新型固定床气化模拟及验证

王学云1,2,3，臧雪晶2,3，读 刚2,3，郭良元2,3

(1.煤炭科学研究总院,北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013)

摘 要:为探究新型固定床气化炉工艺操作条件。选用低阶煤，煤颗粒平均粒径10 mm，加煤量35 kg/h，氧气量10 m3/h，运行压力设定为0.1 MPa进行试烧试验。分别进行Fluent动力学数值模拟与Aspen Plus热力学数值模拟，与实际试烧数据对比。结果表明，Fluent模拟的上出气口CO、H2、CH4、CO2体积分数与试烧的绝对误差分别为0.027、0.010、0.020、-0.057，下出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧绝对误差分别为-0.038、0.007、0.003、0.037，而Aspen Plus上出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧的绝对误差分别为0.025、-0.028、0.012、-0.009，下出气口CO、H2、CH4、CO2模拟体积分数与试烧数值的绝对误差分别为-0.022、0.010、0.002、0.010，Aspen Plus模拟结果除上出气中H2体积分数的绝对误差为-0.028，其余各组分的误差绝对值≤0.025，因此选择该模型进一步研究O2流量与煤质量流量比(O2/煤)及H2O与煤的质量流量比(H2O/煤)对煤气组成的影响。发现当O2/煤为0.328，H2O/煤为0.405时，上、下两段出气表现出较好的特性，热值较高，均达11 MJ/m3以上，可作为气化过程中的推荐操作参数。

关键词:低阶煤；分段式气化；新型固定床气化；小试试验

收稿日期:2022-12-15;责任编辑:张 鑫

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.21121502

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基金项目：煤炭科学技术研究院有限公司科技发展基金资助项目(2021CX-I-02)

作者简介:王学云(1990—)，男，山东临沂人，助理研究员,博士研究生。E-mail:wangxueyun@bricc.cn

引用格式:王学云，臧雪晶，读刚，等.新型固定床气化模拟及验证[J].洁净煤技术，2022,28(11):114-120.

WANG Xueyun，ZANG Xuejing，DU Gang，et al.Simulation and validation of new type fixed bed gasification[J].Clean Coal Technology，2022,28(11):114-120.

中图分类号:TQ53；TK114

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2022)11-0114-07

Simulation and validation of new type fixed bed gasification

WANG Xueyun1,2,3，ZANG Xuejing2,3，DU Gang2,3，GUO Liangyuan2,3

(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013，China；2.Coal Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100013，China;3.State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources,Beijing 100013，China)

Abstract:In order to explore the operation conditions of the new fixed-bed gasifier, the numerical simulation combined with experimental data was carried out. In the experiment, low-rank coal was selected, the average particle size of coal was 10 mm, the coal dosage was 35 kg/h, the oxygen dosage was 10 m3/h, and the operating pressure was set as 0.1 MPa to carry out the gasification test and get the data. Fluent dynamics numerical simulation and Aspen Plus thermodynamic numerical simulation were carried out respectively, which was compared with the actual test firing data. The results show that the absolute errors and the experimental values of the volume fractions of CO, H2, CH4 and CO2 in the upper outlet simulated by Fluent are 0.027, 0.010, 0.020, -0.057, respectively. The absolute errors between the simulated volume fractions and the test values of CO, H2, CH4 and CO2 at the lower outlet are -0.038, 0.007, 0.003 and 0.037, respectively. The absolute errors of the volume fractions and the experimental values of CO, H2, CH4 and CO2 at the upper outlet simulated by Aspen Plus and the experimental values are 0.025, -0.028, 0.012 and -0.009, respectively. The absolute errors between the simulated and tested values of CO, H2, CH4 and CO2 at the lower outlet are -0.022, 0.010, 0.002 and 0.010, respectively. Aspen Plus simulation results show that the absolute error of H2 volume fraction in the upper outlet gas is -0.028, and the absolute error of other components is ≤0.025. Therefore, this model is selected to further study the influence of O2 flow rate to coal mass flow ratio (O2/coal) and H2O to coal mass flow ratio (H2O/coal) on gas composition. It is found that when O2/coal is 0.328 and H2O/coal is 0.405, the gas output in the upper and lower sections exhibits good characteristics, and the heating value is higher than 11 MJ/m3, which can be used as the recommended operating parameters in the gasification process.

