濃度的增加,CO加料帶來(lái)困難,故選取煤漿濃度時(shí)應(yīng)綜合考慮.第1期枕玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數(shù)值模撳，173.2.氧煤比的量也增加.但燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，氣化爐溫度就會(huì)增固定水煤漿流量并保持其他參數(shù)不變,通過(guò)改高，又使氣化反應(yīng)強(qiáng)化.綜合兩種因素,氧煤比增大.變氧氣的流量,使氧煤比(kg氧氣/kg干煤)由0.7造成的結(jié)果是H和c濃度下降了,生成氣中(H,+變化到1.0,計(jì)算得到的H2和c的體積分?jǐn)?shù)及C0)的含量也下降了,導(dǎo)致生成煤氣的熱值相應(yīng)也就(H2+CO)的熱值變化見(jiàn)圖3.下降了(見(jiàn)圖3d).所以當(dāng)氧煤比在0.7~1.0時(shí),應(yīng)盡量減小氧煤比,繼而可以減少空分系統(tǒng)的制氧量,使廠(chǎng)用電量減少,提高IGCC整體效率及經(jīng)濟(jì)性.3.3氣化壓力 .其他操作參數(shù)不變的情況下，使氣化壓力從242MPa變化到10MPa,計(jì)算得到的H2和co的體2Li0.70 0.750.80 0.85 0.90.95 1.00積分?jǐn)?shù)及(H; +CO)的熱值變化見(jiàn)圖4.Oaygn/col mass ratio/0g*kg7)27.75ro27.7027.65還27.6027.5027.4527.40七IPesure 1 MPw0.70.5 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Oxygn/col m ntio 1 (g*kg")4.72 r34.7034.68= 34.66 tg 34.6434.6234.6034.58 t34.560.70 0.75 0.800.85 0.90 0.95 1.0023peOsyen/col mass matio/ (kg*kg)624-之62.3-.265-自2060已62.1+文250-62.02.532廠(chǎng) d0.700.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00, 2528- .Oaxyen/coal ma nti/ig*tg)2.526 F2.524 H圖3氧煤比對(duì)氣化結(jié)果的影響Fig.3 Efet of oxygen/ coal mass raio on gasification resutsa一-H2rb一 -C1e-- H; +CO;d一- Heat value2.518由圖3a~圖3c可以看出,當(dāng)氧煤比在0.7~1.0范圍內(nèi)變化時(shí),隨著氧煤比增加，H2和(H2 +中國(guó)煤化工CO)含量迅速降低,Co含量降低的斜率稍緩.原因CNMHG果的影響是氧煤比增大導(dǎo)致燃燒反應(yīng)增強(qiáng),H2和co更多地Fig.4 Ettect of pressure on gasification results被燃燒反應(yīng)掉,使燃燒分別轉(zhuǎn)化成為H2O和CO,H2;b-- CO,cH2+CO,d- Heat value8煤炭轉(zhuǎn)化2009年由圖4可以看出,當(dāng)氣化壓力在2 MPa~10 MPa8.5 r范圍內(nèi)變化時(shí),隨著氣化壓力的升高,H2,CO和有8.0 t效產(chǎn)物(H2 +CO)含量增加，煤氣熱值也增加.隨著壓力的升高，溫度條件不變時(shí),爐內(nèi)氣化反應(yīng)得到強(qiáng)化,反應(yīng)生成了更多的CO和H216],所以,H2和CO及(H2 +CO)有效產(chǎn)物含量增加了.6.0 F氣化爐中氣化壓力主要是根據(jù)所需煤氣組成而1000 1200 1400 1600 1800 2000定[7,但氣化壓力并不是越高越好,它的確定還需Temperaure/C要考慮工藝制造和操作管理方面的條件..37.0rb36.5 t3.4氣化溫度35.5 F350-保持其他操作條件不變,使氣化溫度從1100 C變化到2 000 C,CO和H2的體積分?jǐn)?shù)及(H2 +34.0CO)的熱值變化見(jiàn)圖5.3.0由圖5可以看出,隨著氣化溫度的升高,H2的含量先略升高然后降低,CO的含量逐漸增加,在Temperature1 C .1 400 C左右(H2+CO)的總量趨于一個(gè)恒定值.當(dāng)62.6e溫度超過(guò)1300 C時(shí),水煤氣反應(yīng)發(fā)生顯著川],生2.4 F2.2-成CO和H2量增加;而且隨著溫度的升高,碳轉(zhuǎn)化62.0 t率增高,在氧氣量不變的條件下,相應(yīng)CO生成量增61.8 F加;而根據(jù)Hougen的研究，隨著溫度的升高,一氧51.6 F化碳變化反應(yīng)受制約,因此H2含量減少.綜合上述因素,出現(xiàn)圖5a中的曲線(xiàn)變化趨勢(shì).由圖5d可以看出,隨著氣化溫度的升高,氣化Temperature/ C有效產(chǎn)物(H2 +CO)的熱值逐漸降低,原因是H2的256廠(chǎng)d熱值比CO的熱值要大,CO增加量的熱值無(wú)法彌補(bǔ)H2減少量的熱值,所以出現(xiàn)圖5d中熱值曲線(xiàn)下降52 t的趨勢(shì).隨著溫度的升高,對(duì)氣化爐耐火材料要求增2.50 I高,從而增加設(shè)備的費(fèi)用.因而,溫度不是越高越好，2.48 F可取1400C作為氣化溫度.4結(jié)論Temperature/C1)水煤漿濃度在60%~70%范圍內(nèi)增大時(shí)，圖5氣化溫 度對(duì)氣化結(jié)果的影響(H2 +CO)的總含量增加,煤氣熱值也是增加的.Fig.5 Effect of temperature on gasification results2)氧煤比在0. 7~1.0范圍內(nèi)增大時(shí),H2和a- H2;b-- -CO;c- -- H2 +C0;d-- Heat valueCO及(H2 +CO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是減小的，導(dǎo)致煤氣煤 氣熱值也是增大的.熱值降低,所以應(yīng)盡量降低氧煤比.4)當(dāng)氣化溫度高于1 400 C時(shí),(H2 +CO)的3)氣化壓力在2 MPa~10 MPa范圍內(nèi)增大質(zhì) 量分?jǐn)?shù)會(huì)趨于一個(gè)恒定值,綜合考慮各因素,建議時(shí),H2和CO及(H2 +CO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都增大,因而氣化溫度保持在 1 400 C以下.參考文獻(xiàn)中國(guó)煤化工[1]許世森。張東亮 ,任永強(qiáng).大規(guī)模煤氣化技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社.MYHCNMHG.[2]江麗霞,族睿賢 ,金紅光等.世界上若干典型IC0C電站的發(fā)展現(xiàn)狀[J].燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù),000:3-4.第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數(shù)值模擬19[3]董衛(wèi)國(guó) ,危師讓. 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By considering incomplete carbon conversion to improve simulation flowsheetand using CPD model to predict production of coal thermal decomposition, the effect of some im-portant operation parameters such as coal concentration of water coal slurry, oxygen/ coal ratio,pressure and temperature in coal gasifier on the gasification production has been studied. The re-sults show that within the calculation range, the percentage of main components increases as thecoal slurry concentration increases within high coal concentration. And main components tend tobe a constant value when temperature is about 1 400 centigrade.KEY WORDS Aspen Plus,integrated gasification combined cycle,Texaco gasifier中國(guó)煤化工MYHCNMHG