基于響應面法的煤氣化工藝優(yōu)化

第20卷第2期潔凈煤技術(shù)Vol. 20 No.22014年3 月Clean Coal TechnologyMarch 2014基于響應面法的煤氣化工藝優(yōu)化楊洋',郭蕓菲了,鄧驥',但小冬',李林峰'(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500;2. 西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川成都610500)摘要:基于響應面法可在考慮因素間交互作用的基礎上對煤氣化工藝進(jìn)行優(yōu)化,利用Aspen Plus 建立了Shell 氣化爐模型,采用Box-Hehnken設計進(jìn)行煤氣化仿真試驗,構建了目標值與工藝參數間的響應曲面,在考慮工藝參數交互作用的基礎上對工藝進(jìn)行多目標優(yōu)化。結果表明:氧煤比與蒸汽煤比的交互作用及氧煤比與壓力的交互作用的影響能力大于蒸汽煤比與壓力的交互作用,且氧煤比對參數交互作用的影響能力有較大貢獻。經(jīng)試驗驗證確定煤氣化性能指標多目標優(yōu)化方案為:氧煤比0. 784 kg/kg,蒸汽煤比0.0786 kg/kg,壓力2.76 MPa。方案下的計算結果為:煤氣有效成分97. 75%，冷煤氣效率84. 25% ,煤氣產(chǎn)率1.92 m'/kg;驗證優(yōu)化方案下的試驗結果為:煤氣有效成分98. 04%，冷煤氣效率85. 20% ,煤氣產(chǎn)率1. 93 m'/kg,與計算結果的誤差較小,說(shuō)明響應面模型計算精度較高，優(yōu)化方案合理。關(guān)鍵詞:響應面法;Box-Hehnken;煤氣化;優(yōu)化;氧煤比;蒸汽煤比;壓力中圖分類(lèi)號:TD849;TQ546文獻標志碼:A文章編號:1006-6772( 2014)02-0060-04Optimization of coal gasification process based on response surface methodYANG Yang' ,GUO Yunfei2 , DENG ji' , DAN Xiaodong' ,LI Linfeng'( .Collge of Chemisry and Chermical Eninering ,Southwest Petroleum Univrsiy , Chengdu 610500 ,China;2.College of Resources and Enwironment , Souhuest Petroleum Uniersity ,Chengdu 610500 , China)Abstract:Based on the response surface method ( RSM) ,optimize the coal gasification considering the interaction between the factors ofprocess. Establish Shell coal gasifier model with Aspen Plus. Using Box- Behnken design for coal gasifcation simulation and establish RSMmodel with the test data.Based on the performance of interaction of technological parameters ,optimize the process. The results show that theinteraction of oxygen- -coal ratio and the steam-coal ratio and interaction of oxygen-coal ratio and pessue are more influential than the in-teraction of steam-coal ratio and pressure.Oxygen -coal ratio afet the interaction more than other factors.Considering the multi -objectiveoptimization plan with verification, When the oxygen-coal ratio is 0. 784 kg/kg, the team-coal ratio is 0. 0786 kg/kg,the perssure is 2. 76MPa, the performance is the best.The calculation of efectie components of gas ,cold gas eficiency , gas yield is 97. 75 percent ,84.25 per-cent and 1. 92 m'/kg.The test results is 98. 04 percent，85.20 percent,1. 93 m/kg respectively.The difference between calculation resultsand experimental results is small, so the optimnization is reasonable.Key words: response surface method; Box-Hehnken ;coal gasification ;optimization;oxygen- -coal ratio;team-coal ratio;pressure利用,提高煤氣化產(chǎn)品品質(zhì)?；し抡婺M是研究0弓言煤氣化工藝優(yōu)化的重要手段,具有一定的精確性,且煤氣化是重要的潔凈煤技術(shù),是發(fā)展煤基化學(xué)成本較低。