基于A(yíng)spen Plus的固定床高溫煤氣化模擬

2012年第12期廣東化工第39卷總第236期www.gdchem.com.123.設計與裝備基于A(yíng)spen Plus的固定床高溫煤氣化模擬原滿(mǎn)，劉亮，田紅，朱超(長(cháng)沙理T.大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南長(cháng)沙41000)[摘要]文章以過(guò)程 模擬軟件Aspen Plus為工具，建立了以高溫空氣為氣化劑的固定床煤氣化的數學(xué)模型，模擬計算了逆流式固定床氣化的制氣過(guò)程:并利用該模型模擬研究了不同空煤比以及不同的空氣預熱溫度對煤氣化指標的影響，結果表明:在相同空煤比與汽煤比的工況下，提高空氣的預熱溫度可以使氣化過(guò)程得到強化。[關(guān)鍵詞]Aspen Plus:逆流式固定床:模擬:空煤比;汽煤比[中圖分類(lèi)號]TH[文獻標識碼]A[文章編號]1007-1865(2012)12-0123-03Fixed Bed Gasifier Simulation Based on Aspen Plus SoftwareYuan Man, Liu Liang, Tian Hong, Zhu Chao(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)Abstract: The paper taking the process software Aspen Plus as the simulation tools and built the mathematical model of countercurent fixed bed coal gasifirswith high temperature air as gasification agent. The gas making process of counter flow fixed bed was simulated; Different air to coal ratio and different preheatingtemperature of air on gasifiation indexes was simulated based on the model. The result indicated that improving preheating temperature of air and steam can makethe gasification process strengthen in the same air to coal ratio and steam coal ratio condition.Keywords: Aspen Plus: countercurrent fixed bed: simulation: air to coal ratio; steam to coal ratio燃燒效率低與污染排放嚴重是我國煤炭利用所面臨的兩個(gè)煤炭以塊煤從爐頂進(jìn)去常壓逆流式固定床氣化爐內，氣化劑主要問(wèn)題，而煤氣化是實(shí)現煤高效燃燒與環(huán)保利用的最有效的途由爐底送入，與煤逆流接觸。圖I是逆流式固定床煤氣化爐的示意徑。目前在國內較為成熟的有常壓固定床氣化技術(shù)，它具有適用圖。煤進(jìn)入爐內依次經(jīng)歷了干燥，干餾，氣化和燃燒四個(gè)過(guò)程。于中小規模能源用戶(hù)的優(yōu)點(diǎn)，使其成為我國大量分散的中小型直做建工快控公的物空量分散工業(yè)爐窯生產(chǎn) 工業(yè)燃料'氣的現實(shí)、合理、經(jīng)濟的選擇。塊煤在進(jìn)入爐體下落的過(guò)程中遇到來(lái)自氣化階段的高溫氣。由于常壓固定床煤氣化爐- -般是通入常溫氣化劑進(jìn)行氣化，體，高溫氣體將能量傳遞給濕煤塊，隨者煤層溫度的升高，煤中單爐生產(chǎn)能力和煤氣熱值較低，這在很大程度上限制了其在工業(yè)的水分蒸發(fā)。爐窯上的應用。所以，提高煤氣化爐的煤氣熱值、氣化強度成為濕煤- →干煤+H:O問(wèn)題的關(guān)鍵。而氣化劑預熱溫度越高，則帶入爐內的熱量越多，爐內溫度也越高，從而加快了煤的反應速率，使煤氣化溫度升高，當干煤的溫度進(jìn) -步升高，從煤中逸出揮發(fā)物，在干餾階段是煤的氣化反應加強。進(jìn)行煤的熱解反應。為此國內 早有學(xué)者提出采用高溫氣化劑(主要指高溫空氣)進(jìn)煤→焦油+煤氣(NH3+H2S+CH4+CO+CO2+H2)+焦油行氣化，并進(jìn)行了相關(guān)研究。王連勇等四利用實(shí)驗平臺進(jìn)行了煤高1.3 氣化溫空氣氣化試驗研究，考察了空氣預熱溫度對氣化過(guò)程的影響，提經(jīng)干餾后得到的煤焦，同高溫氣體CO, H0O和H2等進(jìn)行氣化出在工藝允許的條件下空氣預熱溫度越高對氣化過(guò)程越有利;東北反應，生成可燃氣體。氣化階段主要發(fā)生的反應如下:大學(xué)田紅巴在固定床煤氣化爐數學(xué)模型研究的基礎上，結合煤高溫2C+O2-+2CO氣化過(guò)程的特點(diǎn)，提出了建立煤高溫氣化模型的途徑和方向。2CO+O2- +2CO2 .