煤化工多聯(lián)產(chǎn)系統中的煤氣化過(guò)程模擬

化學(xué)工程師Sum 160 No. 1ChemicalEngineer2009年1月文章編號:1002 - 1124(2009010 -0021 -03繼教煤化工多聯(lián)產(chǎn)系統中育的煤氣化過(guò)程模擬劉鈞,李建偉,趙曉,雷昭,李騰山(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,陜西西安710054)摘要:德士古水煤漿 氣化技術(shù)采用氣流床氣化爐,對煤種的兼容性較好,其清潔、高效代表著(zhù)當今煤氣化技術(shù)的發(fā)展潮流。采用Aspen Plus軟件對德士古煤氣化生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬,包括水煤漿制備.氣化反應,CO變換.低溫甲醇洗等工段,詳細介紹了模擬過(guò)程,并求解氣化爐在工況下的出口煤氣成分。關(guān)鍵詞:煤氣化;德士古氣化爐;過(guò)程模擬中圖分類(lèi)號:TQ019 ;TQ545文獻標識碼:BSimulation of gasification process for multiple Co - generation system in coal chemical industryLIU Jun, u Jian - wei ,ZHAO Xiao,LEI Zhao,LI Teng - shan(School of Chemical and Chemical Engineering, xi' an University of Science and Techonoly ,Xian 710054 ,China)Abstract :Texaco gasification technology is based on Entrained - Bed Geasifier , which has a good compatibilitywith coal, and stands for the direction of coal gasification technology by its cleanliness and high eficienecy. It isused Aspen Plus to simulate Texaco Coal gasification process , including coal - slury preparation , gasification , coshift, low temperature methanol washing. It is introduced the simulation process detailedly, and figure out the out-let gas composition.Key words :coal gasification; texaco gasifier; process simultion立足于我國以煤為主的能源結構，以煤氣化為流床中加壓氣化,水煤漿與純O2在高溫、高壓下反核心的多聯(lián)產(chǎn)系統是解決我國未來(lái)可持續發(fā)展的應生成合成氣。除含水分高的褐煤以外,大部分煙方向之一?！岸嗦?lián)產(chǎn)”系統能夠從系統的高度出發(fā),煤、石油焦等均可作為德士古煤氣化爐的氣化原結合各種生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)越性,使生產(chǎn)過(guò)程耦合料,制成60% ~65%濃度的水煤漿,煤中灰分含量到一起,彼此取長(cháng)補短,從而達到能源的最高利用以不超過(guò)20%為宜。工業(yè)裝置使用氣化壓力在2.效率,最低的能耗,最低的投資和運行成本，以及最8~6.5MPa,氣化溫度在1300~ 1400C,C0和H2少的全生命周期污染物排放"。達到80%以上。水煤漿和99.6%純O2經(jīng)德士古本文針對多聯(lián)產(chǎn)系統中的煤氣化工藝進(jìn)行研燒嘴呈射流狀態(tài)進(jìn)入氣化爐。在高溫高壓下進(jìn)行究,采用德士古氣化技術(shù),建立模擬流程,為下一步氣化反應,生成以CO和H2為主要成分的粗合成優(yōu)化工藝做準備。氣。