整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）空氣爐的性能計(jì)算研究目錄TOC\o"1-3"\h\u23857整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）空氣爐的性能計(jì)算研究 1246791.1引言 1321061.2AspenPlus模型的建立 1324161.1.1空氣氣化爐工作原理 1198861.1.2基于AspenPlus建立空氣氣化爐計(jì)算模型 256681.3計(jì)算條件及結(jié)果驗(yàn)證 4212011.4空氣爐的性能模擬 5301611.4.1氣煤比對(duì)空氣氣化爐性能的影響 5287101.4.2氣化溫度對(duì)氣化爐性能的影響 71.1引言IGCC空氣爐的結(jié)構(gòu)多樣，不同結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)會(huì)影響煤的氣化結(jié)果，對(duì)煤的氣化過(guò)程有一個(gè)良好的認(rèn)識(shí)，可以更好的進(jìn)行合適的數(shù)值計(jì)算以及模型創(chuàng)建，進(jìn)一步剖析煤的氣化過(guò)程，本章主要解釋空氣爐氣化工作原理，以及利用AspenPlus軟件進(jìn)行模型的確立，以及對(duì)模型相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算驗(yàn)證。1.2AspenPlus模型的建立1.1.1空氣氣化爐工作原理空氣爐采用兩段布置，煤粉于入口處有通過(guò)空分系統(tǒng)得到的氮?dú)馑腿?，進(jìn)入溫度較高的燃燒室，在此，其中一部分煤粉由于溫度過(guò)高，會(huì)率先分解，這部分煤熱解產(chǎn)物會(huì)和再循環(huán)得到的焦炭與過(guò)量空氣進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生熔融灰和合成氣，同時(shí)放出大量的熱量，合成氣的主要成分為CO、CH4、CO2、H2O、O2、N2等。圖2-1空氣爐的結(jié)構(gòu)煤的整體氣化過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，在空氣氣化爐的內(nèi)壁需要專門設(shè)立水冷壁，同時(shí)在煤的分解和接下來(lái)的進(jìn)一步氣化，也屬于吸熱反應(yīng)，一定程度上會(huì)降低合成氣溫度，利用此種手段可以使高溫合成氣流出時(shí)，將流化爐的溫度降低到標(biāo)準(zhǔn)溫度，是隨爐流出的焦炭和熔融會(huì)固化，不會(huì)沾污系統(tǒng)后續(xù)反應(yīng)器及裝置表面。1.1.2基于AspenPlus建立空氣氣化爐計(jì)算模型AspenPlus軟件是由美國(guó)艾斯本公司開(kāi)發(fā)的第三代大型化工通用流程模擬系統(tǒng)，這是一款規(guī)模較大、功能多樣、普適性較強(qiáng)、兼具化工設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬等計(jì)算的流程模擬軟件[8]。經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)被全世界在化工、冶金、石化、煤炭、動(dòng)力等各個(gè)領(lǐng)域的公司廣泛應(yīng)用?；趯?duì)空氣爐結(jié)構(gòu)特性以及工作原理的分析，通過(guò)過(guò)程虛擬軟件AspenPlus，對(duì)空氣氣化爐模型進(jìn)行創(chuàng)建并開(kāi)始煤的氣化流程模擬及計(jì)算。創(chuàng)建的AspenPlus模型如圖2-2所示，在該模型中，主要包括兩個(gè)過(guò)程，煤的燃燒以及煤的熱解過(guò)程，由于煤的熱解速度是要比逆向反應(yīng)速度高很多的，煤的熱解過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，利用COMB模塊可以簡(jiǎn)化整體過(guò)程，以單元素分子為出口可以保證此部分物料平衡[3,4]。圖2-2基于AspenPlus的空氣爐模型假定煤熱解生成產(chǎn)生焦和CO、CO2、H2O、O2、N2等組分。反應(yīng)室采用GASIFIER反應(yīng)器，若要保證Gibbs自由能最小化，就要利用GASIFER反應(yīng)器來(lái)保證氣固相平衡。吉布斯自由能應(yīng)具有最小值，即[5]在AspenPlus軟件中可以對(duì)氣化爐不同部分的參數(shù)和出入口組分有非常詳細(xì)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，我們通過(guò)給定各模塊所需要的數(shù)據(jù)，通過(guò)其中自帶的分析工具就可以得到出口處的粗煤氣成分。