德士古煤气化在合成氨中的计算与分析

德士古煤气化在合成氨中的计算与分析德士古气化炉是一种以水煤气为进料的加压气流床气化工艺。

德士古气化炉由美国德士古石油公司所属的德士古开发公司在1946年研制成功的，1953年第一台德士古重油气化工业装置投产。

在此基础上，1956年开始开发煤的气化。

本世纪70年代初期发生世界性危机，美国能源部制定了煤液化开发计划，于是，德士古公司据此在加利福尼亚州蒙特贝洛（Montebello）研究所建设了日处理15t 的德士古气化装置，用于烧制煤和煤液化残渣。

目前国内大化肥装置较多采用德士古气化炉，并且世界范围内IGCC电站多采用德士古式气化炉。

典型代表产品我厂制造过的德士古气化炉典型的产品有：渭河气化炉、恒升气化炉、神木气化炉、神华气化炉等。

1992年为渭河研制的德士古气化炉是国际80年代的新技术，制造技术为国内先例，该气化炉获1995年度国家级新产品奖。

它的研制成功为化工设备实现国产化，替代进口做出了重要贡献。

德士古气化炉是所以第二代气化炉中发展最迅速、开发最成功的一个，并已实现工业化。

一、德士古气化的基本原理德士古水煤浆加压气化过程属于气化床疏相并流反应，水煤浆通过喷嘴在高速氧气流的作用下，破碎、雾化喷入气化炉。

氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火砖里的高温辐射作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，最后生成一氧化碳，氢气二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气，熔渣和未反应的碳，一起同向流下，离开反应区，进入炉子底部激冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截流在水中，落入渣罐，经排渣系统定时排放。

煤气和饱和蒸汽进入煤气冷却系统。

水煤浆是一种最现实的煤基流体燃料,燃烧效率达96~99%或更高,锅炉效率在90%左右,达到燃油等同水平。

也是一种制备相对简单,便于输送储存,安全可靠,低污染的新型清洁燃料[1]。

具有较好的发展与应用前景。

水煤浆的气化是将一定粒度的煤颗粒及少量的添加剂在磨机中磨成可以泵送的非牛顿型流体,与氧气在加压及高温条件下不完全燃烧,制得高温合成气的技术,以其合成气质量好、碳转化率高、单炉产气能力大、三废排放少的优点一直受到国际社会的关注,我国也将水煤浆气化技术列为“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的科技攻关项目。

本文基于目前我国水煤浆气化技术的现状,以Texaco气化炉为研究对象,根据对气化炉内流动、燃烧和气化反应的特性分析,将Texaco气化炉膛分成三个模拟区域,即燃烧区、回流区和管流区,分别对各区运用质量守恒和能量守恒方程,建立了过程仿真模型。

该模型考虑了气固两相流动、煤热解、辐射换热及包括均相和异相在内的气化反应过程。

在模型基础上进行了动态与静态仿真,并进行参数化研究和仿真结果分析,分析不同参数下仿真结果的变化趋势。

为更进一步了解气化炉内气体组分以及温度的分布情况,本文利用Fluent建立Texaco气化炉的CFD 模型,采用非预混燃烧模型,考虑气固两相流动,化学反应、对流、辐射换热以及反应热。

挥发份的气相湍流燃烧用混合分数法来模拟,用标准k?ε紊流模型模拟气固两相流动,对炉内燃烧的辐射与对流换热采用P-1辐射模型。

仿真结果很好的验证了本文对气化炉膛中三区模型划分的正确性,并进行参数化研究和仿真结果分析,得出结果与过程仿真结果结果吻合。

二、Texaco（德士古）气化炉技术特点2炉z%p:q-u-]德士古气化炉是一种以水煤浆进料的加压气流床气化装置，水煤浆由气化剂夹带由专门的喷嘴喷入炉内，瞬间气化。

