二段式干煤粉气流床气化技术的模拟研究与分析

1/8二段式干煤粉气流床气化技术的模拟研究与分析徐越1,吴一宁1,危师让21西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安7100492国电热工研究院,陕西西安710032）摘要提出了将煤的热解模型、气固间非均相反应模型和气相间均相反应模型与ASPENPLUS图形建模法相结合的二段式干煤粉气流床气化工艺的模拟计算方法，并对其性能进行了模拟研究与分析。模拟研究表明，二段式干煤粉气流床气化工艺可以降低出口煤气的温度，为简化工艺过程，降低煤气冷却器的几何尺寸提供了可能。采用该气化方式可以提高气化炉的冷煤气效率26个百分点。关键词煤气化；二段式气化工艺；气化炉；干煤粉气流床1引言煤的气化技术是洁净煤燃烧技术的关键。现有已商业化的干煤粉加压气化技术几乎均采用一级气化。为使气化炉出口热煤气中的熔融态灰渣凝聚，多采用急冷的方式以实现凝渣的目的。这一过程增加了能量损失，使干煤粉气化过程的冷煤气效率有所降低。而采用增加辐射废锅2/8受热面来冷却炉内煤气的方法会引起气化炉体积增大，制造成本增加，并易引起炉膛出口结渣。为了解决这一问题，进一步提高干煤粉气化过程的冷煤气效率，提出了一种二段式干煤粉加压气化的概念1。本文在干粉加压气流床气化性能模拟模型2基础上，提出了二段式干煤粉气流床气化过程的模拟方法，并对其性能进行了模拟研究，结果表明二段式干煤粉气流床气化技术有可能较大幅度地提高气化炉的冷煤气效率。2气化炉模型概述在二段式干煤粉气流床气化炉中，一段气化区，由于在富氧环境中，反应区的温度很高，煤粉加热速度极快，可以认为煤粉中的水分瞬间蒸发；同时，由于热解速度大大高于煤粉的燃烧及气化反应速度，因此将此过程进行简化处理3,4，只考虑起主导作用的半焦与H2、O2、CO2、H2O之间的气固间非均相反应过程，以及同时发生的气相间均相反应过程。在二段气化区，由于在煤粉进入时只加入水蒸气，反应所需要的热量来自一段反应区的高温煤气，在缺氧的环境下，煤粉发生热解反应后的热解产物没有与氧发生氧化燃烧，只是作为气固间非均相反应中的气相部分与半焦发生反应。因此，在二段气化区内，起主导作用的是热解反应过程和半焦与H2、CO2、H2O3/8之间气固间非均相反应过程，以及均相变换反应和焦油裂解反应等。在二段反应区，没有完全反应的半焦进入一段反应区继续完成反应。煤热解模型在本热解模型5中，煤的挥发分物质假设是由下列9中物质组成，即CH4、C2H6、CO、CO2、焦油（TAR）、H2、H2O、NH3、H2S。模型分成3部分挥发分物质最终产率计算；挥发分物质析出的动力学模型；半焦产率组成预测。（1）挥发分物质最终产率计算9种挥发分物质最终产率由下列方程组求得式中AI,J为模型常数；为J组分的最终产物（以占干燥无灰基煤的质量比表示）；BI为向量常数。（2）挥发分物质析出的动力学模型式中为时间T时挥发物质成分析出比；系数K1013/S；E为活化能，J/KMOL；气体常数R/KMOL；T为温度，K。（3）半焦产率组成预测半焦的产量根据总质量守恒原则计算，半焦的成分根据元素平衡计算。气固间非均相反应模型4/8非均相反应速度采用未反应收缩核模型6来描述式中VRATE为非均相反应速度,CM/SKDIFF为气膜扩散反应常数，G/CM2S；KASH为灰膜扩散常数，G/CM2S；Y为未反应碳核半径与半焦半径之比；KS为碳核表面化学反应速度常数，G/CM2S；气相间均相反应模型气相间均相反应模型，基于它的工艺特点，可以看作是一个气相化学反应过程。