基于Aspen Plus的含有机废液水煤浆气化模拟研究

2022-04-20于利红吴晓苹

煤炭加工与综合利用 2022年2期

于利红，袁苹，吴晓苹，杨澜

(1.兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东滕州 272100；2.清华大学山西清洁能源研究院，山西太原 030032；3.兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州 272100)

我国煤炭资源储量丰富，煤的高效清洁利用对我国经济及社会发展具有重要作用。煤气化是将煤转化为以CO、H2为主要成分的合成气，是煤制甲醇、合成氨、醋酸、煤制油等工业的龙头技术。气流床煤气化具有高效、清洁、大型化等优势，在我国得到广泛应用。在煤气化研发过程中，Aspen Plus模拟得到了广泛应用，为煤气化技术研发、关键设备开发提供了便利。近年来，利用煤气化单元高温高压特点，协同处理有机废液成为近年来研究热点，有利于提高煤气化系统整体环保性能，一方面处理了工厂有机废液，另一方面利用废液中有机组分，降低气化炉投煤量。

西北化工研究院研究了煤气化协同处置有机废液的技术，研究了低浓度、高浓度两种不同类型废液制浆技术，并开发了新型工艺喷嘴；该技术已在多家企业成功应用，气化装置运行平稳，达到良好的环境及经济效益[1]。西北大学针对两类不同性质有机废液，开展了低浓度有机废液制浆评价，高浓度有机废液直接入炉燃烧，通过Aspen软件建立了有机废液—煤气化反应模型，验证了通过气化处理有机废液的经济合理性，并进一步进行了工业试烧，验证了结果的准确性[2]。华北电力大学开展了基于Aspen Plus的碱性有机废液与煤共气化的特性研究，研究了气化温度、水煤比等参数对气化的影响[3]。

本文利用Aspen Plus模拟了甲醇为主要成分的有机废液添加对煤气化反应特性的影响，以期为有机废液的应用提供指导。

1 研究方法

以某工厂实际运行煤种、工艺流程及相关物流数据为基础，首先模拟了运行煤种情况下，煤气化温度、合成气组分、产气量等工艺参数，并与实际运行数据对比，验证模型准确性。以工厂甲醇有机废液为例，模拟了有机废液添加对煤气化运行指标的影响，并考察了对降低气化炉投煤量的影响。

煤气化反应主要包括燃烧反应、二氧化碳还原、水煤气、水煤气变换、甲烷化反应等过程，主要反应如下：

C+O2=CO2

(1)

C+1/2O2=CO

(2)

C+H2O=CO+H2

(3)

C+CO2=2CO

(4)

CO+H2O=CO2+H2

(5)

CO+1/2O2=CO2

(6)

H2+1/2O2=H2O

(8)

CH4+2O2=CO2+2H2O

(9)

C+2H2=CH4

(10)

CO+3H2=CH4+H2O

(11)

1.1 组分定义

用Aspen Plus模拟煤气化，组分分为常规组分及非常规组分，其中煤及灰分为非常规组分。计算煤的焓及密度时采用Hcoalgen及Dcoaligt模型。组分输入时需输入煤的工业分析、元素分析、硫分析结果。煤质分析数据见表1。

表1 煤质分析数据

1.2 热力学方法

常规组分用RK-Sove方程计算物质的热力学性质。RK-Sove方程用于气体加工、炼油等工艺过程，适用于非极性及弱极性的组分混合物，如烃类及CO、H2等，尤其适用于高温、高压条件，如烃类加工等。

1.3 气化炉模拟模型建立

气流床气化为高温高压反应，模拟中一般采用平衡模型，煤气化反应可分为裂解及气化两个阶段。模拟中采用收率反应器B1模拟煤的裂解过程，在收率反应器中将煤转化为纯元素(C、H2、O2、N2、S、Cl2)及非常规组分灰分，将裂解热导入气化模块B2。采用吉布斯反应器模拟煤气化阶段，获得气化炉出口合成气温度及组成[4-7]。表1所示为某化工厂气化原料煤工业分析及元素分析结果。

1.4 模型验证

通过模拟模型建立、物料数据输入，对煤气化单元及合成气洗涤单元进行了模拟，合成气组分含量见表2。经与设计值对比分析，合成气组分H2、CO、CO2、H2S干气含量误差在2%以内，说明建立的Aspen plus模拟模型误差在合理范围内。

表2 合成气成分误差分析

2 添加有机废液前后对煤气化反应的影响

煤气化反应主要影响因素包括气化温度、气化压力、氧/煤质量比、水煤浆浓度。实际工况气化操作温度、压力等波动不大，本文以质量浓度25%甲醇废液为例，考察有机废液添加前后氧/煤比、水煤浆浓度等因素对水煤浆气化反应的影响。