Key words:low-rank coal;segmental gasification;new fixed bed gasification;small test

0 引  言

随着环保要求日趋严格,固定床气化焦油引起的环境问题成为制约固定床气化技术发展的瓶颈[1-3],针对传统固定床气化炉存在焦油品质差、产量低、粉尘夹带严重，产生煤气热值低、蒸气分解率低、废水产量大等问题难以解决，很多学者利用数值模拟手段采取不同模型进行不同类型的气化炉气化研究[4-7] 。张翼等[8]利用Fluent进行了生物质气化炉压力与流场的模拟，研究二次进气位置、二次进气气路数量及一次进气与二次进气比例对床层压降和气体流场的影响，结果表明,二次进气位置是影响床层压降的关键因素之一, 二次进气气路数量对床层压降的影响较小,但对床层压降分布和气体流速影响较明显。杨文玲等[9]利用Fluent软件对生物质气化过程进行模拟，发现空气当量比增大使气体热值、产气量和碳转化率先增大后减小，最佳空气当量比为0.18。王浩鹏[10]针对常压干煤粉强旋转气流床气化技术，采用数值模拟方法研究不同氧煤比下气化炉内的燃烧及气化特性，计算表明:温度分布呈壁面高、中心低的特点,气化剂喷嘴区附近壁面最高温度约3 000 K。邢文朝[11] 采用数值模拟手段研究了煤粉气化炉热态时气化炉内速度分布、温度分布和组分分布情况。 程相文等[12]基于Fluent探究了下吸式固定床气化炉的气化过程及气化特性的模拟分析，追踪生物质气化中颗粒的运动与粒径大小对气体组分的影响；苏倩倩等[13]基于Matlab的GUI功能，利用打靶法从底部开始计算固定床气化炉的每个微元体，表明该系统使固定床煤气化过程的计算更方便、高效；张伟[14]利用Aspen Plus进行了生物质气化模拟并进行优化，模拟数据CO2和CH4含量相对偏高,H2和CO含量相对偏低；尹梦梦[15]对三段式气化炉煤气化制合成气过程进行数值研究，利用该模型将两段式气流床气化炉模拟结果与试验结果进行对比,结果表明主要参数误差均不大于5%。

笔者依据煤科院新型固定床气化炉，结合小试试烧数据分别进行了Fluent动力学数值模拟与Aspen Plus热力学数值模拟，并选择优者进行工艺参数调控。

1 工艺介绍

通过对单段固定床气化炉炉体结构设计和控制技术创新，开发新型固定床气化炉，即一种新型固定床热解气化一体化成套技术，实现原料煤单次投料、生成物分段转化、产品气分段导出，从而有效控制热解段温度梯度、炉内气速与气化段中心温度，降低了煤气中粉尘夹带量，从而提高焦油收率[16]。

该技术以挥发分含量高的低阶块煤为原料，生产煤气的同时副产高质量焦油，具有良好经济效益与环保意义。该气化炉下端通入气化剂，顶部进煤，中部气化段引出第1股不含热解气的气化煤气，顶部干燥段引出第2股含有热解气的煤气，其简化原理示意如图1所示。本文主要对煤科院新型固定床气化进行了Fluent动力学数值模拟与Aspen Plus热力学数值模拟，对比模拟数据与试烧数据，然后选取模拟效果较好的模型探究O2流量与煤流量比(O2/煤)及H2O与煤的质量流量比(H2O/煤)对煤气组成的影响。

图1 新型固定床气化原理示意
Fig.1 Schematic of new fixed bed gasification

气化炉有效内径约300 mm，高约7 000 mm，系统设计耐压1.0 MPa。炉体根据出气口分上下2段，可调节出气比例，气化炉内衬耐火层，耐火层外侧为硅酸铝保温层；耐火层与保温层之间由310s不锈钢管隔开；保温层外侧为304不锈钢板。炉体上中下分别设置法兰，上法兰与附带水冷夹套的下煤管相接，下法兰与除渣翻板相接；中部法兰将气化炉体分成上下2部分，方便炉内耐火层的浇筑与维护。试验用煤工业分析与元素分析见表1。

表1 试验用煤的工业分析和元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of test coal

2 Fluent模拟计算

采用Gambit软件进行几何建模并划分网格。由于炉体为轴对称结构，采用二维轴对称模型，提高计算效率的同时确保网格精确度。整个计算域包含1 138个正四面体网格，分为料斗区、上部冷却区、气化主体及灰渣区4个部分，如图2所示。

