煤基多聯(lián)產(chǎn)中兩種煤氣化工藝的模擬與性能比較

于洪偉（神華新疆吐魯番煤化工有限責(zé)任公司，新疆吐魯番10010）

煤基多聯(lián)產(chǎn)中兩種煤氣化工藝的模擬與性能比較

于洪偉（神華新疆吐魯番煤化工有限責(zé)任公司，新疆吐魯番10010）

煤基多聯(lián)產(chǎn)的研究與應(yīng)用大幅提高了化工產(chǎn)品的附加價值，并有效促進(jìn)了我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文以煤基多聯(lián)產(chǎn)中的Texaco與Shell氣化工藝作為研究對象，通過對煤基多聯(lián)產(chǎn)與煤氣化工藝的概念進(jìn)行闡述，通過建立模型的方法，從多方面多角度對兩種工藝的模擬與性能展開了深入研究。

煤基多聯(lián)產(chǎn)；煤氣化工工藝；Texaco氣化工藝；Shell氣化工藝

前言

通過借助Apsen Plus的相關(guān)模擬功能，建立Texaco與Shell氣化反應(yīng)的模型，通過對量匯總煤氣化工藝的過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而從有效氣體、無效氣體以及冷煤氣率等方面比對了兩種工藝的性能，進(jìn)而為煤基多聯(lián)產(chǎn)中的煤氣化數(shù)據(jù)的確立提供參考。

一、煤基多聯(lián)產(chǎn)與煤氣化工藝簡述

所謂煤基多聯(lián)產(chǎn)是指利用從氣化爐等單一設(shè)備產(chǎn)生的CO與H2的合成氣體來從事跨部門與跨行業(yè)的多方生產(chǎn)，進(jìn)而促使化工產(chǎn)品與液體燃料具有高附加值的一項大型煤氣化技術(shù)。作為實(shí)現(xiàn)煤清潔利用的最為有效的方式，煤基多聯(lián)產(chǎn)不僅可以提高煤的利用效率，而且對于高附加值產(chǎn)品的制備也具有重要促進(jìn)作用［1］。而煤氣化工藝則是以煤作為主要燃料，通過借助純氧或水蒸氣等氣化介質(zhì)，在一定的溫度與壓力下，令煤在介質(zhì)作用下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，進(jìn)而將其中所含的碳、氫物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO、CH4、H2等氣體產(chǎn)物主要成分的反應(yīng)過程［2］。

二、模型建立

1.模型簡述

氣化過程的模擬主要可分為化學(xué)動力學(xué)模型與反應(yīng)平衡模型，但由于前者雖然可以將爐內(nèi)的氣化過程如實(shí)反映出來，但由于建模過程相當(dāng)復(fù)雜，且通用型較差，因此，并不適合于煤氣化工藝的模擬。而反應(yīng)平衡模型則是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，在保持較好的通用性的基礎(chǔ)上，其操作方法也較為簡單，可以對碳轉(zhuǎn)化率較高的工礦進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，因此，選取反應(yīng)平衡型模型用于模擬煤氣化工藝。利用Aspen Plus對煤氣化爐的模擬使得假設(shè)條件進(jìn)行建立，具體條件為：（1）氣化爐內(nèi)并不存在壓力、溫度梯度，各處壓力與溫度均相同；（2）氣化反應(yīng)速度較快并達(dá)到了反應(yīng)平衡，各項參數(shù)處于穩(wěn)態(tài)；（3）爐內(nèi)物料顆粒均勻且無明顯差異；（4）爐內(nèi)氣化劑和煤的反應(yīng)是在瞬間完成的；（5）原煤中的灰分均為惰性物質(zhì)，并不參加氣化反應(yīng)。

