基于AspenPlus的粉煤气化模拟

June2008ChemicalFertilizerDesign第46卷第3期2008年6月基于AspenPlus的粉煤气化模拟,,,,,(中国五环化学工程公司,湖北武汉430223):AspenPlus,,GibbsShell;、,,:N2,CO2。,2%;,:。:AspenPlus;;:TQ422.6:A:1004-8901(2008)03-0014-06PulverizedCoalGasificationSimulationBasedonAspenPlusSoftwareZHANGZongOfe,iTANGLianOying,LUQingOyuan,ZhangWeiOxing,HEZhengOzhao,BIDongOhuang(ChinaWuhuanChemicalEngineeringCorporation,WuhaiHubei430223China)Abstract:TakingtheAspenPlussoftwareasthesimulationtoo,lbyselectingthereactionbalancemodelandusingtheminimizingmethodoftheGibbsfreeenergytheShellpulverizedcoalgasificationmodelwasestablished;throughthesimulationforthecoalkindsusedintheShenHuaCoalGasifi2cationPlant,ZhangyiChemicalFertilizerPlantandTianjingalkaliplantstheestablishedmodelhasbeeninspected,theresultindicatesthatthegasifica2tionprocessforusingthenitrogengastotransportthepulverizedcoalcanbesmoothlysimulated,butforusingtheCO2gastotransportthepulverizedcoalthesimulationdeviationforgasificationprocessisrelativelybigger.TakingthecoalkindusedinZhangyiChemicalFertilizerplantastheexample,thereasonableness,takingabout2%ofthetotalheatvalueofcoalastheheatdispersalloss,wasinspected;thegasificationpropertyunderdifferentoperatingconditionswasstudied,theresultindicatesthatincreasingthetemperatureandthepressurecanmakethegasificationprocesstobestrengthened.Keywords:AspenPlussoftware;pulverizedcoalgasification;simulation煤气化技术是实现煤清洁利用的最有效途径,同传统的直接燃烧相比,它提高了煤的利用率,降低了污染物的排放。Shell粉煤气化技术的核心是多喷嘴对置射流和水冷壁,粒度小于100Lm的粉煤用高压N2或CO2输送,与纯氧和少量水蒸气经置于炉体下部的4个对置喷嘴射流进入炉膛,在约1500e下进行部分氧化反应,炉渣以熔融态从炉底排出,高温气体[U(CO+H2)90%]在炉顶与激冷气混合,降温至约900e,或通过水激冷气进一步处理[1]。对煤气化过程进行模拟具有以下意义:¹对整个煤气化过程进行分析,寻找到最优操作点,提高整个过程的热效率,达到过程优化的目的;º辅助设计以及解释说明实验数据;»预测合成气的组成和污染物的排放[2]。AspenPlus是一种通用的化工过程模拟、优化和设计软件,在物料和热量平衡、相平衡、化学平衡及反应动力学基础上,AspenPlus提供了大量的物性数据、严格的热力学估算模型库和丰富的过程单元模型库,可用于各种类型的过程工业流程的模拟。在提供了可靠的热力学数据流程操作参数和准确的设备模型的情况下,AspenPlus可用于工厂实际生产流程的模拟。当AspenPlus提供的通用过程单元模型不能满足用户需求时,用户可利用其提供的用户扩展接口将自定义的过程单元模型添加到系统中[3-6]。基于AspenPlus强大的模拟功能,笔者借助AspenPlus软件建立了Shell粉煤气化模拟模型,并将模型计算的结果与文献值进行比较,同时分析了操作条件对气化结果的影响。1从流体特征的角度来说,Shell煤气化炉可分为特征各异的5个流动区)))射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。从反应特征的角度来说,Shell煤气化炉可分为一次反应区、二次反应区和一、二次反应共存区[1]。在一次反应区内,主要发:张宗飞(1983年-),男,湖北洪湖市人,2006毕业于南京工业大学工程与工艺专业,硕士,助理工程师,从事化工工程的设计工作。#14#生挥发分的燃烧与碳的部分燃烧反应,化学反应方程式如下。煤中挥发分+O2CO2+H2O2CO+O2=2CO22H2+O2=2H2OCH4+2O2=CO2+2H2O2C+O2=2CO在二次反应区内,残留的碳继续气化,同时一次反应区的产物进行二次反应,化学反应方程式如下。C+CO2=2COC+H2O=CO+H2CH4+H2O=CO+3H2CH4+CO2=2H2+2COCO2+H2=CO+H2O气流床气化过程是煤炭在高温下的多相热化学反应过程,反应过程非常复杂,可能进行的化学反应很多,概括来说有以下几种[2]。