基于Aspen Plus的Shell气流床工业气化炉模拟

郑志行，李谦，张家元，周浩宇

（1 中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙410083；2 中冶长天国际工程有限责任公司国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，湖南长沙410205）

煤气化是一种高效、清洁、便捷的煤炭利用方式，与传统的直接燃烧相比，可以提高煤炭的利用率，减小污染物的排放，同时气化气更方便人们的使用[1-3]。近年来，很多研究者建立了煤炭热解气化的平衡模型，旨在优化气化炉系统的效率和运行条件，以提高煤炭的转化效率。Ni等[4]利用非线性规划方法，在平衡、质量平衡和能量平衡的基础上，建立了气化炉的多变量模型，并与Shell 气化炉的实际生产数据进行了对比验证，并在此基础上研究了气化温度、气化压力、氧煤比、蒸汽煤比对煤气组成及气化效率的影响。Li 等[5]建立了循环流化床的气化平衡模型，并通过引入碳转化实验，对产物的气体组成进行了预测，模拟结果与实验结果误差很小。Kong 等[6]基于Aspen Plus 软件建立了Texaco煤气化炉煤气化三级平衡模型，在不同的操作工况下预测了气体组成和碳转化率，并通过实验结果对模型进行了对比验证。Sanchez 等[7]基于Aspen Plus 软件对加压鼓泡流化床建立了煤气化模型，模拟结果与实验结果吻合良好，在此基础上预测并分析了温度、压力、蒸汽煤比和空气煤比对煤气组成和煤气热值的影响。

此前的研究大多是考虑单一因素对气化结果的影响，未考虑多种因素共同作用下的结果，且针对煤粉富氧气化的研究较少[8-11]。实际气化生产中，氧气体积分数的增加可有效地提升煤气效率和气化气品质，但增加了气化成本，因此根据不同的生产需求可选择不同体积分数的氧气作为气化剂[12]。本文基于Aspen Plus 化工仿真平台，建立了煤粉在Shell 气流床中的气化模型，利用灵敏度分析模拟了氧煤比、氧气体积分数及氧气预热温度对气化指标及气化特性的影响，并进行了正交模拟计算，研究了以上3种因素共同作用的结果。本文以探索富氧气化规律、提高煤粉气化效率和降低气化成本为目标，期望为煤粉气流床气化的工业化方案制定和反应器设计提供理论支持和技术参考。

1 煤粉在气化炉中的气化模型

1.1 气化过程

煤炭气化指在一定温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程[13]，气化剂可以是氧气、水蒸气、CO2等。Shell煤气化过程是在高温高压下进行的，干煤粉、氧气及少量水蒸气在高压下并流入气化炉，在很短的时间内即可完成干燥、裂解、燃烧、气化等一系列物理化学过程，1500℃左右的高温煤气在气化炉顶部与激冷气混合，温度降至约900℃排出并进行进一步处理，炉渣则以熔融态从炉底排出，Shell 气流床的煤气化工艺流程如图1所示。气化过程中发生的主要反应见表1[14]。

1.2 气化指标

本文采用煤气热值、有效气体积分数、煤气产率、碳转化率、气化效率等指标对气化过程进行评价。

煤气热值（QLHV，kcal/m3，1kcal=4.18kJ）见式(1)。

式中，yi为各气体化合物（H2、CO、CH4）在合成气中的体积分数。

有效气体积分数（φ，%）见式(2)。

图1 Shell气流床系统流程示意图

表1 气化过程中发生的主要反应

式中，VH2、VCO分别为煤气中H2和CO的体积，m3/h；V为煤气总体积，m3/h。

煤气产率（Vg，m3/kg）的计算见式(3)。

式中，V为煤气总体积，m3/h；G为入炉煤量，kg/h。

冷煤气效率（η，%）的计算见式(4)。

式中，QLHV为煤气低位热值，kcal/m3；Vg为煤气产率，m3/kg；Qcoal为入炉煤低位发热量，kcal/kg。

碳转化率（ηC，%）的计算见式(5)。

式中，Cash为气化残渣中的含碳量，kg；Cash入炉煤的含碳量，kg。

对于气化过程中发生的主要反应R1～R9（表1），影响其平衡移动的主要因素为反应物体积分数及反应温度。反应物浓度越高，分子间碰撞的概率越大，使得反应正向移动。为了更好地解释气化反应中氧煤比、氧气体积分数和氧气预热温度变化对气化结果的影响，引入范特荷夫方程式对反应R1～R9进行分析[15]，从反应温度的角度来解释气化反应平衡的移动，范特荷夫方程式见式(6)。由式(6)可知，对于吸热反应R3、R4、R9，随着气化温度升高，化学平衡常数K逐渐升高，反应正向移动；对于放热反应R1、R2、R5、R6、R7、R8，随着气化温度升高，化学平衡常数K逐渐减小，反应逆向移动。