许多研究都将其按气相间均相反应达到平衡来处理7。根据自由焓判据，可知在反应达到平衡时，自由焓二段式干煤粉气流床气化计算模型根据上述分析，针对二段式干煤粉气流床气化工艺的特点，对文2中基于ASPENPLUS平台气化炉性能模拟软件进行了改进，改进后的编程流程图如图1所示。主要的改进是在流程中增加了一个反应器GASIFIER2，并通过FORTRAN语句块F2，以及在收敛函数DS3中加入煤粉在二段反应区内的热解模型和气固间非均相反应模型。图中的每一个方块都代表相应的ASPENPLUS模块。这些模块集成了气化炉的计算模拟程序。只要在各个模块中输入相应的5/8数据，程序运行后就可以得到气化炉出口的煤气成分。应用ASPENPLUS中的模型分析工具SENSITIVITY可以对不同气化条件下气化炉的气化特性进行分析。3二段式干煤粉气流床气化性能研究气化炉采用的煤质分析和氮气输送比，氧气煤比，蒸汽煤比如表1所示。以不同的二段给煤比气化炉二段进煤量占总进煤量之比，计算气化结果，如图26所示。图2为改变二段给煤比后，煤气中的各主要成分随之变化的趋势。图中所列的煤气成分包括CO、CO2、H2、COS、CH4、H2S、H2O、N2。从图中可以看到，随着二段给煤比的增加，煤气中CO含量随之降低，CH4、H2O和CO2含量随之增加，而其它成分变化则不明显。这是由于随着二段给煤比的增加，进入气化炉的氧气相应减少，气化炉的反应温度下降，同时由于进入二段气化区的煤量增加，进一步降低了反应温度，降低了煤的碳转化率以及CCO2和CH2O的反应速度，因此表现出CO含量下降，CO2和H2O含量增加。另外由于进入二段反应区的煤增加，煤热解部分增加，增加了CH4的产量，同时由于反应温度降低，CH4分解率下降，最后使煤气中CH4的含量增加。6/8图3为改变二段给煤比后，碳转化率随之变化的趋势。从图中可以看到，随着二段给煤比增加到以上时，碳转化率下降。这是由于气化炉二段不进氧气，随着二段给煤比增加，进入气化炉的氧气量下降，不足以使碳完全转化。图4为冷煤气效率和二段给煤比的关系。从图中可以看到，当二段给煤比从0提高到时，相应的冷煤气效率从82左右提高到86左右；当二段给煤比达到时，煤的碳转化率从降到95左右，而冷煤气效率却可以保持在82以上。这说明二段式干煤粉气流床气化工艺在提高冷煤气效率方面存在潜力。图5为煤气温度随二段给煤比变化趋势，从图中可以看到，随着二段给煤比的提高，煤气温度均下降。这是由于进入气化炉的氧气量减少而造成的，从图中还可以看到，在二段给煤比为时，气化炉一段的温度从1440降到大约1320，气化炉出口温度从大约1440降到1110。图6为气化炉总氧气煤比随二段给煤比变化趋势，从图中可以看到，随二段给煤比的增加，氧气的耗量下降，7/8说明二段式干煤粉气流床气化有可能降低氧气的耗量。从上面的气化炉性能分析可以看到，二段式干煤粉气流床气化内采用和一段式气化炉相同的料比，在二段给煤比为时，冷煤气效率大约提高4个百分点，耗氧量为一段式气化炉的90。但如果要同时满足熔渣的流动性，以及出口煤气中的渣凝结，就有必要对气化炉的一段采用的氧气煤比，蒸汽煤比，气化炉二段采用的蒸汽煤比进行优化，以满足工艺要求。4优化方案研究表明，可以通过提高氧气煤比和蒸汽煤比来提高碳转化率8。对于二段式干煤粉气流床气化工艺，在二段给煤比一定的条件下，影响气化炉性能的主要因素是气化炉的一段气化区的氧气煤比与二段气化区的蒸汽煤比。这两个因素直接影响气化炉出口煤气的成分、温度、冷煤气效率、碳