劉 蓉 王 琪 郭 強(qiáng) 呂 洋 王 濤 董國亮

(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇公司，甘肅 華亭 744100；3.二氧化碳捕集與處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209)

0 前言

煤氣化技術(shù)是煤炭資源實(shí)現(xiàn)高效清潔利用的關(guān)鍵技術(shù)。在以往研究中，固定床加壓氣化技術(shù)和水煤漿加壓氣化技術(shù)均采用統(tǒng)一模型進(jìn)行近似模擬，假設(shè)氣化爐內(nèi)的氣化區(qū)、燃燒區(qū)、干燥區(qū)、熱解區(qū)的溫度各不相同，氣化區(qū)和燃燒區(qū)內(nèi)的所有氣體均處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)；而且不考慮煤顆粒的粒徑分布、反應(yīng)過程中的物料返混情況以及灰渣顆粒的反應(yīng)停留時(shí)間[1-2]。但是，在真實(shí)氣化過程中，氣化爐內(nèi)的反應(yīng)和物料流動(dòng)情況非常復(fù)雜，相比之下，傳統(tǒng)模型過度簡化，無法客觀真實(shí)地反應(yīng)煤氣化過程，模擬的煤氣化產(chǎn)物往往與實(shí)際煤氣化產(chǎn)物差別很大。此外，傳統(tǒng)模擬的可調(diào)參數(shù)有限，無法進(jìn)行大范圍多參數(shù)優(yōu)化?；谏鲜鲈?，本文介紹了一種新的模擬方法，即基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的煤氣化技術(shù)模擬方法，利用ASPEN PLUS 軟件進(jìn)行分區(qū)模擬的方法。該方法結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，充分考慮氣化爐內(nèi)的顆粒分布和返混情況，能夠真實(shí)地反應(yīng)不同煤氣化工藝過程，模擬結(jié)果與真實(shí)值誤差較小，同時(shí)可調(diào)參數(shù)多，可以進(jìn)行大范圍的多參數(shù)優(yōu)化研究。

1 煤熱解實(shí)驗(yàn)

氣化爐作為煤氣化系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心裝置，其內(nèi)發(fā)生的多相強(qiáng)放熱反應(yīng)的機(jī)理十分復(fù)雜，且藕合性強(qiáng)[3-4]。煤氣化過程分為煤的熱解、熱解固相產(chǎn)物的分解以及氣相、固相單質(zhì)的氣化。為了準(zhǔn)確模擬煤氣化過程，需要通過實(shí)驗(yàn)確定煤熱解產(chǎn)物分布。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以固定床加壓氣化技術(shù)和水煤漿加壓氣化技術(shù)的工廠實(shí)際氣化用煤為原料，在管式爐固定床實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行煤熱解實(shí)驗(yàn)，熱解溫度設(shè)置為600 ℃。管式爐熱解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供氣裝置、流量控制系統(tǒng)、管式熱解爐和產(chǎn)物收集裝置[5]，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)過程中首先用推桿將反應(yīng)物料煤加入反應(yīng)管內(nèi)，在系統(tǒng)升溫至反應(yīng)熱解溫度600 ℃后，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，液相產(chǎn)物通過U 形曲管和燒杯進(jìn)行冷凝收集分析，氣相產(chǎn)物進(jìn)入色譜進(jìn)行分析。

圖1 煤熱解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 熱解產(chǎn)物分類

煤熱解主要發(fā)生如下反應(yīng):

可根據(jù)上述反應(yīng)，將煤熱解產(chǎn)物分為以下三類:

2)液相產(chǎn)物，主要是煤焦油和熱解水。

3)氣相產(chǎn)物，主要是CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w和CO2、N2等非可燃?xì)怏w。

1.3 產(chǎn)物收率

產(chǎn)物收率均采用質(zhì)量收率，計(jì)算公式如下所示:

式中:Yx——固相產(chǎn)物、液相產(chǎn)物或氣相產(chǎn)物x的質(zhì)量收率，%；

Wx——固相產(chǎn)物、液相產(chǎn)物或氣相產(chǎn)物x的質(zhì)量，g；

W0——實(shí)驗(yàn)室加入的煤樣質(zhì)量，g。

熱解實(shí)驗(yàn)得到的不同產(chǎn)物分布(表1)將用于后續(xù)固定床加壓氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)的模擬。

除上述的問題外，稅改之前建筑企業(yè)在計(jì)算營業(yè)稅時(shí)，所根據(jù)的主營業(yè)務(wù)是含稅收入，而稅改之后的主營業(yè)務(wù)收入為不含稅收入，增值稅被獨(dú)立出來。因此，財(cái)務(wù)指標(biāo)也會(huì)受到一定的影響。

