Shell褐煤氣化模擬計算分析

第43卷第2期煤化工Vol.43 No.22015年4月Coal Chemical IndustryApr. 2015Shell褐煤氣化模擬計算分析賈靖華',左玉幫',劉鑫',康善嬌',劉佳男',梅長(cháng)松',李春?jiǎn)?,陳二孩了,顏昌玉2(1.大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司,北京100070;2.大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司,內蒙古多倫 027300)摘要以大唐多倫煤制烯烴項目Shell氣化爐為研究對象,基于Gibbs自由能最小化法,通過(guò)反應平衡限制和熱損失修正,建立了Shell 褐煤氣化平衡模型,計算結果與運行數據吻合較好。同時(shí),研究了不同操作條件對氣化性能的影響。結果表明:CO2載氣流量和氧煤比是主要的影響因素,特別是氧煤比可以明顯改變氣化溫度和產(chǎn)品煤氣組成，隨著(zhù)氧煤比的增加,氣化溫度升高,有效氣(H2+C0)組成先增加后減小，針對所用氣化煤種,分析得出最佳氧煤比為0. 76。關(guān)鍵詞褐煤氣化, 模擬計算, Aspen Plus ,平衡模型,氧煤比,C02載氣流量文章編號: 1005-9598 (2015) -02-0015 -05中圖分類(lèi)號:TQ54 文獻標識碼:A我國褐煤資源豐富,已探明的保有儲量達1 303億輸人數據和驗證主要來(lái)源于相關(guān)文獻數據,缺少對工t,約占全國煤炭?jì)α康?3%。與其他煤種相比,褐煤業(yè)運行裝置的模擬;所報道的Shell氣化模型,主要含氧量高、灰分及灰熔融性溫度變化大、密度小,是- -針對以煙煤和無(wú)煙煤為原料，且采用N2作為輸送載種高揮發(fā)性、高水分、低熱值、低灰熔融性溫度的劣質(zhì)氣的氣化工藝， 對CO2作為載氣的氣化工藝報道較燃料。目前,世界各國的褐煤主要用于坑口燃燒發(fā)電，少,尚未有以褐煤為原料且采用CO2作為輸送載氣的但效益不明顯,環(huán)境污染嚴重。隨著(zhù)煤氣化技術(shù)的發(fā)氣化 工藝模擬的有關(guān)報道。大唐國際化工技術(shù)研究院展,對煤種的適應性提高,且褐煤具有成本低、反應活有限公司與大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司合性強、不黏結等優(yōu)點(diǎn),使得以褐煤為原料發(fā)展高附加作,借助AspenPlus軟件，以大唐內蒙古多倫煤制烯值的煤化工產(chǎn)業(yè)越來(lái)越受到重視13)。以褐煤為原料烴項目Shell 氣化爐為研究對象,對以褐煤為氣化原的大唐多倫煤制烯烴項目、大唐克旗煤制天然氣項料及CO2為輸送載氣的氣化工藝進(jìn)行了模擬研究,分目、大唐呼倫貝爾化肥項目、呼倫貝爾金新化肥項目析了主要操作條件對氣化結果的影響，優(yōu)化得出了最先后建成投產(chǎn)。佳氧煤比,以用于指導氣化爐的穩定運行?！苯⒑置簹饣に嚁祵W(xué)模型,有助于指導生產(chǎn)裝置的調整優(yōu)化,實(shí)現經(jīng)濟運行。煤氣化建模主要有兩1 Shell 褐煤氣化平衡模型的建立種方法:動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)平衡模型。根據化學(xué)反應速率方程建立的動(dòng)力學(xué)模型,可較好地模擬氣化爐1.1物性方 法的選擇內的物理化學(xué)變化過(guò)程,計算精度較高, 但模型過(guò)于針對Shell氣化爐高溫、高壓的特點(diǎn),并結合文復雜,通用性較差。采用Gibbs自由能最小化法和平獻[4-7]的報道,采用RK -Soave物性方法,對常規組衡常數法,建立的熱力學(xué)平衡模型則相對簡(jiǎn)單,具有分如粗煤氣、固定碳等進(jìn)行物性計算。RK- Soave物性一定的通用性,特別是對氣流床計算精度較高,可以方法多用于氣體加工、煉油等工藝過(guò)程計算,適用的輔助氣化爐的設計和操作運行。目前,國內已有不少體系為非極性或弱極性的組分混合物，如烴類(lèi)及CO2、關(guān)于氣流床平衡模型的報道。但綜合來(lái)看,模型的HS H等輕氣體,尤其適用于高溫、高壓條件。