GE水煤漿氣化全流程模擬

第39卷第7期化學(xué)工程Vol. 39 No.72011 年7月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)l. 2011GE水煤漿氣化全流程模擬張磊，汪根寶，謝東升,許兆廣(中國石化集團南京工程公司，江蘇南京211100)摘要:GE水煤漿氣化工藝是目前廣泛采用的煤氣化技術(shù)。通過(guò)對GE水煤漿氣化全過(guò)程的模擬，可以加深對工藝包的理解,對氣化爐進(jìn)行優(yōu)化控制，同時(shí)為工藝設計和生產(chǎn)操作提供指導。文中根據GE水煤漿氣化的T.藝特點(diǎn)，將水煤漿氣化過(guò)程分為煤的裂解與氣化激冷與排渣、碳洗、閃蒸與灰水處理等基本單元過(guò)程,在對單元過(guò)程模型反復核算改進(jìn)的基礎上采用Aspen Plus建立了GE水煤漿氣化全流程的計算模型。通過(guò)校核計算與設計計算2種方式分別進(jìn)行了模型驗證,2種計算結果均與工藝包數據較為吻合,證明所建立的模型適用于CE氣化過(guò)程的計算,可以對GE氣化爐的氣化過(guò)程作出相對合理的預測。關(guān)鍵詞:Aspen Plus;冰煤漿;氣化;激冷;灰水處理;碳洗;模擬中圖分類(lèi)號:TQ 054文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2011 )07-0078-05Simulation of whole GE water-coal slurry gasification processZHANG Lei, WANG Gen-bao, XIE Dong-sheng, XU Zhao-guang(Sinopee Nanjng Engineering & Construction lnc.，Nanjing 21100 , Jiangsu Province, China)Abstract :GE water coal slumy gasification process is one of the commonly-used advanced gasification technologies.The simulation of whole GE gasification can improve the understanding of the process and be used 8s a predictivetool at the optimization stage, and also provide guidance for process design and production operation. The featuresof CE slurry gasification were analyzed, which can be divided into several units of coal pyrolysis and gasification,quench and slag handing, syngas scrubbing, fash, and black water handling. The calculation model of whole CEwater- coal slury gasification process was set up with Aspen Plus based on the testing and verifying section models.The model was verified through rating and designing calculations. Two calculation results are in agreement with thedata in process design package( PDP). It indicates that the developed model is feasible to calculate and predict theGE gasification.Key words: Aspen Plus; water-coal slurry; gasification; quench; black water handling; syngas scrubbing; simulation立足于中國的能源結構及國家宏觀(guān)發(fā)展戰略的擬分析,可以更深人地了解其工藝，并對氣化爐進(jìn)行轉變,潔凈煤技術(shù)作為可持續發(fā)展和實(shí)現2個(gè)根本優(yōu)化控制",提高整個(gè)過(guò)程的熱效率;同時(shí)可以預轉變的戰略措施之一，得到了 政府的大力支持。煤測不同條件下氣化爐出口煤氣的成分及污染物的排氣化技術(shù)是實(shí)現煤炭潔凈利用的關(guān)鍵共性技術(shù),是放,為工程設計提供指導。