IGCC示范工程煤氣化爐的數值模擬

第32卷第1期煤炭轉化Vol. 32 No. 12009年1月C0AI. CONVERSIONJan. 2009IGCC示范工程煤氣化爐的數值模擬沈玲玲"姜秀民2) 王輝3) 黃庠永"摘要采用Aspen Plus流程模擬軟件對某擬建的IGCC示范工程的德士古煤氣化爐進(jìn)行數值模擬,通過(guò)考慮碳的不完全轉換對計算流程進(jìn)行了改進(jìn),并運用CPD模型預測煤熱裂解的產(chǎn)物分布.研究了煤氣化爐的重要操作參數(即水煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力和氣化溫度)對氣化結.果的影響.在計算區間內,發(fā)現高濃度水煤漿濃度范圍內,隨濃度的增加，煤氣的主要成分(H2+ .CO)的總含量增加.氣化溫度增大到1 400 C左右時(shí)，煤氣的主要成分隨氣化溫度的進(jìn)一步增加會(huì )趨于一個(gè)恒定值.關(guān)鍵詞Aspen Plus,IGCC, 德士古氣化爐中圖分類(lèi)號TQ541,TM611.3果導致其他元索的流失.因此,通過(guò)在模擬過(guò)程設定)引言非常規物質(zhì),把碳的不完全轉換考慮進(jìn)去,使模型的整體煤氣化燃氣~蒸汽聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技模擬更符合實(shí)際的氣化爐,從而解決了對碳的不完術(shù)可以將燃煤電站的循環(huán)效率提高至39%~41%全轉化考慮不足的問(wèn)題.本文是結合國內擬建的首(LHV)川,是目前最先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)之一.目臺大型IGCC示范工程,利用Aspen Plus軟件對該前采用氣流床氣化技術(shù)的德士古氣化爐的運行經(jīng)驗項月中的德士古氣化爐進(jìn)行氣化模擬.通過(guò)對碳模和已商業(yè)化的臺數最多.它的發(fā)展已度過(guò)原理概念型的改進(jìn),提出了一個(gè)新的計算方案,在改變不同氣性開(kāi)拓驗證階段,并進(jìn)入商業(yè)示范驗證階段.[0]它既化參數的情況下,研究各參數對生成煤氣的主要有有發(fā)電的高效率,又有極好的環(huán)保性能,因而成為世效成分(H2 +CO)的影響,計算結果可對系統方案界矚目的極有發(fā)展前途的一種先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技的設計提供參考數據.術(shù). []IGCC系統內的德士古氣化爐可采用激冷式1氣化爐煤氣化爐模 型和裝有煤氣冷卻器兩種方案,本文所結合的某擬建的大型IGCC示范工程采用的是安裝煤氣冷卻器的1.1 工藝說(shuō)明氣化爐,又稱(chēng)為全熱能回收式氣化爐,從能量有效利德士古氣化爐是把水煤漿與氣化劑(約95%用的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,這種方案是最合理的.模擬計算是理解化工過(guò)程的有用工具.通過(guò)計氧)一起噴入氣流床氣化爐內進(jìn)行火焰型非催化部算,可以對整個(gè)煤氣化過(guò)程進(jìn)行分析,尋找最優(yōu)操作分氧化反應的工藝過(guò)程,生成的粗煤氣采用煤氣冷點(diǎn),提高整個(gè)過(guò)程的熱效率,達到過(guò)程優(yōu)化的目的;卻器冷卻,灰渣采用液態(tài)排渣.本文只模擬水煤漿進(jìn)可以輔助設計以及解釋說(shuō)明實(shí)驗數據;還可以預測入氣化爐內發(fā)生氣化的過(guò)程,暫未考慮進(jìn)入輻射廢合成氣的組成和污染物的排放.“采用AspenPlus熱鍋爐之后系統內的情況.軟件對氣化爐模擬時(shí),以往建立的氣化爐模型是先1.2氣化機理把煤分解為相同質(zhì)量和發(fā)熱量的由碳氫和其他化合德士古氣化爐的氣化過(guò)程實(shí)際上是煤炭在高溫物、純凈元素和灰組成的常規物流混合物,再通到平下的極為復雜的多相熱化學(xué)反應過(guò)程，其可能發(fā)生衡反應器中. [5.61這種做法假定煤全部轉化成煤氣，的化學(xué)反應"可概括如下:無(wú)法計及碳轉化率;采用的補救措施是在后續流程中國煤化工燃燒氣化由于中排放掉一部分煤氣來(lái)模擬煤的不完全轉換,其結在富氧=煤粉加熱速度極:YHCNMHG#國家“863"高技術(shù)基金資助項8 (2007 A^05Z247).1)碩士生:2)教授、博十生導師:3)博士后;4)博士生，上海交通大學(xué)熱能工程研究所，200240 上海收稿日期:2008 09. 