德士古水煤漿氣化過(guò)程的建模與優(yōu)化分析

第29卷第7期計箕蟣易用牝VoL 29. No. 72012年7月28日Computers and Applied ChemistJuly28,2012德士古水煤漿氣化過(guò)程的建模與優(yōu)化分析彭偉鋒,鐘偉民,孔祥東,錢(qián)鋒(華東理工大學(xué)化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海,200237)摘要:根據德士古水煤漿氣化工藝的操作特性和裝置特點(diǎn),采集實(shí)際工業(yè)運行數據,基于 Aspen Plus軟件平臺,建立了氣化爐和水洗過(guò)程的模型,模擬結果與實(shí)際生產(chǎn)較吻合?；谒⒌哪Ｐ?進(jìn)行了水煤漿濃度、氣化反應溫度對氣化結果的靈敏度分析,并討論了過(guò)程的節水,分析了高溫汽提冷凝液對廢水排放與合成氣水汽比的影響。結果表明:在現有工況下,提高水煤漿濃度和反應溫度,有效合成氣收率會(huì )提高;適當減少高溫、汽提冷凝液,有利于裝量的廢水排放和提高合成氣水汽比關(guān)鍵詞:德士古;水煤漿氣化; Gibbs自由能;建模與優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TQ0159TP3919;06-39文獻標識碼:A文章編號:100141602012)07-779-7831引言文基于 Aspen Plus軟件平臺,對原設計500噸/天德士古水煤漿氣化反應與水洗過(guò)程進(jìn)行了綜合建模,通過(guò)靈敏能源是人類(lèi)賴(lài)以生存及推動(dòng)社會(huì )可持續發(fā)展的重要度分析考察了水煤漿濃度、氣化反應溫度對整個(gè)氣化系物質(zhì)基礎,其中煤是地球上儲藏最豐富的化石燃料中統的影響,以及討論了系統的節水。國是世界上煤炭資源較豐富的國家之一,煤炭?jì)α窟h大于石油和天然氣儲量。2011年煤炭產(chǎn)量達352億噸,2德士古氣化過(guò)程流程筒述同比增長(cháng)87%,居世界首位癟士古水煤漿氣化工藝流程主要包括氣化系統、洗作為一次能源,我國煤炭直接燃燒約占煤炭總量的80%左右,這樣不僅效率低,而且排放出大量煙塵,滌系統和灰水處理系統。煤漿由煤漿槽經(jīng)煤漿給料泵加氧化硫、氮氧化物等有害氣體,使生態(tài)環(huán)境遑到嚴重破破壓后與自空分送來(lái)的高壓氧氣按照一定的氧煤比通過(guò)三流式燒嘴進(jìn)入氣化爐,在高溫高壓下反應產(chǎn)生合成氣壞。發(fā)展煤氣化技術(shù)是減少環(huán)境污染、實(shí)現煤炭高效潔凈綜合利用的重要措施4。煤中的灰份在高溫下熔融,熔渣與熱合成氣一起離開(kāi)氣德士古氣化爐是目前最常見(jiàn)的一種氣化爐爐型,是化爐燃燒室,順流向下進(jìn)入氣化爐下段激冷室,被激冷水淬冷后合成氣溫度降低至約223℃。熔渣迅速固化并第二代煤氣化技術(shù)中最成熟、商業(yè)化裝置最多的技術(shù)具有對煤種適應性大、整體熱利用率高、碳的轉換率高產(chǎn)生大量蒸汽,被水蒸汽飽和并夾帶少量飛灰的合成氣從激冷室上部出口排出。氣體進(jìn)入文丘里洗滌器與從噴以及產(chǎn)氣品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。過(guò)程模擬軟件 Aspen Plus近來(lái)嘴噴出的洗滌水混合后進(jìn)板式碳洗塔,合成氣經(jīng)除塵除被廣泛應用于煤氣化的過(guò)程模擬中1。孟輝等基于沫后送至變換工段。由灰水處理來(lái)的高壓灰水及變換工Aspen Plus根據吉布斯自由能最小化原理建立了 Texaco段送來(lái)的高溫冷凝液和汽提冷凝液作為碳洗塔的洗滌氣化爐模型,研究了水煤漿濃度、氧氣純度等對氣化爐出口氣體組成和溫度的影響。謝芳等建立了Texa氣水。碳洗塔底排出的黑水經(jīng)流量控制閥排至灰水處理。