發(fā)展煤基化學(xué)品煤基液體燃料、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)煤氣化的模擬工作得到許多研究人員的重電多聯(lián)產(chǎn)等過(guò)程工業(yè)的龍頭和基礎。其中,GE公視[23),但大部分的工作僅集中在氣化部分,對包括司開(kāi)發(fā)的水煤漿氣化(原德士古水煤漿加壓氣化技激冷、排渣洗滌、閃蒸等工序在內的整個(gè)水煤漿氣術(shù))具有煤種適應性強、碳轉化率高、適合作化工合化流程模擬卻很少關(guān)注。而這些T序對氣化系統的成原料氣、三廢處理方便、操作穩定等優(yōu)點(diǎn),成為迄物料消耗能量消耗及利用起著(zhù)重要作用。因此,本今為止工業(yè)化較好的煤氣化技術(shù),在國內得到了廣文開(kāi)展了氣化全流程的模擬計算工作,通過(guò)對氣化泛應用。工藝的分析,將氣化過(guò)程分為若干子過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)Aspen Plus對整個(gè)水煤漿氣化過(guò)程進(jìn)行模并與工藝包提供的數據對比,取得了理想的結果,可收稿日期:2010-12-24作者簡(jiǎn)介:張磊( 1981- -),男,碩士,工程師、從事化工設計工作,E-mail:hanglei01. snei@ sinopec. com。張磊等GE水煤漿氣化全流程模擬●79.以為實(shí)際生產(chǎn)和工程設計提供幫助。①碳的不完全轉化;②粗渣和細渣的生成;③特殊的進(jìn)料，如添加助熔劑和返料細灰的情況。針對這些1流程模擬缺陷，,本文將煤、灰、粗渣細渣作為非常規組分處煤氣化是十分復雜的化工過(guò)程,采用Aspen 建理,采用Dulong方程計算其熱值'°]。同時(shí)將轉化的模時(shí)需要對氣化過(guò)程適當的處理。--方面需要將單碳分別與煤灰反應生成--定比例的粗渣和細渣["),一設備分解成幾個(gè)單元模型,另一方面需要將幾個(gè)特殊進(jìn)料的情況下,將助熔劑和返料細灰分解后進(jìn)設備整合成-一個(gè)單元模型。根據GE水煤漿氣化的人氣化爐,均采用RSloic反應器模塊,反應方程式特點(diǎn),將煤氣化過(guò)程分為煤的裂解與氣化、激冷與排如下:渣碳洗、灰水處理等基本單元,在對單元過(guò)程模型0.010 833C +0.87A-→+S(1)反復核算、改進(jìn)的基礎上建立全流程的計算模型，以0.015 883 3C +0.809 4A--→Cp(2)使模型能夠反應不同條件下氣化過(guò)程的物能消耗及CaCO,一→CaO + CO2(3)產(chǎn)物特性。Cp-→ 0.015 883 3C +0.809 4A(4)1.1 煤的裂解與氣化式中:A為灰分,SL為粗渣,Cp為細渣。- -般認為水煤漿氣化分2步完成[4],第1步是同時(shí),為了更貼近水煤漿氣化的機理,本文將煤煤的完全氧化放熱反應;第2步是二氧化碳、水蒸分解后的產(chǎn)物與氧氣、粗渣、細渣先進(jìn)人RCibbs燃氣、煤熱解產(chǎn)物和碳發(fā)生的轉化反應。第1步反應.燒反應器,然后再進(jìn)入RGibbs 氣化反應器,具體流為第2步反應提供熱量。程如圖1所示。物性方法可以采用PR-BM或RKS-在進(jìn)行煤氣化模擬時(shí),通常的做法是采用BM,二者的模擬結果均在可接受范圍,不同的是采RYield反應器將煤分解成純質(zhì)元素和灰分,然后進(jìn)用PR-BM方法氣化爐出口氣體的溫度更接近工藝人RGibbs反應器'5。這種方法在- -定程度上能夠包中數據,而RKS-BM方法氣體組成更符合工藝包反應氣化爐出口的氣體組成，但缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮:中的設計值。-COAL煤漿制備煤分解生成粗資-SLURY}-HELEMENT+ WATERMIXERRYIELDRSTOICQDECOMPQ.--- ELEMTI合成(上激冷官氣化e QBURN}燃燒HELMT2}生成細資?一[200RGIBBS H GAFIN HRGIBBS t QCHAR- RSTOIC助熔劑助熔劑分解細漬分觶返料細潢?一[CaCo1C ADI2-CHAR}CHAR]- ◆[ QADDQCHAR2OXYGEN圈1氣化部分流程橫擬圜Fig.1 Aspen flowsheet of gaification雖然氣化反應溫度很高,反應速度快,停留時(shí)間計算模型中采用平衡溫距進(jìn)行補償。