胡慶橋

(貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，是世界上第一生產(chǎn)大國(guó)[1]，隨著科技的發(fā)展，我國(guó)煤化工行業(yè)逐漸由傳統(tǒng)煤化工向清潔、低耗、高效的新型煤化工行業(yè)發(fā)展，近年來(lái)隨著清潔煤化工、新型煤化工等概念的提出[2]，傳統(tǒng)的煤化工行業(yè)將面臨全新的改變，其中煤氣化技術(shù)作為煤化工的最前端其將直接影響后續(xù)的生產(chǎn)，傳統(tǒng)的煤氣化技術(shù)可以分為固定床煤氣化技術(shù)、流化床煤氣化技術(shù)、水煤漿氣化技術(shù)和干粉煤氣化技術(shù)[3]。其中粉煤氣化技術(shù)由于其適應(yīng)性廣、煤利用率高、氧耗低、水耗少等優(yōu)點(diǎn)在煤化工行業(yè)中越來(lái)越受到重視[4]。

1 干粉煤氣化操作條件的確定

為探究不同操作條件對(duì)粉煤氣化工藝的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[5]選用貴州桐梓煤進(jìn)行氣化研究，其組成如下：

表1 貴州桐梓煤煤質(zhì)工業(yè)分析與元素分析[5]

由于干粉煤氣化涉及粉煤輸送，若粉煤中含水量過(guò)高會(huì)造成影響粉煤運(yùn)輸，貴州桐梓煤含水量過(guò)高，需對(duì)原料煤進(jìn)行干燥預(yù)處理，使之干燥到含水量在2%以下，以滿足輸送需求。

在使用Aspen對(duì)粉煤氣化計(jì)算過(guò)程中，煤作為非常規(guī)組分，不能直接參與反應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]，需先對(duì)煤進(jìn)行裂解，根據(jù)其元素分析結(jié)果將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)單質(zhì)，而后進(jìn)行氣化反應(yīng)。其中粉煤干燥器、裂解器均采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)模塊，氣化反應(yīng)器采用吉布斯自由能反應(yīng)模塊，灰渣分離器采用分離模塊[6]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，煤氣化過(guò)程中的系統(tǒng)存在一定的熱損耗，其值一般為進(jìn)料煤熱值的2%，在模擬中需進(jìn)行考慮。煤氣化過(guò)程中的熱損耗、煤的干燥、裂解等過(guò)程均由Aspen內(nèi)嵌Fortran模塊實(shí)現(xiàn)。粉煤氣化過(guò)程是一個(gè)高溫高壓的反應(yīng)過(guò)程，可以選用RK-Save、PB-RM[6]等物性方法都能夠較好的描述氣化過(guò)程，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本模型選用RK-Save為計(jì)算物性方法。粉煤氣化流程模擬流程見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤氣化模擬流程

來(lái)自料倉(cāng)的粉煤在干燥器內(nèi)被干燥至含水率2%后進(jìn)入氣化爐，氣化爐由裂解反應(yīng)器、氣化反應(yīng)器及灰渣分離器組成。在裂解爐內(nèi)99%的煤裂解為對(duì)應(yīng)的元素，而后在氣化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)。為簡(jiǎn)化模型，在計(jì)算中將氣化劑及載氣直接通入氣化反應(yīng)器，氣化最終產(chǎn)物在灰渣分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣、渣分離，未反應(yīng)的煤及灰渣自底部排出，合成氣自頂部排出。

2 結(jié)果與討論

2.1 載氣量及載氣類型對(duì)貴州桐梓粉煤氣化過(guò)程的影響

為探索不同載氣量及載氣類型對(duì)貴州桐梓粉煤氣化過(guò)程的影響，以60t/h干煤為基準(zhǔn)，在煤/氣化劑(95%氧，5%氮)質(zhì)量比為1.95的條件下分別考察了載氣類型及煤/載氣比對(duì)煤氣過(guò)程的影響。

