德士古氣化過程的建模與優化分析摘要：根據德士古水煤漿氣化工藝特點，基于Aspen Plus建立德士古氣化過程的模擬，并與與實際生產數據對比，驗證模型的準確性，分析氧煤比、水煤漿濃度對氣化結果的影響。結果表明，隨著水煤漿濃度和反應溫度的增加，有效合成氣產率也隨著增加；隨著氧煤比的增加，冷煤氣效率減少，因此在實際生產中，可以在保持灰熔點的前提下，盡量降低氧煤比。關鍵詞：德士古；水煤漿氣化；Aspen plus軟件；模擬Abstract: According to characteristics of Texaco coal-water slurry gasification technology, based on Aspen Plus simulation of Texaco gasification process, and compared with the actual production data to verify the accuracy of the models, then analysis impact of oxygen/coal mass ratio, coal water slurry concentration to gasification. The results show that with the increase of coal water slurry concentration and reaction temperature, the effective synthetic gas production rate as also increase; With the increase of the oxygen coal ratio, the cold gas efficiency decreases, therefore, in the actual production can be on the premise of keeping ash melting point, as far as possible to reduce oxygen than coal.Key words: Texaco; Coal Water Slurry gasification; Aspen plus software; Simulation1引言我國是一個“富煤、貧油、少氣”的國家，煤炭的利用在我國占有很大的比例，據統計2011年，全國原煤產量35.2億噸，同比增長8.7%。針對我國的能源現狀，在未來很長的一段時間內，煤炭作為我國基礎能源的主體地位不會改變。作為一次能源，我國將近80%的煤炭是用于直接燃燒，各種污染物如粉塵、氮氧化物、硫氧化物等大量排放，二十世紀以來，各種重大的環境污染事件如臭氧層破壞、光化學煙霧、酸雨等也都與煤炭的直接燃燒相關1，因此，煤炭的清潔利用也就顯得尤為重要。德士古煤氣化技術是目前常用的氣化技術，在我國有多套運行設備，Texaco氣化以其原料的靈活性、高的氣化效率、較低的投資和較高的工藝效率在我國煤化工中得到了廣泛的應用2。本文對各種氣化技術進行比較，選取應用最廣泛的德士古氣化工藝作為研究對象，分析了整個氣化過程，在合理假設的前提下建立基于Aspen Plus的氣化平衡模型，與實際生產數據進行對比，所得結果與實際相吻合，在此基礎上分析了煤漿濃度等具有代表性的操作參數對氣化過程的影響，希望能對實際生產操作提供理論依據。2 Texaco氣化流程概況Texaco（Texaco Coal Gasification Process，TCGP）水煤漿氣化技術屬于第二代煤氣化技術，1948年美國德士古石油公司受重油氣化的啟發，首先創造了水煤漿氣化工藝，并在加州洛杉磯近郊蒙特貝洛建設第一套中試裝置，規模約15t/d。德士古水煤漿氣化系統主要包含煤漿制備、氣化爐及合成氣洗滌系統和灰水處理系統。合格的水煤漿經過煤漿泵送到氣化爐與空分裝置來的氧氣進入氣化爐，在氣化爐內發生反應，產生的合成氣。煤中的灰分在高溫下熔融，熔渣與熱合成氣一起離開氣化室，進入到氣化爐的激冷室水淬冷后合成氣溫度驟降。熔渣迅速固化并產生大量蒸汽，被水蒸汽飽和并夾帶少量飛灰的合成氣從激冷室上部出口排出。氣體進入文丘里洗滌器與從噴嘴噴出的洗滌水混合后進板式碳洗塔，合成氣經除塵除沫后送至變換工段。由灰水處理來的高壓灰水及變換工段送來的高溫冷凝液和汽提冷凝液作為碳洗塔的洗滌水。碳洗塔底排出的黑水經流量控制閥排至灰水處理。同時，系統產生的黑水經中壓閃蒸器和真空閃蒸器處理，進行部分水的回用。3基于Aspen Plus德士古氣化系統模擬 Aspen Plus是世界公認的標準大型通用流程模擬軟件，它具有完善的物性數據庫、熱力學模型和單元操作模塊，也可以進行水煤漿氣化過程的模擬。3.1 組分規定對德士古氣化來說，參與反應的組分主要包含常規組分(COVEN)與非常規組分(NC)兩類，常規組分指的是可以用一個分子式表示的均勻組分，軟件可以通過自帶數據庫查到其物性數據，而非常規組分是由被稱作組分屬性的經驗系數來表征的物質，其物性無法直接從物性數據庫中查到，組分屬性由一種或多種形式表示組分的組成，在Aspen Plus中，非常規組分不參與相平衡和化學平衡計算，只計算密度和焓值3。本氣化模型中非常規組分有煤（COAL）、灰分（ASH）；常規組分包括O2，CO，CO2，CH4，H2O，N2，COS，C等。