文章基于A(yíng)spen Plus強大的模擬功能，借助Aspen Plus軟件建以及水蒸氣為氣化劑的氣化反應和甲烷生成的反應:立了高溫逆流式固定床煤氣化的模擬模型，考察不同空氣預熱溫C+H2O-→CO+H2度、空煤比、汽煤比對氣化性能的影響，并將模擬結果與實(shí)驗數C+CO2-→2CO據進(jìn)行比較，分析操作參數變化對氣化指標的影響。CO+H20-→CO2+H21煤氣化過(guò)程分析C+2H2-→CH41.4 燃燒燃燒層發(fā)生的主要反應如下:C+O2- +CO22C0+O2-→2CO22H2+O2-→2H2O以上這些反應都是強烈的放熱反應。進(jìn)而為十餾，氣化提供干燥區350-1000 |.poL煤一t焦炭+揮發(fā)物熱量。2 Aspen plus模擬模型的建立氣化區30-1000 K根據固定床煤氣化爐的工藝與反應機理，需要考慮以下假設_燃燒區 350-1000條件。東渣區350-1000 K_(1)模擬時(shí)將制氣過(guò)程按燃燒和氣化兩個(gè)穩態(tài)過(guò)程考慮;0-H20(2)爐內的壓力變化不大，在此假設爐內壓力維持常壓狀態(tài)不0-H2變0-C0(3)-維假中國煤化工晶度梯度:灰渣0-其他(4)假設煤部無(wú)質(zhì)量和熱量的傳圖1逆流式移動(dòng)床煤氣化爐遞。YHCNMHG2.1 物性方法Fig.l Schematic of countercurrent moving bed coal gasifiers在利用Aspen Plus進(jìn)行模擬計算時(shí)，物性方法采用RK -Soave。非常規組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓以及密度模型(Enthalpy[收稿日期] 2012-06-30[作者簡(jiǎn)介]原滿(mǎn)(11986-). 男，河南新鄉人，碩士研究生，主要研究方向為高溫煤氣化。廣東化工2012年第12期，.124.www.gdchem.com第39卷總第236期and Density)。模型名稱(chēng)選用常用煤的焓模型(HCOALGEN)和密度應加強。但氣化溫度的提高受煤的灰熔點(diǎn)限制，也就限制了空氣模型(DCOALIGT)]。預熱溫度的提高。Option code value中，Heat of Combustion需要在模型中手動(dòng)輸入，取值為6,其它數值無(wú)需手動(dòng)輸入，取值為1。DCOALIGT1160中Option code value的值取系統默認值。操作參數(溫度、 壓力、流量)根據工藝所需要的參數進(jìn)行輸1140入即可。2.2反應模塊1120(1)產(chǎn)率反應器模塊:創(chuàng )建虛擬反應器模塊(RYield),模擬煤1100熱解成C, H2, O3, N2S, H2O, ASH的過(guò)程，并在此過(guò)程中考慮碳的不完全轉化中。其所需熱量與氣化過(guò)程均由燃燒過(guò)程提供。1080(2)平推流反應器模塊:虛擬反應器模塊(RPLUG)是在已確定1060化學(xué)反應式與動(dòng)力學(xué)方程的情況下，模擬逆流式固定床氣化爐氣化區的反應過(guò)程。其所需要的熱量均由燃燒區提供。1040(3)吉布斯反應器模塊:創(chuàng )建虛擬反應器模塊(RGibbs),1020RGibbs模塊對應著(zhù)反應平衡時(shí)系統的自由能量最小來(lái)進(jìn)行反應5000 650 700 750 800計算，主要用以模擬固定床煤氣化爐的燃燒反應5。Aspen Plus中的煤氣化流程圖如圖2所示?？諝忸A熱溫度/CHEATER2HEATER1圖3空氣預熱溫度對氣化溫度的影響Fig.3 Effect of air preheating temperature on gasification-STEN}>temperatureHSTEAN3.3.2預熱空氣溫度對有效產(chǎn)氣率的影響-CR:COLF>)GASIFIER45.4tL NBURNER F)L RPULUIs.2-CROOCT]剛N45.0-圖2 Aspen Plus模擬流程Fig.2 Simulation flow chart in Aspen Plus44.63模擬結果與討論44.43.1主要工藝參數煤的工業(yè)分析 與元素分析見(jiàn)表1, Aspen Plus 模擬的操作參0075080數見(jiàn)表2。表1煤的性質(zhì)圖4空氣預熱溫度對有效產(chǎn) 氣率的影響Tab.1 Properties of coalFig.4 Effect of air preheating temperature on (CO+H2+CH4)煤的工業(yè)分析/%煤的元素分析%productivityM_AV_CCH0N5.13.62951.568.7.二4.3二5.910.6提高氣化劑溫度可以提高煤的轉化效率和氣化效率，主要是因為:一是提高了氣化溫度:二是高溫預熱的氣化劑可以帶來(lái)大量的物理熱，減少了燃燒過(guò)程所需要提高的能量份額，進(jìn)而相對表2_煤氣化操作條件的減少了燃燒所需要的空氣量，提高了煤氣熱值,使煤的轉化效Tab.2 Gasification operation conditions率與氣化效率提高。