式中，K为化学平衡常数，表征反应进行的程度，其单位与反应的化学计量系数有关；ΔH为反应热，kJ/mol；R为摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)。

2 模型构建及验证

2.1 模型构建

利用Aspen Plus 建立煤粉在Shell 气化炉中的热解气化流程图需进行以下假设[16]：①气化炉处于稳定运行状态，炉内温度及压力保持恒定；②煤中的灰分为惰性物质，不参与气化反应；③炉内气相反应速度很快，且处于平衡态。

根据以上假设，针对Shell气流床煤气化实际过程，利用Aspen Plus 建立煤粉的热解气化模型。模拟采用的煤种为神华煤，其工业分析、元素分析见表2，热值为29.88MJ/kg。气化炉的操作条件见表3[17]。

表2 神华煤的工业分析和元素分析（干燥基）

表3 气化炉操作条件

本文建立的煤粉热解气化模型由干燥、热解、气化和除尘这4部分组成，如图2所示。由化学计量反应器RSTOIC 模拟煤粉的干燥，收率反应器RYIELD 模拟热解过程，吉布斯反应器RGIBBS 模拟气化过程，分流器SEP1模拟粗煤气的除尘[18]。

图2 煤气化模型示意图

煤粉在Aspen Plus 中被定义为非常规组分。RSTOIC 反应器中通过热氮气对煤粉进行干燥，并通过分离器FLASH将干煤粉、干燥剂及水分分离；RYIELD 反应器中使用CALCULATOR 模块，根据煤粉的工业分析和元素分析，将煤粉分解为C、H2、O2、N2、S 和灰分，并将其作为热解产物通入到RGIBBS 反应器，与O2、水蒸气发生气化反应；气化反应后的产物通过分流器SEP1 将灰与未反应的残炭分离出去。裂解热由气化过程提供，并考虑气化过程中的热量损失。

2.2 模型验证

本文利用文献[17]中Shell气化炉的实际运行数据对模型进行验证。文献试验结果与模拟结果的对比情况见表4。从表4 可以看出，实际气化过程中产生的气体主要为CO 和H2，而H2S 和CH4的浓度很小，模拟结果与试验结果的误差很小。除此之外，模型对比了文献[19]中的Illinois No.6、Wyodak、SRC(-Ⅱ)、Exxon DSP、Western和Eastern这6种煤种，煤种的元素分析和气化炉操作条件如表5 所示[19]，模拟结果与文献试验结果吻合良好，如图3 所示。通过以上对比验证，本文建立的Aspen Plus 气化模型可以很好地模拟煤粉在气流床中的气化。

表4 文献值与模拟值的对比结果

图3 模拟值与文献值的煤气组成及碳转化率对比

3 单因素分析

3.1 氧煤比

表5 煤种的元素分析和气化炉操作条件

在保持其他操作参数不变的情况下，本节利用灵敏度分析模拟了氧煤比对气化结果的影响。其中，氧气体积分数为21%，氧气预热温度为180℃。

氧煤比对气化温度及气体组成的影响如图4所示。随着氧煤比的增加，气化温度逐渐升高[20]，当氧煤比从0.2kg/kg 升高到1.2kg/kg 时，气化温度由765℃升高到1448℃。这是由于入炉氧气量增加，放热反应R1、R2、R6正向移动，使得气化炉内温度迅速升高。反应R6 正向移动造成H2的浓度降低；温度升高使反应R9 正向移动，因此CH4的浓度降低；当氧煤比小于0.9kg/kg 时，反应R2 和R4占主导，CO 的浓度逐渐升高，CO2浓度逐渐降低，当氧煤比大于0.9kg/kg 时，反应R1 和R7 占主导，CO 的浓度逐渐降低，CO2浓度逐渐升高。综合H2和CO 的变化，有效气体积分数先增加后减小，当氧煤比在0.9kg/kg时达到最大值41%。

图4 氧煤比对气化温度及气体组成的影响

氧煤比对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响如图5所示。随着氧煤比的增加，煤气热值逐渐降低，当氧煤比从0.2kg/kg增加到1.2kg/kg时，煤气热值从1702kcal/m3降低到870kcal/m3，主要是由于H2、CH4的浓度降低造成的；碳转化率逐渐增加，冷煤气效率先增加后降低，当氧煤比为0.9kg/kg时，碳转化率达到最大值100%，冷煤气效率达到最大值77.72%，但此时产气热值仅为1303kcal/m3。