汪洋等(4]利用Gibbs自由能最小化方法品、煤基液體燃料、合成天然氣.ICCC發(fā)電等過(guò)程工研究了高溫高壓下的氣化爐模型,并通過(guò)參數分析業(yè)的基礎,對實(shí)現煤炭清潔高效利用具有重要意得到了較理想的操作條件。鄭煜鑫等[5]對粉煤氣義[1-3]。煤氣化工藝的優(yōu)化有利于促進(jìn)煤高效轉化流床氣化爐進(jìn)行數值模擬得到了有效氣體含量最大收稿日期:2013- 10-20;責任編輯:宮在芹D1.0112/.1006-607 2014.02.16基金項目:四川省教育廳重點(diǎn)項目( 12ZA191)作者簡(jiǎn)介:楊洋( 1989- -) ,男,河北廊坊人,碩士研究生,從事煤化工與天然氣化工方面的研中國煤化工引用格式:楊洋,郭蕓非,鄧 驥,等基于響應 面法的煤氣化工藝優(yōu)化[].潔凈煤技術(shù),2014TYHCN M H G.an Cou ThonYANG Yang, GU0 Yunfei , DENG Ji ,et al.Optimization of coal gasification process based2014 ,20(2) :60-63,116.502014年第2期潔凈煤技術(shù)第20卷分(CO+H2)含量、冷煤氣效率及煤氣產(chǎn)率等多個(gè)目表5響應面模型分析標值作為性能指標，構建工藝參數對各性能指標的.冷煤氣效煤氣產(chǎn)率/項目φ( C0+H2)/%響應面,分析工藝參數交互作用對煤氣化過(guò)程的影率/%(m3●kg')響,并在此基礎上進(jìn)行多目標優(yōu)化。工藝參數的因平方和ss474. 92.1013. 5.0.28素水平見(jiàn)表3。均方MS52. 77112. 610.031F值330. 25299. 73115. 09表3工藝參數的因素水平P值0. 0020. 00030. 0012氧煤比/蒸汽煤比/壓力/信噪比53. 65446. 42629. 815因素水平(kg.kg"')(kg.kg')MPa回歸系數R20. 9090. 99890. 9970.600.03注:自由度df為90.800.09模型響應值與回歸方程關(guān)系的顯著(zhù)性可通過(guò)P1. 000.15值判定,P值越小則顯著(zhù)程度越高,P≤0.05說(shuō)明影響顯著(zhù),P≤0.01說(shuō)明影響極顯著(zhù)[7]。2.2響應面建立基于Box-Behnken設計的正交試驗結果見(jiàn)表由表5可知，各模型的P值比0.01低兩個(gè)數量4,各試驗點(diǎn)所對應的響應值(煤氣有效成分含量、級,可知模型響應值與回歸方程關(guān)系的顯著(zhù)水平較冷煤氣效率及煤氣產(chǎn)率)通過(guò)Shell氣化爐模型計高。信噪比應大于4,數值越大代表模型的計算結算得到。對表4數據進(jìn)行回歸分析得到響應面模果越能更好地反映試驗結果[18。表5中各模型的信噪比均遠大于4,說(shuō)明模型有較高精確度。R為型,各響應面模型的分析結果見(jiàn)表5。響應面模型的回歸系數,以冷煤氣效率為響應值的表4正交試驗結 果模型為例，模型的R2為0.9989,說(shuō)明冷煤氣效率的氧煤比蒸汽煤比/壓力/ o(CO+ 冷煤氣 煤氣產(chǎn)率/變化99. 89%來(lái)自所選工藝參數(氧煤比、蒸汽煤(kg.kg') (kg.kg') MPa H2)/% 效率/%(m3 ●kg~')比、壓力)的變化，該模型回歸方程可較好地描述與96.0410 65.7604 1. 5052響應值之間的真實(shí)關(guān)系。各模型的R2均在99%以093. 402181. 1395 1. 9344上,說(shuō)明各響應面模型能夠合理地對試驗進(jìn)行模擬93.3615 81. 0847 1. 9328計算。96.8456 84. 0978 1. 9326 ,79. 8980 59. 3409 1. 65503結果與討論82. 883261.5519 1. 6553.1工藝參數交 互作用對煤氣化性能指標的影響98. 1980 81. 3861 1. 841786. 1006 63. 93691. 6551通過(guò)響應面模型回歸方程建立的響應曲面和等-91. 2968 68. 83331. 6190高線(xiàn)可較直觀(guān)地分析出因素間交互作用對響應值的-194. 8300 69. 55371. 6036影響。各工藝參數間交互作用對煤氣有效成分含.82. 8838 61. 55471. 6551量、冷煤氣效率和煤氣產(chǎn)率的影響如圖2~圖4所93.3105 67. 00381. 5555示。由圖2~圖4可知,圖a)b)中曲面的彎曲度明98.4220 81. 8383 1. 8499顯大于圖c),圖a)、b)中目標值(煤氣有效成分含:100Ig10: 10096-≌.9E 925 8888s 88e 8484--84801.000.50~大一 百0.50> 21.00 1.000.50~之0.500.50~ δ落汽媒比。 -0.50 -0.s0h -0.50-_.00-0.50 .. .kg")-0.50.-0.50 0.K嗎)rl比kkgk-.000基比壓力MPa -.00模比(K中國煤化工比(k)氧MHCNMH Ga)圖2各工藝參數交互作用對煤氣有效成分的 影響522014年第2期潔凈煤技術(shù)第20卷從圖5、圖6可以看出,范圍一中的燃料替代能揮其高效節能效果需特定的資源、環(huán)境及運行管理效提高與有機物協(xié)同處理兩項碳減排占總碳減排量技術(shù)水平相匹配,應結合中國煤炭資源的分布及利的99% ,外購電力節電碳減排只占1%。用情況,并充分考慮實(shí)施地的煤炭運輸條件及環(huán)境，選擇合理、經(jīng)濟的系統集成技術(shù)和項目運作方式。3結論參考文獻:1)生物質(zhì)水煤漿制漿燃燒集成系統協(xié)同處理[1] 水煤漿技術(shù)的概述[ EB/0L].[ 2001 - 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