优点：（1）甲烷含量低，利于甲醇与氨的合成（2）设备结构简单，内件很少；理论上可以用于任何煤种（3）具有较长的实际运行经验，操作危险性小，可用率达80%-85%（4）利用水煤浆便于高压泵送的特点，可以制备压力很高的粗煤气（5）能充分利用一切污水源制作水煤浆（6）气化炉的运行费用较低（7）后续的除灰系统比较简化2z%p:q-u-]装置特点：（1）原料适应广。

各种烟煤、气煤、肥煤，都可以用来制气，对煤的水分、灰分、可然雾含量、灰熔点等没有苛刻的要求，这有利于厂家就近选煤，可大大节约成本。

（2）气体有效成分高。

有效成分(CO+H2)80%-82%，鲁奇气化工艺的有效气成分(CO+H2)只有50%-70%（见表1）。

排渣无污染，污水污染小易处理。

因高温气化，气体中含甲烷很低（CH4≤0.1%），无焦油，废渣可以综合利用。

/c4S-l$k-x(（3）气化压力范围大。

从2.5~6.5MPa皆有工业化装置，以4.0MPa 较为普遍，气化压力高可节省合成气压缩功。

+G&@)h,^+q]4W（4）碳的转化率高。

碳的转化率高达98%。

Z8Z,[4^5C3G%c7（5）气化炉热量利用。

气化炉有激冷，废锅，激冷和废锅结合的3种流程。

可以根据产品进行选择气化流程。

由激冷工艺制得合成气，汽气比达到1.4，特别适合作为生产合成氨和甲醇的气头（见表2），也可作为制氢、羰基合成气等，用途广泛。

废锅流程适合用做然气透平循环联合发电工程，副产的高压蒸气用于蒸气透平发电机组，实现多联供（6）气化炉结构简单生产能力大。

气化炉内无传动装置，结构比较简单，一台Φ3200mm的气化炉气化压力4.MPa0生产的合成气可以日产合成氨760t以上。

Vq$~)i8~*?#v#o'_#]缺点：对煤质要求方面，要求活性好，灰熔点低，由于其工艺原料是水煤浆（含碳60%左右）要求流动性、成浆性、灰熔点、可磨性、灰份要求严格必须试烧认可，改变煤种也需要经过试烧认可。

同时水煤浆中含35%水分，因此比氧耗高，比煤耗高。

同时气化炉喷嘴使用周期短，耐火材料容易侵蚀损坏，灰水处理系统较大，湿灰处理较困难，对厂区环境影响教大。

texaco水煤浆加压气化工艺，目前仍是广泛应用的煤气化技术之一。

它是以氧气为气化剂与水煤浆混合雾化后一起高速通过喷嘴进入气流床反应器(也称为气化炉)，并在高温下发生不完全氧化反应，最终生成H、CO、CO等合成气…，不生成焦油、酚及高级碳氢化合物等有害副产品，合成气体可用于生产合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸等化学品和循环发电。

气化过程为达到较高碳转化率，采用部分氧化反应释放大量热能，维持反应器内温度在煤灰熔点温度以上J。

但是在实际生产运行中，工艺方面操作条件和控制指标的变化，会出现一系列问题，影响系统正常的运行。

三、Texaco水煤浆加压气化的工艺流程Texaco气化炉分为淬火型气化炉和配置有辐射制冷器的气化炉(又称全热能回收型)。

如图1和图2所示。

两种气化炉的上部结构和气化工艺是相同的，下部合成器的冷却方式不同。

Texaco水煤浆气化工艺过程包括煤浆的制备和输送、煤浆气化和热量回收、煤气的冷却和净化、闪蒸及水处理等工序。

在气化炉中，工艺气和灰渣经下降管进入激冷室，激冷室上部有激冷环，下部进入水中，煤气中的熔渣迅速冷却后分离下来，并沉降在激冷室底部，随后进入渣灌，由排渣系统定时排放；冷却后的工艺气在水中激冷至露点温度，使其处于水蒸气饱和状态满足变换反应要求，经过侧壁上的出口离开气化炉的工艺气进入洗涤工序经冷却净化后送人变化工序；气化炉排出的灰水经4级闪蒸后，一部分循环利用，另一部分作废水处理。

