計(jì)算機(jī)應(yīng)用CFHI TECHNOLOGY10396/j.issn.1673- 3355.2014.04.017灰熔聚流化床粉煤氣化模擬褚宏達(dá)，唐升連2商要:灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)是中科院煤化所開(kāi)發(fā)的一種新型的粉煤氣化技術(shù)，采用ASPEN PLUS模擬，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算氣化產(chǎn)物中H、CO、N2、HS、H0的含量。通過(guò)ASPEN PLUS模擬計(jì)算得出，如果希望提高氣化產(chǎn)物中有效組分H2和C0的含量，應(yīng)盡量減小氧氣和水蒸氣的流量。關(guān)鍵詞:灰熔聚流化床粉煤i化; ASPEN PLUS;模擬中圖分類(lèi)號(hào): TQ546.2; TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1673-3355 (2014) 04- 0017-03Simulation of Fluid -Bed Pulverized Coal Gasification with Ash Fusion AgglomerationZhe Hongda, Tang LianshengAbst ract: Fluid -bedpulverized coal gasification with ash fusion agglomeration is a new pulverized coal gasificationtechnology developed by Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences. By simulating the gasification processwith ASPEN PLUS, the content of H2, CO, N2 HsS and H2O in the production of gasification can be calculated accurately Thsimulation calculation with ASPEN PLUS indicates the flow of oxygen and steam should be reduced as low as possible inorder to increase the content of active components ( H2 and CO) in the production of fluid-bed coal gasification with ashfusion agglomeration.Key words: fluid-bed pulverized coal gasification with ash fusion agglomeration; ASPEN PLUS; simulation灰熔聚流化床粉煤氣化以粉煤為原料，以空C+H2O=CO+H2.氣、富氧或氧氣為氧化劑，以水蒸氣作氣化劑。粉C+CO2=2CO煤由氮?dú)獯邓椭翚饣癄t底部，氣化劑和氧化劑以適C+2H2= CH4.當(dāng)?shù)牧魉俅?，人流化床，使床層?nèi)的粉煤處于沸騰狀H2+ 1/202=H20態(tài)，氣固兩相充分混合，粉煤在流化床層內(nèi)一次實(shí)此外，煤炭中含有的少量硫和氮會(huì)在氣流床中現(xiàn)破粘、脫揮發(fā)分、氣化、灰熔聚及分離等過(guò)程。發(fā)生下列反應(yīng):粉煤進(jìn)人流化床層后迅速升溫，其中的殘余水S+O2= -SO2分快速蒸發(fā)生成水蒸氣，同時(shí)粉煤快速熱分解，其SO2+1/202=SO3中揮發(fā)分被迅速脫除，生成C、H2、O2、N2、S、S+H=H2SH20和ASH (灰分) 及碳?xì)浠衔顲mHn等。H2S+CO=H2+COS分解后的產(chǎn)物和氣化劑在高溫環(huán)境下迅速發(fā)生N2+O2=2NO以下氧化及還原反應(yīng):N+O2=NOzCmHn+ (m+n/4) O2=mCO2+ (n/2) H2O在流化床頂部首先通人脫氧水用以降低出爐煤C+O2=CO2.氣的溫度，流化床中粉煤和氣化劑處于沸騰狀態(tài),C+ 1/202=CO有利于煤氣化反應(yīng)的充分進(jìn)行，但是也使煤氣中夾CO+ 1/202=CO2帶大量未反應(yīng)的碳和飛灰，因此灰熔聚氣化流程在CO+H2O=CO2+H2氣化爐后端設(shè)置旋風(fēng)分離器負(fù)責(zé)收集飛灰中的碳以中國(guó)煤化工1.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司助理工程師，遼寧大連1166002.