煤基多联产中两种煤气化工艺的模拟与性能比较

2015-03-23于洪伟神华新疆吐鲁番煤化工有限责任公司新疆吐鲁番10010

化工管理 2015年3期

于洪伟（神华新疆吐鲁番煤化工有限责任公司，新疆吐鲁番10010）

于洪伟（神华新疆吐鲁番煤化工有限责任公司，新疆吐鲁番10010）

煤基多联产的研究与应用大幅提高了化工产品的附加价值，并有效促进了我国工业产业的发展。本文以煤基多联产中的Texaco与Shell气化工艺作为研究对象，通过对煤基多联产与煤气化工艺的概念进行阐述，通过建立模型的方法，从多方面多角度对两种工艺的模拟与性能展开了深入研究。

煤基多联产；煤气化工工艺；Texaco气化工艺；Shell气化工艺

前言

通过借助Apsen Plus的相关模拟功能，建立Texaco与Shell气化反应的模型，通过对量汇总煤气化工艺的过程进行模拟，进而从有效气体、无效气体以及冷煤气率等方面比对了两种工艺的性能，进而为煤基多联产中的煤气化数据的确立提供参考。

一、煤基多联产与煤气化工艺简述

所谓煤基多联产是指利用从气化炉等单一设备产生的CO与H2的合成气体来从事跨部门与跨行业的多方生产，进而促使化工产品与液体燃料具有高附加值的一项大型煤气化技术。作为实现煤清洁利用的最为有效的方式，煤基多联产不仅可以提高煤的利用效率，而且对于高附加值产品的制备也具有重要促进作用［1］。而煤气化工艺则是以煤作为主要燃料，通过借助纯氧或水蒸气等气化介质，在一定的温度与压力下，令煤在介质作用下进行部分氧化反应，进而将其中所含的碳、氢物质转化为CO、CH4、H2等气体产物主要成分的反应过程［2］。

二、模型建立

1.模型简述

气化过程的模拟主要可分为化学动力学模型与反应平衡模型，但由于前者虽然可以将炉内的气化过程如实反映出来，但由于建模过程相当复杂，且通用型较差，因此，并不适合于煤气化工艺的模拟。而反应平衡模型则是以热力学为基础，在保持较好的通用性的基础上，其操作方法也较为简单，可以对碳转化率较高的工矿进行准确预测，因此，选取反应平衡型模型用于模拟煤气化工艺。利用Aspen Plus对煤气化炉的模拟使得假设条件进行建立，具体条件为：（1）气化炉内并不存在压力、温度梯度，各处压力与温度均相同；（2）气化反应速度较快并达到了反应平衡，各项参数处于稳态；（3）炉内物料颗粒均匀且无明显差异；（4）炉内气化剂和煤的反应是在瞬间完成的；（5）原煤中的灰分均为惰性物质，并不参加气化反应。

Texaco水煤浆气化炉模拟的计算模型主要包括了水煤浆的制备与供应部分及其加压的输送部分、气化炉的Gasifier模块与供应氧气与实现氧气加压的的COMB模块和COMP模块。水煤浆的制备系统主要是由Mixer、Mix1、Mix2、Screen等模块构成的，从而制备出满足实验浓度与粒度要求的水煤浆。将Pump设定为水煤浆的加压泵，进而将其加压至反应所需压力，利用物料分解模块COM将煤进行单元素分子的分解，并将分解过程中产生的裂解热导入后续气化模块［3］。Gasifier是模拟软件Plus中RGbbis的平衡反应器模型，可以利用其求得气化炉出口处煤气的主要成分与温度。

Shell粉煤气流床气化炉计算模型主要包括了干煤粉的制备及输送部分、供应氧气与对氧气施压的COMB和COMP模块以及水蒸气供应与气化炉的Gasifier模块。其中，干煤粉的制备系统主要由Mixer、Crusher和Screen等部分构成，从而制备出粒度满足实验要求的干煤粉。而Shell气化炉计算模型中的Combd和Comp模块以及Gasifier模块的设定与Texaco水煤浆炉内气化模型相同。

