水煤浆水冷壁废锅气化过程的模拟研究

2021-03-17张建胜毕大鹏张晋玲

煤化工 2021年1期

袁苹，张建胜,2，毕大鹏，马洁，张晋玲

（1.清华大学山西清洁能源研究院，山西太原 030032；2.清华大学，北京 100084）

以水煤浆为进料的气流床气化技术具有气化压力高、生产能力强、气化稳定性强、产物清洁等特点，是主流煤气化技术之一。水煤浆进料的气流床气化技术按照气化室结构分为热壁炉（耐火砖）和冷壁炉（水冷壁），按照热量回收方式分为激冷、废锅和半废锅激冷3 种流程[1]。其中水煤浆水冷壁废锅气化技术是近年来被广泛应用的煤气化技术，具有气化压力高、煤种适应性强、副产蒸汽、整体热效率高等优点。

Aspen Plus 是功能较为强大的化工过程模拟软件，本文以Aspen Plus 为工具，对水煤浆水冷壁废锅气化过程进行模拟，并将模拟结果与工业运行数据对比，验证了模型的准确性。在此基础上，分析了气化压力、水煤浆浓度对气化温度、有效气产量、合成气组成、氧煤比、比氧耗和比煤耗的影响。

1 模型搭建及验证

1.1 气化流程

气化原料（水煤浆）和氧化剂（纯氧）通过组合式工艺烧嘴进入气化室，在气化炉内，煤粉颗粒、氧气、水等在高温、高压条件下发生复杂的氧化还原反应，生成以CO、H2、CO2为主的高温粗合成气。气化室衬里采用垂直悬挂自然循环膜式水冷壁，利用凝渣保护的原理，气化温度可以提高至1 700 ℃。在气化室生成的高温粗合成气与熔融的灰渣一起进入辐射废锅，回收高温合成气的热量，并产生蒸汽。换热后的粗合成气进入气化炉下部激冷室，经过激冷后进入洗涤塔洗涤，并送至后续工段。

1.2 组分规定及热力学方法的选择

煤气化一般是在高温、高压下进行的，定义其常规组分为：H2O、N2、O2、CO、H2、H2S、CO2、C、CH4等，定义其非常规固体组分：COAL 为煤、ASH 为灰分[2]。煤气化工艺模拟多使用RKS 或RKS-BM、PR-BM 方程，这两种方程多用于烃加工、燃烧、石化等工艺过程计算，适用体系为非极性或弱极性的组分混合物，本文选择RKS-BM 物性方法。

1.3 气化模型的建立

将整个气化过程主要划分为3 个单元：裂解、气化和热量回收。

（1）裂解单元

选用RYield 模块模拟裂解单元，命名为DECOMP。DECOMP 单元是一个仅计算收率的简单反应器，其主要功能是将煤分解转化成各个元素的分子，并将裂解产生的热量Q 传递给气化单元。通过Aspen Plus 中的Calculator 计算模块，使用Fortran 语言计算分解产物收率。

（2）气化单元

选择Aspen Plus 中的RGibbs 反应模块模拟气化单元，命名为GASIFIER，该反应器根据Gibbs 自由能最小原则，在不需要提供化学反应计量系数的条件下，可以计算常规固体相和流体相之间的化学平衡，非常规固体相如煤渣和残炭则由于惰性不影响反应平衡。

（3）热量回收单元

将气化室的水冷壁和辐射废锅视为换热器，选择模块为HeatX，分别命名为E1301 和E1302。HeatX 为两股物流换热器，可以模拟高温粗合成气和冷却水的换热。Flash 模块可以模拟给定热力学条件下的气-液平衡，因此采用Flash 模块模拟汽包，命名为DRUM1和DRUM2。

根据上述主要单元模型，建立了水煤浆水冷壁废锅气化工艺模拟流程，如图1 所示，图1 中主要物流符号说明如表1 所示。模拟所用原料煤（神木煤）的元素分析、工业分析和灰熔融性温度如表2 所示。