1德士古煤氣化工藝2仿真模型的建 立及求解方法德士古公司在上世紀70年代以前就開(kāi)發(fā)了以通過(guò)應用Aspen Plus 軟件,以工業(yè)上原有的天然氣和重油為原料生產(chǎn)合成氣技術(shù)。70年代的2000t. d-'生產(chǎn)裝置設計數據為基礎,建立2000 t石油危機促進(jìn)了德士古公司尋找替代能源和潔凈●d"'煤氣化過(guò)程的計算機仿真模型,對生產(chǎn)過(guò)程的煤氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)多年研究,推出了水煤漿進(jìn)行模擬計算,以達到建成后的流程能夠比較好地氣化工藝。該工藝采用水煤漿進(jìn)料、液態(tài)排渣在氣與工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相吻合的效果,從而證明流程模擬的可信唐敕個(gè)流積@圖1中國煤化工收稿日期:2008-11-15TYHCNMHG.作者簡(jiǎn)介:劉鈞(1985 -),男,碩士研究生。導師簡(jiǎn)介:李建偉,男.副教授,碩士生導師。22劉鈞等:煤化工多聯(lián)產(chǎn)系統中的煤氣化過(guò)程模擬2009年第1期四四cmm四項回L 1oon]-. . Con號圖1德士古氣化仿真模擬流程總圖Fig 1 Analog simulation flow chart of Texaco gsification式中T:平 衡時(shí)溫度。表1所選煤種的分析指標從平衡上講,變換反應為放熱反應,降低溫度Table 1 Analyzing indexes of selected coals對平衡有利。但在高溫條件下,CO變換反應易接質(zhì)量(工業(yè)分析)/% 質(zhì)量(元素分析)/% 熱址( BTU/Ib)近平衡。.水分灰分揮發(fā)分固定碳CHNSASHOHHV12752.2.2甲 烷化反應的化學(xué)平衡, 9.077.5936.9755.447.3506.1.97.55.66co +3H2 =CH。+ H20 +205. 95kJ . kmol-'2.1煤漿制備單 元的仿真模型(圖2)本工段是制備德士古水煤漿,原料煤經(jīng)磨煤機平衡常數計算式如下:Kp=Pcu . Pmpo/(Pco●Pi)(3)磨碎成煤粉,同時(shí)將煤粉加水濕磨,制成60% ~70%的煤漿,見(jiàn)圖2。式中Kp:該反應平 衡常數;Pau、Pmo、Pco、Pm:分DECOMP別表示CH, H20、CO .H2的平衡分壓。中四LgKp=9859. 6/T- 8.3636IgT +2.08 x10*TMIXER0-1. 8716x10-7r +11.888(4)式中r:平衡時(shí)溫度。PUMPI由于該反應為放熱反應,提高溫度,甲烷濃度中mR減少,反應有利于向生成CO和H2的方向進(jìn)行。團2煤漿制備單元但增加壓力,甲烷濃度也相應增加。因為,甲烷化Fig.2 Coal slurry preparation unit反應是體積縮小的反應。圖2中的DECOMP單元是一個(gè)僅計算收率的氣化爐的入口物流是水煤漿和空分得來(lái)的簡(jiǎn)單反應器，模塊來(lái)自Aspen Plus中的Ryield反應02,定義氣化爐的反應產(chǎn)物如下:CH、H2、Co、模塊。DECOMP單元其主要功能是將粉煤分解轉CO2、H2S以及未反應的N2、02 H2、H20。模擬過(guò)程化成單元素的分子,將煤分解成C、H.O、S、N等基是在1300 ,4MPa條件下,且認為氣化爐是-一個(gè)絕本組份,以方便在A(yíng)spen Plus中對煤的模擬。DE-熱的反應器。煤的進(jìn)料速率為2000t.d-' ,用于制COMP的出口物流COALI是由煤種所決定的”]。備水煤漿的水為550 t●d"',而空分得到的O2為2.2德士古氣化爐的仿真模擬1920t. d-'。對煤氣化反應,只著(zhù)重于討論變換反應和甲烷2.3 CO 變換單元的仿真模擬化反應兩個(gè)反應。由于A(yíng)spenPlus中沒(méi)有相應的能夠同時(shí)實(shí)現下面是這兩個(gè)反應的化學(xué)平衡:氣化爐燃燒室和激冷室功能的單元操作模型,在模2.2.1變換反應的化學(xué)平衡擬氣化爐時(shí),加入了一個(gè)SEP模塊,即子物流分流CO+ H20=CO2 + H2 +41123kJ●kmol"器,用以實(shí)現排渣( ASH)的功能。