第33卷 第12期石油化工應(yīng)用Vol.33 No.122014年12月PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATIONDec.2014利用Aspen Plus對(duì)粉煤氣化與水煤漿氣化過(guò)程的模擬分析張曉光,蘇麗,王 志欣,馮盛丹,李平(寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,寧夏銀川750021)摘要:基于Aspen Plus模擬軟件, 建立了粉煤氣化和水煤漿氣化過(guò)程模擬的模型,選擇反應(yīng)平衡模型以及合適的反應(yīng)模塊,應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法分別對(duì)寧夏寧東礦區(qū)的三種煤進(jìn)行氣化模擬,參照實(shí)際生產(chǎn)指標(biāo)建立模型,將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中所產(chǎn)粗煤氣組分進(jìn)行比較,結(jié)果吻合較好。故該模型對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)及預(yù)測(cè)煤種氣化產(chǎn)物具有一定的意義。關(guān)鍵詞:粉煤氣化;水煤漿氣化;合成氣;Aspen Plusdoi:10.39/.issn.1673-5285.2014.12.027中圖分類號(hào):TQ531文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673- 5285( 2014)12- 0098-04Simulation and analysis of the powdered coal and coal water slurrygasification based on Aspen PlusZHANG Xiaoguang,SU Li, WANG Zhixin, FENG Shengdan,LI Ping( College of Chemistry and Chemical Engineering,Ningcia University,Yinchuan Ningxia 750021 ,China)Abstract:The powdered coal and coal water slurry gasifcation simulation models are estab-lished based on Aspen Plus simulation software.The appropriate reaction equilibrium modeland reaction modules were selected.The Gibbs free energy minimization method is appliedfor three kinds of coals from Ningdong minefield in Ningxia.The parameters of the modelswere set according to actual operating conditions.The simulation results accorded with theactual constituent content of synthesis gas from industrial production.So this simulation mod-el can be used to direct production and predict coal gasification products.Key words:powdered coal ;coal water slurry gasification;synthesis gas;Aspen Plus煤炭氣化是煤炭高效潔凈利用的有效途徑。以干為模擬工 具對(duì)煤氣化過(guò)程進(jìn)行模擬具有以下意義:(1)粉煤或水煤漿為原料，以水蒸汽和純氧作為氣化劑的對(duì) 整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行分析,尋找到最優(yōu)操作點(diǎn)",以氣流床煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤氣化的核心技術(shù)之一- ,對(duì)用于實(shí)際生 產(chǎn)的指導(dǎo)和優(yōu)化;(2)為煤氣化工藝提供數(shù)煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化具有重要的意義。以Aspen Plus據(jù)支持,及對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有-定的指導(dǎo) 意義);(3)預(yù)測(cè)中國(guó)煤化工MHCNMHG*收稿日期:2014-10-21基金項(xiàng)目:中科院“西部之光”計(jì)劃項(xiàng)目資助(2012年)。作者簡(jiǎn)介:張曉光,男(1972-),寧夏中衛(wèi)人,副教授,碩士,研究方向?yàn)榛し蛛x工程,郵箱:liping@nxu.edu.cno第12期張曉光等利用 Aspen Plus 對(duì)粉煤氣化與水煤漿氣化過(guò)程的模擬分析99合成氣的組成和污染物的排放!;(4)對(duì)裝置設(shè)計(jì)、工藝Ryield 的主要功能是將粉煤分解成單元素分子(純?cè)僮魈峁?shù)據(jù)支持。素C、S、H2、N2.O2、Cl2)和灰渣(Ash)， 并將裂解熱煤氣化的實(shí)質(zhì)就是將煤中的C、H轉(zhuǎn)化為清潔燃(QDcomp)導(dǎo) 人反應(yīng)模塊咧。煤炭是非常規(guī)組分,模擬中料氣或合成氣(CO+H2)的過(guò)程。氣化爐中的氣化反應(yīng)將粉煤通過(guò)RYield反應(yīng)器裂解轉(zhuǎn)化為單元素的分子是一個(gè)十分復(fù)雜的體系，其中的主要反應(yīng)是煤中的碳后， 再與氣化劑、氧氣- -同進(jìn)人RGibbs反應(yīng)器進(jìn)行煤與氣化劑中的氧、水蒸氣及二氧化碳等的反應(yīng),也有碳炭的氣化反應(yīng)。 