17;修回H期，2008-10-23第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數值模擬15快,可以認為煤粉中的水分瞬間蒸發(fā);同時(shí),熱解速1.3氣化過(guò)程模 型的簡(jiǎn)化度大大高于煤粉的燃燒及氣化反應速度. []2)固體顆粒與氣化劑(氧氣、水蒸氣)間的反運用軟件建模時(shí),需對過(guò)程進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化處應.在高溫條件下,脫除揮發(fā)分的粉煤固體顆?；虬肜?這里假設煤氣化反應可分解成兩個(gè)獨立的過(guò)程:焦中的固定碳與氣化劑進(jìn)行燃燒反應為:1)水分蒸發(fā)和煤脫揮發(fā)分的過(guò)程,采用化學(xué)滲C+O2一→CO2濾脫揮發(fā)分模型(CPD)能很好地模擬煤熱裂解、燃2C+O2一→2C0燒氣化的產(chǎn)物分布. [8]CPD模型是Fletcher等[91]固定碳與水蒸氣進(jìn)行異相水煤氣反應為:開(kāi)發(fā)的,該模型可用于描述煤在快速加熱條件下的C+H2O一→H2 +CO裂解情況.C+2H20一→2H2 +CO2CPD模型是通過(guò)煤的化學(xué)結構預測裂解產(chǎn)物，3)生成的氣體與固體顆粒間的反應.高溫的半它不僅可以預測輕氣體(H2O, Nz ,O2 , H2 ,CO,CO2焦顆粒與反應生成氣的反應為:和小分子的碳氫化合物)的分布,而且可以預測氮元C+COr一+2CO素產(chǎn)物分布的數量和形態(tài). [12) .C+2H2 -→+CH .2)氣化產(chǎn)物與氣化劑、固定碳間以及氣化產(chǎn)物在高溫條件下,煤中的硫也會(huì )與還原性氣體發(fā)間的反應.該過(guò)程可采用氣化達到化學(xué)平衡時(shí)生反應為:Gibbs自由能最小化原理,嚴格計算化學(xué)反應平衡(1/2)S2+ H2-→H2S和相平衡,以得到最終的氣化組成.計算時(shí),必須規.(1/2)Sr +CO-→COS定反應器溫度和壓力或壓力和焓值,模型以原子平4)反應生成的氣體彼此間的反應.高溫條件衡限制為條件,使Gibbs自由能最小化;但不需要具下,反應生成氣體的活性很強,彼此之間存在著(zhù)可逆體的化學(xué)反應方程式和化學(xué)計量數,將整個(gè)系統看反應為:成是一個(gè)復雜化學(xué)反應過(guò)程.00+H2O-→H, +00)(-氧化碳變換反應)1.4用Aspen Plus 軟件建模CO+3H2一→CH, +2H2OCO2 +4H2一→CH +2H2O采用CPD模型預測煤熱裂解的產(chǎn)物分布,假定2CO+2H2 --→CH +CO2所有的反應遵循Gibbs自由能最小化方法!,建立H2S+CO-→COS+ H2如圖1所示的氣流床水煤漿氣化爐模型.RyieldRgihleSpltPanbet }+口-Syp]5>[ (drcomp0”圖1 Aspen Plus模擬流程Fig. 1 Aspen Plus simulation flowsheet圖1中wet-coal為進(jìn)入系統的水煤漿,其工業(yè)過(guò)裂解后的產(chǎn)物,考慮ryield模塊中碳的不完全轉分析與元素分析見(jiàn)表l;Inburner為煤漿中粉煤經(jīng)化,因此inburner輸出物流中包括純元素C,純元素表1煤樣的元素和工業(yè)分析(%* ,ar)S,H2O,N2 ,O2, H2 ,CO,CO2 ,ash和UBC;QtransfeTable 1 Ultimate and proximate analysis of the為粉煤裂解熱;Lost為氣化系統的熱損失;Syngastesting coal samples(%" ,ar)為粗合中國煤化工Ash和UBC).Ultimate analysisProximate analysis書(shū)的簡(jiǎn)單反應器.CHNsO-AMYHCNMHG-57.81 3.62 0.84 0.35 9.29 10.79 27.22 44.69 17.3主要功n比足的物妹刀肝權幾胝干元素的分子,并將* Percent of weight;1) By dference.