表1 不同氣化技術(shù)煤熱解實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分布

2 煤氣化模型的建立

2.1 固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異分析

為了準(zhǔn)確模擬兩種氣化過程，首先對(duì)固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異進(jìn)行分析[6-8]。

2.1.1 固定床加壓氣化過程

原料煤從氣化爐上端入口進(jìn)入，氣化劑從氣化爐下端進(jìn)入，根據(jù)氣化爐內(nèi)部軸向溫度分布和發(fā)生反應(yīng)的類別，氣化爐自下而上可以分為燃燒區(qū)(980～1 370 ℃，主要進(jìn)行碳燃燒反應(yīng)，生成CO2)、氣化區(qū)(650～815 ℃，主要進(jìn)行氣相反應(yīng)，生成CO、H2和CH4)、熱解區(qū)與干燥區(qū)(25～650 ℃，主要進(jìn)行原料煤的水分和揮發(fā)分的脫除)，如圖2 所示。

圖2 典型固定床氣化爐分區(qū)示意圖及其軸向溫度分布

2.1.2 水煤漿加壓氣化過程

煤和水在常規(guī)的煤漿磨中被制成濃度為60%～68%的水煤漿，水煤漿和95%及以上純度的氧氣被同時(shí)送入氣化爐噴嘴，在氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，氣化爐內(nèi)溫度一般為1 000～1 200 ℃。

2.1.3 差異分析

綜上所示，固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程的差異(圖3)主要體現(xiàn)在以下兩方面:

1)氣化劑氧氣與原料煤的接觸方式不同。固定床加壓氣化過程中，原料煤從氣化爐上端入口進(jìn)入，氣化劑氧氣和水從氣化爐下端進(jìn)入，兩者處于逆流接觸狀態(tài)，因此氣化劑氧氣和水僅參與煤氣化過程的最后一步反應(yīng)，即固相殘?zhí)蓟衔锓纸獬蔀閱钨|(zhì)后的氧化反應(yīng)；在水煤漿氣化技術(shù)中，氣化劑氧氣與水煤漿一同從氣化爐上端進(jìn)入并流至爐底部，因此氧氣直接與熱解氣相產(chǎn)物發(fā)生氧化反應(yīng)。

2)煤熱解產(chǎn)物后續(xù)的反應(yīng)路徑不同。固定床加壓氣化技術(shù)煤熱解后的氣相產(chǎn)物直接作為粗煤氣排出，而水煤漿氣化技術(shù)熱解后的氣相產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步與氣化劑氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖3 固定床加壓氣化技術(shù)和水煤漿加壓氣化技術(shù)流程

2.2 固定床加壓氣化模型

根據(jù)以上分析，采用分區(qū)模擬的方法模擬固定床加壓氣化過程?；贏SPEN PLUS 軟件的固定床加壓氣化模擬流程如圖4 所示，ASPEN PLUS 中固定床加壓氣化各操作模塊功能詳見表2。

圖4 固定床加壓氣化模擬流程圖

表2 ASPEN PLUS 中固定床加壓氣化各操作模塊功能

首先，原料煤在干燥區(qū)中脫除水分，水分與氣化爐產(chǎn)物混合，而干燥后的煤粉進(jìn)入熱解區(qū)。利用ASPEN PLUS 軟件中的兩個(gè)RYield 模塊來模擬煤的熱解過程，并根據(jù)實(shí)際煤熱解實(shí)驗(yàn)來確定RYield 模塊的出口產(chǎn)物分布。產(chǎn)物中的半焦、粉煤灰和煤焦油分別為模擬過程產(chǎn)生的熱解固相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物；煤熱解生成的粗煤氣直接作為產(chǎn)品氣；殘?zhí)蓟衔锢^續(xù)分解產(chǎn)生的氣相和固相單質(zhì)分別與氣化劑發(fā)生反應(yīng)。熱解殘?zhí)蓟衔锏姆纸膺^程采用內(nèi)置計(jì)算器的RStoic 模塊來模擬。

其次，煤熱解產(chǎn)物經(jīng)分離模塊SEP2 進(jìn)行氣固分離。分離后的氣相單質(zhì)O2、N2、H2與氣化劑混合后，再與分離后的固相單質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。由于氣化爐內(nèi)氣固兩相為逆流，為了準(zhǔn)確模擬氣固兩相的流動(dòng)和反應(yīng)，采用多個(gè)RCSTR 反應(yīng)器串聯(lián)進(jìn)行模擬。氣相流動(dòng)方向?yàn)樽宰笙蛴?，殘?zhí)蓟衔锪鲃?dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?，兩股物流逆向流?dòng)，從不同方向進(jìn)入串聯(lián)的RCSTR 反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行燃燒和氣化反應(yīng)，所有RCSTR 反應(yīng)器的體積之和等于氣化爐的總體積。此外，在反應(yīng)器中加入熱物流回收粗煤氣的熱量，然后將其用于煤的干燥和熱解。反應(yīng)器的熱量損失采用內(nèi)置的Calculator 根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中:Q——反應(yīng)器的熱量損失，kW；

