趙創(chuàng)，汪大千，楊海平，王賢華，張世紅，陳漢平

（煤燃燒國家重點實驗室（華中科技大學），湖北省 武漢市 430074）

0 引言

煤氣化技術是潔凈煤技術中的龍頭和關鍵，而整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電作為國內(nèi)發(fā)展前景巨大的清潔、高效發(fā)電技術，便是以煤氣化為基礎，同時集成了燃氣輪機技術[1]。目前煤氣化氣化爐主要有固定床(移動床)氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐以及熔渣床氣化爐[2]。其中流化床氣化爐通過通入氣化劑使煤粉流化，因此其要求煤粉顆粒的粒徑不能過高，一般選取0～6 mm的粉煤作為流化床煤氣化的原料[3]。傳統(tǒng)流化床為了防止局部過熱結(jié)渣，一般將其工作溫度控制在950℃之內(nèi)以保證反應器內(nèi)溫度分布均勻[4]。采用流化床技術可以在氣化過程中加入脫硫劑，從而將氣體產(chǎn)物中的大部分H2S脫除，減輕了后續(xù)合成氣凈化工藝的負擔[5]。此外，由于煤熱解產(chǎn)生的焦油等大分子有機物在爐中劇烈的反應中大部分會被裂解，因此所得氣化氣中焦油的含量較低[6]。高溫溫克勒(high-temperature Winkler，HTW)氣化法除具有傳統(tǒng)流化床的優(yōu)點，更進一步提高操作溫度至 900～1050 ℃[7]，同時增加操作壓力并增加流化床帶出細粉循環(huán)入爐系統(tǒng)，從而提高了氣化爐的氣化強度和碳轉(zhuǎn)化率，煤氣中CH4含量亦降低[8]。

HTW 加壓流化床氣化爐在國外有一些示范基地，受限于知識產(chǎn)權(quán)的保護，目前針對 HTW加壓流化床煤氣化研究的文獻數(shù)量較少。文獻[9]研究了低階煤在 HTW加壓流化床氣化爐中的氣化過程與氣化溫度的關系，同時討論了溫度對碳轉(zhuǎn)化率及合成氣質(zhì)量的影響。文獻[10]在小型HTW 加壓流化床氣化爐上進行試驗，結(jié)果表明最終碳轉(zhuǎn)化率為70%～80%，燃氣熱值為4 MJ/kg。文獻[11]采用 Fortran 90語言通過數(shù)學迭代方式對實驗室規(guī)模的加壓流化床氣化爐進行了數(shù)值模擬，模型可以預測氣體組成、氣流速度等流體參數(shù)，還可以通過空氣含量、粒徑分布參數(shù)、煤型、反應器尺寸來優(yōu)化氣化爐。現(xiàn)有的研究大都是實驗室規(guī)模的試驗和模擬，文獻[12]對半工業(yè)規(guī)模的 HTW 進行了氣化實驗，但目前仍缺乏對大型工業(yè)加壓流化床的研究數(shù)據(jù)。而大型煤炭氣化技術的研究時間和費用耗費巨大，使得很多研究機構(gòu)望而卻步。因此通過數(shù)值模擬的方法進行模擬優(yōu)化對大型加壓流化床煤氣化技術的發(fā)展具有重要的意義。

本文基于Aspen Plus平臺，從煤在反應器中的反應過程入手，建立了基于煤在 HTW加壓氣化爐中的反應過程，同時耦合反應器的顯熱回收系統(tǒng)以及脫硫裝置的典型氣化反應器，并對煤在反應器中的反應過程進行模擬計算，為HTW加壓流化床煤氣化技術的研究和設計提供指導，取得了較好的效果。