熱解熱傳遞給后面的Rgibbs單元，同時(shí)在Ryield1煤炭轉化2009年單元中考慮碳的不完全轉化,把ash和UBC都定義27.72成非常規物質(zhì). Rgibbs單元是一個(gè)基于Gibbs自由27.7027.68能最小化原理的反應器.對于煤氣化系統,根據表127.566 I煤樣分析知,除ash和UBC不進(jìn)行化學(xué)反應外[41,27.64 t常規物質(zhì)生成粗煤氣包含的組分為:H2O,N2,O2,27.62S, H2 ,C,CO,CO2,H2S,COS,CH和NH3.體系達27.60到平衡時(shí)體系的Gibbs自由能達到最小值.Cncentrution of water coul sury1%2模型的參數設置37F36-用AspenPlus軟件計算時(shí),一般將所涉及的組。35-分分為mixed常規物質(zhì)).cisolid(常規惰性固體)和8 34-NC(非常規物質(zhì))三類(lèi)物流.3對于常規組分，包括常規固體組分(即組成均6062646687勻.有確定分子量的固體),用RK-soave 方程計算Concentration of water coal elumy/%物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì).65-非常規固體組分是指不同種類(lèi)的固體混合物.Aspen Plus對這類(lèi)物質(zhì)作了簡(jiǎn)化處理,認為它不參與化學(xué)平衡和相平衡,只計算密度和焓.AspenPlus一般用Hcoalgen模型來(lái)計算煤的焓,這個(gè)模型包含60了燃燒熱、標準生成焓和熱容的不同關(guān)聯(lián)式.59采用dcoaligt模型計算煤的真實(shí)的干基密度.Concentation of water coal slumy /%3操作參數對氣化結果的影響吾22d1 2.58-德士古氣化爐產(chǎn)生的煤氣的主要成分為H2和號256CO,還有部分CO2和水蒸氣,其他氣體含量甚微.本文通過(guò)改變水煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力和氣化溫度對產(chǎn)生煤氣中的主要可燃成分(H2+CO)進(jìn)行出2.440.60.62 0640660.68 0.70模擬并分析各參數變化對只計算(H2+C0)成分時(shí)Concentration o waler coal slumry1%所生成煤氣的熱值的影響.圖2水煤漿濃度對氣化結果的影響本文所模擬的國內擬建的IGCC示范工程中煤.Fig.2 Effect of concentration of water coal slurry氣化爐的工藝參數為:水煤漿流量為107. 23 t/h,煤on gasification results漿濃度變化范圍60%~70%(質(zhì)量分數);氧氣流量a--H2;b- -COre- H2+CO;d-- Heat value57. 969 t/h(O2體積分數為95,N2為5),氧煤比和有效氣成分(H2 +CO)呈上升趨勢,H2呈下降趨0. 7~1.0;氣化壓力為2 MPa~ 10 MPa;氣化溫度勢.其原因是由于氧煤比不變,隨著(zhù)煤漿濃度的增1100C~2000C.考慮的碳轉化率為98%,熱損加,水蒸發(fā)所消耗的熱量占總熱量的份額越來(lái)越小，失為0.5%..從而導致氣化爐溫度升高.溫度的升高,加劇異相反.應的進(jìn)行,有利于碳轉化率的升高,促進(jìn)了CO和3.1水煤漿濃度H2的生成[152;但是,水煤漿中水量的減少以及溫度設定氧煤比，碳轉化率為98%，熱損失為的升高,使水煤氣反應受到限制[15] ,不利于H2的生0.5%,氣化壓力為3. 6 MPa,并保持煤和氧氣的量成.兩種因素綜合作用,結果H2含量有所減少.