圖2 煤/載氣比對(duì)氣化溫度的影響

由圖2可知，在相同煤/氧化劑質(zhì)量比的條件下，隨著煤/載氣質(zhì)量比的增加，氣化溫度逐漸增加，在相同的煤/載氣質(zhì)量比的條件下，氮載氣的氣化溫度遠(yuǎn)高于CO2載氣的氣化溫度。這是由于在粉煤氣化過(guò)程中，反應(yīng)是以氧主導(dǎo)的系列氣化反應(yīng)過(guò)程，氮?dú)庠谡麄€(gè)氣化過(guò)程中為惰性組分，而二氧化碳?xì)怏w則可與煤中的碳進(jìn)一步反應(yīng)生成一氧化碳，該反應(yīng)過(guò)程為典型的吸熱過(guò)程，故當(dāng)在恒定煤/氣化劑質(zhì)量比的條件下，以二氧化碳為載氣的煤氣化溫度低于氮?dú)?，且載氣量越小，溫差越小。

圖3 煤/載氣比對(duì)有效氣體物質(zhì)的量比的影響

由圖3可知，當(dāng)?shù)獮檩d氣時(shí)，合成氣中有效氣體組分(CO/H2)物質(zhì)的量比較穩(wěn)定，基本不隨煤/載氣質(zhì)量比變化而變化，而當(dāng)以二氧化碳為載氣時(shí)，合成氣中有效氣體組成物質(zhì)的量比隨著煤/載氣質(zhì)量的增加而迅速降低。當(dāng)煤/載氣比大于8.5以后，隨著煤/載氣比的進(jìn)一步增加，合成氣中有效氣體組分(CO/H2)物質(zhì)的量比變化趨緩。

圖4 煤/載氣(CO2)比對(duì)有效氣體流量及含量的影響

圖4為以CO2為載氣情況下煤/載氣比對(duì)和合成氣中有效氣體流量及含量的影響，由圖4可知，當(dāng)CO2為載氣時(shí)，隨著煤/載氣質(zhì)量比由6.0增加至10.0時(shí)，合成氣中有效氣體體積分?jǐn)?shù)由0.945增加至0.955，而有效氣體物質(zhì)的量流量則由4340kmol/h降低至了4263kmol/h。

圖5 煤/載氣(N2)比對(duì)有效氣體流量及含量的影響

圖5為以N2為載氣情況下煤/載氣比對(duì)和合成氣中有效氣體流量及含量的影響，由圖5可知，當(dāng)N2為載氣時(shí)，隨著煤/載氣質(zhì)量比由6.0增加至10.0時(shí)，合成氣中有效氣體體積分?jǐn)?shù)由0.860增加至0.889，但合成氣中有效氣體物質(zhì)的量流量變化極小，僅增加2kmol。

2.2 氣化劑量對(duì)貴州桐梓粉煤氣化過(guò)程的影響

為探索氣化劑用量對(duì)貴州桐梓粉煤氣化過(guò)程的影響，以60t/h干煤為基準(zhǔn)，在煤/載氣質(zhì)量比為7.69、載氣分別為N2、CO2條件下研究不同氣化劑流量對(duì)煤氣過(guò)程的影響。

圖6 煤/氣化劑比對(duì)氣化溫度的影響

由圖6可知，當(dāng)煤/氣化劑質(zhì)量比為1.4～1.75時(shí)，隨著氣化劑的減少，煤氣化溫度迅速減低，在此階段，載氣類型對(duì)氣化溫度影響較小，隨著氣化劑的進(jìn)一步減小，氣化溫度變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩，但氣化劑類型對(duì)氣化溫度影響顯著增大，在相同條件下氣化溫差由30℃迅速擴(kuò)大至249℃，且成持續(xù)過(guò)大趨勢(shì)。