從氣化爐中出來(lái)的粗合成氣中含有約50%的Kp=Pon●Pm/Pco●Puo(1)cO,需要將co進(jìn)行變換,得到有用的原料氣H2和式中Kp反應平衡常數;Poq、Pm、Pco、Pno:分別Co中國煤化丁i除。Co變換既是表示CO2、H,、CO、H2O的平衡分壓。原CNMHG制造的繼續。LgKp=2182/T -0.09361gT + 0.00632T-1.發(fā)換皮應習在催化劑存在下進(jìn)行，根據溫0806x10-27 -2. 2967(2)度的不同,分為中溫變換和低溫變換。低溫變換催23劉鈞等:煤化工多聯(lián)產(chǎn) 系統中的煤氣化過(guò)程模擬2009 年第1期表2氣化爐出口氣組成化劑雖然活性高,但抗毒性差,操作溫度范圍窄,所Table2 0ff- gas compsition of gasifier以很少單獨使用。在模擬流程中,采用了中溫變換摩爾流量/kmol .h實(shí)際值計算值串低溫變換的工藝流程,見(jiàn)圖3。H2O1110.061066.49中一hCOSHIFTI COSHPFT2N，42.1141.56-回H2363. 622284.3400c0中4083.654392.62:O,835.28791.34H2S46.6542.32CO0LERI COOLER2CH,3.842.02溫度/C .14001300壓力/MPa團3 CO變換單元表3 CO變換和甲醇洗仿真模擬計算結果Fig.3 CO converter unitTable 3 Analog simulation results for co2.4低溫甲醇洗單元的模擬( 圖4)transrormation and methanol scubbing摩爾流量CO變換產(chǎn)物低溫甲醇洗產(chǎn)物/kmol.h-'(CAS4)(LIQ - OUT)H20313.0993.47 .電CH4OWASHN41.593.746237.7026.83co439.2621.71@中4664. 694874.26H,S圍4低溫甲醇洗單元.H。0.54Fig4 Low temperature methanol wash unitCH,O4958.20如圖4所示,OUTGAS是從氣化爐中出來(lái)的粗溫度/C460-19. 1合成氣(由于在A(yíng)spen Plus中無(wú)法找到一-個(gè)能與德士古氣化爐-樣結構的模塊，故在本仿真模擬中，4結論選用了兩個(gè)模塊,即GASIFIER和SEP來(lái)分別模擬氣化爐的燃燒室和激冷室) ,先是進(jìn)入SEP模塊來(lái)本文應用化工過(guò)程穩態(tài)模擬軟件.對日處理煤排渣(ASH) ,出來(lái)的GASI經(jīng)過(guò)冷卻后,CAS2進(jìn)入2000t的德士古煤氣化工藝進(jìn)行計算機模擬設計中溫變換爐,開(kāi)始變換反應。在中溫變換爐中co達到了預期目標。主要獲得以下結論:以Aspen的轉化率為90% ,然后CAS4進(jìn)入低溫變換爐,得Plus為工具,以2000煤●d-的氣化工藝的設計數到變換后的OUTSHIPT,此時(shí)CO總的轉化率達到據為基礎,根據實(shí)際生產(chǎn)情況,詳細地對氣化過(guò)程了95%。一般低溫甲醇洗的操作溫度為-30~ -的各設備進(jìn)行了模塊、物性計算方法的選擇,成功60C,這里選用仿真模擬操作溫度為-40C，用建立了2000煤.d-'德士古煤氣化工藝的仿真模RadFrac模型來(lái)模擬吸收塔。甲醇以200m' .h-'型,模擬計算得到的結果與實(shí)際的德士古氣化爐出的流量從塔頂進(jìn)入吸收塔,合成氣從塔底進(jìn)入。?？诤铣蓺庀啾?各組分的誤差值為: H20 -3.9%，擬得到的塔頂出口氣體組成為:H296.3%,N2 0.N2-1.3% ,H2-3.4% ,Co +7.6% ,CO2 -5.3%。57%，,co 2.97% ,CH, 0.03% ,CO2 0.13%。結果與實(shí)際值比較接近,可以作為下一步工藝優(yōu)化的基礎。.3模擬計算結果(表 2,3)中國煤化工北工的發(fā)展和展望[1].MHCNMHG[2]在洋,代正華,于廣鎮,于遵宏.運用Cib自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[J].煤炭轉化,004,(4):27 -33.