為了簡(jiǎn)化計算短,但因氣化爐內的流場(chǎng)(溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濃度梯模型,本文僅考慮以下幾個(gè)獨立反應:度等)復雜，存在返混、回流等較多不定因素[4),上C+ H20=CO + H2(5)述各反應不會(huì )完全達到化學(xué)平衡,而且反應程度各CO +H2O=CO2 +H2(6)不相同。為反映各反應與化學(xué)平衡之間的偏差,在CH, + H20 =CO +3H2(7).80化學(xué)工程2011 年第39卷第7期COS + H20= H2S +CO2(8)處理。由于氣化壓力已經(jīng)確定,以及水的顯熱相N2 +3H2 = 2NH3(9)對于潛熱來(lái)說(shuō)很小，因此,激冷水對激冷室出氣其中,水煤氣變換反應(6)是決定氣化爐出口體的水氣體積比影響較小,過(guò)多的激冷水主要貢氣體組成的最重要的反應,其平衡溫距一般在獻在黑水和渣水中。這樣,確定激冷水量就需要300- 400 C。首先確定這2股水的量。曾慶純等[8]用連通器原1.2 激冷與排渣理模擬激冷室黑水循環(huán)量,能較好地解釋工程現激冷過(guò)程可以說(shuō)是氣化系統水平衡的核心,一象,但并沒(méi)有給出具體模型參數和計算結果,而且方面決定著(zhù)上游碳洗塔的補水,另一方面決定著(zhù)下計算過(guò)程復雜，所以參考意義不大。本文在仔細游黑水閃蒸及灰水處理系統的負荷。因此,確定滿(mǎn)分析激冷過(guò)程的基礎上，發(fā)現這2股水均是按照足工藝要求的最佳激冷水量至關(guān)重要。激冷室不僅一定濃度的固體量進(jìn)行排放,碳洗塔出口黑水排包括合成氣的冷卻,還涉及到粗渣和黑水的排放,而放也是如此。從這個(gè)角度上講,整個(gè)系統的水平且排渣是間斷過(guò)程,這種工藝過(guò)程采用計算流體力衡主要取決于系統所產(chǎn)生的粗渣和細渣的量,其學(xué)( CFD)軟件模擬往往能得到更準確的結果,用穩后續的設備如鎖斗、鎖斗沖洗罐的體積也是基于態(tài)模擬工具則很難處理。此進(jìn)行設計的。合成氣中夾帶細渣與激冷室底部本文為了實(shí)現對激冷部分的穩態(tài)模擬,將排黑水及渣水排放的細渣按一定比例設置。具體模渣和鎖斗沖洗均設為連續過(guò)程,并做- -定的分離擬流程如圖2所示。(失混奇合成氣去碳洗塔-220-1- .220-MIXER激冷水制激冷水-190-0--[490}CHAR20gl PUMP-CIIARSOO合成氣白激冷室「激冷| 資分離灰水分離活水混合一加熱]黑水去高壓閃蒸十-200500◆FSPLITHEATER...504.... Q508]加熱+-508-1濟水混合MIXER J鎖斗H515-7減壓渣池濟池能黑水去低壓閃蒸| VALVESEPPUMP低壓灰水[沖洗水894粗渣圖2激冷與排渣部分流程模擬圜Fig.2 Aspen flowaheet of quench and slag handling1.3洗滌1.4灰水處理激冷室出口合成氣中帶有-部分的細渣,這部黑水閃蒸的主要目的是降低黑水溫度,濃縮黑分細渣需要在文丘里洗滌器與碳洗塔中洗滌下來(lái)。水中的含固量、解析少量酸性氣體及熱量回收。通同時(shí)為了滿(mǎn)足后續變換工藝的要求,需要對合成氣常高壓閃蒸后的氣體換熱后繼續分離,氣相去酸性冷卻以滿(mǎn)足一-定的水氣體積比。氣體處理,液相送到除氧器。低壓閃蒸后的氣相直通過(guò)工藝分析,發(fā)現碳洗塔有- - 股水要經(jīng)過(guò)文接進(jìn)人代替低壓蒸汽給除氧器供熱。真空閃蒸后的丘里洗滌器后又回到碳洗塔,因此,在模擬時(shí)將文丘氣相經(jīng)真空泵送回灰水槽液相(即濃縮后的渣水)里洗滌器與碳洗塔下部分作為-一個(gè)整體用閃蒸模塊在沉降槽分離,分離出的干凈灰水添加分散劑循環(huán)模擬,碳洗塔上部采用RadFrac 模擬。具體過(guò)程見(jiàn)使用,灰渣經(jīng)過(guò)真空過(guò)濾機脫水后與撈渣機粗渣--圖3。起外送。張磊等GE水煤漿氣化全流程模擬81●由于這一部分并沒(méi)有十分復雜的工藝過(guò)程,主根據灰水槽中氯離子的濃度排放-定量的灰水去廢要采用閃蒸及分離模塊模擬。其中的- -個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是水處理,以控制可溶固體和懸浮微粒的積聚。具體除氧器需要采用RadFrac模擬，另-一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是要流程如圖4所示。合成”(占變換。碳洗塔上:部商溫變換冷凝液-3010RADFRACCR]BCR2激冷窄出口介成(碳洗塔下部城水加熱器除氧器出口灰水-220-835-FLASH2832)C SCROUT ]濟水分離碳洗塔出口黑水去商壓內蒸。。