同時(shí),系統產(chǎn)生的黑水經(jīng)中壓閃蒸器和真空閃蒸器處理,化爐的 Aspen Plus模型,并應用 Fortran語(yǔ)言對非常規組進(jìn)行部分水的回用分和模型進(jìn)行修正,研究表明(co+H2)含量和氣化爐溫度隨著(zhù)水煤漿濃度、氧煤比的增加而增加。姚月華等3德士古氣化過(guò)程的建模以 Aspen Plus為模擬工具,對Shel粉煤氣化爐和德士古水煤漿氣化過(guò)程進(jìn)行了模擬和對比分析。雖然針對德士Aspen Plus是世界公認的標準大型通用流程模擬軟古氣化爐模型的研究有很多,但是對于德士古氣化系統件,它具有完善的物性數據庫、熱力學(xué)模型和單元操作包括氣化、水洗、分離)的整體模擬卻并不多見(jiàn)。在模塊,也可以進(jìn)行水煤漿氣化過(guò)程的模擬本文采用我們以前的工作中1,對工業(yè)多噴嘴水煤漿氣化過(guò)程的實(shí)際水煤漿氣化裝置的工業(yè)運行數據,進(jìn)行了氣化過(guò)程水洗系統進(jìn)行了模擬和優(yōu)化研究,取得了令人滿(mǎn)意的結的建模。果。為更好地研究整個(gè)德士古氣化系統的運行特性,本31組分規定煤氣化過(guò)程收稿日期:201205-14;修回日期:201206-10基金項目:國家自然科學(xué)基金項目重點(diǎn)基金U6202);國家自然科學(xué)基金項目(611748);國家H牛的復雜反應中國煤化工CNMHG⊥海市基礎研究重點(diǎn)項目10JC1403500和上海市重點(diǎn)學(xué)科建設項(B504)資作者簡(jiǎn)介:彭偉鋒(1987-),男,碩士生,主要研究方向為化工過(guò)程建模與優(yōu)化, E-mail:pwB05@163com聯(lián)系人:錢(qián)鋒,男江蘇人,博士,教授,博士生導師Emal:faqian@ecust.edu.cn780針算帆易癥眉牝獸2012,29(7組分很多, Aspen Plus對煤和灰分此類(lèi)物質(zhì)提供了較好物。 RGibbs能夠在常規固體組分和流體相之間計算化學(xué)的處理方法。煤氣化過(guò)程中的常規組分有H2O、O2、H2平衡,非常規固體Ash被認為惰性組分不影響平衡計算。CO、CO2、H2S、CH4、N2、C等;本文定義非常規固體煤為COAL、灰分為ASH,選擇其組分類(lèi)型在本模型中,規定出口組分包括CO、H2、CO2、CH4、AR、N2、H2S、COS、HCl、H2O和未反應的C,氣化壓其中工業(yè)煤質(zhì)分析如表1所示,除水分外,工業(yè)分力為40MPaG,C轉化率98%,熱損失05%。通過(guò)求解析和元素分析均基于干基系列非線(xiàn)性數學(xué)規劃問(wèn)題得到系統在 Gibbs自由能最小時(shí)的平衡狀態(tài),從而得出反應產(chǎn)物的組成表1煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal332碳洗塔模塊分析工業(yè)分析精餾的平衡級模型應用廣,比較成熟;求解算法有Proximate analysis/(wt%簡(jiǎn)捷法和嚴格法兩大類(lèi),簡(jiǎn)捷法計算簡(jiǎn)單,但精度不高水分固定碳揮發(fā)分灰分fixed carbonvolatiles無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要,嚴格法計算結果精確。所以碳洗塔采用平衡級模型通過(guò)嚴格法求解元囊分析Rad Frac是一個(gè)嚴格模型,用于模擬所有類(lèi)型的多級ultimate analysis/(w%)Ash汽-液分餾操作。碳洗塔可直接用 Radfrac模擬,定義207346個(gè)理論級,每5個(gè)理論級設置一塊泡罩式塔板,共4塊3.2物性方法塔板;塔的操作壓力為3.85MPaG:粗合成氣由塔底進(jìn)化工過(guò)程模擬中,選擇的物性方法是否適當,將直入,高壓灰水、高溫冷凝液和汽提冷凝液由塔頂進(jìn)入。