韋華璋， 李泰山， 毛 煒

(1. 貴州航天邁未科技有限公司， 貴陽 550300；2. 內(nèi)蒙古伊泰化工有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017400)

煤氣化是以煤、半焦或焦炭為原料，以空氣、富氧(純氧)、水蒸氣、二氧化碳(CO2)或氫氣(H2)為氣化介質(zhì)，使煤經(jīng)過部分氧化和還原反應(yīng)，將其中所含的碳、氫等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為以一氧化碳(CO)、H2、甲烷等可燃組分為主的氣體產(chǎn)物的多相反應(yīng)過程[1]。現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的氣化溫度一般為1 200～1 600 ℃，氣化壓力為4.0～8.7 MPa，反應(yīng)后的粗合成氣與熔融態(tài)的灰渣一起落入氣化爐下部的激冷室中，溫度降至200～250 ℃，因此出氣化界區(qū)的粗合成氣中含有大量的水蒸氣。為核算粗合成氣中有效氣(CO+H2)的產(chǎn)量，需要計算粗合成氣的水氣比。

水氣比是粗合成氣中水蒸氣的物質(zhì)的量與其他氣體的物質(zhì)的量之比，其作為煤氣化工藝的一個重要指標，是計算煤氣化裝置比氧耗和比煤耗等性能參數(shù)[2]的基礎(chǔ)，對評判氣化技術(shù)的氣化效率、綜合能耗及運行經(jīng)濟性等具有直接影響。

1 水氣分壓法

目前，行業(yè)內(nèi)對水氣比的計算多采用水氣分壓法，該方法是通過水蒸氣表查出某一溫度和壓力下的飽和蒸汽壓力，然后用水的飽和蒸汽壓力除以干氣部分的氣體分壓[3]，具體計算公式為：

(1)

式中:WGR為水氣比；psv為粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力，MPa；p0為粗合成氣的壓力，MPa。

水氣分壓法具有公式簡單、參數(shù)少、便于計算等優(yōu)點。該計算方法的缺點是沒有考慮高溫、高壓下粗合成氣中水(H2O)分子的非理想特性，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際水氣比存在一定差距。

氣化反應(yīng)生成的粗合成氣中，含有CO、H2、H2O、CO2、氮氣(N2)等組分，特別是H2O為極性分子，需要考慮強極性物質(zhì)的分子締合。根據(jù)維里方程式[4]:

(2)

式中：Z為壓縮因子；p為壓力；Vm為摩爾體積；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度；B、C為第二、第三維里系數(shù)。維里方程是物性和溫度的函數(shù)，方程式右邊為無窮級數(shù)。

理想氣體的壓縮因子為1，真實氣體的壓縮因子的表達式為1加上若干項，若干項為表征分子間作用力的若干表達式。H2O分子偶極矩大，在高溫、高壓下，壓縮因子小于1[5]，而水氣分壓法將H2O分子看成理想氣體，沒有考慮壓縮因子的變化，壓縮因子仍然取1，所以水氣分壓法計算的水蒸氣含量偏低。

當(dāng)前，一般采用水氣分壓法進行水氣比的計算，計算出的粗合成氣水氣比偏低，有效氣含量偏高，導(dǎo)致出現(xiàn)氣化界區(qū)計量的粗合成氣流量大于下游凈化界區(qū)計量的合成氣流量等現(xiàn)象。因此，為有助于各煤氣化項目中計算出準確的氧耗和煤耗，筆者提出一種水氣比的參數(shù)修正計算公式，可為煤氣化裝置計算粗合成氣水氣比提供參考。

2 水氣比計算的參數(shù)修正法

水氣比計算的參數(shù)修正法考慮氣體在高溫、高壓下的非理想特性，對溫度與壓力進行一系列的修正，提高了極性分子、締合物質(zhì)的p-V-T計算精度。計算公式為：

(3)

(4)

p1=eTτ

K0=-7.691 23(1-T1)-26.080 2(1-T1)2-168.17(1-T1)3+64.232 85(1-T1)4-118.964(1-T1)5

式中：T0為粗合成氣的溫度，℃；T1為粗合成氣中水的對比溫度，℃;p1為粗合成氣中水的對比壓力,MPa,Tτ為粗合成氣混合物中水的虛擬對比溫度，K0為狀態(tài)方程中相互作用參數(shù);N1、N2、N3、N4、N5、N6為狀態(tài)方程[6]的壓力修正參數(shù)。

N1、N2、N3、N4、N5、N6的計算公式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

X0=e0.763 333(1-T1)