图2 气化炉网格划分
Fig.2 Grid division of gasifier

2.1 动力学模型

考虑煤颗粒干燥、热解、气化、燃烧等异相反应，以及气相各组分之间的均相反应。颗粒干燥将收到基煤变为干燥基煤和水蒸气，干燥基煤进一步热解为轻质气体(H2、CO、CO2、CH4、H2O)、焦油(C6H6)、焦炭(Char)和灰分(Ash)。气化炉内主要反应及动力学计算模型见表2[17]。

表2 气化炉内主要反应及动力学计算模型

Table 2 Main reaction and kinetic calculation model in gasifier

注：r为反应速率，kmol/(m3·s)；Rg为气体常数，取8.314；T为温度；P为分压；C为体积分数;η为转化率;ρs为密度。

2.2 Fluent模拟结果

煤颗粒平均粒径10 mm，加煤量35 kg/h，O2流量10 m3/h。运行压力为0.1 MPa，上下出气口比例为1∶1，求解结果如图3和表3所示。

图3 Fluent模拟计算结果
Fig.3 Simulation results of Fluent

表3 上下出气口煤气组成

Table 3 Composition of upper and lower outlet gas

2.3 Fluent模拟结果分析

由图3可知，固定床内部压降在2.6 kPa左右，这一压降主要用于克服多孔介质床层对气体流动引起的压力损失。在靠近底部气化剂入口上部温度最高，最高温度在1 050 ℃左右，这主要是由于富氧气化中氧气与焦炭燃烧反应放出大量热。CO分布于还原区域，这是燃烧产生的CO2与焦炭的Bouduard反应以及水煤气发生反应所造成；H2分布于主气化区，这是由于H2O与焦炭发生水煤气发生反应以及H2O与CO发生水煤气变换反应。CH4分布于主气化区偏上即热解区域附近，这是由于干燥煤热解导致。O2与焦炭燃烧使CO2分布于气化剂喷嘴附近。由模拟数据与真实数据对比可知，上出气口CO、H2、CH4、CO2绝对误差分别为0.027、0.010、0.020、-0.057，下出气口CO、H2、CH4、CO2绝对误差分别为-0.038、0.007、0.003、0.037，其中误差相对较大的是上出气口的CO2，在模拟计算中，这部分CO2源于CH4、CO、C与氧的反应，由氧化段生成，随气流上升进行还原反应，但在实际炉体中氧化段与还原段并无明显界限，且还原反应进行不彻底，因此有一部分CO2未被还原即随煤气上出口排出。但生成有效气(CO H2 CH4)的误差在可接受范围内，认为此模拟可用于该炉型的预估计算。

3 Aspen Plus模拟计算

3.1 模型简介

利用Aspen Plus进行热力学计算，从热力学角度分析新型固定床气化的模拟效果。将该新型固定床气化炉的热解气化过程建模设计分成4个部分，包括干燥、热解、气化、燃烧。该炉型的Aspen Plus流程模拟如图4所示。流程根据该气化炉的原理简化图构建，由各反应单元模块构成，分别包含干燥(RYield)、热解(RYield)、气化(RGibbs)、燃烧(RGibbs)、分离(Seps)以及换热(Heater)模块。通过干燥过程，煤中水分分离，进入热解过程，生成CO、H2、CO2、H2O、H2S、N2、CH4、焦油和焦炭，反应如图4所示，其中热解出口温度为227 ℃。

CoalChar CO H2 CO2 H2O H2S N2 CH4 C6H6。

(1)

干燥热解过程所需能量由高温下段气提供。热解后的焦炭进入气化区气化，气化区温度838 ℃，一部分气化气由分离模块分离作为下段气出口组分，另一部分在热解段与热解气一起作为上段气排出，剩余残碳进入燃烧区被氧化，燃烧区温度为1 168 ℃。气化燃烧过程发生的反应[18]有：

C 0.5O2CO,ΔHr=-111 kJ/kmol，

(2)

CO 0.5O2CO2,ΔHr=-283 kJ/kmol，

(3)

C CO22CO,ΔHr=172 kJ/kmol，

(4)

C H2OCO H2,ΔHr=131 kJ/kmol，

(5)

图4 Aspen Plus流程模拟
Fig.4 Aspen Plus process simulation

CO H2OCO2 H2,ΔHr=-41 kJ/kmol，

(6)

H2 0.5O2H2O,ΔHr=-285.8 kJ/kmol，

(7)

CH4 H2OCO 3H2,ΔHr=206 kJ/kmol。

(8)