煤性质的影响水煤浆气化工艺过程与煤的性质要求有一定的限制，主要包括：（1）煤所含的内水即煤的结合水，能影响煤浆的浓度，内水含量越高，制备的煤浆浓度越低，降低了煤气的气化率，同时产生的工艺气中有效气的含量低。

（2）灰分和灰熔点，灰分的主要化学成分是Fe2O3、TiO2、SiO2、A12O3、CaO、MgO、Na，O等，灰分是以结晶成不同的结构的混合物，灰分含量大，氧气的耗损量也相应的增大，同样煤的消耗量也增大，灰分每增加1％，氧消耗量增加0．6％；灰分含量高，熔渣对气化炉的耐火材料冲刷和渗透就大，缩短耐火材料的使用寿命。

灰熔点的高低程度一般用(TiO2+SiO2+A12O3)／(CaO+MgO+Na：O+FeO，+KO)来计算，其比值范围在1．988～4．329之间属于易熔j，所以由该式可知CaO、MgO、Na20、Fe：O，、KO含量越多，灰熔点越低，TiO、SiO、A1：O含量越高，灰熔点越高。

通过添加含CaO、MgO、FeO 等物质的助熔剂，降低煤的灰熔点和黏度，从而能有效的减少工艺管道结垢发生堵塞现象。

（3）煤中的氮、砷含量，氮含量决定着灰水处理系统的pH值和氨的生成，pH值高能减轻对系统的腐蚀，但同样使得水中的ca¨、Mg绝大部分以碳酸盐的形式存在引起结垢，反之酸度高，对管道和设备的腐蚀也很严重，水中pH尽可能保持在7左右；过多的氨，能和系统中生成的CO反应形成碳酸氢铵，在低温下能堵塞变化工序的管道。

砷能使变换系统中的Co-Mo催化剂中毒，造成触媒粉化J。

煤浆浓度和粒度的影响Texaco气化工艺要求煤浆粒度为2．38mm，因为粒度的大小，影响传热速度和气化效率。

煤浆含固量为60．5％～63％，煤浆含固量过高，粒度过细，从气化的角度来讲有利于气化效率的提高，但此时煤浆黏度过大，流动性差，不利于煤浆的输送和储备，煤浆流速一般在0．6～0．9m•s之间，大于0．9m•S一时对管道腐蚀严重；反之，煤浆浓度过低，粒度过粗，一方面使发热量降低，气化效率低，另一方面还会影响煤浆的成浆性及稳定性，颗粒易于析出，经验上煤浆浓度增加1％，工艺气体含量(主要是CO和H的含量)增加0．5％以上。

如图3所示。

温度、压力的影响温度和压力对气化反应的影响煤气质量主要包括有效气的组分和热值，而且气化过程是一个热化学反应过程，所以温度和压力对于化学过程煤气产率和化学组成的影响是很显著的，甚至是起到决定性作用。

水煤浆在气化炉内的反应大致包括热裂解反应、燃烧反应和氧化还原反应，可用下式表示：气化过程中，由于压力的不同，一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷的比率也不同，如图4所示，随着压力的增加，煤气中二氧化碳和甲烷含量增加j，而氢气和一氧化碳的含量则减少。

气化炉操作温度的选择主要取决于煤的灰熔点、煤浆浓度及氧纯度，一般在1300～1450~C。

Texaco气化工艺用于合成甲醇的气化压力是6～8MPa，工艺气的组成为：CO(40％～46％)、H2(33％一40％)、CO2(17％～22％)、CH(400～1500×10)。

气化炉温度的判断方法温度是气化炉稳定运行的前提，炉温的高低与煤浆流量、煤浆浓度、氧气流量以及氧煤比有密切关系，其中氧煤比是控制炉温的主要因素。

如图5所示。

气化炉炉温是通过安装在上下不对称的4支方向互成直角的高温热电偶来进行测量的』，热电偶是根据两种金属在不同温度下产生不同的电势差来确定被测环境的温度。

由于气化炉是在高温、高压下长期运行，为了保护热电偶在高温下不被炉子内产生的还原性气体(氢气‘、一氧化碳)所腐蚀，通常向炉内充高压氮气。