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德士古气化过程的建模与优化分析摘要：根据德士古水煤浆气化工艺特点，基于Aspen Plus建立德士古气化过程的模拟，并与与实际生产数据对比，验证模型的准确性，分析氧煤比、水煤浆浓度对气化结果的影响。结果表明，随着水煤浆浓度和反应温度的增加，有效合成气产率也随着增加；随着氧煤比的增加，冷煤气效率减少，因此在实际生产中，可以在保持灰熔点的前提下，尽量降低氧煤比。关键词：德士古；水煤浆气化；Aspen plus软件；模拟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引言我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭的利用在我国占有很大的比例，据统计2011年，全国原煤产量35.2亿吨，同比增长8.7%。针对我国的能源现状，在未来很长的一段时间内，煤炭作为我国基础能源的主体地位不会改变。作为一次能源，我国将近80%的煤炭是用于直接燃烧，各种污染物如粉尘、氮氧化物、硫氧化物等大量排放，二十世纪以来，各种重大的环境污染事件如臭氧层破坏、光化学烟雾、酸雨等也都与煤炭的直接燃烧相关1，因此，煤炭的清洁利用也就显得尤为重要。德士古煤气化技术是目前常用的气化技术，在我国有多套运行设备，Texaco气化以其原料的灵活性、高的气化效率、较低的投资和较高的工艺效率在我国煤化工中得到了广泛的应用2。本文对各种气化技术进行比较，选取应用最广泛的德士古气化工艺作为研究对象，分析了整个气化过程，在合理假设的前提下建立基于Aspen Plus的气化平衡模型，与实际生产数据进行对比，所得结果与实际相吻合，在此基础上分析了煤浆浓度等具有代表性的操作参数对气化过程的影响，希望能对实际生产操作提供理论依据。2 Texaco气化流程概况Texaco（Texaco Coal Gasification Process，TCGP）水煤浆气化技术属于第二代煤气化技术，1948年美国德士古石油公司受重油气化的启发，首先创造了水煤浆气化工艺，并在加州洛杉矶近郊蒙特贝洛建设第一套中试装置，规模约15t/d。德士古水煤浆气化系统主要包含煤浆制备、气化炉及合成气洗涤系统和灰水处理系统。合格的水煤浆经过煤浆泵送到气化炉与空分装置来的氧气进入气化炉，在气化炉内发生反应，产生的合成气。煤中的灰分在高温下熔融，熔渣与热合成气一起离开气化室，进入到气化炉的激冷室水淬冷后合成气温度骤降。熔渣迅速固化并产生大量蒸汽，被水蒸汽饱和并夹带少量飞灰的合成气从激冷室上部出口排出。气体进入文丘里洗涤器与从喷嘴喷出的洗涤水混合后进板式碳洗塔，合成气经除尘除沫后送至变换工段。由灰水处理来的高压灰水及变换工段送来的高温冷凝液和汽提冷凝液作为碳洗塔的洗涤水。碳洗塔底排出的黑水经流量控制阀排至灰水处理。同时，系统产生的黑水经中压闪蒸器和真空闪蒸器处理，进行部分水的回用。3基于Aspen Plus德士古气化系统模拟 Aspen Plus是世界公认的标准大型通用流程模拟软件，它具有完善的物性数据库、热力学模型和单元操作模块，也可以进行水煤浆气化过程的模拟。3.1 组分规定对德士古气化来说，参与反应的组分主要包含常规组分(COVEN)与非常规组分(NC)两类，常规组分指的是可以用一个分子式表示的均匀组分，软件可以通过自带数据库查到其物性数据，而非常规组分是由被称作组分属性的经验系数来表征的物质，其物性无法直接从物性数据库中查到，组分属性由一种或多种形式表示组分的组成，在Aspen Plus中，非常规组分不参与相平衡和化学平衡计算，只计算密度和焓值3。本气化模型中非常规组分有煤（COAL）、灰分（ASH）；常规组分包括O2，CO，CO2，CH4，H2O，N2，COS，C等。其中，对神府煤的工业分析如表1所示，元素分析如表2。表1 煤的工业分析Table1 Proximate analysis of coal工业分析Proximate analysis/(wt%)水分moisture固定碳fixed carbon挥发分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物性方法选择单元操作模块只有通过一定的物性方法计算才能得到模拟结果，对于稳态模拟来说，合适的物性方法对模拟结果起着关键作用，物性方法的准确程度是由模拟组分物性和物性方程式共同决定4。 煤气化是一个高温、高压下进行的反应过程，气体为非极性或弱极性的气体，如H2, CO, H2S, CH4等，一般多用RK-SOAVE、RKS-BM、PR-BM5性质方法，这几种方法适用于烃加工、燃烧、炼油、化工等工艺过程的计算6-9。本文选择PR-BM作为物性方法。3.3基于Gibbs自由能最小化的德士古气化模型平衡常数法的缺点是要首先确定复杂系统的独立反应数并列出独立的化学反应方程式，然后要得到每个反应的平衡常数表达式，再求解复杂的非线性方程组，这就要求建模者对过程要有深刻的认识，而Gibbs自由能最小化方法则可以避免上述复杂问题。其计算流程如图所示：Figure 1 Calculator Process图1计算流程裂解单元是一个仅计算收率的简单反应器，主要功能是将煤分解转化为简单组分和灰，并将裂解热传递给Gibbs反应器单元，并根据给定的碳转化率将未反应碳加到灰中以便于Gibbs反应器单元的计算。