新疆沙爾湖煤氣化過(guò)程影響因素研究

能源與節社2014年第1期(總第100期)ENERGY AND ENERGY CONSERVATION2014年1月能源研究新疆沙爾湖煤氣化過(guò)程影響因素研究木汗買(mǎi)提.塔西'，黃雪莉'，劉娜'，王璽2(1.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046; 2. 華能新疆能源開(kāi)發(fā)有限公司，新疆烏魯木齊830017)摘要:應用AspenPlus模擬軟件建立了新疆沙爾湖煤氣流床氣化過(guò)程的計算模型，并對新疆沙爾湖煤的氣化過(guò)程進(jìn)行模擬計算。以粗合成氣中(H;+C0) 摩爾分數和有效氣產(chǎn)量最高為目標函數，研究了主要參數對氣化結果的影響，確定出最佳氣化工藝條件。關(guān)鍵詞:新疆沙爾湖煤; 煤氣化; Aspen Plus; 模擬計算中圖分類(lèi)號: TQ546,TQ018文獻標識碼: I文章編號: 2095- -0802- (201401 -0015-03Research on the Effective Factors of Shaerhu Coal Gasification ProcessMuhammed Tash', HUANG Xue -li', LIU Na', WANG Xi2(1. Depatment of Chemical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, Xinjiang, China; .2. Huaneng Xinjiang Energy Development Co., Ltd, Urumqi 830017, Xinjiang, China)Abstract: The simulation model for Xinjiang shaerhu coal gasification process was established by Aspen plus software, and simu-lation calculation on Xinjiang Shaerhu coal was conducted. With the aim of high content of (H2+CO) and effective gas productivity,studied the main efective factor on the result of Xinjiang Shaerhu coal gasification process. The best condition of gasification pro-cess was confrmed.Key words: Xinjiang Shaerhu coal; coal gasification; Aspen Plus; simulation0引言1計算模型煤是一種廣泛利用的化石能源和重要化工原料，在討論煤氣化過(guò)程的化學(xué)反應系統時(shí)，往往從動(dòng)在中國能源結構和化工原料結構中占主導地位"。但力學(xué)和熱力學(xué)兩方面出發(fā)討論問(wèn)題。按氣化方法的不是，由于煤的高碳性和目前利用技術(shù)的落后，煤同時(shí)同，煤氣化過(guò)程的平均溫度-一般在800 C~1 800 C也是環(huán)境的主要污染源。而煤炭氣化技術(shù)是清潔利用之間，在此范圍內，氣化反應的速率是很高的，特別煤炭、友好環(huán)境的先導性和核心技術(shù)，也是煤制天然是氣流床氣化過(guò)程的反應速率更高，氣化爐內瞬間達氣、甲醇、二甲醚、烯烴、煤制油、先進(jìn)的整體煤氣到平衡"。對于此種反應速率較高的氣化過(guò)程，通過(guò)化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(IGCC)、 多聯(lián)產(chǎn)系統、制氫、熱力學(xué)平衡模型來(lái)確定氣化爐出氣體組成是非常合燃料電池、直接還原煉鐵等的龍頭技術(shù)。適的方法。因此本文用熱力學(xué)平衡模型進(jìn)行了模擬計目前，在吐魯番地區沙爾湖區發(fā)現單層厚度達到算。建立熱力學(xué)平衡模型主要有平衡常數法和Gibbs217.14 m,預測資源量644x10*↑的大型煤礦。