收稿日期:2014-11-20中國煤化工作者簡(jiǎn)介:賈靖華(1978- ),男 ,寧夏中寧,工程師,碩士, 2003年本科畢業(yè)于MH. CNM HG業(yè),現主要從事化工流程模擬技術(shù)相關(guān)工作,E- mail :jiajinghua@dtctri. com. cn。.- 16-煤化工2015年第2期煤和灰為非常規組分，主要通過(guò)計算焓和密度,(式中minG表示體系的最小Gibbs自由能優(yōu)化研究其物理屬性。本研究利用Aspen plus軟件內嵌目標函數,后面公式為其具體表達式)的HCOALGEN焓模型與DCOALIGT密度模型進(jìn)行計算。模型主要的輸人參數有工業(yè)分析數據、元素分析數據b;= 2 myny+Smny(3)和硫分分析數據,數據輸人的完整度與準確度直接關(guān)系到模擬的精確度。_nsAj9anzm,+ En(H(x)+Q,=1.2模擬流程及數 學(xué)模型(4)利用Aspen plus建立的Shell褐煤氣化平衡模型模擬流程示意圖見(jiàn)圖1。煤粉物流進(jìn)人裂解模塊,n≥0發(fā)生裂解反應。裂解模塊是一個(gè)僅計算收率的簡(jiǎn)單反上述表達式中,式(2)為目標函數;式(3)為體系應器,主要是將煤裂解為單元素分子(純元素C、S、H2、的原子守恒方程;式(4)為氣化模塊的焓平衡方程,其N(xiāo)、02、C12)及H20、灰渣,并將裂解產(chǎn)生的熱和產(chǎn)物導中,等式左邊分別為輸人系統的化學(xué)焓、顯焓及裂解人氣化模塊。純02(氣化劑)和CO2(煤粉輸送載氣)作熱，等式右邊前兩項為輸出系統的化學(xué)焓和顯焓,最為單獨的物流直接進(jìn)入氣化模塊,氣化模塊為Gibbs后一項為氣化爐的散熱損失,根據張宗飛等[10研究自由能最小化法反應器,無(wú)需提供詳細的反應,就可結果,散熱損失取輸人煤熱值的2%;式(5)為非負約計算出反應平衡時(shí)的煤氣組成和氣化溫度。氣化生成束條件。的粗煤氣和灰渣進(jìn)入氣固分離模塊，進(jìn)行氣固分離，1.3 Shell褐煤氣化平衡模型的修正與驗證分離出粗煤氣物流和灰渣物流。同時(shí),模型考慮了氣原料煤為東勝利褐煤，其煤質(zhì)分析列于表1,化爐的散熱損失。Shell氣化爐運行工況列于表2。將表2中的3種工裂解熱況數據,分別輸人到已建立的Shell褐煤氣化平衡模裂觸型中進(jìn)行計算,模擬結果表明,計算出的氣化溫度及煤粉煤氣組成與實(shí)際運行值偏差較大。為此,對主要的氣化反應進(jìn)行了限制修正，同時(shí)結合現場(chǎng)運行數據,對裂解模塊粗煤氣氣化爐散熱損失進(jìn)行了校正,修正后的模型計算結果二氧化碳載氣氣化產(chǎn)物氣固分離列于表3。從表3可知,模擬值與運行值吻合良好,說(shuō)純氧氣化劑[模塊明對模型的修正是合理的，能較好地模擬CO2作為輸熱損失氣化模塊灰渣送載氣的褐煤氣化過(guò)程,可進(jìn)- - 步對操作條件進(jìn)行計算分析。圖1 Shell 褐煤氣化平衡模型模擬流程示意圖表1煤的工業(yè)分析和元素分析其中,煤裂解模塊中,各單元素分子的收率由煤工業(yè)分析/%元素分析/%的元素分析組成確定,所以該模塊的數學(xué)模型主要是MaV。AsFCaCgHO。SgNu能量平衡方程,式(1 )為煤裂解模塊的焓方程[8]:4.5634.33 14. 48 51.19 63. 26 3.46 16.04 1.07 1. 69mwuH..2 +m。Hu(ea)= 2 nASHjm.28. +復2 Shell氣化爐運行工況數據溫度/C壓力 (G)/MPa流量 /kg.s"'nH(Tw)+Q,784.023.8氣化模塊模擬的組分體系包括:H20、H2.CO、CO2、H2S、工況101719.0.N、Ar、COS、CH、02、S、C(固體),組分體系達到化學(xué)反CO23.1應平衡的判斷依據是體系的Gibbs自由能達到極小某824.4值,以此原理建立的反應器數學(xué)模型8]描述見(jiàn)式(2)~工況2018018.5862.6(5):燒中國煤化工23.9minG, G=j=s+11= 1(2)工況3 O2MYHCNMH G18.4.2015年4月賈靖華等:Shell褐煤氣化模擬計算分析-17-表3 Shell 褐煤氣化平衡模型計算結果煤氣組成(千基)工況氣化溫度/CH2摩爾分數/%CO摩爾分數/%CO2摩爾分數/%CH/X 10*模擬值運行值運行值模擬值 運行值1 6451 65718. 