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司高級(jí)工程師，遼寧大連16600MHCNMH G2014年第4期(總160期)59yzjsechi.comCFHI一重技術(shù)| 計(jì)算機(jī)應(yīng)用|再利用，避免飛灰對(duì)后續(xù)工序產(chǎn)生影響并提高整體過(guò)粉煤的元素分析得到，H20 和ASH (灰分)含量燃燒效率;在流化床底部采用了獨(dú)特的氣體分布器通過(guò)粉煤的工業(yè)分析得到;吉布斯反應(yīng)器模塊和灰團(tuán)聚分離裝置，中心射流形成床內(nèi)局部高溫區(qū)RGibbs根據(jù)Cibbs自由能趨近于最小的原則，計(jì)(1200~1 300 C)，使其中的灰分處于半熔融狀態(tài)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡的情況，它不要求規(guī)并逐漸團(tuán)聚成球,借助重力作用使灰分球從流化床定反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，可以應(yīng)用于發(fā)生的反應(yīng)未底部分離凹"。知或由于有許多組分參與反應(yīng)致使反應(yīng)數(shù)量很多的情況，它是唯一能處理汽-液-固相平衡的反應(yīng)器模塊甲，因此選用RGibbs反應(yīng)模塊模擬粉煤熱分解過(guò)程;灰熔聚流化床爐體頂部通人脫氧水對(duì)高溫圖1灰熔聚流化床 粉煤氣化過(guò)程的模擬流程圖煤氣進(jìn)行降溫，由于此處煤氣中氧化劑和C等成分的含量已經(jīng)很少，假定此處通人的脫氧水不再和1 ASPEN PLUS模型建立煤氣中的組分發(fā)生反應(yīng)，只是降低煤氣溫度并提高了煤氣中水分含量，因此選用Mixer模塊模擬計(jì)算本文根據(jù)灰熔聚流化床粉煤氣化過(guò)程建立粗煤氣和水分混合的過(guò)程。ASPEN PLUS模擬流程圖(見(jiàn)圖1)?；胰劬哿骰卜勖簹饣^(guò)程中大部分灰分在高因煤氣化過(guò)程中溫度和壓力分布復(fù)雜，組分和溫狀態(tài)下發(fā)生熔融形成顆粒狀灰渣從爐底排出，少化學(xué)反應(yīng)繁多，采用ASPEN模擬粉煤氣化過(guò)程首量灰分被煤氣從爐頂帶走，經(jīng)旋風(fēng)分離系統(tǒng)分離,先要設(shè)定下列條件2.3!:因此選用SSplit模塊將流化床層中的灰分全部分(1)粉煤氣化過(guò)程穩(wěn)定，各運(yùn)行參數(shù)不隨時(shí)間離，最終得到煤氣。發(fā)生變化。(2)粉煤和氣化劑在流化床內(nèi)瞬間混合,無(wú)溫2模型的檢驗(yàn)度梯度和壓力梯度。(3)粉煤在流化床層中發(fā)生的熱解反應(yīng)和氣化某廠新建年產(chǎn)量為8億N.m3的煤氣站，選用反應(yīng)速度非?？?，完全能夠達(dá)到反應(yīng)平衡狀態(tài)?；胰劬哿骰卜勖簹饣夹g(shù)，單臺(tái)氣化爐處理量為(4)粉煤中的灰分為惰性物質(zhì),在灰熔聚流化12 500 kg/h，運(yùn)行壓力為0.1 MPaG,使用原煤為內(nèi)蒙古呼蒙境內(nèi)的褐煤(見(jiàn)表 1)。床層中不參與任何反應(yīng)。表1入爐粉煤分析數(shù)據(jù)表(5)爐體保溫效果好，整個(gè)氣化反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)分析類(lèi)型，分析內(nèi)容數(shù)值有熱量損失。工業(yè)分析水分(Mad%)12.00粉煤氣化過(guò)程是固態(tài)的粉煤在高溫狀態(tài)下進(jìn)行揮發(fā)分(Vad%)31.05的燃燒反應(yīng)，氣化產(chǎn)物均為輕氣體，因此物性方法灰分(Aad%)23.87選用PR-BM。元素分析Cad (%)46.52粉煤成分復(fù)雜，無(wú)法用具體的組分來(lái)對(duì)其進(jìn)行Had (%)3.08表征，是一種典型的非常規(guī)固體組分，本文選用煤Nad (%) .0.64的焓以及密度模型(EnthalpyandDensity)來(lái)表征，Sad (%)0.28焓模型選用HCOALGEN，密度模型選用Oad (%)13.60MJ/kg19.24DCOALIGT。粒度mr<8灰熔聚流化床粉煤氣化過(guò)程分為熱解反應(yīng)和氣化反應(yīng)，因此為得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，選用兩個(gè)粉煤通過(guò)氮?dú)獯邓瓦M(jìn)人流化床層，選用氧氣為模塊模擬氣化過(guò)程產(chǎn)率:反應(yīng)模塊RYield可以用氧化劑，水蒸汽作為氣化劑，在氣化爐頂部通人脫于模擬化學(xué)計(jì)量系數(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)未知或不重氧水進(jìn)行降溫(見(jiàn)表2)。要的反應(yīng)，但需要已知反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率分布，它只運(yùn)行ASPEN PLUS模型得出煤氣各組分含量,考慮總質(zhì)量平衡，能夠模擬單相、兩相、和三相反部分組分因含量較少而忽略不計(jì)(見(jiàn)表3)。