清潔開(kāi)自由能法等兩種判,本文采用Gibbs自由能法建立了發(fā)和利用沙爾湖煤將極大地促進(jìn)新疆社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展。Aspenplus計算模型并對新疆沙爾湖煤氣化過(guò)程進(jìn)行Aspen Plus 是- -種通用的化工過(guò)程模擬、優(yōu)化和計算。設計軟件，可用于各類(lèi)過(guò)程工業(yè)流程的模擬。本文2氣化過(guò)程的主要 影響因素應用該軟件，按Gibbs自由能最小化原理對沙爾湖煤氣化過(guò)程進(jìn)行了模擬計算,分析了主要操作參數對氣為方便比較，參考文獻[5],設定煤進(jìn)料量27.62化結果的影響，確定出最佳氣化條件。kg/s，N2 進(jìn)料量2.5 kg/s, 碳轉化率99%，在此基礎上考察氣化壓力、氧煤比、水蒸汽煤比對氣化結果的影響，見(jiàn)表收稿日期: 2013-11-072.1氣化壓中國煤化工第一作者簡(jiǎn)介:木汗買(mǎi)提.塔西，1987年生，男，新疆喀什人,2011年畢業(yè)于四川大學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)，在讀碩士研究生。設02進(jìn)MHCNMHG量1.5 kgs,此●15.2014年第1期紅源與節能2014年1月時(shí)，氧煤比在0.25左右，水蒸汽煤比在0.42左右,由圖1、圖2可見(jiàn)，隨著(zhù)壓力的增加出口溫度緩熱損失為進(jìn)料煤的總低位熱值的2%。以壓力作為自慢增加， 但H2和CO等關(guān)鍵組分的摩爾含量以及有效變量,氣化爐出口組分中關(guān)鍵組分的摩爾分率、有效氣氣產(chǎn)量略微降低，因為甲烷化反應C0+3H2=CH4+產(chǎn)量以及出口溫度作為目標函數，研究在0.1 MPa~ H2O 是體積減小的反應，壓力的增加不利于H2和CO10 MPa的區間內氣化壓力對目標函數的影響。所得.的生成。但實(shí)際生產(chǎn)中提高壓力可以提高單位時(shí)間的到的結果如圖1、圖2所示。產(chǎn)能。所以設定氣化壓力時(shí)看實(shí)況而定。表1沙爾湖煤的工業(yè)分析 、元素分析及熱值工業(yè)分析W。元素分析W.Qnet,ar%MAF(MJ/kgCH0N1.935 75.307 835.899 758.792 530.866.811 73.371 023.7694 0.660 50.079 61202.121420..1410城1002.1.140030 t2.08.1390爾60↓2.06十有效氣產(chǎn)量.1380鴨七出口溫度器1370王40+2.0420 t主。2.02.1360(H+CO) .1 3501 3406124610壓力/MPa圖1氣化壓力對粗合成 氣中關(guān)鍵組分摩爾分率的影響圖2氣化壓力對粗合成氣中關(guān)鍵組分摩爾分率的影響2.2 熱損失的影響變化不太大，但是出口溫度的變化比較明顯。隨熱損氣化溫度是由氣化條件和熱損失共同影響的，通失的增大出口溫度減小，因此進(jìn)行絕熱反應，提高氣過(guò)熱損失和溫度之間的關(guān)系間接研究溫度對氣化結果化溫度對氣化結果有利。的影響。損失的熱量越大氣化爐內操作溫度越小，而2.1051 550損失的熱量越小氣化爐內的操作溫度越大。其它參數2.100→有效氣產(chǎn)量1 500固定不變時(shí)，改變損失的熱量，觀(guān)察此對氣化結果的2.095一出口溫度1 450影響，通過(guò)模擬計算所得到的結果如圖3、圖4所示。14002.0901350明12想2.0851300日必2.080 .1 250如2.075802.0701 150熱損失在總熱值中的百分比1%圖4熱損失對有效氣產(chǎn)率和出口溫 度的影響主2.3氧煤比氧煤比是煤氣化過(guò)程中相當重要的一個(gè)影響因素,它會(huì )直接影響到合成氣組成和氣化溫度等重要指圖3熱損失對合成氣中關(guān)鍵組分摩爾分率的影響標回。水蒸汽進(jìn)料量設定為11.5 kg/s， 熱損失2%，其它條件不變中國煤化工的進(jìn)料量來(lái)改變由圖3、圖4可見(jiàn)，隨著(zhù)熱損失的增大(也就是氧煤比，進(jìn)YHCNMH(北對氣化結果的影溫度的減小)，關(guān)鍵組分的摩爾分率以及有效氣產(chǎn)量響。