Texaco水煤漿氣化爐模擬的計算模型主要包括了水煤漿的制備與供應(yīng)部分及其加壓的輸送部分、氣化爐的Gasifier模塊與供應(yīng)氧氣與實(shí)現(xiàn)氧氣加壓的的COMB模塊和COMP模塊。水煤漿的制備系統(tǒng)主要是由Mixer、Mix1、Mix2、Screen等模塊構(gòu)成的，從而制備出滿足實(shí)驗(yàn)濃度與粒度要求的水煤漿。將Pump設(shè)定為水煤漿的加壓泵，進(jìn)而將其加壓至反應(yīng)所需壓力，利用物料分解模塊COM將煤進(jìn)行單元素分子的分解，并將分解過程中產(chǎn)生的裂解熱導(dǎo)入后續(xù)氣化模塊［3］。Gasifier是模擬軟件Plus中RGbbis的平衡反應(yīng)器模型，可以利用其求得氣化爐出口處煤氣的主要成分與溫度。

Shell粉煤氣流床氣化爐計算模型主要包括了干煤粉的制備及輸送部分、供應(yīng)氧氣與對氧氣施壓的COMB和COMP模塊以及水蒸氣供應(yīng)與氣化爐的Gasifier模塊。其中，干煤粉的制備系統(tǒng)主要由Mixer、Crusher和Screen等部分構(gòu)成，從而制備出粒度滿足實(shí)驗(yàn)要求的干煤粉。而Shell氣化爐計算模型中的Combd和Comp模塊以及Gasifier模塊的設(shè)定與Texaco水煤漿爐內(nèi)氣化模型相同。

2.參數(shù)設(shè)定

Texaco水煤漿氣化模型反應(yīng)物料的設(shè)定參數(shù)為：氧量為70.5kg/h；煤69.1kg/h；水31.1kg/g；水煤漿的粒徑與氧氣純度分別為d≤100um和p≥95%。而Shell粉煤氣化爐經(jīng)干燥煤粉作用后，水分僅為2%，并采用氮?dú)猓∟2）進(jìn)行輸送。將粉煤氣化爐內(nèi)的物料參數(shù)設(shè)定為：煤62.3kg/h；壓力為13.3MPa；汽煤比0.11；供氧量為57.5kg/h［4］。Texaco與Shell氣化爐的模擬計算采用多種煤種，Texaco氣化物料為水煤漿，粉煤氣化物料為經(jīng)干燥處理后的煤粉。

三、結(jié)果分析

1.氣化性能指標(biāo)

隨著水煤漿濃度的不斷增加，爐內(nèi)H2含量基本保持不變，CO含量增加，故有效氣體即CO+H2的含量增加。在合成氣中，水蒸氣與CO2的含量不斷降低，主要原因?yàn)樗簼{濃度增加使得Texaco工藝下，氣化爐內(nèi)的水分不斷減少，而水分氣化的潛熱降低了其自身對爐內(nèi)燃燒反應(yīng)所需熱量，降低了氧耗量，故CO2含量下降。此外，水煤漿濃度的增加也使得冷煤氣的效率不斷提高。

2.不同因素對氣化性的影響

（1）水煤漿濃度

作為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，水煤漿濃度對于工業(yè)性能具有重要影響。水煤漿濃度為：煤的質(zhì)量/（煤的質(zhì)量+水的質(zhì)量），因此，在保持煤和氧氣流量不變的條件下，可通過改變水的流量來改變水煤漿濃度。當(dāng)水煤漿濃度不斷升高時，合成氣的熱值也隨之升高，主要原因?yàn)楹铣蓺庵蠧O與H2含量增加。故在確保氣化爐內(nèi)的各項參數(shù)均滿足相關(guān)參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，在成漿性允許范圍內(nèi)，盡可能地增加水煤漿濃度，可以有效提高合成氣中有效氣體的含量，進(jìn)而使得氣化工藝獲得較高的冷煤氣效率及熱值，在實(shí)際生產(chǎn)中被工廠認(rèn)可。