進(jìn)一步可以探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況。煤的熱解氣化發(fā)生在高溫環(huán)境中，會(huì)將物質(zhì)中的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在得到的粗煤氣中，通過(guò)這種方式將煤的能量收集起來(lái)，還可以減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)還能獲得高質(zhì)量的合成氣。而相比之下燃燒反應(yīng)，在破壞物質(zhì)原有的結(jié)構(gòu)后，將釋放的大部分能量以熱量的方式擴(kuò)散到周圍。在氣化爐中，煤的氣化過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)也是最需要重視的部分，煤與空氣發(fā)生多種不同的反應(yīng)，可以簡(jiǎn)單概括為以下幾點(diǎn)：熱解氣化產(chǎn)氣燃燒反應(yīng)：碳的氣化反應(yīng)：水氣置換反應(yīng)：甲烷化反應(yīng)：1.3計(jì)算條件及結(jié)果驗(yàn)證 本文首先通過(guò)過(guò)程虛擬軟件AspenPlus，對(duì)空氣氣化爐模型進(jìn)行創(chuàng)建并開(kāi)始煤的氣化流程模擬及計(jì)算，探究不同運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該模型中煤氣化后有效成分以及冷煤氣效率等參數(shù)情況，比較驗(yàn)證模型的可行性，以及合適的運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。氣化用煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1所示(發(fā)熱量28.5MJ/kg)。在常溫常壓的條件下,給煤量為1kg/s[5]。名稱數(shù)值（%）名稱數(shù)值（%）收到基水分（Mar)9.54收到基氫（Har）4.96收到基灰分（Aar）9.64收到基氧（Oar）6.84干燥無(wú)灰基揮發(fā)分（Vdaf）39.45收到基氮（Nar）1.59收到基碳（Car）74.46收到基全硫(St,ar)1.44表2-1煤質(zhì)資料表由表2數(shù)據(jù)對(duì)比可知，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)稍有不同。其中CO和H2的計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)先比，含量較為高，CO2和H2O的計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)先比，含量較為低。N2的模擬值基本準(zhǔn)確。通過(guò)多方面的考慮與分析，虛擬過(guò)程所得的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中得到數(shù)據(jù)間的誤差對(duì)整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)有太大影響，可以認(rèn)為整個(gè)模擬過(guò)程是符合邏輯的，模型的創(chuàng)建及計(jì)算方法使用是沒(méi)有問(wèn)題的。利用吉布斯反應(yīng)器對(duì)氣化爐進(jìn)行AspenPlus建模的研究方法可行。氣體成分XB/%資料數(shù)據(jù)/%模擬值/%CO26.328.60H210.111.71CO23.11.8H2O1.81.59N256.154.7表2-2結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)[7]1.4空氣爐的性能模擬1.4.1氣煤比對(duì)空氣氣化爐性能的影響氣煤比是空氣氣化爐性能指標(biāo)的重要組成部分，他主要反映了空氣爐中燃料和氣化劑部分進(jìn)入反應(yīng)室的質(zhì)量比值。進(jìn)入反應(yīng)室的空氣主要包括，為吹送煤粉進(jìn)入反應(yīng)室的一部分空氣，以及作為主要?dú)饣瘎┻M(jìn)入反應(yīng)室的空氣。氣煤比可以控制煤的燃燒反應(yīng)和熱解氣化反應(yīng)的比例情況，對(duì)合成氣最終的成分組成，熱量等級(jí)，冷煤氣效率，包括整體系統(tǒng)的生產(chǎn)效率都有著至關(guān)重要的干涉。通過(guò)控制氣化劑入口處進(jìn)入反應(yīng)器的空氣質(zhì)量流速，在其他條件不變的情況下，可以探究并計(jì)算過(guò)得在氣煤比改變時(shí)，不同的研究條件隨之改變的變化狀態(tài)。圖2-3氣煤比對(duì)合成氣溫度的影響圖2-4氣煤比對(duì)粗煤氣成分的影響圖2-3中，氣煤比對(duì)合成氣的影響、在氣煤比達(dá)到3.5的時(shí)候發(fā)生改變，這是由于在氣煤比小于3.5時(shí)，隨著氧氣的增加，反應(yīng)器中煤的氣化反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，煤分解所吸收熱量逐漸增加。