計算結果如圖5、圖6所不?！?6.2014年第1期汗買(mǎi)提.塔西,等:新疆沙爾湖煤氣化過(guò)程影響因素研究2014年1月.100.2 r2 000里91 900.11 800主2.0 I! 70070 - 一(H2+CO).9士有效氣產(chǎn)量1600益60←出口溫度t 1500照.8.71300提40t1200.6事301 1001.5I10000.0.20.30.40.50.60.18 0.28 0.380.48氧煤比水蒸汽煤比圖5氧煤比對粗合 成氣中關(guān)鍵組分摩爾分率的影響圉8水蒸汽煤比對有效氣產(chǎn)量和出 口溫度的影響由圖7、圖8可知，出口溫度對水蒸汽煤比比較2..2000敏感，原因是C+H20=CO+H2是吸熱反應，導致溫度2.1下降。在0.1~0.7區間內出口組分中關(guān)鍵組分H2的摩首2.0爾分率有一一個(gè)最佳值，CO的含量略微降低，導致啊1.91 600(H2+CO)的總百分含量有一個(gè)最佳值。在0~0.4范圍有效氣產(chǎn)量變化比較明顯，隨水蒸汽煤比的增加有長(cháng)1.81.士有效氣產(chǎn)量|1200效氣產(chǎn)量增加，當水蒸汽煤比大于0.4后，有效氣含十出口溫度量趨近于穩定，稍有下降?？傮w來(lái)說(shuō)，水蒸汽煤比在1.6↓1 0000.36 ~ 0.45范圍是最好的。0.150.250.353結語(yǔ)圖6氧煤比對有效氣產(chǎn)量和出口溫度的影響通過(guò)用AspenPlus模擬軟件對沙爾湖煤氣化過(guò)由圖5、圖6可見(jiàn)，氧煤比的變化對氣化結果的程進(jìn)行模擬計算，確定了新疆沙爾湖煤的最佳氣化條影響比較明顯，是沙爾湖煤氣化過(guò)程中最關(guān)鍵的影響件,得出如下結論:a)應用Aspen Plus軟件,對煤氣化過(guò)程進(jìn)行模因素之一。氧煤比大于0.25時(shí)，出口溫度對氧煤比的擬計算是可行的，獲得的結論可以作為實(shí)際設計與開(kāi)變化比較敏感，是因為02剩余的情況下C的燃燒反發(fā)的依據; b) 對于所涉及的煤種，氣化壓力的增加不應作為主導反應，放出大量的熱量。在0.25左右關(guān)鍵利于有效氣的生成，但實(shí)際生產(chǎn)中提高壓力可以提高組分的摩爾分率和有效氣產(chǎn)量都有一最佳值。此時(shí)，合單位時(shí)間的產(chǎn)量;絕熱反應更有利于氣化過(guò)程;最佳成氣中關(guān)鍵組分(H,+CO) 的摩爾分率達到95.56%,有氧煤比0.23 ~0.28;最佳水蒸汽煤比0.36 ~ 0.45為較效氣產(chǎn)量達到2.09 m/kg。合理的氣化條件。在上述條件下，粗合成氣中，H2含2.4水 蒸汽煤比其它參數固定不變時(shí)通過(guò)改變水蒸汽的進(jìn)料量，量可達到40.26%，CO含量可達到55.02%，有效氣產(chǎn)改變水蒸汽煤比，由此研究水蒸汽煤比對氣化結果的量達到2.07 m2/kg。參考文獻: .影響，計算結果如圖7、圖8所示。[1] 唐宏青.現代煤化工新技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，00工2010,11:1-45.90個(gè)[2] Aspen Technology.Aspen Plus User Guide[ M ].USA:Aspen和80|Technology , 2000.你70|3] 王輔臣.氣流床氣化過(guò)程研究[D].上海:華東理工大學(xué)，主島。1995.R 60一(H+CO) .S 50|[4] 于遵宏,王輔臣煤炭氣化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.提40元[5] 張宗飛,湯連英,呂慶元.基于A(yíng)spen Plus的粉煤氣化模擬30 1[J].化肥設計: 2008 , 46(3): 14- 26.0.18 0.28 0.38 0.48 0.58 0.68 0.78[6] 姚月華,中國煤化工Texaco水煤漿氣化模擬對比MHC N M H G2012,29(1):75-79.圖7水蒸汽煤比對粗合 成氣中關(guān)鍵組分摩爾分率的影響(責任編輯:趙春梅)●17.