基于A(yíng)spenPlus的水煤漿氣化模擬

廣東化工2012年第18期www.gdchem.com第39卷總第242期基于 Aspen Plus的水煤漿氣化模擬肖祥,周臻,黃歆雅(長(cháng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南長(cháng)沙410004)[摘要]文章以過(guò)程模擬軟件 Aspen Plus為工具,建立了以純氧為氣化劑的氣流床煤氣化的數學(xué)模型,模擬計算了 Texaco氣化爐的制氣過(guò)程;并利用該模型模擬研究了氧煤比和水煤漿濃度對煤氣化指標的影響。結果表明:水煤漿濃度和氧煤比是影響水煤漿氣化過(guò)程和出口煤氣成分的主要因素,同時(shí)提出了提高出口煤氣有效成分(CO+H)的措施[關(guān)鍵詞] Aspen Plus: Texaco氣化爐;氧煤比:水煤漿濃度;模擬中圖分類(lèi)號]TQ545[文獻標識碼]A文章編號]10071865(2012)18-002203Coal-Water-Slurry Gasification Simulation Based on Aspen PlusXiao Xiang, Zhou Zhen, Huang Xinya(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 entrained bed coal gasifiers with pureoxygen as gasification agent. The gas making process of Texaco gasifier was simulated. Oxygen-coal ratio and coal-water-slurry concentration was simulated basedn the model. The results showed that coal-water-slurry's concentration and oxygen-coal ratio were the main factor which greatly effected CwS gasification processand composition of raw gas at exit, gether with ways of raising the percentage of effective components(CO+H2)in the delivered coal gasKeywords: Aspen Plus: Texaco gasifier: oxygen-coal ratio: coal-water-slurry's concentration: Simulation我國礦物能源以煤為主,到2CmHn+(m+n/4)O2=mCO+(n/2)H2O占60%左右。而煤的低效率燃燒以及污染排放嚴重是我國煤炭利CmHn+(m/2)O2=mCO+(n/2)H2煤炭資源,對于促進(jìn)能源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展,滿(mǎn)足國民經(jīng)濟快速穩2C0+02=2C022H2+Or 2H2OCH+202=2H20+CO定發(fā)展需要,具有極其重要的戰略意義。而煤氣化技術(shù)作為潔凈122固體顆粒與氣化劑氧氣、水蒸氣間的反應煤技術(shù)的重要組成部分,能夠很好得實(shí)現煤的高效燃燒,同時(shí)最在高溫條件下,半焦中的固定炭或脫除揮發(fā)分的煤粉顆粒與大限度地減小污染物的排放。氧氣、水蒸氣進(jìn)行氣化反應:為了充分利用我國豐富的煤炭資源發(fā)展煤化工,自80年代開(kāi)+O=CO始,我國就引進(jìn)了 Texaco水煤漿氣化裝置,用于生產(chǎn)甲醇與合成C+O=2CO氨,現已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。同時(shí)由于 Texaco氣化爐的運行條C+HO=H+CO件較為苛刻,爐內的反應過(guò)程較為復雜,因此數值模擬已成為預C+2H20=2H+CO測 Texaco氣化爐氣化特性的有效手段。為了更好地提高煤氣化效12.3生成的氣體與固體顆粒間的反應率,完善 Texaco水煤漿氣化技術(shù),我國許多學(xué)者都對這一領(lǐng)域進(jìn)高溫條件下,半焦顆粒與反應生成氣的反應行了相關(guān)研究。李政口提出建立完整的小室模型,該模型能夠對C+CO,=2C0航動(dòng)過(guò)程。文獻[3運用Gibs自由能最小化方法建立了氣流床煤氣C+2H2=CHa化爐的模型研化爐的主要操作參數對氣化結果的影響。文+軌獻[45]分別采用簡(jiǎn)化概率密度函數 DPM UDF,PDF模型對Texaco氣化爐進(jìn)行了數值模擬,并分析了煤漿濃度等操作參數對氣化過(guò)程的影響。