2.参数设定

Texaco水煤浆气化模型反应物料的设定参数为：氧量为70.5kg/h；煤69.1kg/h；水31.1kg/g；水煤浆的粒径与氧气纯度分别为d≤100um和p≥95%。而Shell粉煤气化炉经干燥煤粉作用后，水分仅为2%，并采用氮气（N2）进行输送。将粉煤气化炉内的物料参数设定为：煤62.3kg/h；压力为13.3MPa；汽煤比0.11；供氧量为57.5kg/h［4］。Texaco与Shell气化炉的模拟计算采用多种煤种，Texaco气化物料为水煤浆，粉煤气化物料为经干燥处理后的煤粉。

三、结果分析

1.气化性能指标

随着水煤浆浓度的不断增加，炉内H2含量基本保持不变，CO含量增加，故有效气体即CO+H2的含量增加。在合成气中，水蒸气与CO2的含量不断降低，主要原因为水煤浆浓度增加使得Texaco工艺下，气化炉内的水分不断减少，而水分气化的潜热降低了其自身对炉内燃烧反应所需热量，降低了氧耗量，故CO2含量下降。此外，水煤浆浓度的增加也使得冷煤气的效率不断提高。

2.不同因素对气化性的影响

（1）水煤浆浓度

作为实际工业生产中的重要参数，水煤浆浓度对于工业性能具有重要影响。水煤浆浓度为：煤的质量/（煤的质量+水的质量），因此，在保持煤和氧气流量不变的条件下，可通过改变水的流量来改变水煤浆浓度。当水煤浆浓度不断升高时，合成气的热值也随之升高，主要原因为合成气中CO与H2含量增加。故在确保气化炉内的各项参数均满足相关参数要求的基础上，在成浆性允许范围内，尽可能地增加水煤浆浓度，可以有效提高合成气中有效气体的含量，进而使得气化工艺获得较高的冷煤气效率及热值，在实际生产中被工厂认可。

（2）氧煤比

研究氧煤比对气化性的影响，对于水煤浆气化炉，应以同类煤作为计算对象，将温度设置在1370℃并保持不变，气化压力与煤耗分别为2.65MPa和69.1kg/h，在保证水煤浆浓度不变的前提下，改变O2的流量，进而达到改变炉内氧煤比的目的。对于粉煤气化炉，将气化温度设置在1500℃并保持不变，气化压力与煤耗分别为2.76MPa和62.5t/h，调节氧气流量从而改变氧煤比。

通过实验得知，通过提高氧煤比，两种气化炉合成气中的CO和H2均有所下降，但合成气中的水蒸气与CO2的含量均有所增加。具体原因为随着流入O2含量的不断增加，同数量的煤所获O2超过了炉内气化作用所需O2的化学当量比，使炉内的燃烧反应持续性增强，进而使部分CO与H2被反应后的剩余O2所消耗掉，增加了合成气中水蒸气与CO2的含量，在实际操作中有指导意义。

四、两种煤气化工艺的性能比较

比较Texaco气化工艺和Shell气化工艺两种工艺下气化炉中的有效气体、无效气体、碳转化率以及冷煤气效率和氧耗率与煤耗率，结果如下：（1）在有效气体方面，Texaco气化炉与Shell气化炉中的有效气体即CO和H2的含量分别为84%和90%。由此可知，与水煤浆气化炉相比，煤粉气化炉中有效气体的含量较多；（2）对于两种工艺下产生的无效气体，Shell气化炉合成气中的无效气体即CO2与水蒸气（H2O）的含量仅为2.9%，而Texaco气化炉中无效气体的含量则高达16%。由此可知，Texaco工艺下所产生的无效气体较多，不利于生产。因此，对于应用Texaco气化炉进行工艺生产的企业而言，需要对其显热回收过程进行合理配置，从而降低水蒸气凝结潜热而带来的生产损失；（3）在碳转化率方面，由于干粉炉的气化温度较高（约为1500℃），而Texaco气化炉的温度只有1300℃左右，因此，Shell工艺下的碳转化率要高于Texaco工艺的气化炉碳转化率；而对于冷煤气效率而言，Shell气化炉也以其82%的冷煤气率远远高于Texaco气化炉的71%的冷煤气率；（4）在氧耗率与煤耗率方面，Shell气化炉的氧耗率（348m3·（10m）-3）与煤耗率580（kg·（10m）-3）均低于Texaco气化炉的氧耗率（416m3·（10m）-3））与煤耗率651（kg·（10m）-3）。

