Aspen plus在煤气化过程模拟中的应用

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(中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

我国能源资源现状为富煤、贫油、少气，煤炭将长期在我国能源消费中占主导地位。燃烧效率低与排污量大是我国煤炭利用所面临的两个主要问题，而煤气化是实现煤高效和清洁利用有效的途径。利用Aspen Plus流程模拟软件对煤气化过程进行模拟以建立气化模型，确定大致的最佳操作参数范围以及研究影响煤气化的主要指标是模拟和优化煤气化生产过程的一种有效方法。

1 煤气化模型的建立

1.1 煤气化模拟的前提条件

实际煤气化过程中有多种反应同时发生，多种相态同时存在，情况复杂，并且其中存在许多不可控与未知因素。因此，为了能研究煤气化的一般规律和影响因素，在模拟流程建立之前一般需要先做如下假设[1]：

(1)气化模型处于稳定状态；

(2)气流床粉煤与气化剂瞬间均匀混合；

(3)模型包含气化炉发生的所有过程：干燥、干馏、氧化和还原等；

(4)气相反应速度时间可忽略不计，瞬间平衡；

(5)惰性组分不参与任何反应；

(6)以平推流为气固两相的流动模型。

需要指出的是模拟不同类型的气化炉所做的假设有所不同。

1.2 煤的定义方法

煤是多种有机物和无机物的混合物，组成极其复杂，无法直接定义其组分，一般需要以所模拟气化的实际原料煤进行工业分析、元素分析、硫形态分析为基础将煤的组分定义为常规组分(在Aspen Plus中能查到的有确定分子式的物质)和非常规组分(灰渣，飞灰，煤等混合固体)。定义非常规组分时固体性质模型中的焓模型一般采用HCOALGEN模型，密度模型一般选用DCOALIGT。

1.3 模型建立

煤气化模拟模型不是单一的单元操作模拟，而是利用Aspen Plus 中的各单元操作模型模拟气化炉中气化经历的各个过程的组合。一般所采用的模块有RYield、Sep、RStoic、Mixer、RGibbs和Splitters等。将煤的气化过程[2]假定为两个独立过程：裂解过程和气化过程。主要以RYield(收率反应器)将煤分解成C、H2、N2、O2、Cl、S 和灰渣，建立煤气化的裂解过程。RGibbs反应器是以Gibbs自由能最小原理的反应器模型用来模拟气化炉中发生的各个反应，RStoic也可用来模拟煤的裂解过程，采用以反应热力学为基础平衡模型，具有一定的通用性。

2 煤气化模拟的应用及发展

崔杰等[3]运用Gibbs自由能最小原理利用Aspen plus建立煤的气化模拟流程(图1)，其中主要包括收率反应器、Gibbs最小自由能反应器(气化炉)、分离罐以及混合器(用于模拟激冷和排渣流程)等几个模块，利用 Hcoalgen 模型来计算煤的焓，利用Dcoaligt模型进行计算煤的真实干基密度。模拟结果与实际工业数据误差不大于3%，并且借此模型研究了氧煤比对合成气的影响，模拟结果如表1所示。

表1 氧煤比对出口合成气的影响[3]

图1 Aspen Plus 模拟煤气化流程示意图[3]

从表1中可知随氧煤比的升高，出口合成气中的CO2和H2O (g)含量升高，而CO、H2和H2S的含量逐渐下降。

表2 水煤浆浓度影响[4]

刘斌[4]等将煤气化过程分为热解反应和燃烧反应两个过程。分别采用Ryield模块和Gibbs模块模拟热解反应和燃烧反应，物性方法选择适用于非极性或弱极性体系的RS-SOAVE建立了模拟煤气化过程。在Ryield模拟裂解过程中，利用Fortran语言编写计算过程，对已经实际应用的煤种进行了研究，计算结果与实际数据相对吻合，误差在允许范围内。并且在此基础上保持原数据不动调整进料水煤浆的浓度，对其浓度从56%到60%进行了模拟，模拟结果如表2所示。

从表中可以看出，随着水煤比的下降，出口气中的有效组分增加而H2和CO2的浓度降低。这是由于进水量的减少，水煤气反应变弱，CO变换反应向左移动所造成。因此，水量的大小是可以起到调节H2产量的作用。

图2 固定床气化炉的模型[5]

原满[5]等利用Ryield模块模拟煤的热解过程，考虑碳的不完全转化，过程所需的热量全由燃烧过程提供。利用RFLUG(平推流反应器)模块模拟逆流式固定床汽化炉的气化区的反应，利用Gibbs模块模拟气化炉的燃烧反应。以此三个主要模块建立了固定床气化炉的模型，流程图如图2所示。

该模型模拟结果与实际值较好符合。他们还通过此模型研究了汽煤比和空气预热温度对固定床气化炉的影响。结果表明，在气化剂温度固定的情况下，空煤比在1.5，汽煤比为0.5时有效产气产率最高。空气预热温度是固定床气化的重要指标，可以影响炉子温度，但又受灰熔点的限制。

陈世豪等[6]利用Aspen plus模拟了匹兹堡 8 #烟煤的固定床煤气化过程，用带Fortran 气化动力学子程序的串联全混流反应器取代 Gibbs 反应器，其模拟结果与实验结果吻合度高，这种模型有较好的预测性。

上述的几种模型中的裂解模型并不能真实反映实际裂解过程。由于提前假定煤分解成为单元素分子(C、S、H2、N2、O2和Cl2等)，飞灰和灰渣组分的物流，规定了裂解产物的分布，利用Fortran语句编写计算器，设定碳转化率和其他组份的收率，且将过程发生的热传递给下一个反应单元。以此来模拟裂解过程，会产生物料平衡不严格的状况，但是对于不同煤的适应性强。

Fletcher教授等开发的化学渗滤脱挥发分(CPD)模型可以较为真实的模拟煤的裂解过程。林立[7]利用这种模型模拟煤的热解过程，而煤的燃烧气化过程仍采用Gibbs自由能最小原理，物性方法选用适合高温、高压范围的RK-SOAVE方程，建立了Shell气流床气化炉模型。在CPD模型模拟计算中，他利用煤的特性数据和CPD模型数学关联式计算出煤的模型参数，研究了气化压力、氧煤比和汽煤比对煤气化的影响，其结果与文献值较为符合。

3 结论

利用Aspen plus中Ryield模块建立的煤裂解模型和基于吉布斯自由能最小原理Gibbs平衡模型建立的气化模型已经广泛应用于煤气化过程模拟和优化。根据具体情况基于煤气化反应动力学模型并结合各类型气化炉的特点建立了各种模型并得到了验证，模拟结果与实际结果值较为接近。Aspen Plus所建立的气化模型可以合理的预测气化出口组分，并且改变模型参数亦可较为方便安全的研究影响煤气化主要指标和因素及影响规律。模拟结果可为气化炉提供合理的操作参数，有利于确定最佳操条件时减少大量的中间试验。

目前已开发的气化模型基于诸多假设条件，忽略了温度分布、微量元素、反应时间，粒径分布、碳沉降和气化炉内物料相互运动等因素，并且在计算过程中采用“黑箱” 方式，忽略了气化过程的三传一反及动力学行为，而真实情况下裂解过程和气化过程同时发生互相影响。未来利用Aspen plus对煤气化进行模拟应逐步考虑解决这些问题，使之更加接近实际的气化过程。