文獻[7采用 Eulerian-Lagrangian方法模擬Texaco氣化爐內復雜的氣固兩相流運動(dòng),著(zhù)重研究了氧煤比對氣化性能的影響文章基于 Aspen Plus強大的模擬功能,借助 Aspen Plus軟件建立了τ exact水煤漿氣流床煤氣化的模擬模型,考察不同氧煤比和水煤漿濃度對氣化性能的影響,并將模擬結果與實(shí)驗數據進(jìn)行比較,分析操作參數變化對氣化指標的影響,為工業(yè)氣化爐的運行提供理論依據1水煤漿氣化過(guò)程分析1.1 Texaco氣化爐Texaco氣化爐是典型的氣流床煤氣化爐,水煤漿和純氧(氣化圖1 Texaco氣化爐結構(m劑)經(jīng)爐膛頂部外混式三通道噴嘴高速?lài)娙霘饣癄t內,充分反應后Fig. I Schematic structure of Texaco gasifier(unit: m)生成的渣和合成氣從爐底排出。圖1是 Texaco氣化爐結構示意圖。1.2氣化機理氣流床氣化過(guò)程實(shí)際上是水煤漿在高溫下的相熱化學(xué)反應過(guò)2 Aspen plus模擬模型的建立程,整個(gè)反應過(guò)程非常復雜,有可能進(jìn)行的化學(xué)反應很多,大致根據 Texaco爐的工藝與反應機理,需要考慮以下假設條件(1)爐內流動(dòng)為平推流,不考慮各相的動(dòng)量守恒1.2.1水煤漿的干燥、裂解及揮發(fā)物的燃燒氣化(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)不由于爐內溫度很高,水煤漿被速度加熱,其中的水分瞬間快變速蒸發(fā),同時(shí)煤顆粒中的揮發(fā)份迅速脫除,生成半焦和氣體產(chǎn)物(3)維假設,假設氣體在徑向無(wú)濃度和溫度梯度CO、H2、CO2、H2O、CH4、H2S及其他碳氫化合物CmH),該過(guò)(4)煤顆粒表程吸收熱量。在氧氣充足的條件下,氣體產(chǎn)物中的可燃成分迅速(5)軸向流中國煤化工與氧氣發(fā)生燃燒反應,同時(shí)釋放出大量的熱,用以維持氣化反應21物性方法的持續進(jìn)行。其中可能發(fā)生的反應有:用 AspenCNMHG涉及的組分分成非常規組分和常規組分這兩大類(lèi)。定義煤為非常規組分[收稿日期]2012-11-15[作者簡(jiǎn)介]肖樣(1986-),男,湖南衡陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向為煤的清潔燃燒與燃燒過(guò)程的數值模擬。2012年第18期廣東化工第39卷總第242期www.gdchem.com23Nonconventional)非常規組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓以及密表1煤的工業(yè)分析度模型( Enthalpy and Density),模型名稱(chēng)選用常用煤的焓模型Tab 1 Pro( HCOALGEN)與煤密度模型( DCOALIGT)。采用 RK-Soave方程來(lái)計算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)。文章將要計算的氣流床煤氣化工藝煤的工業(yè)分析M是在高溫、高壓下進(jìn)行的,氣化產(chǎn)生的組分多為輕氣體,因此選FRK-Soave比較合適的。煤的元素分析2.2流程模擬模型的建立Texaco氣化工藝主要是由水煤漿制備,煤的氣化及氣化產(chǎn)物處理三部分組成。針對該三個(gè)流程段,用 Aspen Plus流程模擬軟件69.27對其進(jìn)行仿真模擬,其流程如圖2所示:首先,煤和水按一定的配其操作條件為:水煤漿流量為100kgh,煤漿濃度為64%;氧成水煤漿(物流 SLURRY,經(jīng)過(guò)梨(PUMP增壓到氣化所需的壓力,氣流量為6016kg:化壓力為40MPa(4MPa),進(jìn)入一個(gè)分解模塊 DECOMP, YIeld類(lèi)型),將非常32 Aspen Plus模擬計算結果規固體煤按照質(zhì)量平衡分解為常規的組分(在模塊出口煤中各元Aspen Plus模擬計算結果見(jiàn)表2。素均以單質(zhì)形式出現),然后在氣化爐 GASIFIO( RGibbs模型)中進(jìn)行氣化反應,得到各反應平衡時(shí)的氣化產(chǎn)物,接著(zhù)反應得到的氣表2模擬值與實(shí)驗值比較離下來(lái),并沉降在激冷室底部,隨后進(jìn)人渣灌,由排渣系統定時(shí)ab.2 The co排放,分離出來(lái)的煤氣再進(jìn)行除灰,脫硫就得到較純凈的煤氣。模擬值43.326.510.37Aspen Plus中的煤氣化流程圖如圖2所示文獻值42.83.3操作條件對氣化指標的影響3.3.1水煤漿濃度對氣化結果的影響g自自在文章中,氣化爐已經(jīng)給定,則氣化爐的結構參數,氣化壓力已經(jīng)確定。而氧煤比決定了氣化溫度的大小,則煤漿的濃度成為影響氣化爐氣化溫度的關(guān)鍵因素。因此在模擬中需要選用不同濃度的煤漿濃度來(lái)分析其對氣化指標的影響。表3中列出了不同煤漿濃度下的模擬計算結果,從中可以看出,從60%增加到70%氣化爐內平均氣化溫度變化較大,從1597K上升到1732K,而且圖2 Texaco氣化爐模擬計算流程Fig2 Simulation flow chart of Texaco gasifier減少水分,從而導致?tīng)t溫度升高。溫度升高,使煤氣化反應加強,3 Aspen Plus模擬的結果與討論有利于H2濃度的升高,同時(shí)由于水分的減少,水煤氣反應有所削弱,在兩者的共同作用下,H2含量基本不變。