1 HTW加壓流化床煤氣化模型的建立

HTW 加壓流化床煤氣化是一種配置了二次風的流化床氣化技術。在HTW加壓流化床煤氣化過程中，當煤和脫硫劑加入到流化床后在爐內(nèi)高溫的作用下將會發(fā)生熱解反應同時析出揮發(fā)分并生成焦炭顆粒。在 HTW所配置的二次風作用下，原料進入的區(qū)域?qū)贿€原性氣氛填充，同時煤粉熱解析出的揮發(fā)分將會上行，而固態(tài)的焦炭顆粒將留在密相區(qū)同時與一次風中含有的氧氣發(fā)生氣化反應或燃燒反應并生成CO、H2、CO2、CH4等。上行的揮發(fā)分則與氣化氣以及二次風混合，在密相區(qū)上方發(fā)生氣相反應，此外由氣體夾帶而來的部分焦炭顆粒也將在二次風區(qū)域與氣體發(fā)生部分反應。

本文基于Aspen Plus軟件對質(zhì)量、能量和化學平衡進行模擬。Aspen Plus是建立在“blocks”之上，用其代表反應單元。用Aspen Plus建立的流程如圖1所示，將HTW氣化爐分為4個部分。第1部分為煤的熱解階段，第2部分為焦炭與一次風的燃燒氣化階段，第3部分為熱解氣、燃燒氣化氣與二次風的重整階段，第四部分為脫硫階段。本文建立的加壓 HTW加壓流化床氣化爐模型配置了二次風，氣化劑分2路給入爐內(nèi)，HTW氣化爐的常見操作溫度范圍為900～1050℃，壓力約為1 MPa。

煤粉顆粒在熱解階段析出揮發(fā)分同時生成焦炭，其中揮發(fā)分的主要成分為CO、CO2、CH4、H2等小分子氣體，同時夾帶一些大分子的焦油。模擬中煤的熱解過程產(chǎn)物組成通過Merrick模型[13]來確定。主要發(fā)生的反應如下：

圖1 HTW加壓氣化爐模擬流程圖Fig. 1 The simulation flow diagram of HTW Pressure Fluidized bed Gasifier

熱解階段的產(chǎn)物在氣固分離后，氣態(tài)揮發(fā)分進入重整階段，而焦炭則進入燃燒段與一次風進行燃燒和氣化，還有一部分飛灰再循環(huán)碳也返回至燃燒段重新燃燒和氣化。由于燃燒氣化是在較高的溫度下進行的，因此在模擬中采用 RGibbs模塊來實現(xiàn)，RGibbs模塊是基于最小吉布斯自由能的嚴格反應和多項平衡。主要發(fā)生以下反應。

焦炭燃燒：

燃燒階段的產(chǎn)物將會與熱解階段的揮發(fā)分以及二次風進行氣化重整，重整產(chǎn)物進入脫硫階段。由于重整段的運行溫度也較高，因此在模擬中同樣采用RGibbs模塊(SS)來實現(xiàn)。重整段主要發(fā)生以下反應。

氣相重整：

重整后的產(chǎn)物進入脫硫階段與脫硫劑進行反應：

脫硫后的產(chǎn)物經(jīng)過氣固分離，氣體為 HTW加壓流化床氣化產(chǎn)物，灰和脫硫劑進入再循環(huán)系統(tǒng)，飛灰中含碳物質(zhì)再循環(huán)至燃燒段，脫硫劑經(jīng)過分離和再生進一步利用。

實際上，HTW 加壓流化床氣化爐內(nèi)各層間的劃分并沒有明顯的分界面，各層之間往往是相互交錯的。由于以 Boston-Mathias α函數(shù)的Redlich-Kwong-Soave狀態(tài)方程為基礎的RKS-BM物性方法在較高的溫度與壓力區(qū)間內(nèi)的計算結(jié)果能保持良好準確性，因此其在高溫、高壓工況下對氣體加工、煉油等工藝的計算中得到較為廣泛的應用。RKS-BM物性方法的使用范圍為 CO2、H2S、H2以及烴類等輕氣體混合物體系物質(zhì)熱力學性質(zhì)的計算。因此本文考慮使用RKS-BM物性方法來計算除液體摩爾體積以外的所有常規(guī)物質(zhì)的熱力學性質(zhì)[14]。在相關假定和物流的質(zhì)量平衡、能量平衡原則下可以借助 Aspen Plus中內(nèi)嵌的Fortran子程序，計算得到在核心物流中非常規(guī)組分的基本物性分析數(shù)據(jù)并輸入到模型中。本文采用神府煤作為輸入煤種，其輸入條件如表1[15]和表2[16]所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Tab. 1 Coal proximate analysis and ultimate analysis

