摘要：近年来，我国对煤炭的需求不断增加，煤气化工艺有了很大进展。其能够适应大多数种类的煤，同时还有着较高的气化效率，在环保方面的表现同样突出。本文利用AspenPlus软件进行粉煤气化工艺模拟，分别研究了载气类型、煤/载气质量、煤/气化剂质量比对桐梓煤气化性能的影响，研究发现在相同进料条件下，惰性载气对煤气化性能的影响较小，而煤气化剂的量直接影响煤的气化温度及合成气的组成。计算结果对应粉煤气化工艺有一定的参考价值。
关键词：AspenPlus；合成气；气化性能
引言
随着煤炭高产量挖掘期的结束，自2013年我国煤炭价格普遍不高，并在我国对能源需求的结构变化可知，环保政策和手段的不断完善，令煤炭在电力、建筑和冶金等方面的运用上都受到了限制。在开发技术上，经过多年的发展，煤炭产业开采技术也得到了很大的提升，可能出现产能过剩情况。基于以上原因，劣质粉煤的气化技术在选择和使用上，有了更高的要求，需要技术人员加强分析和调整，选择最优良的技术。
1 煤气化工艺发展现状
煤气化工艺的起源至20世纪50年代开始，由于20世纪70年代世界各国遭遇石油危机而受到了各国政府的广泛重视。在其发展的初期为德国工程师发明的K-T煤气化工艺为主，后由荷兰相关企业对K-T煤气化工艺进行了相应的改革。我国在相关方面的发展时间在近二三十年得到了快速的发展，通过对国外相关发达工艺进行借鉴也已经具备自主上产煤气化设备的能力。
2 干粉煤气化操作条件的确定
为探究不同操作条件对粉煤气化工艺的影响，根据文献选用某煤进行气化研究，其组成如下：
表1某煤煤质工业分析与元素分析
在使用Aspen对粉煤气化计算过程中，煤作为非常规组分，不能直接参与反应，根据相关文献，需先对煤进行裂解，根据其元素分析结果将其转化为对应单质，而后进行气化反应。其中粉煤干燥器、裂解器均采用化学计量反应模块，气化反应器采用吉布斯自由能反应模块，灰渣分离器采用分离模块。根据相关文献，煤气化过程中的系统存在一定的热损耗，其值一般为进料煤热值的2%，在模拟中需进行考虑。煤气化过程中的热损耗、煤的干燥、裂解等过程均由Aspen内嵌Fortran模块实现。粉煤气化过程是一个高温高压的反应过程，可以选用ＲK－Save、PB－ＲM等物性方法都能够较好的描述气化过程，根据相关文献，本模型选用ＲK－Save为计算物性方法。来自料仓的粉煤在干燥器内被干燥至含水率2%后进入气化炉，气化炉由裂解反应器、气化反应器及灰渣分离器组成。在裂解炉内99%的煤裂解为对应的元素，而后在气化反应器内发生气化反应。为简化模型，在计算中将气化剂及载气直接通入气化反应器，气化最终产物在灰渣分离器内实现气、渣分离，未反应的煤及灰渣自底部排出，合成气自顶部排出。
3 加压工艺选择路径
3.1 SPC框架构建
在常规情况下煤气化会受到大量因素的影响，上文也已经对其影响因素进行了概述。而在此之外对故障进行排除是SPC框架构建的重点，其主要需要排除炉膛温度异常及放料不畅的情况，在此基础之上通过SPC监控的方式能够监控各项指标是否正常，尽量避免出现须发警报的情况，这就需要对系统偏移的情况进行控制。同时为了对漏发警报情况进行避免，也需要对控制图进行控制。
3.2 高灰熔点劣质煤气化技术分析