3.2 氧气浓度

由于空气气化时的冷煤气效率和煤气热值较低，实际气化生产中均采用富氧或者纯氧气化。在保持其他操作参数不变的情况下，本节利用灵敏度分析模拟了氧气浓度对气化结果的影响。其中，氧煤比为0.8kg/kg，氧气预热温度为180℃。

氧气浓度对气化温度及气体组成的影响如图6所示。随着氧气浓度的增加，气化温度逐渐升高，当氧气体积分数从21%增加到100%时，气化温度由1003℃升高到1480℃。这是由于氧气浓度增加，气化炉中O2活化分子数目增加，从而增加了O2与C、CO、H2的碰撞，使得放热反应R1、R2、R6、R7 正向移动，气化炉内温度逐渐升高。温度升高使反应R3、R4 正向移动，因此CO2浓度降低、H2和CO 浓度升高，而CH4浓度变化很小。有效气的体积分数大幅度升高，从空气气化时的42%升高到纯氧气化时的97%。

图5 氧煤比对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响

图6 氧气浓度对气化温度及气体组成的影响

氧气浓度对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响如图7所示。随着氧气浓度的增加，煤气热值逐渐升高，当氧气体积分数从21%增加到100%时，煤气热值从1316kcal/m3升高到2950kcal/m3，这是由H2和CO的体积分数升高造成的。氧气浓度的增加使固相碳和气相间的反应速率和反应活性大大增加，使得碳转化率和冷煤气效率升高，氧气体积分数为50%时，碳转化率达到最大值100%，冷煤气效率达到最大值82.6%。

图7 氧气浓度对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响

3.3 氧气预热温度

气化生产的粗煤气具有一定的显热，可利用这部分热量对氧气进行预热，增加氧气分子的气化活性，提升气化效果，从而实现对气化过程中热量的全面、高效利用。在保持其他操作参数不变的情况下，本节利用灵敏度分析模拟了空气预热温度对气化结果的影响。其中，氧煤比为0.8kg/kg，氧气体积分数为21%。

氧气预热温度对气化温度及气体组成的影响如图8所示。随着氧气预热温度的增加，气化温度逐渐升高[21]，当空气预热温度从25℃增加到600℃时，气化温度由967℃升高到1119℃。同时，吸热反应R3、R4 正向移动，使得H2、CO 升高，CO2降低，而CH4变化很小。有效气的体积分数逐渐升高，在600℃预热时达到46%，相比于常温气化有7%的增长。

图8 氧气预热温度对气化温度及气体组成的影响

氧气预热温度对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响如图9 所示。随着氧气预热温度的增加，煤气热值、碳转化率和冷煤气效率小幅升高，当空气预热温度从25℃增加到600℃时，煤气热值从1247kcal/m3升高到1407kcal/m3，碳转化率从93.5%升高到99.7%，冷煤气效率从68%升高到82%，增长量分别为160kcal/m3、6.2%、14%。这是因为预热增加了气化温度，使得固相碳与气相间的反应活性和反应速率增加。

图9 氧气预热温度对产气热值、碳转化率及冷煤气效率的影响

4 正交模拟计算

通过对单因素变量的分析，得到了氧煤比、氧气和氧气预热温度对气化结果的影响。实际气化过程中，几种因素之间是互相干扰、互相影响的，通常多种因素都在一定范围内变化[22]。因此本节研究了氧煤比（A）、氧气体积分数（B）和氧气预热温度（C）对煤气热值、有效气体积分数、煤气产率、冷煤气效率、碳转化率的影响大小，进行了五水平三因素正交模拟计算。工程实际中各参数运行值分别为氧煤比0.81kg/kg、氧气体积分数100%、氧气预热温度180℃。氧煤比、氧气和氧气预热温度都是以工程实际为基准，在工程运行实际变化范围内选取，具体因素水平选取值见表6，正交模拟计算方案设计及结果如表7所示。

表6 因素水平表

表8为正交模拟计算结果的极差分析表，获得了氧煤比、氧气体积分数和氧气预热温度对不同气化指标的影响大小及相应的最优水平，分析如下。

表7 正交模拟方案及结果表

表8 极差分析表

（1）氧煤比对冷煤气效率和碳转化率的影响作用占首位。在模拟研究范围内，随着氧煤比的增加，煤气产率和碳转化率逐渐增加，煤气热值、有效气逐渐减小，冷煤气效率先增加后减小。因此在工程实际中增大氧煤比旨在快速升高冷煤气效率，根据冷煤气效率、煤气热值和有效气的正交分析结果，氧煤比的最优指标为2水平，即0.8kg/kg。