因此在工程技術(shù)條件允許的情況下，空氣預物流名稱(chēng)煤空氣水蒸氣熱溫度越高，煤的氣化強度越高溫度/C25800225從圖4可以看出，在空煤比，汽煤比一定的情況下， 隨著(zhù)空氣質(zhì)量流率/(kghr')816.51.8的溫度升高，有效產(chǎn)氣率也越來(lái)越高。壓強MPa .4.253.853.3.3空煤比對有效產(chǎn)氣率的影響3.2 Aspen Plus模擬計算結果49.5Aspen Plus模擬計算結果見(jiàn)表3。49.048.5表3模擬值與實(shí)驗值比較Tab.3_ The comparison of Simulation and experimental results8.0-項目CO/%H2/%CH4/%CO2/%模擬值19.721.63.129.2847.0 |實(shí)驗值.20.81 _20.472.866.5-3.3操作條件對氣化指標的影響46.03.3.1空氣預熱溫度對氣化溫度的影響45.5.中國煤化工在煤樣粒度為20 mm,空煤比為1.6 m2/kg,給煤量為8 kg/h,YHCNMHG16o汽煤比為0.6 kgkg'的條件下，空氣預熱溫度對氣化溫度的影響見(jiàn)空煤比/ (kg.kg'圖3.可見(jiàn)，氣化溫度隨著(zhù)空氣預熱溫度的升高而升高。因為預熱空氣溫度越高，空氣帶入爐內的熱量就越多，爐內溫度也就越高，從而加快了煤的反應速率，使氣化溫度升高，使煤的氣化反圖5. 空煤比對有效產(chǎn)氣率的影routiviFig.5 Efect of air to coal ratio on (CO+H+CH2012年第12期廣東化工第39卷總第236期www.gdchem.com. 125.在空氣預熱溫度為800 C，汽煤比為0.6 kgkg'的情況下，考降低。因此游要綜合考慮I程內系和經(jīng)濟內數選擇. .個(gè) 介適的汽察空煤比對有效產(chǎn)氣率的影響，結果如圖5所示。從圖中可以有煤比問(wèn)出，在開(kāi)始階段，有效產(chǎn)氣率隨著(zhù)空煤比的增加而變大，但隨斤4結論開(kāi)始下降。這是因為空煤比增加，煤燃燒反應增強，使煤層的熱(1)文 章利用Aspen Plus建 立逆流式固定床煤’(化爐的數學(xué)模量蓄儲增多，但是隨著(zhù)空煤比進(jìn)一步增大，多余空氣會(huì )帶走大量到，較好的模擬了煤化過(guò)程，模擬數據與試驗數據吻合較好。的熱量，是有效產(chǎn)氣率降低3.3.4汽煤比對有效產(chǎn)氣本的影響(2)氣化劑溫度是影響煤氣化過(guò)程的重要指標，在模擬溫度范圍內，隨著(zhù)氣化劑預熱溫度的升高，煤氣品質(zhì)以及有效產(chǎn)氣率均有明顯提高。(3)在高溫煤氣化過(guò)程中，所需要的空氣量較少。模擬得出在0.4-'氣化劑溫度固定的情況下，空煤比在1.5,汽煤比為0.5時(shí)候有效戶(hù)“率最高。500-參考文獻49.8-[]T連勇，蔡九菊，李明杰。氣化參數對固定床煤病溫空氣氣化的影響49.6-D]東北大學(xué)學(xué)報，2009， 30(4): 579-581.[2]用紅，蔡九箱，王愛(ài)華， 等.煤高溫氣化數學(xué)模型分析與探討[D].200549.4-年中國鋼鐵年會(huì )年會(huì )論文集，2005， 11: 597-599.49.2-[3]Aspen Technology Company Aspen Plus User Guide[M]. USA: CambridgyUniversity Press, 19949.0-[4]米斌，李政，江寧.等.基于A(yíng)spen Plus建立噴浼床煤氣化爐模型[0].化0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60工學(xué)報，2003， 27，1179-1182.汽煤比(kg . kg")[5]汪洋， 代正華，于廣鎖，等.運用Gibbs白由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化，2004, 27(4): 27-33圖6汽煤比對有 效產(chǎn)氣率的影響[6]朱有健，E定標，周俊杰.固定床煤氣化爐的模擬與優(yōu)化[].化工學(xué)報，Fig.6 ETect of air lo coal raio on (CO+H2+CH4) productivity2011，62(6): 1606-1611.在空煤比為1.5 kgkg'，空氣預熱溫度為800 C的情況下，考(本文文獻格式:原滿(mǎn)，劉亮，田紅，等.基于A(yíng)spen Plus的固盡不同汽煤比對有效產(chǎn)期率的影響。結果如圖6所較小的情況下，雖然有效產(chǎn)氣率比較高，但是產(chǎn)氣量小:汽煤比定床高溫煤氣化模擬[J].廣東化工，2012， 39(12): 123-125)較大又會(huì )導致氣化溫度下降，煤氣品質(zhì)和產(chǎn)氣率下降，氣化性能(上接第127頁(yè))隨著(zhù)Re的增大，Ap明顯增大，且兩臺換熱器的增幅大體相當。在相同Re下，螺旋導流板三維A型針翅片管換熱器的殼程壓降[1]Kral D, Stehlik P, van der Ploeg HJ, et al. Helical bffles in sel-and-ubeAp是螺旋隔板光滑管換熱器的1.2~1.4倍。