(1)粉煤的干燥、裂解及挥发物的燃烧气化CmHn+(m+n/4)O2=mCO2+(n/2)H2OCmHn+(m/2)O2=mCO+(n/2)H22CO+O2=2CO22H2+O2=2H2OCH4+2O2=2H2O+CO2(2)固体颗粒与气化剂间的反应在高温条件下,脱除挥发分的粉煤固体颗粒或半焦中的固定炭与气化剂(O2、水蒸气)之间进行气化反应,以及固定炭与水蒸气进行氧化还原反应。C+O2=CO22C+O2=2COC+H2O=H2+COC+2H2O=2H2+CO2(3)生成的气体与固体颗粒间的反应高温的半焦颗粒与反应生成气的反应,以及在高温条件下,煤中的硫与还原性气体发生反应。C+CO2=2COC+2H2=CH41/2S2+H2=H2S1/2S2+CO=COS(4)反应生成的气体彼此间反应在高温条件下,反应生成气体的活性很强,彼此之间存在可逆反应。CO+H2O=H2+CO2CO+3H2=CH4+H2OCO2+4H2=CH4+2H2O2CO+2H2=CH4+CO2H2S+CO=COS+H22模拟气化过程一般有2种模型方法:化学动力学模型和反应平衡模型。动力学模型以气化系统的反应动力学为基础,能真实地反映炉内的气化过程,并且对最终煤气成分的预测更为准确;但这种模型相对比较复杂,通用性也较差。平衡模型以反应热力学为基础,相对比较简单,并且具有一定的通用性(不考虑气化炉的流动传热、传质特性以及气化反应的过程),对碳转化率高、反应接近平衡的工况预测相对较好,而对于没有达到化学平衡的工况则相对预测较差[7]。平衡模型有化学计量和非化学计量2种类型,前者是通常所说的平衡常数,后者是受质量守恒和非负限制约束的Gibbs自由能最小化方法,从本质上说,两者是等价的[8]。根据粉煤气化炉碳转化率高、高温下反应接近平衡的特征,本文选择了反应平衡模型用于模拟,并应用Gibbs自由能最小化方法。然而在实际的气流床煤气化工艺过程中,通常只有部分碳被气化,其转化率取决于热力学、化学动力学、流体动力学、热量质量传递、停留时间以及颗粒尺寸分布等因素。同时,系统与自然环境有热量传递,系统有一定的热损失而影响系统的热效率[9]。因此本文引入实际工业操作过程中的碳转化率数据和估算的热量损失用以修正模拟结果。3通过煤气化过程分析,可以将其理想地分为煤的裂解和煤的燃烧2个过程。裂解过程利用Dcomp模块模拟,它是一个仅计算收率的简单反应器Ryield。Ryield的主要功能是将粉煤分解成单元素分子(纯元素C、S、H2、N2、O2、Cl2)和灰渣(Ash),并将裂解热(QDcomp)导入Burn模块。Dcomp模块同时还考虑碳的不完全转化,裂解后生成未燃尽碳(UBC)。Dcomp模块需给定粉煤裂解温度和碳转化率2个参数,裂解温度具体的数值大小对整个流程的模拟结果没有影响。在进行物料衡算时,根据给定的碳转化率将未反应完的碳(UBC)加到灰(Ash)中以便于Burn模块的计算。Burn模块采用Gibbs反应器单元进行模拟,它是一个基于Gibbs自#15#3张宗飞等基于AspenPlus的粉煤气化模拟由能最小化原理的反应器,在同时考虑热损失(QLoss)的前提下求得气化炉的出口组成(粗合成气、Ash)和温度。煤气化的模拟流程见图1。模拟过程中Coal、Ash定义为非常规(NC)组分,生成的粗合成气包括CO、H2、CO2、CH4、Ar、N2、H2S、COS、H2O、O2、HCl、HCN等气体成分。1用AspenPlus软件计算时,将涉及到常规组分和非常规组分。对于常规组分,包括常规固体组分(即组成均匀,有确定分子量的固体),用RK2Soave方程计算物质的相关热力学性质。RK2Soave方程多半用于气体加工、炼油等工艺过程的计算。适用的体系为非极性或弱极性的组分混合物,如烃类及CO2、H2S、H2等轻气体。该方程尤其适用于高温、高压条件,如烃类加工、超临界萃取等。本文计算的流粉床煤气化工艺是在高温、高压条件下进行的,气化产生的组分多为轻气体,因此RK2Soave方程是比较适合本工艺过程的。非常规固体组分是指不同种类的固体混合物。AspenPlus对这类物质作了简化处理,认为它不参与化学平衡和相平衡,只计算其密度和焓。AspenPlus一般用HCOALGEN模型来计算煤的焓,这个模型包含了燃烧热、标准生成焓和热容的不同关联式。本文选用的关联模型见表1。1热力学函数关联模型燃烧热Boie关联标准生成焓燃烧热基础上的关联热容Kirov关联焓计算的基准为1.01325@105Pa,298.15K下组分的标准状态。DCOALIGT模型用于计算煤的真实的干基密度。煤的焓和密度计算都要用到煤的特性数据,如工业分析数据、元素分析数据和硫分析数据。本文模拟的气化煤的碳转化率为99.5%,气化炉的散热损失取输入煤热值的2%左右。4本文通过对神华、沾化和天碱煤种的模拟,对建立的模型进行检验,同时以沾化煤种为例,说明气化炉的散热损失取输入煤热值的2%左右的合理性。4.1神华煤种的工业分析和元素分析见表2,煤气化操作条件见表3,煤的热值为29.88MJ/kg,模拟值与文献值的比较见表4。2工业分析,wd/%MAVFC173459元素分析,wd/%CHNSClO75.074.490.960.420.0112.053物流名称煤氮气氧气水蒸气压力/MPa4.04.154.155.05温度/e8080180300质量流率/kg#s-121.591.517.572.164项目H2OH2COCO2N2H2S出口温度/e文献值1.8428.7264.231.24.140.1241450模拟值1.7828.1364.231.2014.1440.1241421.1注:误差(各成分的平方误差和)为0.3517。4.2沾化煤种的工业分析和元素分析见表5,煤气化操作条件见表6,煤的热值为23.88MJ/kg。由于沾化煤种的灰熔点约为1550e,操作过程中需要加入助熔剂以将温度降低到1500e左右。模拟值与文献值的比较见表7。5工业分析,wd/%元素分析,wd/%MAVFCCHNSClO216.333449.774.04.81