式中:X0為水的基團摩爾分數(shù)；Bl為粗合成氣系統(tǒng)中水的總物質(zhì)的量。

3 參數(shù)修正法與水氣分壓法的對比

主流氣流床煤氣化技術(shù)的操作壓力一般為4.0 MPa和6.5 MPa，氣化裝置內(nèi)一般有0.2 MPa的壓降，所以氣化界區(qū)出口處的粗合成氣壓力分別為3.8 MPa和6.3 MPa。分別用水氣分壓法和參數(shù)修正法計算這兩個壓力條件下不同溫度粗合成氣的水氣比，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 3.8 MPa下兩種方法計算水氣比隨溫度的變化趨勢

圖2 6.3 MPa下兩種方法計算水氣比隨溫度的變化趨勢

由圖1、圖2可以看出：在相同壓力條件下，粗合成氣的水氣比隨氣體溫度的升高呈指數(shù)型增長，水蒸氣在粗合成氣中的占比也越來越大。水氣分壓法計算出的水氣比小于參數(shù)修正法計算出的水氣比，且隨著溫度的升高兩種方法計算結(jié)果的偏差逐漸增大，這主要是由于高溫下水蒸氣的非理想特性增強所致。

為了定量分析水氣分壓法與參數(shù)修正法的計算偏差，將兩種計算方法的計算結(jié)果和差值作表，結(jié)果見表1、表2。

表1 3.8 MPa下兩種方法的水氣比計算值及偏差

表2 6.3 MPa下兩種方法的水氣比計算值及偏差

由表1可以看出：當(dāng)粗合成氣的壓力為3.8 MPa，粗合成氣的溫度為170 ℃時，兩種方法計算出的水氣比相對偏差為9.95%，有效氣產(chǎn)氣量相對偏差為1.98%；當(dāng)粗合成氣溫度達到220 ℃時，兩種方法計算出的水氣比相對偏差為21.68%，有效氣產(chǎn)氣量相對偏差達到11.43%。

由表2可以看出：當(dāng)粗合成氣壓力為6.3 MPa，粗合成氣溫度為180 ℃時，兩種方法計算出的水氣比相對偏差為9.63%，有效氣產(chǎn)氣量偏差為1.48%；當(dāng)粗合成氣溫度達到240 ℃時，兩種方法計算出的水氣比相對偏差為22.57%，有效氣產(chǎn)氣量偏差達到10.56%。

在粗合成氣溫度相對較低時，水蒸氣的占比較小，其非理想特性影響不大，可用水氣分壓法簡化計算；在粗合成氣溫度相對較高時，水蒸氣的占比較大，水蒸氣的非理想特性影響顯著，應(yīng)采用參數(shù)修正法計算準確的水氣比。

在實際運行的項目中，典型粉煤氣化技術(shù)的操作壓力為4.0 MPa，合成氣溫度為195～205 ℃，平均有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為91%。典型水煤漿氣化技術(shù)的操作壓力為4.0 MPa和6.5 MPa，合成氣溫度分別為210～220 ℃和 230～245 ℃，平均有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為80%[7]。分別取對應(yīng)壓力下各氣化技術(shù)粗合成氣的平均溫度，定量分析水氣分壓法的計算偏差，結(jié)果見表3。

表3 水氣分壓法計算的各工藝參數(shù)與實際值的相對偏差

由表3可以看出：粉煤氣化粗合成氣水氣比相對偏差為15.32%，有效氣量相對偏差為5.76%，比煤耗和比氧耗的相對偏差為6.11%。水煤漿氣化粗合成氣水氣比相對偏差約為20%，有效氣量相對偏差約為10%，比煤耗和比氧耗的計算偏差約為11%，均高于粉煤氣化，這主要是由于水煤漿氣化的粗合成氣溫度更高，其水蒸氣含量更多，所以計算的偏差也更大。由此可見，在粗合成氣溫度達到一定數(shù)值后，采用水氣分壓法計算出的氣化性能參數(shù)是不能反應(yīng)氣化裝置真實消耗的，此時應(yīng)采用參數(shù)修正法計算粗合成氣的水氣比。

4 實例分析

4.1 項目概況

以內(nèi)蒙古伊泰化工有限責(zé)任公司年產(chǎn)120萬t精細化學(xué)品項目(簡稱伊泰化工項目)氣化裝置為例，分別采用水氣分壓法和參數(shù)修正法計算氣化裝置粗合成氣的水氣比，進而得出對應(yīng)的有效氣產(chǎn)量、比氧耗和比煤耗，為準確掌握項目的氣化性能參數(shù)提供依據(jù)。