對比螺旋隔板光滑管heat exchangers(C): Experimental venfication[J]. Heat Transfer Engineering,換熱器的Nu和Op,可以看出，螺旋導流板三維A型針翅片管換1996， 17(): 93-101.熱器的傳熱性能的提高遠高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，[2]Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical三維A型針翅片管具有很好的傳熱強化性能。三維A型針翅片管baffles([J]. Heat Trans fer Engineering, 2002， 23(3); 43-49.的強化傳熱機理為:三維A型針翅片管的外表面積是光滑管的3.2[3]Bergles A E. Enhanced heat transfer: endless frontier, or mature and倍，翅片管外表面積的增加提高了三維A型針翅片管的傳熱性能;routine[J]. Journal of Enhanceci Heat Transfer, 1999， 6: 79-88.另外，由于三維A型針翅片管的翅片呈錯齒狀排列，翅片對管表[4]Zhang Z G，Wang s P，Lin P s. Condensation heat transfer and面油流體進(jìn)行了不規則的切割，極大地破壞了管表面油流體邊界enhancement of nonazeotropic mixtures on petal-shaped finned tubes//Shah R層的形成，激發(fā)了油流體的湍流程度，另外翅片形狀呈A字形，K. Proceedings of the Intermational Conference on Compact Heat Exchangers有利于翅片的放熱，提高了二次傳熱面積的翅片效率，同時(shí)也有for the Process Industries[J]. New York: Begoll House, 1999: 385-388.利于流體在翅片間的流動(dòng)，當潤滑油在三維A型針翅片管外螺旋[5]張正國，余昭勝，方曉明，等.三維翅片管外螺旋流動(dòng)傳熱強化[J].化流動(dòng)時(shí)，油流體可以完全到達齒根部，充分利用了- -次傳熱面積。工學(xué)報，2006, 57(11); 2531-2535.因此螺旋導流板三維A型針翅片管換熱器實(shí)現了流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的[6)Zhang zG, YuZS, Fang X M. An experimental heat transfer study for協(xié)同，從而強化了傳熱。helically flowing outside petal-shaped finned tubes with different geometricalparameters[J]. Applied Thermal Engineering，2007， 27(1): 268-272.[7]ZhangXX, Tang Y, WanZP. et al. Rolling-plowing extrusion of Outside對于螺導流板光滑管換熱器和螺旋導流板三維A型針翅片3Dintegral Fins on the Stainless Steel Tube[J]. Advanced Materials Research管換熱器，隨著(zhù)殼程油流體Re的增大，其N(xiāo)u和壓降Ap也增Volx，2010: 139-141， 1392-1395.大，在相同Re下，螺旋導流板三維A型針翅片管換熱器的Nu[8]TangY, Yuan D, LuLS, et al. Influence of Feed on Spiral Inner Grooves和Op分別是螺旋隔板光滑管換熱器的2.4~2.8倍和1.2~1.4倍。Formation with Ploughing[J]. Key Engineering Materials, 2010: 393-396，與螺旋隔板光滑管換熱器相比，螺旋導流板三維A型針翅片管換熱器的傳熱性能的提高遠高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，三維A型針翅片管具有很好的傳熱強化性能。(本文文獻格式:王真勇，張正國，吳炳權.三維針翅片管在螺旋板換熱器應用傳熱強化研究[J].廣東化工, 2012, 39 (10): 126-127)(上接第137頁(yè))[2]于靜江，周春暉.過(guò)程控制中的軟測量技術(shù)[].控制理論與應用，1996，3011);: 61-67.13(4); 137-144.中國煤化工[3]錢(qián)伯章、世紀之交的石油化1.自動(dòng)化技術(shù)[J].石油化工出版社，1999(本文文獻格先進(jìn)控制技術(shù)在聚乙(3): 2-7.[4]朱學(xué)峰.軟測量技術(shù)及其應用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2003,烯裝置中的應MYHCNM. HC成進(jìn)控制技術(shù)