文章简介
水煤浆气化工艺过程的模拟研究与分析
　　

水煤浆气化工艺过程的模拟研究与分析
余海清
（东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）
摘 要：以河南某煤种为反应原料，采用Aspen Plus流程模拟软件对水煤浆气化工艺过程进行了流程模型，考察分析了气化炉内的氧煤比和煤浆浓度等原料条件以及气化温度和压力等操作条件对气化反应结果的影响，并将模拟结果与实验结果进行比较，结果表明：模型基本正确，在误差许可范围内，模拟结果与气化实验结果基本一致；氧煤比、水煤浆浓度和气化温度是影响气化反应结果的主要因素；气化压力则对煤气化反应结果几乎没有影响，但是加压气化有利于降低后续工段合成气压缩能耗。
关键词：水煤浆；气化炉；Aspen Plus；模拟
中图分类号：TQ 546
Simulation and Analysis for Coal Water Slurry Gasification Process Technology
Yu Haiqing
(East China Engineering Science and Technology Co., Ltd., Hefei 230024, China)
Abstract: Taking some Coal from Henan Province as raw material, and using Aspen Plus as flow sheet simulation program, a model for coal water slurry gasification process was established. The effects of the raw material’s condition in gasifier, oxygen to coal mass ratio and coal water slurry concentration included, and the operation parameters, gasification temperature and gasification pressure included, on gasification performance were investigated and analyzed. And also the simulation results and the experimental datas were compared. The results showed that the model was right basically and the calculation results accorded with the experimental datas in error allowed. Oxygen to coal mass ratio, coal water slurry concentration and gasification temperature are the main factors which affect gasification reaction results. The gasification pressure had no effect on the reaction results of coal gasification. But the pressurized gasification can help lower the compression energy consumption of the subsequent section.
Key words: coal water slurry; gasifier; Aspen Plus; simulation

作者简介：余海清（1983-），男，安徽金寨人，工程师，硕士学位，主要从事化工工艺和管道设计工作，
电话：0551-3692207，E-mail:yuhaiqing@chinaecec.com


作为洁净煤技术的重要组成部分，煤气化技术是指以煤和氧气或空气为原料，经过气化反应，将煤炭等其他含碳可燃固体资源转化成为清洁的煤气CO和H2，进而用于生产各类化工产品，包括合成氨、尿素、甲醇以及乙二醇等，在很多领域可以替代石油、天然气，节约资源，缓解日益突显的能源问题和环境问题。煤气化工艺经过150多年历史的发展，许多气化技术已经相当成熟并广泛应用于生产实际，近些年来，以水煤浆或干粉煤为原料，采用先进的气流床反应器的加压气化已经成为煤气化技术的主流，也在现代煤化工技术的发展中得到越来越多的关注[1]。目前比较先进的煤气化技术有Texaco水煤浆气化技术、Shell干法粉煤加压气化技术和GSP粉煤加压气化技术等[2]。
随着现代科学技术手段的发展，可用来研究煤气化技术工艺过程的手段越来越多，采用流程模拟软件进行计算便是其中之一，目前，国内外的研究人员在煤气化过程模拟和研究方面也做了大量的工作[3,4]。本文将运用Aspen Plus软件对煤气化进行模拟，对影响水煤浆气化工艺技术的不同因素进行研究和分析。
1. 气化工艺说明
水煤浆气化是以煤、石油焦等含碳、氢固体为原料，加入各种助剂，经湿磨制成一定浓度的煤浆，经加压后喷入特殊结构的气流床气化炉，与纯氧进行一系列复杂的分解、氧化、还原反应，生成以CO、H2、CO2、H2O为主要成分，以CH4、H2S、N2等为次要成分的粗煤气[4]。气化炉内进行的反应非常复杂，一般认为包括煤的热裂解和挥发、裂解物和挥发份与氧气发生燃烧反应、煤焦与水蒸气、CO2等发生气化反应，发生的反应较多，需要高浓度的氧气，并有大量的反应热放出[5]。
2. 气化过程模拟计算
2.1 热力学模型
用Aspen Plus软件模拟计算煤化工过程时，对于高温、高压条件下的烃类及CO、H2等气体混合物的反应加工过程通常选用RK-Soave方程[5]。由于水煤浆气化过程是在高温、高压条件下进行的，反应产生的气体多为CO、H2、CO2、H2O及CH4等轻气体或烃类，因此，本文所采用RK-Soave方程用于计算水煤浆气化过程物质的相关热力学性质是比较适合的。
2.2 流程模拟
图1 水煤浆气化工艺模拟流程
运用Gibbs自由能最小化方法建立的气化炉模型见图1，其中包括煤浆加压、裂解、气化、激冷、排渣、洗涤等六个单元。具体流程如下：水和煤通过混合器M-101得到煤浆CS2，然后通过加压单元泵P-101加压至所需的压力（如6.5 MPa），加压后的煤浆CS3进入气化炉的分解单元R-101，模拟过程按照质量平衡原则将所有非常规固体分解为常规组分，分解后的煤浆常规单质组分F1进入气化炉的反应单元R-102，与进入R-102的氧气OG发生气化反应，气化反应过程假定所有反应均遵守Gibbs自由能最小化的原则，反应平衡后得到的气化产物PG1进入气化炉的激冷单元C-101，在C-101中，气化产物被进入激冷单元的蒸汽HS冷却，冷却后分离出来的反应剩余固体灰渣及部分未反应的残渣和水（ASH+H2O）一起进入除渣单元C-102，分离出渣和黑水，工艺气进入洗涤单元经C-103洗涤后得到6.3 MPa，240℃左右的工艺气PG3。
2.3 模型的检验
表1 煤气化模拟结果与实验数据比较
气化炉出口气体组成 /%
CO
H2
CO2
CH4/ppm
H2O
模拟数据
34.4
23.1
13.1
42
29.0
实验数据
30.6
23.6
14.7
70
30.5
通过模型的模拟结果与实验数据的比较如表1所示，通过对河南某煤气化模拟结果与实验数据的比较可以看出, 模拟结果基本正确，可以用来描述多水煤浆气化反应性能，并可用来考察操作参数对水煤浆气化反应结果的影响。
3. 操作参数对气化性能的影响
3.1 氧煤比的影响
保持其他操作参数不变，采用上述模型考察了氧煤比对气化炉出口气体组成的影响。氧煤比由0.6增大至1.0时，气化炉出口的气体组成的模拟结果见表2所示。
表2 氧煤比对煤气化反应的影响
氧煤比/
kg.kg-1
气化炉出口气体组成 /%
CO
H2
CO2
CH4/ppm
H2O
0.6
39.4
31.0
8.1
160
21.0
0.7

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