用Healer換熱模塊對(duì)爐氣進(jìn)行冷卻以與產(chǎn)物以及產(chǎn)物之間進(jìn)行的反應(yīng)。在氣化爐內(nèi),煤炭經(jīng)便 后續(xù)工段的處理。粉煤氣化模擬流程圖(見(jiàn)圖1)。歷了干燥熱解、氣化三個(gè)過(guò)程。蒸汽一o N;煤在氣化過(guò)程中，第一階段的反應(yīng)以揮發(fā)分的燃燒為主,當(dāng)氧氣消耗殆盡后,氣化過(guò)程將以氣化產(chǎn)物與RYieldHeater .殘?zhí)康臍饣磻?yīng)為主,主要包括以下反應(yīng):coal中---中Product(1 )揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)CO+ 1/202=2CO2RGibbsH2+ 1/202=H2OCH4+202=CO2+2H2OC2H6+7/2O2=2C02+3H2OPump圖1粉煤氣化模擬流程圖(2 )焦炭的燃燒反應(yīng)Fig.l Simulation fnow chart of powdered coal gasificationC+1/202=CO氣流床氣化過(guò)程是在高溫高壓下進(jìn)行的",因此選C0+1/202=CO2 .用RK- SOAVE方程比較適合本次模擬的工藝過(guò)程。選(3 )焦炭的氣化反應(yīng)用HCOALGEN焓模型計(jì)算煤的焓，選用DCOALIGTC+H2O=CO+H2模型計(jì)算煤的干基密度。進(jìn)料的粉煤則作為非常規(guī)組C+CO2=2CO分Nonconventional來(lái)對(duì)待。(4 )揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化反應(yīng)1.2粉煤氣化模擬CH4+ H20=CO+3H2粉煤氣化裝置氣化爐操作條件為:壓力約4 MPa,CH4+CO2=2CO+H2本研究利用Aspen Plus 軟件，建立粉煤氣化和水氣化溫度1450C~1650C。某粉煤氣化爐主要原料煤漿氣化兩種模型.參照某氣化車間實(shí)際操作參數(shù),分的工藝指標(biāo)(見(jiàn)表2)。根據(jù)實(shí)際工況選擇氣化模型的別對(duì)寧夏寧東礦區(qū)三種不同煤樣進(jìn)行氣化模擬，并將模擬條件為:壓力4.0 MPa,溫度1 450 C,煤粉進(jìn)料量模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)得到的合成氣組分進(jìn)行70 th,水蒸氣量2.0 th,氧氣量43 000 m2/h。 模擬結(jié)果對(duì)比。模擬用煤與實(shí)際用煤的煤質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。(見(jiàn)表3)。表2實(shí)際工況主要原料Table.2 Main raw material in the actual operating conditions1粉煤氣化過(guò)程模擬主要原料壓力/MPa溫度/C流量煤粉4.4-4.670-8060-80 th .1.1 模型的建立及物性方程的選擇對(duì)粉煤氣化過(guò)程的建模選擇RYield(收率反應(yīng)器)瓦氣4.7-5.0130-150-43000 m/h和RGibbs(平衡反應(yīng)器)兩個(gè)模塊反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行模擬，水蒸氣4.8~5.3430~4500.5~3 th表1 煤質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)Table.1 Proximate and Ultimate Analysis of Coals工業(yè)分析/(ad,%)元素分析/( ad,%)煤種FCCNSCoal-168.1878.56中國(guó)煤化工1.24.0.26.764.176.29TYHCNMHGo.79.1.Coal-l25.7559.3467.953.789.511.08實(shí)際用煤25.93-26.6550.25-56.97100石油化工應(yīng)用2014 年第33卷表3粗煤氣組分的比較(V%)Table.3 Comparison of contents in the raw gas (V% )煤種CoCO2CH,NHSCOSCoal-124.1662.094.0740.010 74.0920.02390.002 7Coal-224.4961.554.130.010 64.075Coal-323.1061.544.840.010.0240.002 83生產(chǎn)用煤22-2559~704~90.01-0.050.3~90~0.098 70~0.016 2}-白DCOMP應(yīng)↓RGIBBSCCOAL回>個(gè))回。N3PUMPCOMPRESS圖2 Aspen plus水煤漿氣化模擬流程圖Fig.2 Simulation flow chart of coal water slurry gasification模擬所用原料煤與生產(chǎn)實(shí)際用煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)了 氣化模擬的主要指標(biāo),具體參數(shù)(見(jiàn)表4)。對(duì)氣化過(guò)接近,但模擬用煤為單- -煤種.煤質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,工業(yè)生程進(jìn)行模擬。產(chǎn)中則經(jīng)常通過(guò)配煤達(dá)到生產(chǎn)要求煤質(zhì)，產(chǎn)物組分在表4水煤漿氣化模擬工況與實(shí)際工況主要指標(biāo)Table.4 Raw material consumption and process parameters一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由表3模擬結(jié)果可見(jiàn)，氣化模擬產(chǎn)生的粗煤氣組分基本都在實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)值范圍內(nèi)，說(shuō)明主要指標(biāo).