（1）技术原理。利用该技术，优化温度场和对气化炉流场的设计，并在气化炉中二次给氧，渣口处局部高温，最高达到1600℃，气化炉中总体温度适合，可降低水冷壁出现的热损失，提升物质气化效率。（2）关键技术。该技术使用中，主要有下面几点技巧：第一，该技术使用的是撞击流与射流气化炉，多种形式结合，减少停留时间。第二，气化炉使用气渣并流和分级给氧的形式，并在其中设置氧气喷嘴，完成渣口处的温度逐渐升高，气化炉整体温度适合，可降低水冷壁热造成的损失，提升劣质煤转化率。第三，因为煤粉下料口处设置发料罐结构，采用煤粉密相输送技术，可稳定控制煤粉流量。第四，设置煤粉称重罐，实现对粉煤流量的精确控制，令气化炉中氧、煤比可精确调控。第五，使用多种复合式洗涤冷却设备，达到合成气洗涤冷却的最终效果，合成洗涤设备由混合器、旋风分离器等构件组成。
3.3 MSPC统计失控识别研究
MSPC统计失控识别当中其易出现多变量控制图未检出由此导致错过警报的情况，经过上文的论述发现其问题来源于变量之间的关系，在给予PCA的煤化失控识别研究后确认去性能指标为主成分分析，其技能达到特性统计的目的还能够对气化性能完成实时监控。
3.4 气化剂量对某粉煤气化过程的影响
为探索气化剂用量对某粉煤气化过程的影响，以60t/h干煤为基准，在煤/载气质量比为7．69、载气分别为N2、CO2条件下研究不同气化剂流量对煤气过程的影响。当煤/气化剂质量比为1．4～1．75时，随着气化剂的减少，煤气化温度迅速减低，在此阶段，载气类型对气化温度影响较小，随着气化剂的进一步减小，气化温度变化趋势逐渐趋于平缓，但气化剂类型对气化温度影响显著增大，在相同条件下气化温差由30℃迅速扩大至249℃，且成持续过大趋势。随着气化剂流量的减少，合成气中有效气体（CO/H2）物质的量比呈现先减少后增加大趋势，当煤/气化剂质量比为小于1．9时，以二氧化碳为气化剂所获得的合成气中有效气体（CO/H2）物质的量比大于以氮为载气的气化过程，随着气化剂的减少，以氮为载气的气化合成气中有效气体（CO/H2）物质的量比迅速增加。以CO2为载气情况下煤/气化剂比对和合成气中有效气体体积分数及物质的量流量的影响图，随着气化剂的减少，合成其中的有效气体体积分数及物质的量流量均呈现先增加后减小的变化趋势，其中当煤/气化剂质量比为1．83时，合成气中有效气体流量达到最大4405kmol/h，此时合成气有效体积分数为0．95。以N2为载气情况下煤/气化剂比对和合成气中有效气体体积分数及物质的量流量的影响图，随着气化剂的减少，合成其中的有效气体体积分数及物质的量流量也呈现先增加后减小的变化趋势，其中当煤/气化剂质量比为1．75时，合成气中有效气体流量达到最大4324kmol/h，此时合成气有效体积分数为0．91。
4 结束语
综上所述，气化剂用量直接影响煤气化性能，随着气化剂的减少，粉煤气化温度迅速降低，而后变化趋势趋于平缓，而合成气有效气体（CO/H2）体积比量随着气化剂的减少呈现先降低后增加的状态，在煤/气化剂质量比为1．75～1．9之间存在最小值，而合成气有效气体（CO/H2）摩尔分数及有效气体体积流量随着煤/气化质量比的增大呈现先增加后减小的状况，而合成中甲烷的量则随着煤/气化剂质量比的增加逐渐增加，当煤/氧比大于1．75时，甲烷的生成量迅速增加。故在实际设计过程中可以通过调整气化剂对合成气的组成、物质的量比进行调整，以满足后续工序生成需求。
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论文作者:王建军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/12/2
标签：合成气论文; 粉煤论文; 气体论文; 流量论文; 工艺论文; 温度论文; 体积论文; 《基层建设》2019年第24期论文;