不變,通過(guò)改變水的量,使水煤漿濃度在60%~中國煤化工呈上升趨勢.從70%之間變化,得到不同水煤漿濃度下煤氣主要成.熱值吉果越有利;但提分H2和CO體積分數和熱值的計算結果(見(jiàn)圖2).高煤:IHCNM HG給成漿和氣化爐由圖2a~圖2c可知,隨著(zhù)煤漿濃度的增加,CO加料帶來(lái)困難,故選取煤漿濃度時(shí)應綜合考慮.第1期枕玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數值模撳，173.2.氧煤比的量也增加.但燃燒反應增強，氣化爐溫度就會(huì )增固定水煤漿流量并保持其他參數不變,通過(guò)改高，又使氣化反應強化.綜合兩種因素,氧煤比增大.變氧氣的流量,使氧煤比(kg氧氣/kg干煤)由0.7造成的結果是H和c濃度下降了,生成氣中(H,+變化到1.0,計算得到的H2和c的體積分數及C0)的含量也下降了,導致生成煤氣的熱值相應也就(H2+CO)的熱值變化見(jiàn)圖3.下降了(見(jiàn)圖3d).所以當氧煤比在0.7~1.0時(shí),應盡量減小氧煤比,繼而可以減少空分系統的制氧量,使廠(chǎng)用電量減少,提高IGCC整體效率及經(jīng)濟性.3.3氣化壓力 .其他操作參數不變的情況下，使氣化壓力從242MPa變化到10MPa,計算得到的H2和co的體2Li0.70 0.750.80 0.85 0.90.95 1.00積分數及(H; +CO)的熱值變化見(jiàn)圖4.Oaygn/col mass ratio/0g*kg7)27.75ro27.7027.65還27.6027.5027.4527.40七IPesure 1 MPw0.70.5 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00Oxygn/col m ntio 1 (g*kg")4.72 r34.7034.68= 34.66 tg 34.6434.6234.6034.58 t34.560.70 0.75 0.800.85 0.90 0.95 1.0023peOsyen/col mass matio/ (kg*kg)624-之62.3-.265-自2060已62.1+文250-62.02.532廠(chǎng) d0.700.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00, 2528- .Oaxyen/coal ma nti/ig*tg)2.526 F2.524 H圖3氧煤比對氣化結果的影響Fig.3 Efet of oxygen/ coal mass raio on gasification resutsa一-H2rb一 -C1e-- H; +CO;d一- Heat value2.518由圖3a~圖3c可以看出,當氧煤比在0.7~1.0范圍內變化時(shí),隨著(zhù)氧煤比增加，H2和(H2 +中國煤化工CO)含量迅速降低,Co含量降低的斜率稍緩.原因CNMHG果的影響是氧煤比增大導致燃燒反應增強,H2和co更多地Fig.4 Ettect of pressure on gasification results被燃燒反應掉,使燃燒分別轉化成為H2O和CO,H2;b-- CO,cH2+CO,d- Heat value8煤炭轉化2009年由圖4可以看出,當氣化壓力在2 MPa~10 MPa8.5 r范圍內變化時(shí),隨著(zhù)氣化壓力的升高,H2,CO和有8.0 t效產(chǎn)物(H2 +CO)含量增加，煤氣熱值也增加.隨著(zhù)壓力的升高，溫度條件不變時(shí),爐內氣化反應得到強化,反應生成了更多的CO和H216],所以,H2和CO及(H2 +CO)有效產(chǎn)物含量增加了.6.0 F氣化爐中氣化壓力主要是根據所需煤氣組成而1000 1200 1400 1600 1800 2000定[7,但氣化壓力并不是越高越好,它的確定還需Temperaure/C要考慮工藝制造和操作管理方面的條件..37.0rb36.5 t3.4氣化溫度35.5 F350-保持其他操作條件不變,使氣化溫度從1100 C變化到2 000 C,CO和H2的體積分數及(H2 +34.0CO)的熱值變化見(jiàn)圖5.3.0由圖5可以看出,隨著(zhù)氣化溫度的升高,H2的含量先略升高然后降低,CO的含量逐漸增加,在Temperature1 C .1 400 C左右(H2+CO)的總量趨于一個(gè)恒定值.