但隨著氣煤比的增大，空氣大量進(jìn)入反應(yīng)器，使燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致合成氣溫度增長(zhǎng)加劇。隨著氣煤比的進(jìn)一步增大，進(jìn)入反應(yīng)器空氣量的增加，需要更多的熱量加熱空氣，溫度增加逐漸放緩[10,11]，由于氣煤比進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致氧氣過(guò)量，使得放熱相關(guān)反應(yīng)室平衡點(diǎn)右移，產(chǎn)生熱量。圖2-5氣煤比對(duì)合成氣中有效氣體含量的影響圖2-6氣煤比對(duì)冷煤氣效率的影響通過(guò)分析圖2-4中氣煤比變化對(duì)粗煤氣氣體成分的影響情況以及圖2-5中氣煤比對(duì)合成其中有效氣體含量的影響情況，我們可以發(fā)現(xiàn)，CO、H2的流量從氣煤比為1.5一直變化到氣煤比為3時(shí)，流量在逐漸增大，并在氣煤比為3.5時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)闅饷罕仍龃?，意味著空氣和煤粉的質(zhì)量流量比增大，進(jìn)入反應(yīng)器的空氣含量增高，有更加充足的氣化劑，會(huì)導(dǎo)致整體燃燒反應(yīng)右移，反應(yīng)程度加劇，放出更多的熱量，從而導(dǎo)致反應(yīng)器中的氣化溫度提升，此時(shí)，溫度對(duì)熱解氣化反應(yīng)的影響更大，所以會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)煤的熱解氣化作用，引起更多的CO、H2氣體生成，在氣煤比超過(guò)3.5的時(shí)候，我們可以注意到，CO、H2的濃度逐漸降低，CO2、H2O的濃度大幅度提升，這主要是因?yàn)?，氣煤比進(jìn)一步增大，反應(yīng)器中的空氣含量進(jìn)一步提升，整體燃燒反應(yīng)進(jìn)一步右移，整體反應(yīng)溫度也進(jìn)一步提升，同時(shí)，空氣含量的提升也會(huì)導(dǎo)致CO、H2的燃燒反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，煤粉的充分燃燒和氣化產(chǎn)物CO的燃燒都會(huì)產(chǎn)生CO2，氣化產(chǎn)物H2燃燒會(huì)產(chǎn)生H2O，這樣通過(guò)整體過(guò)程的模擬計(jì)算，以及根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的分析，我們可以得知，過(guò)低的氣煤比，會(huì)使煤粉的熱解氣化反應(yīng)不夠充分，浪費(fèi)了原料，過(guò)高的氣煤比，會(huì)使煤粉過(guò)度反應(yīng)，導(dǎo)致氣化產(chǎn)物產(chǎn)量的降低，選擇氣煤比為3.5時(shí)，最適合本次設(shè)計(jì)的氣化爐進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)。通過(guò)分析圖2-6氣煤比變化對(duì)冷煤氣效率的影響，我們可以發(fā)現(xiàn)，冷煤氣效率是隨著氣煤比的逐漸升高，呈現(xiàn)出一種先增后減的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)?，在氣煤比小?.5的時(shí)候，由于氣化劑的含量逐漸增大，整體反應(yīng)向右移，整體過(guò)程煤的氣化效果在逐漸提升，煤氣中的有效氣體含量逐漸升高，并于氣煤比達(dá)到3.5時(shí)達(dá)到最大。在氣煤比超過(guò)3.5時(shí)，由于氣化劑的過(guò)量輸入，氣化劑中的主要成分氮?dú)鈺?huì)大量進(jìn)入合成其中，并且會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行效果，同時(shí)由于氧氣含量的升高，煤及其氣化產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，合成其中的有效氣體占比逐漸減少，從而導(dǎo)致整體冷煤氣效率的不斷降低。1.4.2氣化溫度對(duì)氣化爐性能的影響煤的熱解氣化過(guò)程復(fù)雜且多樣化，影響因素眾多，其中溫度對(duì)整體過(guò)程的反應(yīng)程度，反應(yīng)速度，以及反應(yīng)最終產(chǎn)物都有著極為重要的作用，尋找并探究最適合該氣化爐裝置下煤熱解氣化反應(yīng)的氣化溫度，對(duì)整體課題的研究至關(guān)重要。圖2-7氣化溫度對(duì)粗煤氣成分的影響圖2-8氣化溫度對(duì)合成氣低位發(fā)熱量的影響