其中，對神府煤的工業分析如表1所示，元素分析如表2。表1 煤的工業分析Table1 Proximate analysis of coal工業分析Proximate analysis/(wt%)水分moisture固定碳fixed carbon揮發分volatiles灰分ash10.2157.9232.769.32表2 煤的元素分析Table 2 Ultimate analysis of coal元素分析Ultimate analysisCHNSOASH74.394.070.730.8210.679.323.2物性方法選擇單元操作模塊只有通過一定的物性方法計算才能得到模擬結果，對于穩態模擬來說，合適的物性方法對模擬結果起著關鍵作用，物性方法的準確程度是由模擬組分物性和物性方程式共同決定4。 煤氣化是一個高溫、高壓下進行的反應過程，氣體為非極性或弱極性的氣體，如H2, CO, H2S, CH4等，一般多用RK-SOAVE、RKS-BM、PR-BM5性質方法，這幾種方法適用于烴加工、燃燒、煉油、化工等工藝過程的計算6-9。本文選擇PR-BM作為物性方法。3.3基于Gibbs自由能最小化的德士古氣化模型平衡常數法的缺點是要首先確定復雜系統的獨立反應數并列出獨立的化學反應方程式，然后要得到每個反應的平衡常數表達式，再求解復雜的非線性方程組，這就要求建模者對過程要有深刻的認識，而Gibbs自由能最小化方法則可以避免上述復雜問題。其計算流程如圖所示：Figure 1 Calculator Process圖1計算流程裂解單元是一個僅計算收率的簡單反應器，主要功能是將煤分解轉化為簡單組分和灰，并將裂解熱傳遞給Gibbs反應器單元，并根據給定的碳轉化率將未反應碳加到灰中以便于Gibbs反應器單元的計算。Gibbs反應器是一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應器，反應達到平衡的判據是體系的Gibbs自由能達到極小值。4德士古氣化建模4.1模型的建立 根據德士古氣化實際流程，所建立模型如下：Figure 2 Simulation diagram of Texaco gasification process.圖2德士古氣化過程流程模擬圖模型中主要設備如下：表3 模型中主要設備Table 3 Main device of model 設備 功能 位號 模塊煤裂解單元 將煤分解為單質分子 DECOMP RYield氣化爐 氣化爐，進行煤氣化反應 R-1201 Gibbs激冷室 氣化爐激冷室，冷卻合成氣 JILENG Flash2鎖斗 去除氣化大顆粒灰渣 V1208 Sep碳洗塔 洗滌合成氣并去除細顆粒灰渣 T1301 RadFrac高壓閃蒸器 蒸發并濃縮黑水 V1303 Flash2高閃分離器 氣液分離器并排出酸性氣體 V1304 Flash2真空閃蒸器 進一步濃縮黑水 V1305 Flash2真空閃蒸分離器 氣液分離，排出不凝氣 V1306 Flash2高閃冷凝器 冷卻高閃氣體 E1302 Heater真閃冷凝器 冷卻真閃氣體 E1305 Heater4.2 模擬結果與分析碳洗塔出口合成氣作為去變換系統的原料，因此，模型的精度可以由碳洗塔出口的氣體來評定。表3 碳洗塔出口氣體組成(體積分數)Table 3 The composition of carbon washing tower exportCO CO2 H2 CH4 H2O H2S N2 COS0.230 0.045 0.163 0.005 0.559 0.001 0.001 0.006表4合成氣干氣組成Table 4 The composition of dry gas組分特性 CO H2 CH4 CO2 N2 壓力（MPa） 溫度（）模擬值% 46.38 37.10 0.02 16.86 0.26 4.0 1365分析值% 43.16 38.63 0.02 17.55 0.26 4.0 1350誤差% -7.5 3.9 0 6.9 0 0 -1.1 由表可知，所得的模擬結果與實際比較接近，說明本模型可以很好的對氣化過程進行描述，并對氣化過程進行分析。出氣化爐去激冷室氣體溫度為1365，壓力為4MPa，組成如下：表5粗合成氣氣體組成(摩爾分數)Table 5 Composition of crude gasCO CO2 H2 CH4 H2O H2S N2 COS0.424 0.083 0.302 0.009 0.186 0.197 0.213 0.0125關鍵參數對氣化結果的影響在實際生產中，對于德士古氣化過程影響較大的因素主要有煤種，煤漿濃度，氧煤比等，這些操作參數的合理選擇對氣化的穩定操作有著重要作用。