82.18. 6956. 0156. 6524. 0423. 540. 003. 101 48420. 7121. 3557. 859. 0220. 386. 6827. 6015531 52820. 1820. 4957. 558. 2421.1919.903.3619. 60注:對主要煤氣組分的計算結果。2操作條件對氣化溫 度及煤氣組成的影響反應,溫度降低,利于H2、CO2和CH,的生成，因此,綜合作用的結果是H2、CO2和CH,的含量小幅增加,co和以表2中的運行工況3作為模擬分析的研究工有效氣含量下降。實(shí)際氣化溫度的選擇與煤種有關(guān)，況，通過(guò)在Shell褐煤氣化平衡模型中改變工況3的由于Shell氣化爐屬液態(tài)排渣,因此為了使爐內形成操作條件,計算分析了不同操作條件對氣化溫度及煤連續的液態(tài)渣層分布和順利排渣,氣化溫度必須高于氣組成的影響?；以牧鲃?dòng)溫度,一般工程上選取的氣化溫度至少要2.1氣化壓 力對氣化溫度及煤氣組成的影響高出流動(dòng)溫度100 C~150 C[1-5]。維持其他操作條件不變,采用Shell褐煤氣化平表5不同氣化溫度下的煤氣組成衡模型,計算不同氣化壓力條件下的氣化溫度及煤氣煤氣組成(干基)組成(見(jiàn)表4)。從表4可知,氣化壓力的改變對氣化氣化溫溫度和最終的煤氣組成幾乎沒(méi)有影響。由于甲烷化反度/C H摩爾CO摩爾CO2摩爾H+C0糜爾HA分數/%分數/%分數/%分數/% /X10*應是一個(gè)體積縮小的反應,所以當壓力增加時(shí),甲烷，1687 19. 8558. 1720. 8778. 02化反應平衡點(diǎn)右移,造成甲烷含量有微量提高,這與1 653 19.93 58.01 20. 9577. 941.27單賢根等1[121研究結果- - 致。但對于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程,1 62020.01 57. 8421. 0477. 851. 68提高氣化壓力,可以加快爐內的氣化反應速率,使氣1 587 20.10 57. 6621.1377.762. 25化強度加強,產(chǎn)能提高。1 553 20.20 57.48 21. 2277. 683. 04衰4氣化壓力對氣化溫度及煤氣組成的影響1 520 20. 2957.2821. 3277. 574.161 486 20.40 57. 0721. 4277. 475.78氣化壓力氣化溫.(G)/MPa度/C H2摩爾C0摩爾CO2摩爾CH42.3 CO2載氣流量 對氣化溫度及煤氣組成的影響分數/%分數/% 分數/% /X10*利用Shell褐煤氣化平衡模型，僅改變CO2載氣1 555 20. 197. 5021.210. 00流量,計算得出的氣化溫度和煤氣組成見(jiàn)表6。從表621 5520. 197. 49可知，流量的增加，導致氣化溫度H、CO、有效氣3I 553 20. 1957. 4821.22 1. 92(H+CO)含量下降,CO2含量增加。由于CO2為吸熱性的155320.20.7.4721.22 3. 38氣化劑,所以氣化溫度呈下降趨勢;同時(shí),載氣CO2流155220. 2057.47 21.23 5. 26量的增加，使變換反應平衡點(diǎn)左移，導致H2含量下61 55257. 4621.23 7. 57降;因為載氣流量的增加,使氣化爐出口煤氣總流量2.2氣化溫 度對煤氣組成的影響也相應增加,所以CO含量下降,實(shí)際上,由于氣化工其他操作條件不變的情況下,在Shell褐煤氣化藝以CO2為載氣輸送,CO2的還原反應得到了強化,所平衡模型中，調整氣化溫度計算出的煤氣組成列于以CO絕對流量是增加的;H和CO含量的降低必然使表5。從表5可知，隨著(zhù)氣化溫度的降低,Co和有效有效氣含量下降;煤氣組成中CO2的含量,則由于人氣含量略微減少,CO2.H2、CH的含量有小幅增加,這爐載氣CO2流量的增加呈.上升趨勢。實(shí)際氣化爐的操與吳學(xué)成等1021)研究結果-致。