接影響所計算的物性的準確程度,從而影響到模型計算34德士古氣化過(guò)程流程模擬結果的精確度。通過(guò)上述主要單元模型的分析,結合工藝流程圖和煤氣化是一個(gè)高溫、高壓下進(jìn)行的反應過(guò)程,氣體實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程,建立了德士古水煤漿氣化過(guò)程的模型,為非極性或弱極性的輕氣體,如H2CO2、H2S、CH等,如圖1。模型中主要設備名稱(chēng)、位號及功能如表2所示。般多用 RK-SOAVE或 RKS-BM、PRBM性質(zhì)方法,表2模型中的主要設備這幾種方法適用于烴加工、燃燒、煉油、化工等工藝過(guò)able 2 Main devices of model程的計算呵。本文選擇PRBM作為物性方法功能model非常規固體不參與相平衡和化學(xué)平衡計算,只計算其密度和焓。在 Aspen Plus中,通用煤的焓模型是煤裂解單元將煤分解成單質(zhì)HCOALGEN,該模型包括燃燒熱、標準生成熱和熱容的氣化單元進(jìn)行煤氣化反應,產(chǎn)生合rgibbs不同關(guān)聯(lián)式。煤的密度模型 DCOALIGT用于計算煤的干基真實(shí)密度。激冷室SEPfash2冷卻合成氣、汽液分高33氣化過(guò)程模塊分析碳洗塔T0701radfrac洗滌合成氣331氣化爐模塊分析中壓閃燕器vo811flash2蒸發(fā)、濃縮黑水本文基于 Gibbs自由能最小化原理建立氣化爐模型。通過(guò)一系列假設條件,將煤氣化過(guò)程假設為一個(gè)平真空閃蒸器VO813flash2進(jìn)一步蒸發(fā)、濃縮黑水衡模型,認為所有反應達到化學(xué)平衡,結合氣化過(guò)程質(zhì)中壓閃蒸分離o80112汽液分離,排出酸性氣體量平衡和能量平衡,在系統的Gibs自由能達到最小值真空閃蒸分離v803ash2汽液分離,排出不凝氣時(shí),計算出口合成氣的組成、產(chǎn)率及平衡溫度。與動(dòng)力學(xué)模型相比,基于 Gibbs自由能最小化原理建立的平灰水加熱器Eo801heat預熱高壓灰水衡模型,具有計算速度快、收斂性能好等優(yōu)點(diǎn)閃燕氣冷卻器E0805heater冷卻閃蒸氣至120℃為將非常規組分轉換為 Aspen Plus可以計算的常規組分,需要引入煤裂解單元,因此把氣化爐分成2個(gè)獨真空冷凝器將閃蒸氣冷凝為水立的過(guò)程,煤裂解單元和反應單元澄清槽將黑水澄清煤裂解單元不需要知道反應的化學(xué)計量系數或動(dòng)力學(xué)方程,只計算產(chǎn)物的收率。所以可采用 RYieid模塊來(lái)灰水槽mxer收集灰水模擬煤裂解單元,將煤分解成H2O、H2、N2、Cl2、O2分流器MI、M2M3、M4分流物流(包括子物流)S、C、Ash等組分,同時(shí)將裂解熱傳遞給反應單元。物流倍增器七示裝置需要倍增氣化單元用 RGibbs反應模塊模擬, RGibbs不需要中國煤化工物流規定反應的化學(xué)計量系數或動(dòng)力學(xué)參數,只需要規定產(chǎn)CNMHG2012,29(7彭偉鋒,等:德士古水煤漿氣化過(guò)程的建模與優(yōu)化分析由表3和表5可知,除微量組分CH4、H2S、COS外,其余數據均與實(shí)際生產(chǎn)值十分吻合,表明模型對關(guān)鍵產(chǎn)物的擬合具有一定的精度。4水煤漿氣化過(guò)程的優(yōu)化日水煤漿氣化過(guò)程中,有效合成氣收率與節水是衡量裝置操作水平的主要指標。水煤漿濃度和氧煤比是裝置君操作最主要的調整手段,而氧煤比在一定程度上決定了氣化反應溫度。因此,本文基于模型,分析了水煤漿濃度和氣化反應溫度對合成氣收率的影響。同時(shí)分析了高溫、汽提冷凝液對過(guò)程廢水排放和合成氣水汽比的影響。