5.1煤漿濃度對氣化過程的影響氣化爐壓力為4MPa，氧煤比為0.73，熱損失取2%，即保持氧氣量和耗煤量不變的情況下，當水煤漿濃度從60%增加到70%時，所得結果如下：表6 不同煤漿濃度下氣化結果Table 6 Gasification results in different concentrations of coal-water slurry水量變化MCO+MH2MCOMH2MCO2MH2O水煤漿濃度24533.330.5198660.3496930.1701730.1263490.3488760.6023657.140.5258920.3562580.1696340.1252170.3439260.6122780.950.5320650.3629730.1690920.1240590.3388530.6221904.760.5383890.3698430.1685460.1228740.3336550.6321028.570.544870.3768760.1679940.121660.3283280.6420152.380.5515130.3840760.1674370.1204160.3228670.6519276.190.5583230.3914520.1668710.1191390.317270.66184000.5653060.399010.1662970.1178280.3115330.6717523.810.5724680.4067580.165710.116480.3056520.6816647.620.5798140.4147040.165110.1150930.2996230.6915771.430.5873510.4228560.1644940.1136660.2934430.70 圖3 水煤漿濃度對氣體組成的影響Figure 3 Effect of coal-water slurry concentration on gas composition水煤漿濃度對氣化過程影響如圖所示，隨著煤漿濃度從60%加到70%，CO含量增加較多，H2含量只有略微的增加，水蒸氣和CO2的含量都會減少，這是由于水煤比的減少以及溫度的升高，使變換反應平衡向左移動。在實際生產中要求盡量高的煤漿濃度，但較高的濃度意味著較高的粘度以及更高的煤質要求，從經濟性上考慮，煤漿濃度要保持在60%以上，實際生產中，德士古不適用一些成漿性較差的煤種，如一些低階的褐煤。5.2氧煤比對氣化過程的影響當氧煤質量比從0.60增加到0.72時，對氣化過程影響如下：表7 氧煤比對氣化過程的影響Table 7 Effect of oxygen-coal mass ratio on gasification results氧煤比氣體組成（V%）溫度T/激冷氣效率CGEMCO+MH2 MCO MH2 MCO2 MH2O 0.60 0.4726460.2522110.2204350.0780410.4310731048.2110.842776590.61 0.4694380.250560.2188780.0759650.4390041060.4860.839165970.62 0.4653020.2485660.2167360.073910.447611073.9710.835196740.63 0.4600950.2461710.2139240.0718690.4570191088.8980.830831740.64 0.4536840.2433220.2103620.0698410.4673461105.5110.826059530.65 0.4459550.2399670.2059880.0678230.478691124.0340.820904120.66 0.4368720.236080.2007920.0658220.4910791144.6110.815421720.67 0.4265060.2316740.1948320.0638470.5044411167.2470.809685270.68 0.415060.2268140.1882460.0619160.5185881191.7720.803765870.69 0.4028310.22160.1812310.0600460.5332491217.870.797721710.70 0.3901450.2161530.1739920.0582540.5481321245.1570.79159530.71 0.3772980.2105860.1667120.056550.5629751273.2660.785415680.72 0.3645670.2050180.159550.054950.5775211301.8950.77920191Figure 4 Effect of oxygen-coal mass ratio on gas composition圖4氧煤比對氣體組成的影響Figure 5 Effect of oxygen-coal mass ratio on gasification temperature and cold gas efficiency圖5 氧煤比對激冷氣效率的影響Figure 6 Effect of oxygen-coal mass ratio on cold gas efficiency圖6 氧煤比對冷煤氣效率的影響氧煤比是影響氣化效果的關鍵因素，本文選擇的氧煤比范圍從0.6-0.72，氣化溫度、有效氣體以及冷煤氣效率變化如圖所示。隨著氧煤比的增加，氣化溫度增加很快，氧煤比每增加0.01，氣化溫度增加30左右，與此同時，CO和H2的含量逐漸減少，H2O和CO2含量增加，這是由于氧煤比的增加，會使燃燒反應消耗更多的CO和H2生成更多的H2O和CO2，并導致冷煤氣效率的降低。在實際生產中，可以在保持灰熔點的前提下，盡量降低氧煤比。6結論（1）建立了基于Aspen Plus的水煤漿氣化爐模型，其計算結果基本正確，所建立的模型可以