Gibbs反应器是一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，反应达到平衡的判据是体系的Gibbs自由能达到极小值。4德士古气化建模4.1模型的建立 根据德士古气化实际流程，所建立模型如下：Figure 2 Simulation diagram of Texaco gasification process.图2德士古气化过程流程模拟图模型中主要设备如下：表3 模型中主要设备Table 3 Main device of model 设备 功能 位号 模块煤裂解单元 将煤分解为单质分子 DECOMP RYield气化炉 气化炉，进行煤气化反应 R-1201 Gibbs激冷室 气化炉激冷室，冷却合成气 JILENG Flash2锁斗 去除气化大颗粒灰渣 V1208 Sep碳洗塔 洗涤合成气并去除细颗粒灰渣 T1301 RadFrac高压闪蒸器 蒸发并浓缩黑水 V1303 Flash2高闪分离器 气液分离器并排出酸性气体 V1304 Flash2真空闪蒸器 进一步浓缩黑水 V1305 Flash2真空闪蒸分离器 气液分离，排出不凝气 V1306 Flash2高闪冷凝器 冷却高闪气体 E1302 Heater真闪冷凝器 冷却真闪气体 E1305 Heater4.2 模拟结果与分析碳洗塔出口合成气作为去变换系统的原料，因此，模型的精度可以由碳洗塔出口的气体来评定。表3 碳洗塔出口气体组成(体积分数)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合成气干气组成Table 4 The composition of dry gas组分特性 CO H2 CH4 CO2 N2 压力（MPa） 温度（）模拟值% 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误差% -7.5 3.9 0 6.9 0 0 -1.1 由表可知，所得的模拟结果与实际比较接近，说明本模型可以很好的对气化过程进行描述，并对气化过程进行分析。出气化炉去激冷室气体温度为1365，压力为4MPa，组成如下：表5粗合成气气体组成(摩尔分数)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关键参数对气化结果的影响在实际生产中，对于德士古气化过程影响较大的因素主要有煤种，煤浆浓度，氧煤比等，这些操作参数的合理选择对气化的稳定操作有着重要作用。5.1煤浆浓度对气化过程的影响气化炉压力为4MPa，氧煤比为0.73，热损失取2%，即保持氧气量和耗煤量不变的情况下，当水煤浆浓度从60%增加到70%时，所得结果如下：表6 不同煤浆浓度下气化结果Table 6 Gasification results in different concentrations of coal-water slurry水量变化MCO+MH2MCOMH2MCO2MH2O水煤浆浓度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 图3 水煤浆浓度对气体组成的影响Figure 3 Effect of coal-water slurry concentration on gas composition水煤浆浓度对气化过程影响如图所示，随着煤浆浓度从60%加到70%，CO含量增加较多，H2含量只有略微的增加，水蒸气和CO2的含量都会减少，这是由于水煤比的减少以及温度的升高，使变换反应平衡向左移动。在实际生产中要求尽量高的煤浆浓度，但较高的浓度意味着较高的粘度以及更高的煤质要求，从经济性上考虑，煤浆浓度要保持在60%以上，实际生产中，德士古不适用一些成浆性较差的煤种，如一些低阶的褐煤。5.2氧煤比对气化过程的影响当氧煤质量比从0.60增加到0.72时，对气化过程影响如下：表7 氧煤比对气化过程的影响Table 7 Effect of oxygen-coal mass ratio on gasification results氧煤比气体组成（V%）温度T/激冷气效率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图4氧煤比对气体组成的影响Figure 5 Effect of oxygen-coal mass ratio on gasification temperature and cold gas efficiency图5 氧煤比对激冷气效率的影响Figure 6 Effect of oxygen-coal mass ratio on cold gas efficiency图6 氧煤比对冷煤气效率的影响氧煤比是影响气化效果的关键因素，本文选择的氧煤比范围从0.6-0.72，气化温度、有效气体以及冷煤气效率变化如图所示。随着氧煤比的增加，气化温度增加很快，氧煤比每增加0.01，气化温度增加30左右，与此同时，CO和H2的含量逐渐减少，H2O和CO2含量增加，这是由于氧煤比的增加，会使燃烧反应消耗更多的CO和H2生成更多的H2O和CO2，并导致冷煤气效率的降低。在实际生产中，可以在保持灰熔点的前提下，尽量降低氧煤比。6结论（1）建立了基于Aspen Plus的水煤浆气化炉模型，其计算结果基本正确，所建立的模型可以