氣化溫度的降低,導作中，載氣中國煤化工醫度加以控制，致水蒸氣、CO2與半焦的反應速率臧弱,有效氣含量略必須嚴格按YHCNM HG微下降;另-方面,變換反應和甲烷化反應都是放熱2.4氧煤比對氣化溫 度及有效氣組成的影響- 18煤化工2015年第2期表6 CO, 載氣流對氣化溫度及煤氣組成的影響煤氣組成(干基)CO2載氣流量/m.h+t氣化溫度/CH2摩爾CO摩爾CO2摩爾H+C0CH/X 10*分數/分數/%摩爾分數/%3 6601 57120. 5757. 8320. 4978. 392. 884 8481 55320.2057. 4821. 2277.673.045490.1 54320. 0057. 2821.61.77. 283.147 3201 517l9.4756.7222. 7376. 193.45.9 1501 49218. 9756. 1423. 8275. 113. 8010 980146718.5055. 5524. 9074. 044.2012 8101 44418. 0554. 9525. 9673. 004. 66其他操作條件不變,使氣化爐的氧煤比在0.48~綜上所述,結合氧煤比對氣化溫度的影響及煤的0.96變化,利用建立的Shell褐煤氣化平衡模型,計灰熔融性溫度，分析得出氣化煤種的最佳氧煤比為算得出的氣化溫度變化趨勢見(jiàn)圖2。從圖2可知,隨0.76,在此條件下,可獲得較優(yōu)的工藝指標。著(zhù)氧煤比的增大，氣化爐內的燃燒反應愈來(lái)愈烈,氣化溫度逐漸升高;另外，由圖2可知，氧煤比大于3結0. 65時(shí),溫度上升劇烈,且氧煤比每增加0. 01,溫度升高約50 C。本研究基于Gibbs自由能最小化方法,通過(guò)反應2400 [限制和熱損失修正，建立了Shell 褐煤氣化平衡模) 2100型,模擬結果與實(shí)際運行值吻合良好,可對工業(yè)操作這1800明1500條件進(jìn)行計算分析:苦1200(1)對Shell氣化爐運行工況的模擬表明,模型900600 I能較好地模擬工業(yè)裝置以CO2為輸送載氣的褐煤氣0.47 0.57 0.67 0.77 0.87 0.97 .化過(guò)程,對氣化爐的穩定運行有一定的指導意 義。氧煤比/kg●kg'(2)對操作條件的計算分析表明,單純改變氣化圖2氧煤比對氣化溫 度的影響壓力和氣化溫度對氣化結果的影響很小;CO2載氣流通過(guò)Shell褐煤氣化平衡模型，計算得出的有效量對氣化溫度和主要煤氣含量影響顯著(zhù),隨著(zhù)流量的氣含量隨氧煤比的變化情況見(jiàn)圖3。從圖3可知,有增加，氣化溫度、H2、CO、有效氣含量下降,CO2含量增效氣含量隨氧煤比的增加，呈先增大后減小的趨勢，加;氧煤比作為氣化爐關(guān)鍵操作條件,對氣化溫度和與宋志春[6)的研究結論相符。這主要是因為在低氧產(chǎn)品有效氣含量影響很大,隨著(zhù)氧煤比的增加,氣化煤比狀態(tài)下，隨著(zhù)氧煤比的增加，半焦與氧氣生成溫度升高,有效氣含量先增加后減小，綜合考慮各方C0、半焦與水蒸氣生成H2的反應占主導,所以C0和面的影響因素,得出最佳氧煤比為0. 76。H2含量增加;但如果繼續提高氧煤比,生成的H2和CO將與02反應,生成更多的H20和CO,又使得H2和CO符號說(shuō)明:含量逐漸下降,所以導致有效氣總量先增加后減小。i一某一裂解產(chǎn) 物組分;80mur進(jìn)料煤的質(zhì)量流量,kg/s;.n-第 i種組分的摩爾流量, kmol/s;75|AH..8一煤的標準 生成焓,kJ/kg;活70HA:puxr._第 i種組分的標準生成焓, kJ/kmol;Hu(Tmu)--進(jìn)料煤 帶人的顯焓,kJ/kg;0.47 0.57 0.67 0.77 0.87 0.97H(Tmw)-中國煤化工/kmol;H(T]2)-EHCN M H G]/kmol;，圖3氧煤比對有效氣含 量的影響AH9eam一弟 i種組分進(jìn)科的標準生成焓,kJ/kmol ;.2015年4月賈靖華等:Shell褐煤氣化模擬計算分析- 190,一-煤的裂解熱,kW;[4]林立. Aspen Plus軟件應用于煤氣化的模擬[J].上NP-裂解產(chǎn)物組分數;?；?，2006 ,31(8): 10-13.氣化系統中的某- -組分;[5]謝芳,李海洋 ,閣世媚. Texaco水煤漿氣化爐的建模不參與相平衡的固體組分數;與模擬[J].