邀冷水-E90+{420-SSPLIT圈3合成氣洗滌部分流程模擬圈Fig.3 Aapen flowheet of eyngas scrubbing灰水去矢水加熱器黑水臼碳洗塔酸性氣去汽提放空黑水白徽冷窄高厭的周除氧器低樂(lè )變換冷凝液。冷卻分離HEATER HASH2RADIFRAC低壓丙周FLAS2黑水白資地能A新鮮水。FLASH2|HEATERFASH2沉降情失水棚低樂(lè )失水水分寓發(fā)水冷組廢水PUMPI MXER[ SSPUT ]PSPUT HEATERI FSPUT HEATER壓速分園se灰水上煤漿制備絮凝劑細濟鎖斗沖洗水圈4閃蒸與灰水處理模擬流稷Fig.4 Aspen flowsheet of fash and black water handling2模擬結果數據接近(氣化爐燃燒室出口變換反應平衡常數為2.1校核計算1.036,與工藝包中平衡常數1.035 8基本-致) ,部分將T.藝包提供的物料數據輸人模型,驗證碳洗塔微量氣體結果與工藝包數據有較大差距。計算的水氣出口氣體的組成是否滿(mǎn)足工藝要求。碳洗塔出口計算體積比為1.45,大于工藝要求的1.4?？傮w上看,誤差結果如表1所示。CO和H2等主要氣體組成與工藝包仍在可接受的范圍內,證明模型具有- -定的可靠性?！?2化學(xué)工程2011 年第39卷第7期表1碳洗塔出口氣體組成及溫度Table 1 Gas composition and temperature at scrubber exit組分流量/(kmol.h~")溫度/CCOHCO2H20CH,ANH2SCOSNH計算值1 580.7 1455.7 879.8 5 780.42.34.9412.529.91.19.5215.5設計值1 599.6 1461.1 865.9 5 599.13.12.631.20.813.5215.02.2設計計算股計算結果,如表2所示。計算結果表明，物料消在實(shí)際工作中,工藝包專(zhuān)利商提供工藝包的耗與系統水循環(huán)量相對于工藝包中數據均偏大,.時(shí)間一般比較長(cháng),導致工程進(jìn)展緩慢。如果通過(guò)這主要是由于各個(gè)模塊的誤差積累導致的結果。Aspen模擬能夠較為準確地反應氣化工藝流程,那這也可以從校核計算的結果反應出來(lái),由于校核么能給設計院開(kāi)展基礎設計工作帶來(lái)很大幫助。計算中水氣體積比偏大,為了使水氣體積比降低，因此,本文在校核計算的基礎上,再次從設計的角必然會(huì )增加冷卻水的流量,導致整個(gè)系統水循環(huán)度進(jìn)行工藝計算,即煤種條件已知,為了獲得一定量增大?；旧?設計計算的結果也能夠較好地的合成氣產(chǎn)量及水氣體積比，驗證各主要物料的反應水煤漿氣化系統的物流特性,可以給前期設消耗。為了工藝包的保密性,本文僅列出少數流計工作帶來(lái)幫助。表2部分流股結果對比Table 2 Comparison of PDP data and model-calculaled resuls for partial malerial streams氧耗(按純流量/(kmol. h")煤耗/粗渣流量/細渣流量/氧計算)/激冷室碳洗塔 鎖斗(kg.h-")(kmol.h-")(kg.h-') (kg.h") 激冷水出口黑水出口黑水 循環(huán)水廢水計算值41 793.81 241.85 290.4 .5235.612012.3 5654.1703.42211.5 1 140.2設計值41 466. 11 232.05248. 95 194.611225.2 5 063.0700.12211.5 1 029.13結論[2]王輔臣 ,劉海峰,龔欣,等水煤漿氣化系統數學(xué)模擬本文討論了水煤漿氣化過(guò)程全流程的模擬計算[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2001 ,29(1);33-38.方法,通過(guò)工程經(jīng)驗歸納的平衡溫距使模型更加精3]侯祥松,陳勇,劉艷霞,等.基于平衡常數法的Texaco氣化模型[J].煤炭轉化2004 ,27(3) :49-53.細,獲得了較好的結果。無(wú)論氣體組成還是物料消4] 亢萬(wàn)忠粉煤氣化爐的模擬[J].石油化工設計,2008,耗與工藝包的差值均在可接受的范圍內。氣化水系25(1) :29-33.統的核心在于系統排渣量，所以準確模擬氣化反應5] 張斌,李政,江寧.等.基于A(yíng)spen Plus建立噴流床煤氣渣的形成非常重要?；癄t模型[J].化工學(xué)報,2003 ,50(8) 1179-1182對于其他壓力等級的水煤氣化過(guò)程是否同樣適[6] HIGMAN C, VAN DER BURGT M. 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