伊泰化工項目包括氣化、變換、低溫甲醇洗、費托合成、化學(xué)品加工等主裝置，產(chǎn)品包括穩(wěn)定輕烴、重質(zhì)液體石蠟、液化石油氣等主產(chǎn)品，硫黃、硫酸銨、混醇等副產(chǎn)品。氣化裝置包括6套粉煤氣化和3套水煤漿氣化，氣化爐操作壓力為4.2 MPa,設(shè)計總有效氣(CO+H2)體積流量為714 000 m3/h。其中，干粉煤氣化裝置采用6臺全開的操作模式，平均有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為90.60%，單臺氣化爐有效氣(CO+H2)體積流量為102 000 m3/h，總有效氣(CO+H2)體積流量為612 000 m3/h；水煤漿氣化裝置采用2開1備的操作模式，平均有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為79.89%,單臺氣化爐有效氣(CO+H2)體積流量為51 000 m3/h，總有效氣(CO+H2)體積流量為102 000 m3/h。實際氣化爐有效氣(H2+CO)體積流量見表4。

表4 實際氣化爐有效氣(H2+CO)體積流量

4.2 氣化性能參數(shù)的計算

該項目在實際生產(chǎn)中，對水氣分壓法公式進行進一步簡化，以合成氣的表壓替代其絕對壓力，即合成氣水氣比=粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力/(合成氣表壓-粗合成氣溫度下水的飽和蒸汽壓力)，該計算值反映了生產(chǎn)現(xiàn)場情況。分別采用水氣分壓法和參數(shù)修正法計算氣化裝置的性能參數(shù)，結(jié)果見表5。其中，粗合成氣溫度、壓力、干基煤質(zhì)量流量、氧氣(O2)體積流量、濕合成氣體積流量和有效氣體積分數(shù)均來自于裝置現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)，具體見表6。

表5 氣化裝置性能參數(shù)

表6 裝置現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)

由表5可以看出：由于水煤漿氣化的粗合成氣溫度比粉煤氣化的粗合成氣溫度高約15 K，在采用水氣分壓法計算氣化性能參數(shù)時，水煤漿氣化的計算結(jié)果偏差更大，比煤耗和比氧耗比計算消耗高約7.05%，已經(jīng)超出可接受的誤差范圍，此時應(yīng)采用修正計算法。

如果按照水氣分壓法計算，該項目氣化裝置的總有效氣產(chǎn)氣體積流量為838 334 m3/h，而凈化單元計量的總有效氣產(chǎn)氣體積流量約為800 000 m3/h，二者存在38 334 m3/h的偏差。如果采用參數(shù)修正法計算，該項目氣化裝置的總有效氣產(chǎn)氣體積流量為797 721 m3/h，與凈化單元計量的總有效氣產(chǎn)氣體積流量基本一致，證明參數(shù)修正法的準確性。

在國內(nèi)很多煤化工項目中，都出現(xiàn)煤氣化裝置的有效氣產(chǎn)量大于下游凈化裝置的有效氣產(chǎn)量，用噸產(chǎn)品煤耗折算出的比煤耗大于氣化裝置內(nèi)部算出的比煤耗等問題，其主要原因在于氣化裝置的水氣比計算公式未經(jīng)過修正，計算結(jié)果存在偏差。

伊泰化工項目2種煤氣化技術(shù)采用相同的原料煤，即紅慶河煤和馬泰壕煤等當(dāng)?shù)孛旱幕烀?，原料煤中全水質(zhì)量分數(shù)為17%，灰分質(zhì)量分數(shù)為14%，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)為31%，灰熔點為1 200 ℃，熱值為22 608 kJ/kg。由于采用相同的原料煤，該項目非常適合對比分析2種氣化技術(shù)的氣化性能參數(shù)。通過表5中數(shù)據(jù)可見:水煤漿氣化的實際比氧耗和比煤耗均明顯高于粉煤氣化的實際比氧耗和比煤耗。該結(jié)果是在相同的進料條件下計算得到的，具有很好的代表性，有助于新建項目在氣化技術(shù)的比選時做出準確的判斷。

5 結(jié)語

筆者提出了一種煤氣化粗合成氣水氣比計算的參數(shù)修正法，并對水氣分壓法和參數(shù)修正法的計算結(jié)果進行對比分析。通過對伊泰化工項目氣化裝置運行數(shù)據(jù)的核算，驗證了參數(shù)修正法的準確性。

與水氣分壓法相比，參數(shù)修正法的計算過程十分復(fù)雜，在合成氣溫度較低時，兩種計算方法的水氣比十分接近，可用水氣分壓法代替參數(shù)修正法。但當(dāng)合成氣溫度較高時，水氣分壓法計算的水氣比與實際值偏差較大，應(yīng)使用參數(shù)修正法計算水氣比。在實際應(yīng)用中，典型粉煤氣化的全廢鍋流程和半廢鍋流程的粗合成氣溫度約為165 ℃和185 ℃，此時可采用水氣分壓法計算水氣比，典型粉煤氣化激冷流程、典型水煤漿氣化的粗合成氣溫度均較高，應(yīng)采用參數(shù)修正法計算水氣比。

另外，通過伊泰化工項目煤氣化裝置運行參數(shù)的對比分析，粉煤氣化在氧耗和煤耗方面具有明顯的優(yōu)勢。