圖7 煤/氣化劑比對(duì)有效氣體物質(zhì)的量比的影響

由圖7可知，隨著氣化劑流量的減少，合成氣中有效氣體(CO/H2)物質(zhì)的量比呈現(xiàn)先減少后增加大趨勢(shì)，當(dāng)煤/氣化劑質(zhì)量比為小于1.9時(shí)，以二氧化碳為氣化劑所獲得的合成氣中有效氣體(CO/H2)物質(zhì)的量比大于以氮為載氣的氣化過(guò)程，隨著氣化劑的減少，以氮為載氣的氣化合成氣中有效氣體(CO/H2)物質(zhì)的量比迅速增加。

圖8 煤/氣化劑比對(duì)有效氣體物質(zhì)的量比的影響(CO2為載氣)

圖8為以CO2為載氣情況下煤/氣化劑比對(duì)和合成氣中有效氣體體積分?jǐn)?shù)及物質(zhì)的量流量的影響圖，由圖8可知，隨著氣化劑的減少，合成其中的有效氣體體積分?jǐn)?shù)及物質(zhì)的量流量均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，其中當(dāng)煤/氣化劑質(zhì)量比為1.83時(shí)，合成氣中有效氣體流量達(dá)到最大4405kmol/h，此時(shí)合成氣有效體積分?jǐn)?shù)為0.95。

圖9為以N2為載氣情況下煤/氣化劑比對(duì)和合成氣中有效氣體體積分?jǐn)?shù)及物質(zhì)的量流量的影響圖，由圖9可知，隨著氣化劑的減少，合成其中的有效氣體體積分?jǐn)?shù)及物質(zhì)的量流量也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，其中當(dāng)煤/氣化劑質(zhì)量比為1.75時(shí)，合成氣中有效氣體流量達(dá)到最大4324kmol/h，此時(shí)合成氣有效體積分?jǐn)?shù)為0.91。

圖9 煤/氣化劑比對(duì)有效氣體物質(zhì)的量比的影響(N2為載氣)

圖10 煤/氣化劑比對(duì)合成氣中甲烷的影響

由圖10可知，隨著氣化劑的減少，合成氣中甲烷流量隨著氣化劑的減少而增大，當(dāng)煤/氣化劑質(zhì)量比小于1.7時(shí)，合成氣中的甲烷含量均低于3kmol/h，而隨著氣化劑的進(jìn)一步減少，合成氣的甲烷含量迅速增加，在相同質(zhì)量氣化劑的條件下，以氮為載氣的氣化過(guò)程生成的甲烷量遠(yuǎn)大于與二氧化碳為載氣的氣化過(guò)程。

3 結(jié)論

載氣類型在一定程度上影響了粉煤氣化性能，當(dāng)載氣為氮?dú)忸惗栊詺怏w時(shí)，載氣量對(duì)煤氣化性能的影響較小，若載氣為CO2等可發(fā)生反應(yīng)的介質(zhì)時(shí)，載氣量對(duì)煤氣化性能的影響較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品需求合理選擇載氣的類型及流量。氣化劑用量直接影響煤氣化性能，隨著氣化劑的減少，粉煤氣化溫度迅速降低，而后變化趨勢(shì)趨于平緩，而合成氣有效氣體(CO/H2)體積比量隨著氣化劑的減少呈現(xiàn)先降低后增加的狀態(tài)，在煤/氣化劑質(zhì)量比為1.75～1.9之間存在最小值，而合成氣有效氣體(CO/H2)摩爾分?jǐn)?shù)及有效氣體體積流量隨著煤/氣化質(zhì)量比的增大呈現(xiàn)先增加后減小的狀況，而合成中甲烷的量則隨著煤/氣化劑質(zhì)量比的增加逐漸增加，當(dāng)煤/氧比大于1.75時(shí)，甲烷的生成量迅速增加。故在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整氣化劑對(duì)合成氣的組成、物質(zhì)的量比進(jìn)行調(diào)整，以滿足后續(xù)工序生成需求。