Fig 1 Simulation diagram of Texaco gasification process.41水煤漿濃度對合成氣收率的影響圖1德士古氣化過(guò)程流程模擬圖在現有工況下,改變水煤漿濃度,即保持進(jìn)料煤的量不變,改變制煤漿水的量,計算不同水煤漿濃度下的對一典型工況進(jìn)行了模擬分析。其主要工藝參數為:煤氣化結果,如圖2所示,漿流量為2888m/h,煤漿濃度為60%,煤漿密度可以看出,在現有工況下,隨著(zhù)水煤漿濃度的提高1200kg/m3,氧氣流量15000Nm/h,氣化壓力40MPaG,Co的含量顯著(zhù)增加,而H2、CO2和H2O的含量均有所碳洗塔操作壓力385MPG,碳洗塔出口合成氣溫度減少,但有效氣C0H)的總含量增加,由于進(jìn)料媒212℃。的量不變,即氧煤比不變,水量的減少使得氣化爐溫度3.5模擬結果與分析升高。水煤氣反應是吸熱反應,溫度升高使反應加劇,碳洗塔出口合成氣( SYNGAS)為煤氣化過(guò)程的產(chǎn)O和B2的濃度提高,但HO的減少又使變換反應的平品,所以合成氣的結果可以反映整個(gè)模型的精度。碳洗衡點(diǎn)左移,導致CO濃度提高,CO2和H的濃度降低,塔出口合成氣的模擬結果與工業(yè)生產(chǎn)數據比較如表3所綜合作用下,H2的含量有所減少,但不是很明顯。示。合成氣氣體組成的模擬結果如表4所示,換算后干氣組成的模擬結果與儀器分析值如表5所示。表3碳洗塔出口合成氣結果Table3 The result of carbon washing tower export syngas項目模擬值工業(yè)生產(chǎn)值誤差5050505Simulation result industrial data error/%合成氣流量Nm3/hr688881098干氣流量Nm/hr42138溫度℃2104212.062%64%壓力MPaG3.85水煤漿濃度%C02一H20=C0H2表4碳洗塔出口氣體組成(體積分數)Fig. 2 The influence of CWS concentration on gasificationTable 4 The composition of carbon washing tower export syngas.圖2水煤漿濃度對氣化結果的影響另外,溫度升高使得CO2還原反應加劇,結果也是0.16520.206900016101e4Co增加,CO2減少。根據上述分析,在保證氣化爐正常H2SCOS運轉的情況下可以盡量提高水煤漿濃度,以得到較高的5.14e46.76e408562.87e-5有效氣成分。表5干氣組成4.2氣化反應溫度對氣化結果的影響Table 5 The composition of dry gas.在現有工況下,保持其它條件不變,研究氣化溫度組分對氣化結果的影響,氣化溫度通過(guò)模型熱損失來(lái)改變,模擬值35.8644.920340.02分析值%36.5545.32結果如圖3所示。誤差/%2.86在現有工況下,隨著(zhù)氣化溫度的升高,CO和H2O組分cOS的含量增加中國煤化工有效氣成分模擬值%0.l518.58(CO+H2)增加分析值%0.12l8.90CNMHG反應加劇誤差0.161.69Co和H2含量增加,同變秧反厘平衡點(diǎn)左移使得H2計算帆與痃用化嚳2012,29(7)和CO2減少,CO2還原反應增強也使得CO2減少,綜合由以上圖4和圖5可以看出,廢水排放量均隨著(zhù)作用下,H2和CO2的含量均減少。因此,在現有工況下,高溫冷凝液和汽提冷凝液流量的減小而減小,而水汽不管是提高水煤漿濃度促使氣化反應溫度提升,還是通比均隨著(zhù)高溫冷凝液和汽提冷凝液流量的減小而增過(guò)增加氧煤比提供氣化反應溫度,都將使有效合成氣收大?？紤]到合成氣的水汽比有一定的要求,適當提高率提高。水汽比,有利于下游產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)。