應(yīng)器4，因此選用RYield反應(yīng)模塊模擬粉煤熱分解由上表可中國(guó)煤化工算得到的煤過(guò)程，熱分解產(chǎn)物中C、H2、 O2、 N2、S的含量通氣中H2、CO、MHCN MH G擬值與實(shí)際6020141年第4期(總160期)V2.is@chi.com計(jì)算機(jī)應(yīng)用CFHI TECHNOLOGY表2入爐物料條件表字號(hào)物流名稱(chēng)溫度(C) 壓力(MPaG)進(jìn)料量C0+ |粉煤常溫0.112 500 kg/h氧氣).11 774 N .m2/h水蒸氣 143.8.37 500 kg/h0.2000.6 08i G2氮?dú)?21 N.mr/h直汽煤比NMV4g脫氧水865 kg/h圖3蒸汽煤比對(duì)有 效組分含量的影響表3煤氣組成模擬值和實(shí)際值對(duì)比表增大而緩慢減小; H2 和CO的總含量隨氧氣煤比的組分HCO CH, CO2 NH2S C0S H,O增大一直減小，但減小速度逐漸變小，主要原因是模擬值27.4 31.2 微量6.6 1.65 0.08 微量33.1隨著氧氣流量的增大，煤氣中已生成的CO和H2(V%)繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2和H2O。因此，在保證實(shí)際值27.78 30.34 2.50 ，5.12 1.56 0.08 0.01 3 ? .55灰熔聚流化床可以正常運(yùn)行的情況下，盡量減少氧氣流量可以有效提高生成煤氣中H2和CO的總含相對(duì)偏差.0 5.1.量。值基本相符，因此ASPEN PLUS可以用于計(jì)算其他由圖3可知，隨著蒸汽煤比的增大，煤氣中工況下的煤氣中這幾種組分的含量;但是CH4含CO含量迅速減小，主要原因是蒸汽煤比較低時(shí)，量的模擬值和實(shí)際值相差較大，原因是CH4主要流化床層內(nèi)溫度較高，抑制了煤氣變換反應(yīng)，當(dāng)蒸是產(chǎn)生于灰熔聚氣化爐中高溫區(qū)域，而模擬過(guò)程假汽煤比增大時(shí)，大量低溫蒸汽導(dǎo)致流化床層內(nèi)溫度定粉煤和氧化劑、氣化劑在流化床內(nèi)瞬間混合，無(wú)降低，變換反應(yīng)加劇，CO含量逐漸減少;而H2含.溫度梯度和壓力梯度,沒(méi)有考慮氣化過(guò)程中局部高量比較穩(wěn)定，并沒(méi)有隨蒸汽煤比的增大發(fā)生明顯變化。因此在保證灰熔聚流化床可以正常運(yùn)行的情況溫區(qū)域發(fā)生的氣化反應(yīng)。煤氣中H2和CO能夠和氧氣發(fā)生劇烈的燃燒下，盡量減少蒸汽流量可以有效提高生成煤氣中放熱反應(yīng)，是煤氣中的有效成分?；胰劬哿骰卜跦2和CO的總含量。煤氣化過(guò)程中氧氣和水蒸氣分別是最重要的氧化劑3結(jié)語(yǔ)和氣化劑，兩者流量的大小直接影響氣化產(chǎn)物中有效組分H2和CO的含量。氧氣流量和煤炭處理量采用ASPEN PLUS模擬灰熔聚流化床粉煤氣化之比定義為氧煤比，蒸汽流量和煤炭處理量之比定過(guò)程可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算氣化產(chǎn)物中H2、CO、N、義為蒸汽煤比，本文將分別根據(jù)ASPEN PLUS模H2S、H2O的含量，但是由于反應(yīng)模擬過(guò)程未考慮型，在不改變其他條件的情況下，分析氧氣煤比和反應(yīng)床層中，局部的溫度和壓力梯度，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算蒸汽煤比對(duì)有效組分含量的影響(見(jiàn)圖2、 圖3)。CH4的含量;通過(guò)模擬軟件計(jì)算得出，如果希望提←C0高氣化產(chǎn)物中有效成分H2和CO的含量，應(yīng)在保-C04H證灰熔聚流化床正常運(yùn)行的情況下盡量減小氧氣和水蒸氣的流量。參考文獻(xiàn)0.40.608T2[1] 徐振鋼，曲思建.煤化工技術(shù)一理論與實(shí)踐[M] .中國(guó)石化出氧氣煤IEIMhg)[2]項(xiàng)友謙.煤氣化過(guò)程熱力學(xué)平衡過(guò)程的理論計(jì)算[J] .煤氣與熱圖2 氧氣煤比對(duì)有效組分含量的影響力，1986， (1); 4-9.由圖2可知，灰熔聚流化床粉煤氣化生成的煤[3] Watkinson A P, LucasJ P, Lim C J. A prediction of performance ofcommercial coal gasifiers [0] . Fuel, 1991,70 (4): 519-527.氣中H2含量隨著氧氣煤比的增大迅速減小;氧氣[4] 孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)- ASPENPLUS教程 [M] .化學(xué)工業(yè)煤比較小時(shí)煤氣中C0含量幾乎不受氧氣煤比得影出版社，2012: 125-130.響，氧氣煤比超過(guò)0.3后，CO含量隨氧氣煤比的收稿日期: 2014-0中國(guó)煤化工YHCNM HG2014年第4期(總160期)61yzjsechi.comFHI