气化过程基于吉布斯自由能最小化原理[19]，使气化反应达到热力学平衡状态。

模型模拟煤的热解气化工艺，气体产物以轻质气体为主，故整个系统选择RKS-BM物性方法。

3.2 Aspen Plus模拟结果

新型固定床富氧气化炉中的主要假设如下[20]：① 热解气化整个过程处于稳定状态，且内部反应达到化学平衡和相平衡状态；② 气化炉内各反应阶段的热传导独立，无热和压力损失；③ 灰分惰性，不参与化学反应，最终作为灰渣排出；④ 热解生成的焦油用C6H6表示。

选用低阶煤，煤颗粒平均粒径10 mm，加煤量35 kg/h，氧气量10 m3/h。运行压力设定为0.1 MPa，上下出气口比例为1∶1。利用低阶煤进行新型固定床O2/H2O热解气化试验，分别在4个时间段取得上下段出口气组分的体积分数，对数据取平均值确定上下段出口气体成分比例。表4为对应的试验值和模拟值对比，发现除上端出气中H2体积分数绝对误差为-0.028，其余各组分的误差绝对值都在0.025以内。综上，笔者建立的新型固定床气化的热力学模型能较好模拟试验值。

表4 Aspen Plus模拟值与试验值的对比

Table 4 Comparison of simulated and experimental values of Aspen Plus

3.3 O2/煤对煤气组成的影响

由于Aspen Plus模拟结果相比Fluent模拟结果的最大误差更小，模拟效果更佳，因此选择Aspen Plus研究氧煤比对煤气组成的影响，为工艺条件选择提供参考。

为研究O2/煤比分别对下段和上段煤气的影响，保持气化温度和水煤比一定，通过调节入炉氧气量，分别得出上下段合成气的量随O2/煤比的变化如图5所示。发现随O2/煤比增加，CO先增大，O2/煤比达约0.328后下降，而CO2开始增加较慢随后增大趋势明显增加。这主要是因为O2/煤比的增大使炉内氧气量增加，初始焦炭的反应主要以反应(2)为主，但随O2/煤比进一步增大，反应(3)增强，CO2生成量增大，CO生成量减小。此外，H2体积分数随O2/煤比增加呈下降趋势，这主要是因为氧气量增加使反应(7)增强，消耗H2。另外发现CH4含量随O2/煤比变化不明显。

图5 O2/煤对上下气出口燃气组分的影响
Fig.5 Influence of O2/coal on gas composition of
upper and lower outlets

此外，根据气体组分变化计算热值，发现当O2/煤比小于0.328时，下段和上段出气的低位热值略增大。O2/煤比大于0.328后，2段出气的煤气热值均快速减小，这主要是因为O2量增多使CO和H2的氧化反应加强，合成气品质下降。因此，O2/煤比为0.328时系统产气性能较好，1∶1混合后热值可达11 MJ/m3。

3.4 H2O/煤对煤气组成的影响

为探究H2O/煤比对上下段合成气成分以及产气特性的影响，保持氧煤比一定，通过改变入炉水蒸气量，分别得出上下段合成气的变化如图6所示。发现随H2O/煤比增加，合成气中CO和CH4含量呈减少趋势，而H2和CO2体积分数则呈上升趋势。这主要是因为H2O/煤比增加使进入炉内的H2O量增加，反应(6)增强，一部分CO转化为CO2，反应(8)增强也使部分CH4消耗转化生成H2，水煤气变换反应的加强也使H2产量提升。

图6 H2O/煤对上下出气口燃气组分的影响
Fig.6 Influence of H2O/coal on gas composition
of upper and lower outlets

此外，根据气体组分变化计算热值，可知H2O/煤比小于0.405时，上出气口合成气的热值降低趋势较小，下出气口合成气热值变化不大。但H2O/煤比大于0.405时，两出口合成气低位热值均快速降低，这是由于H2O增至一定量时使焦炭气化反应达到平衡，继续增大H2O通入量只能稀释合成气或降低合成气温度。因此，推测H2O/煤为0.405时，上下段合成气的性能较好，1∶1混合后热值可达11 MJ/m3。

4 结  论

1)Fluent与Aspen Plus均可较好模拟新型固定床气化炉，且Aspen Plus模拟的最大误差更小，绝对误差皆在0.028以内。

2)上段煤气中有效气(CO、H2、CH4)体积分数约为80%，上段煤气中CH4体积分数高于下段煤气；CO体积分数高于下段煤气；H2体积分数低于下段煤气。

3)当O2/煤为0.328，H2O/煤为0.405时，上、下两段气特性较好，热值较高，上出气口皆能达到11 MJ/m3以上，因此可作为日后气化炉运行推荐的操作参数。

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