（2）氧煤比

研究氧煤比對氣化性的影響，對于水煤漿氣化爐，應(yīng)以同類煤作為計算對象，將溫度設(shè)置在1370℃并保持不變，氣化壓力與煤耗分別為2.65MPa和69.1kg/h，在保證水煤漿濃度不變的前提下，改變O2的流量，進(jìn)而達(dá)到改變爐內(nèi)氧煤比的目的。對于粉煤氣化爐，將氣化溫度設(shè)置在1500℃并保持不變，氣化壓力與煤耗分別為2.76MPa和62.5t/h，調(diào)節(jié)氧氣流量從而改變氧煤比。

通過實(shí)驗(yàn)得知，通過提高氧煤比，兩種氣化爐合成氣中的CO和H2均有所下降，但合成氣中的水蒸氣與CO2的含量均有所增加。具體原因?yàn)殡S著流入O2含量的不斷增加，同數(shù)量的煤所獲O2超過了爐內(nèi)氣化作用所需O2的化學(xué)當(dāng)量比，使?fàn)t內(nèi)的燃燒反應(yīng)持續(xù)性增強(qiáng)，進(jìn)而使部分CO與H2被反應(yīng)后的剩余O2所消耗掉，增加了合成氣中水蒸氣與CO2的含量，在實(shí)際操作中有指導(dǎo)意義。

四、兩種煤氣化工藝的性能比較

比較Texaco氣化工藝和Shell氣化工藝兩種工藝下氣化爐中的有效氣體、無效氣體、碳轉(zhuǎn)化率以及冷煤氣效率和氧耗率與煤耗率，結(jié)果如下：（1）在有效氣體方面，Texaco氣化爐與Shell氣化爐中的有效氣體即CO和H2的含量分別為84%和90%。由此可知，與水煤漿氣化爐相比，煤粉氣化爐中有效氣體的含量較多；（2）對于兩種工藝下產(chǎn)生的無效氣體，Shell氣化爐合成氣中的無效氣體即CO2與水蒸氣（H2O）的含量僅為2.9%，而Texaco氣化爐中無效氣體的含量則高達(dá)16%。由此可知，Texaco工藝下所產(chǎn)生的無效氣體較多，不利于生產(chǎn)。因此，對于應(yīng)用Texaco氣化爐進(jìn)行工藝生產(chǎn)的企業(yè)而言，需要對其顯熱回收過程進(jìn)行合理配置，從而降低水蒸氣凝結(jié)潛熱而帶來的生產(chǎn)損失；（3）在碳轉(zhuǎn)化率方面，由于干粉爐的氣化溫度較高（約為1500℃），而Texaco氣化爐的溫度只有1300℃左右，因此，Shell工藝下的碳轉(zhuǎn)化率要高于Texaco工藝的氣化爐碳轉(zhuǎn)化率；而對于冷煤氣效率而言，Shell氣化爐也以其82%的冷煤氣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Texaco氣化爐的71%的冷煤氣率；（4）在氧耗率與煤耗率方面，Shell氣化爐的氧耗率（348m3·（10m）-3）與煤耗率580（kg·（10m）-3）均低于Texaco氣化爐的氧耗率（416m3·（10m）-3））與煤耗率651（kg·（10m）-3）。

五、結(jié)語

本文通過對煤基多聯(lián)產(chǎn)與煤氣化工藝的概念進(jìn)行闡述，進(jìn)而建立了Texaco和Shell氣化工藝的模型，并從水煤漿濃度與氧煤比等方面研究了不同因素對氣化性的影響。經(jīng)分析得知，Shell氣化工藝在有效氣體、碳轉(zhuǎn)化率等方面均高于Texaco氣化工藝，而在無效氣體與氧耗率與煤耗率等方面又低于Texaco氣化工藝，這是理論方面的結(jié)論。但實(shí)際生產(chǎn)中Shell氣化設(shè)備多，投資大，沒有備用氣化爐，長周期生產(chǎn)不容易保證。我國內(nèi)實(shí)際運(yùn)行20臺左右，經(jīng)濟(jì)效益不好。Texaco氣化設(shè)備少，投資少，有備用氣化爐，檢修量大，雖然氧耗，煤耗高8%左右，碳轉(zhuǎn)化率低1.5%，但長周期運(yùn)行有保證。我國內(nèi)實(shí)際運(yùn)行70多臺，經(jīng)濟(jì)效益良好。經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)生存的根本，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，目前看Texaco氣化工藝更適合我國。