同時(shí)由于溫度升高3.1主要工藝參數CO2還原反應增強,從而導致CO增CO2減少。因此水煤漿濃煤的工業(yè)分析與元素分析見(jiàn)表1。度的升高導致?tīng)t內溫度上升,CO濃度增加,水蒸氣濃度下降H2濃度變化不大,總的煤氣有效成分增加。見(jiàn)圖3表3不同水煤漿濃度下的氣化結果Tab. 3 The gasification result of different CwS concentration水煤漿粗煤氣成分/vol,%濃度溫度℃N2 CH O HS CO+H159741.730.11.2618.970.1469014210.6169.5010.37691675170425.9317.371.981.2617460.14·-CO含量一H2含量總含量100CO含量4CO+H總含量- A-CO1650162→160060%62%64%66%93%94%95%水煤漿濃度圖3水煤漿濃度的變化對氣化結果的影響Fig 3 Effect of CWS concentrations changes on gasification result中國煤化工向Fig 4 Effecton resul從圖3可以看出,在氧煤比一定的情況下,隨著(zhù)水煤漿濃度的CNMHG提高,有效產(chǎn)氣率也越來(lái)越高。因此在保證氣化爐不超溫的前提在保持其他操作參數個(gè)變的情況卜,改變氧氣的流量,使氧下,可以盡可能地提高水煤漿濃度以得到更高的有效氣成分。3.3.2氧煤比對氣化結果的影響4和圖4所示。從表中可以看出氧煤比對出口煤氣的成分影響很大廣東化工2012年第18期www.gdchem.com第39卷總第242期氧煤比增加,導致燃燒反應加強,氣化爐溫度升高,更多的CO和越低,出口(CO+H2)所占粗煤氣的組成比例越大,氣化溫度也迅H2被燃燒反應消耗,但CO和H2的絕對量是增加的,同時(shí)由于反應速降低。但是氧煤比也不能被無(wú)限制地降低,否則將影響到氣化加劇,碳燃燒轉化為CO2的量有所增加,水蒸氣含量也相應增加爐的液態(tài)排渣。因此,在不影響氣化爐液態(tài)排渣的前提下,應盡了,從而導致H2和CO的相對含量降低。從圖4可以看出,氧煤比可能地降低氧煤比,可以有效的提高出口煤氣效率。表4不同氧煤比下的氣化結果粗煤氣成分/wol溫度/℃CO,HO H2S川H2174942.9810.6217.960.1470.3392171243.0910.5318.330.1470.069343.1801018.5543,3026.5010.2669.6769454結論entrained flow gasifier[J]. Combust Theory and Modelling, 2001, 5(4)文章利用 Aspen Plus軟件建立了水煤漿氣化爐的模型,在作合595608型計算結果較為可靠。從模擬計算的結果來(lái)看,水煤漿濃度與氧煤氣化爐門(mén)煤炭轉化斧等.運用Gibs自由能最小化方法模擬氣流床理簡(jiǎn)化的前提下,進(jìn)行了模擬計算,其結果與文獻數據相符[3]汪洋,代正華,于廣鎖20044):28-334于海龍,趙翔,周志軍,等煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數值模擬門(mén)中都隨著(zhù)水煤漿濃度的增加而增加,同時(shí)氣化爐溫度隨著(zhù)氧煤比濃(5阿特,馮需,董紹平,等,德士古渣油氣化爐的數值模擬,高?；虼?在保證能夠順利泵送和良好霧化效果以及合適的碳轉化率學(xué)工程學(xué)報,2001,15(6):526-531和爐溫不超過(guò)正常范圍的前提下,應盡量提高煤漿濃度,同時(shí)應[6吳玉新,張建勝,王明敏,等.用簡(jiǎn)化PDF模型對氣化爐運行特性的分在保證氣化溫度高于灰熔點(diǎn)至少、氣化爐能夠順利排渣的前提下析[門(mén),中國電機工程學(xué)報,2007,2732):57-62]陶明春,杜敏,郝英立,氧煤比對氣流床煤氣化過(guò)程的影響[.熱科學(xué)盡量降低氧煤比只有這樣才能達到最大限度地提高出口煤氣有與技術(shù)學(xué)報,201092)1718[8]趙曉,李建偉,基于 Aspen Plus比較 Texaco氣化技術(shù)門(mén).第五屆全國化工年會(huì )論文集[C,第五屆全國化工年會(huì ),西安,2008.參考文獻[李政,王天驕,韓志明,等. Texaco煤氣化爐數學(xué)模型的研究一建模部(本文文獻格式:肖祥,周臻,黃歆雅.基于 Aspen Plus的水煤漿分門(mén),動(dòng)力工程,2001,21(2):1161-1168.氣化模擬[J.廣東化工,2012,39(18):22-24)[2]LIU XJ, ZHANG WR, PARK T J. Modelling coal gasification in an(上接第26頁(yè))當pH調為8時(shí)就得到了標題配合物,其中一個(gè)單核銅結構春:東北師范大學(xué),2008單元的配位方式和報道的配合物相似,而另一個(gè)單核銅單元中[8]費寶麗,李雯,燕慶玲,等,脫氫樅基一稀土配合物的合成、表征及其的兩個(gè)磺酸基氧原子均參與了配位,據我們所知,這種情況并不與DNA的相互作用,林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2012,2(1):1-7多見(jiàn)?？