表2 不同壓力熱解煤焦氣化動力學參數(shù)Tab. 2 Kinetic parameters of different pressure gasification of coal

2 結(jié)果分析

對于 HTW加壓氣化爐來說，影響氣化過程與運行參數(shù)最關鍵的因素是氧煤比和水蒸氣煤比，因此本文重點分析了氧煤比和水蒸氣煤比對HTW加壓氣化爐氣化效果的影響。

為了考察各種因素對 HTW反應器氣化過程及運行效果的影響，需要對相關指標進行定義并對氣化效果進行表征，具體指標定義如下。

1）氧煤比(oxygen/coal ratio)：輸入的氧氣和煤的質(zhì)量比，kg/kg；

2）水蒸氣煤比(steam/coal ratio)：輸入的水蒸氣與煤的質(zhì)量比，kg/kg；

3）散熱損失(heat loss)：散熱量占輸入煤熱量的百分比，%；

4）氣體產(chǎn)率(gas yield)：氣體產(chǎn)率是指單位質(zhì)量的原料氣化后所產(chǎn)生氣體燃料在標準狀態(tài)下的體積，m3/kg；

5）燃氣低位發(fā)熱量(low heating value)：燃氣低位發(fā)熱量是指單位體積燃氣完全燃燒生成氣態(tài)水和CO2時所放出的熱量。計算公式為：

式中：QLHV為燃氣低位熱值，MJ/m3；XH2、XCO、XCH4分別為H2、CO、CH4的體積分數(shù)，%。

6）冷煤氣效率：指氣化生成氣體的總低位熱量與輸入能量之比。

2.1 模型修正分析

由于流化床氣化爐的反應溫度較低，對甲烷的含量預測存在較大的誤差，因此本文采取了限制平衡[17-18]的方法對燃燒階段反應模塊 SS進行了修正。由表3中數(shù)據(jù)對比可以看出，修正后的模型預測結(jié)果與文獻[19]值非常相近。以下氧煤比和水蒸氣煤比對氣化爐運行性能的模擬也采用相同的修正方法。

表3 模型計算結(jié)果與文獻值的對比Tab. 3 compared with model data and literature values

2.2 氧煤比對煤氣化效果的影響

對于 HTW氣化爐，氧煤比和水蒸氣煤比是影響氣化過程的 2個重要操作參數(shù)。氧煤比對HTW運行性能的影響如圖2—5所示。從圖2可以看到，在保持水蒸氣煤比一定的情況下，氣化爐出口溫度隨著氧煤比的增加而逐漸增加，這是由于氧煤比的增加會導致反應(2)的份額增加，進而導致爐內(nèi)的溫度增加。由于 HTW氣化爐的運行溫度范圍一般在 900～1050 ℃，為提高氣化強度實際運行溫度常保持在 1050 ℃附近，因此合適的氧煤比大約為0.71。

圖 3可以看出，隨著氧煤比的增加，CO由39.82%增加至 43.87%，H2由 39.32%增加至41.29%，然后略有下降，CO2含量由16.96%下降至14.86%，CH4由3.90%下降至0.24%。這是由于隨著氧氣量的增加，反應溫度升高，水煤氣變換反應逆向進行，導致CO2的含量有所降低，相反CO的含量則有一定的升高。此外在反應溫度提高時，甲烷的水蒸氣重整反應得到增強，而由于甲烷分解產(chǎn)生了H2，導致甲烷的含量也有所降低。對于H2而言，由水煤氣變換反應和甲烷的水蒸氣重整反應對H2的濃度有直接的的影響。這2個反應隨著反應溫度的升高表現(xiàn)出相反的變化趨勢，因此導致H2的平衡濃度總體上表現(xiàn)為先增加后減小。