實(shí)際工況模擬工況模擬結(jié)果合理,與實(shí)際工況符合較好。水煤漿濃度/%58-6250水煤漿流量/(m'h*)15 000~18 00015 7502水煤漿氣化過(guò)程模擬氧氣濃度1%2.1 水煤漿氣化模型的建立氧氣流量/(m*h")10 000~11 00010172水煤漿氣化過(guò)程模擬需要利用混合器將水和煤粉氣化爐壓力/MPa3~64充分混合后經(jīng)加壓泵送人裂解器中,然后進(jìn)行氣化。其氣化爐溫度/C .1 200-1 4001 350主要反應(yīng)模塊與粉煤氣化差別不大，在物性方程的選由表5可見(jiàn)，三種煤在成漿濃度均為60%的情況擇_上也基本相同，不同的是在進(jìn)料物流中增加了水這下 模擬氣化過(guò)程，產(chǎn)生的粗煤氣中H2的含量較高,有- -流股,并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置。效氣體(H2+CO)的總含量與實(shí)際工況的對(duì)比分析,結(jié)2.2水煤 漿氣化過(guò)程模擬果(見(jiàn)表6),可見(jiàn)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)狀況吻合參照某企業(yè)水煤漿氣化車間的實(shí)際工況參數(shù)設(shè)定較好。表5水煤漿A氣化模擬結(jié)果( V%)Table.5 Simulation results of coal water slury gasification( V% )H2COCH。H40.6042.4616.90.012中國(guó)煤化工-0.026 5CNMHGCoal-2 .40.3841.957.550.032YH0.084 839.7841.7318.330.0590.003 70.000 50.096 97(下轉(zhuǎn)第105頁(yè))第12期麻超等一種改性淀粉的合成及性能評(píng)價(jià)105和4 %鹽水鉆井液中都具有較好的流變性能，其表觀化學(xué)與黏合,2009,31(5):45- -49.粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力都隨產(chǎn)品加量的增加[2] 李文飛,張換換,劉軍海.復(fù)合交聯(lián)淀粉在造紙中 應(yīng)用[J].而升高,降濾失效果明顯,尤其是在淡水鉆井液中更加天津造紙,2010,(3):28-31.顯著。[3] 陳宗淇,戴閩光.膠體化學(xué)[M].北京:高等教育 出版社，1984:32- -46.參考文獻(xiàn):[4]沈鐘,趙振國(guó), 王果庭.膠體與表面化學(xué)[M].北京:化學(xué)工[1] 吳溪,侯昭升, 闞成友.化學(xué)改性淀粉膠黏劑研究進(jìn)展[J].業(yè)出版社,2008:116-117.(上接第100頁(yè))表6合成氣中有效氣體含對(duì)比( V%)3 模擬結(jié)果分析Table.6 Comparison of key contents in the synthesis gas( V% )煤種模擬值實(shí)際生產(chǎn)值相對(duì)偏差通過(guò)對(duì)與實(shí)際生產(chǎn)煤種煤質(zhì)基本相同的三種不同CO+H/%C0+H2/%19煤采用不同的氣化方式進(jìn)行模擬，其模擬計(jì)算結(jié)果與Coal-183.063.31實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粗煤氣中各氣體組分基本接Coal-282.3380.402.40近,表明模擬中所選擇的模型是適合的。從表7模擬結(jié)Coal-381.511.38果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):對(duì)于同樣的煤種,粉煤氣化過(guò)程所生表7兩種氣化過(guò)程模擬有效 氣體對(duì)比( V% )Table.7 Comparison of key contents from Itwo gasification methods(V% )粉煤氣化水煤漿氣化H2%C0/%C0+H/%H/%24.1662.0986.2540.6042.46 .24.4961.5586.0440.3841.9523.1061.5484.6439.7841.73產(chǎn)出來(lái)的煤氣中有效合成氣含量明顯高于水煤漿氣化參考文獻(xiàn):過(guò)程;且粉煤氣化與水煤漿氣化產(chǎn)物中H與CO比差[1] 彭錦,高灰分 劣質(zhì)煤氣化特性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012:2-10.別較大，故不同氣化方式的產(chǎn)物適合不同化工產(chǎn)品合[2]劉 娜.新疆部分煤炭氣化過(guò)程的模擬優(yōu)化[D].新疆;新疆大成時(shí)原料氣的生產(chǎn)。學(xué),2012:23-37.[3] 張宗飛,等. 基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J].化肥設(shè)4結(jié)論計(jì),2008 ,46(3):14-19.[4KONG Xiangdong,ZHONG Weimin,DU Wenli and QIAN煤氣化過(guò)程的大型化已成為煤化工的一個(gè)重要發(fā)Feng.Three Stage Equilibrium Model for CoalGasifcation in展趨勢(shì),對(duì)大型煤氣化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,是深刻理Entrained中國(guó)媒化工”Plus IJ.Chineee解過(guò)程本質(zhì),實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作的有效手段。文Joumal ofML21(1):79-84.中建立了粉煤及水煤漿氣化爐模型，并采用現(xiàn)場(chǎng)裝置[陳倩,等.YH. C N.MHG[].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)化學(xué),2012, 29( 12): 1425-1428.程能夠提供有用的理論支持。.