貴州化工, 2011 ,36(1):1-4.C一參 與相平衡的組分數; .[6]孟輝,段立強,楊勇平.基于A(yíng)spen Plus的Texaco-相平衡中的某- -相;氣化爐性能研究[J].現代電力,2008 ,25(4):53-58.p一參與相平 衡相的個(gè)數;[7]肖祥,周臻,黃歆雅.基于A(yíng)spen Plus的水煤漿氣C--氣化系統的Gibbs自由能,kW;化模擬[J].廣東化工, 2012 ,39( 18):22-24.G一第j 種固體組分的標準Gibbs自由能,kJ/kmol;[8]于遵宏,王輔臣.煤炭氣化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出G--第 I相第j種組分的標準Gibbs自由能,kJ/kmol ;版社, 2010.n,--第j 種固體組分的摩爾流量. kmol/s;[9]張宗飛,湯連英,呂慶元,等.基于A(yíng)spen Plus的粉煤ny-第 I相第j種組分的摩爾流量, kmol/s;氣化模擬[J].化肥設計, 2008 , 46(3): 14-18.氣化系統中的某一 元素;[10]彌勇,余安華.煤氣化模擬計算模型[J].化工設m一氣化系統的原子矩陣; .計, 2010,20(2):9-11.b.-氣化系 統元素的摩爾數矩陣, kmol/s;[11]單賢根,任相坤,步學(xué)朋,等. 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Datang International Chemical Technology Research Institute Co., Itd, Beijing 100070, China;2. Datang Duolun Coal Chemical Industry Co., Ld., Duolun Inner Mongolia 027300, China)Abstract Taking the Shell gasifier of Datang Duolun coal -to - olefin project as a research object, the Shell lignitegasification balance model was established by adopting the Gibbs free energy minimization method, and taking intoconsideration the reaction equilibrium limitation and heat loss corection. The calculation result was in good agreement with theon -site data. The impact of different operating conditions on the gasification performance was also studied, and the resultindicated that the CO2 crier gas flow rate and the oxygen- -coal ratio were the main influencing factors. The oxygen- coal ratio,in particular, could obviously change the gasification temperature and the composition of the product gas. Furthermore,gasification temperature inereased with the increase of the oxygen-coal ratio, and the effective gas (H2+CO) composition firstincreased and then decreased. The optimal oxygen- -coal ratio was 0.76, according中國煤化工nKey words lignite gasification, analog calculation, Aspen Plus, equilYHCNM H Gn to cal, co,carrier gas flow rate.