由圖4可以看出，隨著氧煤比的增加，氣體產(chǎn)率會先增加后降低，低位發(fā)熱量下降，這可以從式(13)看出，CH4對氣體的低位發(fā)熱量影響最大。由圖3可以看到，隨著氧煤比的增加CH4含量急劇下降，從而導致煤氣的低位發(fā)熱量降低，冷煤氣效率也明顯下降(見圖 5)。因此，在考慮HTW運行溫度的情況下，氧煤比采用0.71較為合適。而在考慮有效氣體成分H2和CO的情況下，氧煤比可以適當高一些，但這會犧牲產(chǎn)氣的低位發(fā)熱量和冷煤氣效率。

圖2 氧煤比對出口溫度的影響Fig. 2 Oxygen/coal ratio impact on outlet temperature

圖3 氧煤比對氣體組成的影響Fig. 3 Oxygen/coal ratio impact on concentration

圖4 氧煤比對氣體產(chǎn)率和熱值的影響Fig. 4 Oxygen/coal ratio impact on gas yield and LHV

圖5 氧煤比對冷煤氣效率的影響Fig. 5 Oxygen/coal ratio impact on cold gas efficiency

2.3 水蒸氣煤比對煤氣化效果的影響

水蒸氣煤比對HTW氣化爐的影響如圖6—8所示。圖6顯示，隨著水蒸氣煤比的增加CO含量逐漸下降，而H2和CO含量略有增加，CH4含量基本保持不變。這是由于水煤氣變換反應會隨著水蒸氣煤比的增加，也即是水蒸氣相對含量的增加而增強。而CO的含量會隨著水煤氣變換反應的增強而降低，相反 H2和 CO2的含量則會有一定的增加。系統(tǒng)溫度雖然會隨著水蒸氣煤比的增加有一定的降低，但總體降低幅度較小，因此水蒸氣煤比對CH4平衡濃度的影響較小，CH4的生成量基本保持不變。

然而，氣體熱值會隨著水蒸氣煤比的增加而下降，氣體產(chǎn)率則有所上升，這是由于CO含量的會有所降低，而CO是氣體組分中熱值相對較高的氣體，因此導致氣體熱值最終降低，而水煤氣變換反應的增強將會導致氣體產(chǎn)率有所增加(圖 7)，但冷煤氣效率逐漸降低(圖 8)。從變化幅度上可以看出，相對于氧煤比，水蒸氣煤比的變化對 HTW氣化爐運行性能的影響較小。因此，選擇較低的水蒸氣煤比，會使冷煤氣效率相對較高，同時，有效氣體成分的變化也不大，而且還可以減少水蒸氣的消耗量，減少水蒸氣氣化的能耗。

圖6 水蒸氣煤比對氣體成分的影響Fig. 6 Steam/coal ratio impact on concentration

圖7 水蒸氣煤比對氣體產(chǎn)率和熱值的影響Fig. 7 Steam/coal ratio impact on gas yield and LHV

圖8 水蒸氣煤比對冷煤氣效率的影響Fig. 8 Steam/coal ratio impact on cold gas efficiency

3 結(jié)論

1）模擬結(jié)果顯示，對于HTW加壓流化床氣化爐，隨著氧煤比的增加，CO含量增加，H2含量先增加然后略有下降，CO2和CH4含量下降，氣體熱值和冷煤氣效率下降。而結(jié)果表明水蒸氣煤比對HTW氣化爐運行性能的影響較小。

2）由于HTW氣化爐的運行溫度范圍一般在900～1050℃，為提高氣化強度實際運行溫度常保持在 1050℃附近，因此合適的氧煤比大約為0.71。水蒸氣煤比的變化雖然對 HTW 氣化爐運行性能的影響較小，但是水蒸氣含量太高會使發(fā)熱量和冷煤氣效率下降，因此水蒸氣煤比相對應該低一些。