［1］張進(jìn)春.氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健優(yōu)化與控制研究［D］.長沙：中南大學(xué)，Texaco氣化2011.

［2］黃桃花.兩段組合式煤氣化爐優(yōu)化及流程模擬［D］.上海：華東理工大學(xué)，2011.

［3］朱赟.氣流床煤氣化模擬中反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［4］崔勇.煤層逆向燃燒氣化機(jī)理及工藝過程模擬研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.置，一般而言，檢測點(diǎn)應(yīng)抽取建筑單體中具有代表性的房間，數(shù)量不小于房間總數(shù)的5%且應(yīng)大于3間，當(dāng)總數(shù)小于3間，應(yīng)對其全部監(jiān)測；在檢測點(diǎn)數(shù)目設(shè)計上，一般而言50㎡以下房間設(shè)定1個，50—100㎡設(shè)計2個，100—500㎡應(yīng)多于3個，500-1000㎡多于5個，當(dāng)大于1000㎡需要保證每200-300㎡最少有1個檢測點(diǎn)；檢測點(diǎn)位置的選擇應(yīng)避開通風(fēng)口和通風(fēng)道，采用對角線、梅花狀等方式均勻分布，并采用檢測結(jié)果的平均值。其次，在時間選擇上需要進(jìn)行把握，通常而言，對于竣工的民用建筑，應(yīng)該最少在工程完工7天后進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量驗(yàn)收，并對廚房、衛(wèi)生間進(jìn)行閉水試驗(yàn)；當(dāng)進(jìn)行室內(nèi)甲醛、苯、氨以及TVOC物質(zhì)的檢測時，采用自然風(fēng)的建筑工程需要在所有門窗關(guān)閉1h后進(jìn)行，而采用集中空調(diào)的需要在空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下進(jìn)行檢測；而對于氡的監(jiān)測，與甲醛、苯等的檢測基本相同，只是采用自然風(fēng)的建筑工程需要在所有門窗關(guān)閉24h后進(jìn)行。

（2）檢測項目的確定

在樣品的檢測過程中，大多樣品只能進(jìn)行一次檢測，尤其是與化學(xué)試劑反應(yīng)的樣品，因此，需要根據(jù)樣品選擇不同的檢測項目。根據(jù)GB18883—2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要對含有物理性、化學(xué)性、生物性以及放射性污染的項目進(jìn)行檢測，而化學(xué)性污染物除了甲醛、苯、氨、TVOC等有毒性物質(zhì)外，還包括二氧化硫、二氧化碳以及可吸入顆粒物等13項化學(xué)性污染物質(zhì)［5］。

3.特定目的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測

在某些室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測時，除了常見的污染源和空氣質(zhì)量監(jiān)測外，還需要進(jìn)行一些特定目的的監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境更加全面的監(jiān)測。以通風(fēng)換氣為目的的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測時，其監(jiān)測內(nèi)容是室內(nèi)環(huán)境的新風(fēng)量或換氣次數(shù)情況，其目的是為了通過科學(xué)可行的措施來提高室內(nèi)空氣的質(zhì)量。

四、結(jié)語

通過科學(xué)可行的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，對于保護(hù)人們的身體健康有著重要作用。為了提高室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的水平，需要對造成室內(nèi)環(huán)境污染的源頭有著足夠了解，在監(jiān)測過程中遵循科學(xué)的檢測方法，才能保證檢測結(jié)果結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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