2.1 添加有机废液前后，氧/煤质量比对煤气化反应的影响

氧/煤质量比是煤气化的关键操作条件，理想条件下，煤中碳与氧气及水等物料中氧反应恰好生成CO为最佳，但实际很难达到。经灵敏度分析，氧/煤质量比增加，气化温度升高，是由于氧气流量越高，燃烧反应(式(1)、式(2)、式(6)、式(8))越剧烈，放出热量越多，导致气化平衡温度升高。温度升高，水煤气反应式(3)加剧，产生更多的CO及H2。但氧气流量增加，CO及H2参与燃烧反应增加，导致有效气成分减小。CO2还原反应，使得CO及CO2含量变化不大。氧/煤质量比增加，CO含量先增加后趋于稳定，H2体积分数先上升后下降，在0.81时达到最大值；有效气体积分数先上升后下降。氧/煤质量比提高增加气化反应强度，但会造成气化反应温度增加，有效气体积分数下降，影响系统稳定运行，需保持气化氧/煤质量比在一定范围内，具体影响见图1～图6。

图1 添加有机废液前后气化温度随氧/煤质量比的变化

图2 添加有机废液前后氧/煤质量比对有效气含量的影响

图3 添加有机废液前后氧/煤质量比对H2含量的影响

图4 添加有机废液前后氧/煤质量比对CO含量的影响

图5 添加有机废液前后氧/煤质量比对有效气产量的影响

图6 添加有机废液前后氧/煤质量比对节煤量的影响

由图1～图6可知，添加有机废液前后，气化温度、有效气含量、有效气产量等变化趋势相同。添加有机废液后气化温度略有下降，有效气含量下降，H2含量上升，CO含量降低。产气量随氧/煤质量比增加逐渐增加，达到一定数值后保持稳定。氧/煤质量比低于0.81，添加有机废液后有效气产量低于添加前；氧/煤质量比高于0.87，添加有机废液后，产气量高于添加前。气化炉单位时间产气量与原料煤质、氧/煤质量比、温度、压力、氧气纯度等诸多因素有关，氧/煤质量比变化对产气量及节煤量影响的原因将结合基础实验结果予以分析[8]。

2.2 添加有机废液前后水煤浆浓度对煤气化反应的影响

不同煤种成浆性不同，达到的最高成浆浓度不同，可通过粒度级配、不同添加剂提高煤的成浆性能，工业装置水煤浆质量分数一般为50%～65%范围内。本论文模拟了不同水煤浆质量分数条件下，添加有机废液对煤气化反应的影响。

由图7～图9可知，随着水煤浆浓度增加，气化温度上升，有效气含量增加，CO含量增加，H2含量下降。当水煤浆浓度为63%时，有效气浓度为84.84%。水煤浆浓度升高，参与反应水量减少，导致气化炉温度升高。水煤气反应为吸热反应，温度升高导致水煤气反应加剧，CO及H2浓度提高。水量的减少，变换反应左移，CO2及H2浓度降低，CO含量增加。

图7 添加有机废液前后水煤浆浓度对气化温度的影响

图8 添加有机废液前后水煤浆浓度对H2含量的影响

图9 添加有机废液前后水煤浆浓度对CO含量的影响

由图10～图12可知，添加有机废液后，相同水煤浆浓度条件下，气化温度降低，H2含量增加，CO含量降低，有效气含量降低，产气量增加。随水煤浆浓度增加，节煤量逐渐增加。

图10 添加有机废液前后水煤浆浓度对有效气含量的影响

图11 添加有机废液前后水煤浆浓度对产气量的影响

图12 添加有机废液前后水煤浆浓度对产气量的影响

2.3 有机废液添加量对煤气化反应的影响

添加某有机废液后，保持有机废液有机组分浓度不变，随着有机废液添加量的增加，气化温度降低，主要原因为：一方面添加有机废液有机组分占25%，其余组分为H2O，入炉水分增加导致气化反应温度降低；另一方面，有机质流量增加，相当于降低氧/煤质量比，导致气化温度的降低。H2、CO、总有效气含量略有升高，但总体变化不大。有机废液添加量增加，气化原料量增加，产气量及节煤量增加，有机废液添加量为2 000 kg/h，节煤量为2 458.54 kg/h，见图13、图14。

图13 有机废液添加量对煤气化反应的影响

图14 有机废液添加量对节煤量的影响

2.4 有机废液浓度对煤气化反应的影响

考察了有机废液浓度对煤气化反应的影响(图15、图16)。固定有机废液中水质量流量，增加有机质浓度，随着有机废液浓度增加，气化温度降低主要原因为有机废液浓度增加，有机质流量增加，相当于降低了氧/煤质量比，导致气化温度的降低。有效气浓度、CO浓度、H2浓度略有上升。有机废液浓度增加，气化反应原料增加，有效气产量增加，节煤量增加。