图1 水煤浆水冷壁废锅气化工艺模拟流程图

表1 主要物流符号说明

表2 神木煤的基础性质分析结果

1.4 模型的验证

（1）平衡公式的验证

采用 A.P.WATKINSON 等[3]提出的模型[见公式（1）]对反应结果进行验证：

式中：YH2、YCO2、YCO、YH2O分别代表粗合成气中 H2、CO2、CO、H2O 的体积分数，分别为 24.50%、12.16%、36.74%、25.96%；T 代表合成气的出口温度，为1 623 K。

将各参数代入到公式（1）中得到：

二者误差为2.37%，证明模型中的反应已经接近平衡。

（2）与工业运行数据的对比

将采用Aspen Plus 模拟的数据与工业运行数据[4]对比，结果见表3。从表3 可以看出，模拟的数据与工业运行数据吻合较好，证明模型搭建合理。

表3 模拟结果与工业运行数据对比

2 操作参数对气化过程的影响

2.1 气化压力的影响

采用搭建的Aspen Plus 模拟流程，在保持煤浆浓度、氧煤比不变的条件下，调节气化压力从1 MPa（G）变化到8 MPa（G），探讨压力对气化过程的影响，结果如图2 所示。

图2 压力对气化过程的影响

从图2 可以看出，在所取的压力区间内，气化压力对气化温度、有效气产量、合成气组成、比氧耗和比煤耗基本没有影响。目前煤气化生产中普遍采用加压操作，主要原因有：加压气化可以使单位时间内生产的合成气增加，产能增加[5]；有利于提高水煤浆的雾化质量；可减小设备体积，单炉产气量增大，便于实现大型化；可以降低压缩功耗。

2.2 水煤浆浓度的影响

水煤浆成浆性的影响因素有煤质组成、颗粒粒径、添加剂组成等[6-7]。在保持用煤量、气化压力、氧气量不变的条件下，调节煤浆质量分数从50%到70%变化，探讨煤浆浓度变化对气化过程的影响，结果如图3 所示。从图3 可以看出，随着煤浆浓度的增加，气化温度逐渐增加，合成气中有效气（CO+H2）与CO 含量增加、H2含量基本不变、CO2和H2O 含量略微下降，而有效气产量、比氧耗和比煤耗基本保持不变。

图3 水煤浆浓度对气化过程的影响

在气化炉内发生的非均相反应见式（2）～（4）：

当用煤量、氧气流量保持不变时，随着煤浆浓度增加，用水量减少，碳的燃烧反应剧烈，使气化炉温度升高。而反应（2）、（3）、（4）均为吸热反应，温度升高，反应加剧，CO、H2、CO2含量增加；但由于 H2O 量减少，导致反应（2）、（3）平衡左移，使 H2、CO2、CO 含量降低。因此，综合来看，H2含量基本保持不变、CO 含量增加、CO2含量降低。

在保持氧气流量不变的情况下，提高水煤浆浓度会导致气化炉飞温。而在实际气化运行中，一般控制气化温度比煤灰流动温度高50 ℃～100 ℃，因此在保持气化温度为1 365 ℃及其他气化条件不变情况下，模拟探讨了提高水煤浆浓度对气化过程的影响，结果如图4 所示。

图4 气化温度为1 365 ℃时水煤浆浓度对气化过程的影响

从图4 可以看出，随着煤浆浓度增大，氧煤比逐渐降低，有效气产量和合成气中CO、H2含量增加，CO2和H2O 含量降低，比氧耗和比煤耗逐渐降低。这主要是由于随着煤浆浓度增大，煤浆中水分减少，水在气化过程中经历升温、相变及过热等过程所需要的碳燃烧所放出的燃烧热也将减少。碳的燃烧反应包括式（5）～（7）：

其中反应（7）放出的热量最多[8]，因此在煤浆浓度低时，为维持气化反应温度，氧气消耗将增多[9]，反应（6）进行剧烈，合成气中CO2含量多，导致有效气中碳利用率低，氧耗和煤耗较高。随着煤浆浓度增大，水量减少，水变化过程吸收的热量减少，过多的热量可以被反应（2）、（3）和（4）吸收，从而使合成气中 CO、H2含量增加，有效气产量增多，比氧耗和比煤耗降低[10]。因此，在实际操作中，在保证气化炉不超温时，应尽可能地提高煤浆浓度，从而提高煤的利用率，并降低系统能耗。