胡庆桥

(贵州东华工程股份有限公司，贵州 贵阳 550002)

我国具有十分丰富的煤炭储量，是世界上煤炭第一生产大国[1 ]，随着科技的发展，煤炭下游产品逐渐的增加，除传统合成氨工艺外，以合成气为原料的醇、烃等下游产品的大量产业化为传统的煤化工注入了新的活力[2]。而随着国家对环保、能耗不断提出新的要求，研究和发展清洁、低耗、高效的煤化工技术也成为企业和国家的不断发展的需求[3]。

目前对煤炭资源可以概括为两大类，其中一类为直接使用煤的热能，另一类以煤为原料转化制备其他清洁能源及化工产品。煤的转化方式有多种，其中气化是众多手段中最为成熟有效的转化手段，大量的煤化工行业均建立于煤气化的基础上。

1 干粉煤气化操作条件的确定

煤气化是以煤为原料，通过各类气化剂将煤或煤焦转化为生产所需要的气体混合物[4]，根据煤气化工艺不同，煤气化技术可以分为固定床煤气化技术、流化床煤气化技术、水煤浆气化技术和干粉煤气化技术。由于干粉煤气化技术具有气化强大、单炉生产能力大、对煤质的适应性广等优点，且由于氧耗低、煤利用率高、有效气含量高，十分适用于合成氨及煤制甲醇工艺[4]。由于不同产地煤质相差较大，为探究不同煤质对气化性能的影响，根据文献[5]选用不同产地的煤进行气化研究，其组成如下表1。

表1 不同煤质的工业分析与元素分析

由于粉煤气化工艺要求粉煤中含水量低于2%，故在设计水份大于2%的煤均需要干燥处理，取干燥后水份Mad为2%，气化要求煤气输送密度为400kg/m3左右，常用的气化载气有N2和CO2，可根据煤气化产品差异选择，如煤气化最终产品为氨，则采用N2为载气，若最终产品为甲醇则可以采用CO2，此处选CO2为载气，取粉煤堆密度为1200kg/m3，采用4MPa的CO2载气输送粉煤，载气温度为80℃，此时载气的密度为67.71kg/m3，易得粉煤密度与煤/载气质量比关系如下图1。

图1 不同煤/载气比下粉煤密度 (载气CO2，温度80℃，压力4.0MPa)

由图1可知，随着煤/载气质量比的增加，粉煤的堆密度逐渐增大，当煤/载气质量比为7.4左右时，粉煤密度为400kg/m3，能够满足粉煤气力输送要求，故设计中取煤/载气质量比为7.4。

由于氧气进料会直接改变煤气化程度，本研究中设定煤氧比为1.25。

2 干粉煤气化模型建立

刘斌[6]、李文军[7]、薛霏霏[8]等人采用Aspen Plus对煤气化建模过程中将煤气化过程划分为热解和气化两个部分，其中热解部分是将非常规物流煤转化为以煤元素分析为基础的常规物流，而后在在气化部分气化。在设计中热解反应器可以选用Ryield反应器模块或RStoic反应器模块，其热解反应通过Aspen Plus内嵌的Fortran程序确定。气化反应器选用Gibbs自由能反应器，该反应器可以在不知道具体化学反应的条件下自动计算平衡状态下合成气的组成和温度，在设计中可以通过规定合成气出口组成对反应进行限制。由于煤气化炉高温高压，在计算过程中需考虑气化炉的热损，根据相关文献[9-10]，在设计中规定气化反应器热损为进口煤热值的2%，模型中裂解反应器和气化反应器之间的能量传递及气化反应器的热损耗均通过Aspen Plus内嵌Fortran程序实现。由于粉煤气化发生在高温、加压条件下，在设计中选用RK-Save物性方法[11]，具体模拟流程如图2。

图2 粉煤气化模拟流程

图2中裂解反应器、气化反应器和分离器构成一个完成的粉煤气化炉，来自料仓的温度为80℃，压力为4.0MPa的粉煤现在裂解反应器内发生裂解，该过程为吸热过程，热量由气化反应器提供。在不影响计算结果准确性的情况下，对裂解模型进行适当的简化，将载气直接通入气化反应器。裂解后的煤在气化反应器内发生反应，最后未反应的煤及灰分由分离器底部排出，煤气由分离器顶部排出。

3 结果与讨论

采用Aspen Plus分别研究对进料量为85000kg/h情况下，不同煤质对气化炉反应器出口气体的影响进行研究，结果如表2。

表2 不同煤质的气化炉出口气相组成

由表2可知，在相同的载气量、煤氧比、操作压力情况下，煤质对气化炉出口尾气的温度、组成影响较大，当气化温度过低，尾气中甲烷的增加，而高温气化虽然使尾气中的甲烷含量降低了，但会使氮氧化物和二氧化碳含量增加。

图3 不同煤质对气化温度的影响

由图3可知，在相同的煤/氧比条件下，煤质对气化温度影响较大，其中四川攀枝花煤气化温度最低，贵州桐梓煤气化温度最高，而气化温度总体随煤内碳元素的增加而降低，由于粉煤气化过程中水含量很低，气化炉内的主要反应为碳和氧的燃烧反应，当煤/氧比一定量的情况下，煤内炭含量越高，其燃烧越不充分，热量越少，气化温度越低。

图4 不同煤质对有效气体流量的影响

对于煤化工产业而言，炉气中有效气体成分主要为CO和H2，由图4可知，在相同的煤氧比条件下，气化反应器出口有效气体流量随煤质不同差异较大，其中四川攀枝花煤气中有效气流量最大，贵州桐梓煤气中有效气体流量最小。由于有效气体主要组成为CO和H2，当煤中碳、氢元素之和越高，气化炉出口气体中有效气体流量越大。

图5 不同煤质对有效气体物质的量比的影响

由图5可知，在相同的煤氧比条件下，气化反应器出口有效气体物质的量比差异较大，其中山西铜川煤中有效气体物质的量比最大，广西百色有效气体物质的量比最小，有效气体物质的量比随着煤质碳/氢比的增加而增加，但广西百色煤质和贵州桐梓出现异常，这可能主要是由于贵州桐梓煤在高温气化过程中部分氢与氧发生反应生成水，造成合成气中氢气量降低，从而使合成气中CO/H2比增加。

4 结论

煤气化炉设计中，不同煤质对煤气化炉的性能影响较大，通过研究不同煤质的煤气化性能发现，在相同的进料条件下，煤质中碳含量越低，气化温度越高，合成气中甲烷含量越低。通过研究煤质中碳氢含量与合成气中碳氢含量关系发现，相同进料条件下，煤质中碳氢总量越高，合成气有效成分越多，而煤质中碳氢比也影响合成气中碳氢物质的量比，煤质中碳氢比越高，则合成气中碳氢比越高。研究结果对煤气化炉的设计和实际操作具有指导意义。