梢?jiàn),溶液的pH對磺酸基O的配位性能影響較大,在此配9許海南,劉文奇,彭麗芬,等.含水四氫呋喃中二茂鈦全氟辛基磺酸配體中,當pH升高時(shí),磺酸基氧原子的配位能力增強,使中心金屬合物催化鋅粉還原二硫醚及其在合成硫代酸酯中的應用[,有機化學(xué),20離子的配位數增大。11,31(10):1719-1722[10JCHANDLER B D, CRAMB D T, SHIMIZU G K H, et al. Micro參考文獻porous Metal-Organic Frameworks Formed in a Stepwise Manner from Iuminescent Building Blocks[JJ. Am Chem Soc, 2006, 128(32): 10403[cAI J W, CHEN C H, FENG X L, et al. A novel supramolecularsynthon for H-bonded coordination networks: syntheses and structures of12.xtended 2-dimensionaL cadmium(II)arenedisulfonates[J]. J Chem Soc, D[張輝,趙鴻斌,陸旭甲,等,水溶性磺酸鈉苯基卟啉及其金屬配合物alton Trans.2001:2370-2375共價(jià)與非共價(jià)修飾多壁碳納米管的研究門(mén),化學(xué)學(xué)報,201169(3)316DELGADO S, MOLINA-ONTORI A, MEDINA M E, et al. An unexpectedsulfinate-sulfonate mixed coordination polymer of copper( Il)J].I2]史娟.白楊素6-磺酸根與AL(D配位作用及熒光性能的研究門(mén)有機norganic Chemistry Communications, 2006. 9: 1289-1292匕學(xué),2011,31(2):35-238[3]XIAO H P, LIU B L, LIANG X Q, et al. Synthesis and crystal str[3]歐陽(yáng)淼,基于磺酸類(lèi)席夫堿鋅、鎘配合物的 TG-DTG和熒光性質(zhì)研uctures of manganese( ll) complexes with the ligands from in situ ov s f河池學(xué)院學(xué)報,201,31(5:525[14劉光祥,黃榮誼,任小明,等.物{ Cd(bpds)(bp)2]2H2O}n的水熱onof2 mercaptonanicotinic acid[n]. Inorganic Chemistry Communication合成、晶體結構和熒光性質(zhì)研究.無(wú)機化學(xué)學(xué)報,2010,269):1680s,2008,11(1):9-43[4]HU S, HE K H, ZENG M H, et al. Crystalline-State Guest-Exche and Gas-Adsorption Phenomenon for a"sof" Supramolecular Porous F[5歐陽(yáng)淼,蔡成翔,趙志愿,等.一種雙核銅配合物Cu()OBsP)4,ramework Stacking by a Rigid Linear Coordination Polymer[. Inorg Ch4 py) (H2O)(LOb}的合成,晶體結構及表征門(mén)人工晶體學(xué)報,20em,2008,47(12):5218-5224[16JYANG GG, OU-YANG M, MENG X J, et al. Bis[2-(2-pyridyLmeI5JOU-YANG M, HUANG X R, ZHANG Y L, et al. Bis[2-(2-pyridyl thyLene-amino) benzenesuLfonatol-K3 N, N, O: K2 N, N-copper(IDU. Amethy Lene-amino)benzenesulfonato-k3 N, N,, O]cadmium( Il )dehydratecta Cryst, E65, 2009, m120[J]. Acta Cryst, E64, 2008: 461[6Li J X, JIANG Y M, LIAN B R, et al. Syntheses and Crystal Stru(本文文獻格式自A物[n,自)][Cu①L)2]QHOHctures of Two Cu ll Coordination Isomers (Cu(pmt)]4 H0() and I[C3H0的合成和中國煤化工39(18):25-26)u(pmt)22 H2On[J]. J Chem Crystallog, 2008, 38: 711-715.[7張勝東,以杯[4磺酸鈉為構筑塊的配合物的合成及晶體結構研究[D]長(cháng)CNMHG