（2）氧气对煤气热值、有效气、煤气产率的影响作用占首位。在模拟研究范围内，随着氧气的增加，煤气热值、有效气、冷煤气效率、碳转化率逐渐增加，煤气产率逐渐减小。由于空气气化时的冷煤气效率和煤气热值较低，实际气化生产中均采用富氧或者纯氧气化，旨在获得高热值、高有效气的气化气，同时相比于空气气化可进一步提升冷煤气效率的上限，但过高的氧气又会增加气化成本，因此应根据实际需求选择合适的富氧。根据煤气热值和有效气的正交分析结果，氧气体积分数的最优指标为5 水平，即100%；根据冷煤气效率和碳转化率的正交分析结果，氧气体积分数的最优指标为3、4、5水平，最优指标区间为60%～100%。

（3）氧气预热温度在模拟研究范围内对煤气化指标影响较小。气化炉生产的煤气具有一定的显热，将这部分热量进行回收利用，对氧气进行预热可以提高气化温度，可以增强入炉O2分子的气化活性，从而使得碳转化率和冷煤气效率有所增加。根据煤气热值和有效气的正交分析结果，氧气预热温度的最优指标为3 水平，即300℃；根据冷煤气效率和碳转化率的正交分析结果，氧气预热温度的最优指标为3、4、5 水平，最优指标区间为300～500℃。

（4）通过分析以上3种因素对不同气化指标的影响效果，根据实际气化生产需求，如果是为了生产高热值的气化气，最优组合为A2B5C3，即氧煤比为0.8kg/kg，氧气体积分数为100%，气化剂预热温度为300℃，此时煤气热值为3011kcal/m3；如果气化生产旨在高冷煤气效率，最优组合为A2B3～5C3～5，即氧煤比为0.8kg/kg，氧气体积分数为60%～100%，气化剂预热温度为300～500℃，此时气化过程中的冷煤气效率可达83.46%，在实际生产中，可以根据生产的经济性、安全性、有效气纯度等要求，在一定范围内选择最佳的运行参数。

5 结论

本文利用Aspen Plus建立了煤粉在Shell气流床中的气化模型，将模拟结果与工程数据进行了对比验证。在保持其他操作参数不变的前提下，研究了氧煤比、氧气和氧气预热温度对气化结果的影响，并进行了正交模拟计算，研究了以上3种因素共同作用的结果。考虑到工程实际，将煤气热值和冷煤气效率作为主要的气化目标，得出以下结论。

（1）空气气化时，研究了氧煤比对气化结果的影响。氧煤比的增加使碳转化率逐渐升高、煤气热值降低、有效气及煤气热值先升高后降低。氧煤比为0.9kg/kg 时，碳转化率达到最大值100%，但冷煤气效率、有效气体积分数及煤气热值较低，分别为77.72%、41%和1303kcal/m3。

（2）保持氧煤比为0.8kg/kg，研究了氧气对气化结果的影响。相比于空气气化，提升氧气可增加冷煤气效率、有效气体积分数及煤气热值的峰值：氧气体积分数为50%时，冷煤气效率可达82.6%；氧气体积分数为100%时，有效气体积分数和煤气热值可达97%和2950kcal/m3。

（3）保持氧煤比为0.8kg/kg、氧气体积分数为21%，研究了氧气预热温度对气化结果的影响。氧气预热温度的升高使冷煤气效率和有效气体积分数升高。氧气预热温度为600℃时，冷煤气效率可达82%、有效气体积分数可达46%，相比于常温气化，增长量分别为14%、7%。

（4）通过正交模拟计算研究了氧煤比、氧气及氧气预热温度对气化指标的影响。氧煤比对冷煤气效率和碳转化率的影响作用占首位，氧气对煤气热值、有效气、煤气产率的影响作用占首位，而氧气预热温度在模拟研究范围内对煤气化指标影响较小。根据实际气化生产需求，如果是为了生产高热值的气化气，最优工艺参数为氧煤比0.8kg/kg、氧气体积分数100%、气化剂预热温度300℃，此时煤气热值可达3011kcal/m3；如果气化生产旨在高冷煤气效率，最优工艺参数为氧煤比0.8kg/kg、氧气体积分数60%～100%、气化剂预热温度300～500℃，此时气化过程中的冷煤气效率可达83.46%。

（5）气化过程中存在多种因素的互相影响，结合工程实际进行正交模拟计算，可为气化过程的操作参数的优化提供一定的理论指导。