U——反應(yīng)器傳熱系數(shù)，kW/m2·℃；

Treactor——反應(yīng)器內(nèi)溫度，℃；

Twall——反應(yīng)器外壁溫度，取室溫，℃；

A——反應(yīng)器表面積，m2。

最后，利用Fortran 語言輸入已知的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)非平衡模擬。

2.3 水煤漿加壓氣化模型

與固定床加壓氣化技術(shù)不同，水煤漿氣化技術(shù)的水煤漿和氣化劑屬于并流，流動(dòng)方向均為自氣化爐頂部到底部。從流動(dòng)特征上來說，水煤漿氣化過程屬于受限射流反應(yīng)過程，按流動(dòng)過程可將氣化爐內(nèi)分為三個(gè)區(qū)域，即射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。

水煤漿和氧氣剛進(jìn)入氣化爐時(shí)，氧氣濃度相當(dāng)高。隨著燃燒和氣化反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣濃度逐漸降低直至為零。因此，射流區(qū)進(jìn)行的反應(yīng)可分為兩類:一類為有氧反應(yīng)，主要是煤的部分氧化反應(yīng)、燃燒反應(yīng)、熱解反應(yīng)、碳的完全燃燒反應(yīng)，這些反應(yīng)統(tǒng)稱為一次反應(yīng)；第二類為一次反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)進(jìn)行的無氧反應(yīng)，主要是一次反應(yīng)的燃燒產(chǎn)物、CH4、殘?zhí)蓟衔?、水蒸氣等在管流區(qū)內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行射流區(qū)的CO2還原反應(yīng)、非均相水煤氣反應(yīng)、甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)、逆變換反應(yīng)，這些反應(yīng)統(tǒng)稱為二次反應(yīng)。

由于射流作用，殘?zhí)蓟衔镌跓旄浇纬上鄬?duì)低壓區(qū)，造成大量的高溫氣體被卷吸回流，形成一個(gè)回流區(qū)。由于回流區(qū)的存在，氣化爐內(nèi)存在物料返混，物料的停留時(shí)間不一樣，二次反應(yīng)程度也不一樣，因此若采用簡單的熱力學(xué)平衡模擬會(huì)產(chǎn)生較大偏差。由于不同粒徑的煤顆粒在氣化爐內(nèi)的流動(dòng)情況和停留時(shí)間差異較大，而顆粒停留時(shí)間直接決定了氣化反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間和程度，因此水煤漿氣化爐是一個(gè)帶有停留時(shí)間分布函數(shù)的平推流反應(yīng)器。顆粒停留時(shí)間采用下式計(jì)算。

式中:Vg——反應(yīng)器內(nèi)氣相的體積流率，m3/h；

t——顆粒停留時(shí)間，h；

D——?dú)饣癄t直徑，m；

h——?dú)饣癄t高度，m。

圖5 水煤漿氣化模擬流程

基于ASPEN PLUS 軟件的水煤漿氣化模擬流程如圖5 所示，各分區(qū)選擇的模塊和相應(yīng)的模塊功能設(shè)置見表3。采用RPlug 模塊的平推流反應(yīng)模型模擬不同停留時(shí)間的煤氣化反應(yīng)，利用內(nèi)置計(jì)算器根據(jù)粒徑分布計(jì)算顆粒停留時(shí)間，并利用Fortran 語言輸入已知的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)非平衡模擬。

表3 ASPEN PLUS 中水煤漿加壓氣化各操作模塊功能

2.4 氣化模型的驗(yàn)證

對(duì)比固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化技術(shù)的工廠真實(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)，結(jié)果見表4，其中CH4由于含量較低相對(duì)誤差較大。由表4 可知，基于ASPEN PLUS 軟件的氣化模擬能夠很好地預(yù)測和模擬固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化的特性。

表4 固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化技術(shù)的實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比 %

3 結(jié)束語

基于煤氣化爐內(nèi)的物料流動(dòng)情況，結(jié)合熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，明確不同煤氣化技術(shù)的特點(diǎn)，然后基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立固定床加壓氣化和水煤漿加壓氣化過程模型，并將模擬結(jié)果與工廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的煤氣化技術(shù)模擬能真實(shí)反映氣化爐內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況。實(shí)踐證明，基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的煤氣化技術(shù)模擬可調(diào)節(jié)參數(shù)覆蓋范圍廣，可推廣性強(qiáng)，便于進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，也可用于指導(dǎo)氣化爐的規(guī)格設(shè)計(jì)。