李文军，项友谦，苏倩倩，魏家骏

(1.华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 101601；2.中国市政工程华北研究设计院，天津 300074)



李文军1，项友谦2，苏倩倩1，魏家骏1

(1.华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 101601；2.中国市政工程华北研究设计院，天津 300074)

0 引言

我国煤炭资源丰富，在工业生产中，以煤气化为基础的化工和能源系统占有着很大的比重。煤气化技术相对于煤炭的直接燃烧，大幅提高了资源的利用率，并达到减排的效果，实现了煤的清洁转化。但煤气的燃烧过程会排出大量的CO2等温室气体，不利于环境保护，加剧温室效应。然而CO2本身含有气化过程必需的碳、氧资源，若采用CO2作为煤气化系统的气化剂，不仅可以有效利用CO2，而且可以减少CO2排放，实现节能减排的目标。

∑Ei,in=∑Ei,out+El

η=∑Ei,out/∑Ei,in

Ef=Ql(1.0064+0.1519H/C+0.0616O/C

+0.0429N/C)

符号意义：

H—焓,摩尔焓, 焓流率；

T—开尔文温度(或绝对温度)；

S—熵,摩尔熵, 熵流率；

Ql—燃料低位发热量；

RM—通用气体常数。

2 煤气化模拟系统建立及模拟

2.1 模拟系统的建立

基于ASPEN PLUS平台建立煤气化炉模型时，将煤气化过程理想地分为煤热解和煤气化两个阶段，用RYIELD模块模拟煤热解过程，用RGIBBS模块模拟煤气化过程，热解和气化所需热量均由煤燃烧供应。气化过程中常规物质选用PR-BM物性方法模拟；煤和灰渣是非常规物质，两者的焓均用HCOALGEN模型计算，密度用DCOALIGT模型计算[6]；焦油为混合物，在模拟时用C6H6近似计算[7]。模拟流程见图1。

图1 煤气化模拟系统

2.2 模拟计算

采用山西宁武5号煤进行模拟计算，煤的工业分析与元素分析见表1，Aspen Plus煤气化炉模拟操作参数见表2，气化剂工艺参数见表3，模拟计算结果见表4、表5和表6。

表1 煤的工业分析和元素分析

工业分析(%)元素分析(%)MarAarVarFCCarHarOarNarSar低位发热量(MJ/kg)10 8030 8922 3435 9744 402 959 610 890 4516 61

表2 气化炉模拟参数

模块操作温度(℃)操作压力(atm)处理煤量(kg/h)RYIELD100016RGIBBS130016

表3 气化剂工艺参数

温度(℃)压力(atm)流量(Nm3/h)气体组成(%)CO2H2OO2150180 250 350 40

表4 模块模拟结果

模块吸收热量(kJ/h)模块吸收热量(kJ/h)RYIELD92143 65RGIBBS30358 53

表5 热解产物产率

热解产物兰炭焦油CO2COH2CH4C2H4H2SN2产率(%)80 164 551 587 071 622 820 730 471 00

表6 煤气化模拟结果

项目气化煤气组成(%)H2OCO2COH2H2SN2温度(℃)流量(Nm3/h)模拟结果11 09 155 623 60 20 5130010 55

3 气化系统的分析

表7 煤气化系统量计算

输入流量(kJ/h)输出流量(kJ/h)煤102718 09煤气118277 79气化剂411 92——输入热量95170 03——输入总计198300 04输出总计118277 79

表8 气化过程效率

模块输入流量(kJ/h)输出流量(kJ/h)损失(kJ/h)效率(%)RYIELD173283 26112126 1561157 1264 71RGIBBS137142 93118277 7918865 1386 24

3.3 操作条件优化

图2 气化温度对效率的影响

3.3.2 气化剂中CO2的含量

图3 气化剂中CO2的含量对效率的影响

3.3.3 气化剂预热温度

图4 气化剂预热温度对效率的影响

4 结论

[1] 余渝,韩敏芳.以CO2和H2O为气化剂的煤焦气化模拟[J].洁净煤技术,2014,20(1):54-58,124.

[2] 佟芳芳.含CO2气化剂煤气化反应的研究[D].西安石油大学，2013.

[3] 彭锦.CO2气氛下高灰分劣质煤气化特性研究[D]. 重庆大学，2012.

[4] 张力,彭锦,杨仲卿. CO2气氛下劣质煤气化及动力学特性实验研究[J]. 热能动力工程， 2012，03：336-341.

[6] 张宗飞,汤连英,吕庆元,等. 基于Aspen Plus的粉煤气化模拟[J]. 化肥设计， 2008，3：14-18.

[7] Aspen Plus. Aspen plus model for moving bed coal gasifer [M]. Aspen Technology, Inc. ,Cambridge,MA,2010.

Exergy Analysis of Coal Gasification Process Under CO2-O2/H2O Atmosphere

LI Wen-jun1,XIANG You-qian2,Su Qian-qian1,WEI Jia-jun1

(1.SchoolofEnvironmentEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China;2.NorthChinaMunicipalEngineeringDesign&ReseachInstitute，Tianjin,300074，China)

This paper investigated the simulation of coal gasification system Under CO2-O2/H2O atmosphere. Using ASPEN PLUS to simulate exergy efficiency and exergy losses situation of the coal gasification system, it investigated the gasification temperature, carbon dioxide levels and the preheating temperature of the gasifying agent etc. factors on exergy efficiency. The results show that: When the gasification temperature was raised from 800℃ to 1400℃, exergy efficiency was raised from 76.31% to 88.49%; with the CO2content in gasification agent increased, exergy efficiency of gasification process first and then increased, after CO2content increased to 12% , the gasification process exergy efficiency persistently elevated, the CO2content in the gasification agent of 45% to 48%,the effective gas content reached the highest value 79.41%; The preheating temperature The preheating temperature of gasification agent has little effect on the exergy efficiency.

CO2;coal gasification;Aspen Plus;simulation;exergy analysis

2016-02-15

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015025,3142015089)

李文军(1974-)，男，江西南昌人，博士，华北科技学院环境工程学院讲师，研究方向：煤化工。E-mail:ucginfo@163.com

TQ533

A

1672-7169(2016)02-0051-05