五、结语

本文通过对煤基多联产与煤气化工艺的概念进行阐述，进而建立了Texaco和Shell气化工艺的模型，并从水煤浆浓度与氧煤比等方面研究了不同因素对气化性的影响。经分析得知，Shell气化工艺在有效气体、碳转化率等方面均高于Texaco气化工艺，而在无效气体与氧耗率与煤耗率等方面又低于Texaco气化工艺，这是理论方面的结论。但实际生产中Shell气化设备多，投资大，没有备用气化炉，长周期生产不容易保证。我国内实际运行20台左右，经济效益不好。Texaco气化设备少，投资少，有备用气化炉，检修量大，虽然氧耗，煤耗高8%左右，碳转化率低1.5%，但长周期运行有保证。我国内实际运行70多台，经济效益良好。经济效益是企业生存的根本，因此应从实际出发，目前看Texaco气化工艺更适合我国。

［1］张进春.气流床煤气化工艺性能稳健优化与控制研究［D］.长沙：中南大学，Texaco气化2011.

［2］黄桃花.两段组合式煤气化炉优化及流程模拟［D］.上海：华东理工大学，2011.

［3］朱赟.气流床煤气化模拟中反应动力学参数的优化研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［4］崔勇.煤层逆向燃烧气化机理及工艺过程模拟研究［D］.北京：中国矿业大学，2014.置，一般而言，检测点应抽取建筑单体中具有代表性的房间，数量不小于房间总数的5%且应大于3间，当总数小于3间，应对其全部监测；在检测点数目设计上，一般而言50㎡以下房间设定1个，50—100㎡设计2个，100—500㎡应多于3个，500-1000㎡多于5个，当大于1000㎡需要保证每200-300㎡最少有1个检测点；检测点位置的选择应避开通风口和通风道，采用对角线、梅花状等方式均匀分布，并采用检测结果的平均值。其次，在时间选择上需要进行把握，通常而言，对于竣工的民用建筑，应该最少在工程完工7天后进行环境质量验收，并对厨房、卫生间进行闭水试验；当进行室内甲醛、苯、氨以及TVOC物质的检测时，采用自然风的建筑工程需要在所有门窗关闭1h后进行，而采用集中空调的需要在空调正常运转下进行检测；而对于氡的监测，与甲醛、苯等的检测基本相同，只是采用自然风的建筑工程需要在所有门窗关闭24h后进行。

（2）检测项目的确定

在样品的检测过程中，大多样品只能进行一次检测，尤其是与化学试剂反应的样品，因此，需要根据样品选择不同的检测项目。根据GB18883—2002室内空气质量标准规定，需要对含有物理性、化学性、生物性以及放射性污染的项目进行检测，而化学性污染物除了甲醛、苯、氨、TVOC等有毒性物质外，还包括二氧化硫、二氧化碳以及可吸入颗粒物等13项化学性污染物质［5］。

3.特定目的室内环境监测

在某些室内环境监测时，除了常见的污染源和空气质量监测外，还需要进行一些特定目的的监测，以实现对室内环境更加全面的监测。以通风换气为目的的室内环境监测时，其监测内容是室内环境的新风量或换气次数情况，其目的是为了通过科学可行的措施来提高室内空气的质量。