在目前的工況下,可以適當通過(guò)減小高溫和汽提冷凝液的流量來(lái)減少廢30水排放,并提高水汽比根據上述優(yōu)化分析結果,裝置在工況允許的范圍內提高了水煤漿濃度約1%,合成氣收率提高了約0.5%提高濃度對于增加合成氣收率降低系統用水量有著(zhù)積極804重要的影響,在實(shí)際生產(chǎn)中應該在滿(mǎn)足裝置正常運行的情況下盡量提高水煤漿濃度。同時(shí),在保證水汽比滿(mǎn)足后續工藝的條件下,通過(guò)適當減少高溫和汽提冷凝液流量,減少廢水排放,利于氣化過(guò)程的節水減排1195120012051210121512201225COH2“C02-H20=CO+H25結論Fig 3 The influence of gasification reaction temperature oncation本文基于 Aspen Plus軟件平臺,建立了德士古氣化圖3氣化反應溫度對氣化結果的影響反應與水洗過(guò)程的流程模型,模擬結果與實(shí)際生產(chǎn)值吻43冷凝液對廢水排放和水汽比的影響合較好。通過(guò)靈敏度分析考察了水煤漿濃度、氣化溫度水煤漿氣化工藝最大的特點(diǎn)是耗水量大,如何減少對氣化結果的影響,同時(shí),分析了高溫冷凝器、汽提冷系統整體的用水量具有十分重要的現實(shí)意義。本文基于凝液對過(guò)程廢水排放和合成氣水汽比的影響。分析結果模型對水煤漿氣化過(guò)程用水量進(jìn)行靈敏度分析,考察了表明:在當前工況下,水煤漿濃度越高,有效氣成分也高溫冷凝液和汽提冷凝液的流量變化對廢水排放量和合越高;適當提高氣化反應溫度,有利于有效合成氣的收成氣水汽比的影響。率;適當降低高溫和汽提冷凝液,能減少裝置廢水排放及提高合成氣水汽比?；谀Ｐ蛢?yōu)化分析結果,進(jìn)行了50000水煤漿氣化反應過(guò)程的優(yōu)化,取得了較好的應用效果。ReferencesI Anne-Gaelle Collot. 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The model is verified by the industrial operating data, and it shows good performanceBased on the model, sensitivity analysis of the concentration of coal-water slurry, reaction temperature to the syngas is carried out. Additional,the influence of the variety of condensate flow to the waste water and the water/vapor ratio of outlet syngas is studied. The results are: underfraction; decreasing the condensing flow rate will benefit the water usage and increase the water/vapor ratio of outlet syngdr e effective gasthe current operating conditions, increasing the concentration of coal-water slurry and reaction temperature will promoteKeywords: Texaco, coal-water slurry gasification process, Gibbs free energy, modeling and optimization( Received: 2012-05-14: Revised: 2012-06-10)中國煤化工CNMHG