當62.6e溫度超過(guò)1300 C時(shí),水煤氣反應發(fā)生顯著(zhù)川],生2.4 F2.2-成CO和H2量增加;而且隨著(zhù)溫度的升高,碳轉化62.0 t率增高,在氧氣量不變的條件下,相應CO生成量增61.8 F加;而根據Hougen的研究，隨著(zhù)溫度的升高,一氧51.6 F化碳變化反應受制約,因此H2含量減少.綜合上述因素,出現圖5a中的曲線(xiàn)變化趨勢.由圖5d可以看出,隨著(zhù)氣化溫度的升高,氣化Temperature/ C有效產(chǎn)物(H2 +CO)的熱值逐漸降低,原因是H2的256廠(chǎng)d熱值比CO的熱值要大,CO增加量的熱值無(wú)法彌補H2減少量的熱值,所以出現圖5d中熱值曲線(xiàn)下降52 t的趨勢.隨著(zhù)溫度的升高,對氣化爐耐火材料要求增2.50 I高,從而增加設備的費用.因而,溫度不是越高越好，2.48 F可取1400C作為氣化溫度.4結論Temperature/C1)水煤漿濃度在60%~70%范圍內增大時(shí)，圖5氣化溫 度對氣化結果的影響(H2 +CO)的總含量增加,煤氣熱值也是增加的.Fig.5 Effect of temperature on gasification results2)氧煤比在0. 7~1.0范圍內增大時(shí),H2和a- H2;b-- -CO;c- -- H2 +C0;d-- Heat valueCO及(H2 +CO)的質(zhì)量分數都是減小的，導致煤氣煤 氣熱值也是增大的.熱值降低,所以應盡量降低氧煤比.4)當氣化溫度高于1 400 C時(shí),(H2 +CO)的3)氣化壓力在2 MPa~10 MPa范圍內增大質(zhì) 量分數會(huì )趨于一個(gè)恒定值,綜合考慮各因素,建議時(shí),H2和CO及(H2 +CO)的質(zhì)量分數都增大,因而氣化溫度保持在 1 400 C以下.參考文獻中國煤化工[1]許世森。張東亮 ,任永強.大規模煤氣化技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社.MYHCNMHG.[2]江麗霞,族睿賢 ,金紅光等.世界上若干典型IC0C電站的發(fā)展現狀[J].燃氣輪機發(fā)電技術(shù),000:3-4.第1期沈玲玲等IGCC 示范工程煤氣化爐的數值模擬19[3]董衛國 ,危師讓. 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By considering incomplete carbon conversion to improve simulation flowsheetand using CPD model to predict production of coal thermal decomposition, the effect of some im-portant operation parameters such as coal concentration of water coal slurry, oxygen/ coal ratio,pressure and temperature in coal gasifier on the gasification production has been studied. The re-sults show that within the calculation range, the percentage of main components increases as thecoal slurry concentration increases within high coal concentration. And main components tend tobe a constant value when temperature is about 1 400 centigrade.KEY WORDS Aspen Plus,integrated gasification combined cycle,Texaco gasifier中國煤化工MYHCNMHG