德士古水煤浆气化过程的建模与优化分析

第29卷第7期计箕虮易用牝VoL 29. No. 72012年7月28日Computers and Applied ChemistJuly28,2012德士古水煤浆气化过程的建模与优化分析彭伟锋,钟伟民,孔祥东,钱锋(华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海,200237)摘要:根据德士古水煤浆气化工艺的操作特性和装置特点,采集实际工业运行数据,基于 Aspen Plus软件平台,建立了气化炉和水洗过程的模型,模拟结果与实际生产较吻合。基于所建立的模型,进行了水煤浆浓度、气化反应温度对气化结果的灵敏度分析,并讨论了过程的节水,分析了高温汽提冷凝液对废水排放与合成气水汽比的影响。结果表明:在现有工况下,提高水煤浆浓度和反应温度,有效合成气收率会提高;适当减少高温、汽提冷凝液,有利于装量的废水排放和提高合成气水汽比关键词:德士古;水煤浆气化; Gibbs自由能;建模与优化中图分类号:TQ0159TP3919;06-39文献标识码:A文章编号:100141602012)07-779-7831引言文基于 Aspen Plus软件平台,对原设计500吨/天德士古水煤浆气化反应与水洗过程进行了综合建模,通过灵敏能源是人类赖以生存及推动社会可持续发展的重要度分析考察了水煤浆浓度、气化反应温度对整个气化系物质基础,其中煤是地球上储藏最丰富的化石燃料中统的影响,以及讨论了系统的节水。国是世界上煤炭资源较丰富的国家之一,煤炭储量远大于石油和天然气储量。2011年煤炭产量达352亿吨,2德士古气化过程流程筒述同比增长87%,居世界首位瘪士古水煤浆气化工艺流程主要包括气化系统、洗作为一次能源,我国煤炭直接燃烧约占煤炭总量的80%左右,这样不仅效率低,而且排放出大量烟尘,涤系统和灰水处理系统。煤浆由煤浆槽经煤浆给料泵加氧化硫、氮氧化物等有害气体,使生态环境遑到严重破破压后与自空分送来的高压氧气按照一定的氧煤比通过三流式烧嘴进入气化炉,在高温高压下反应产生合成气坏。发展煤气化技术是减少环境污染、实现煤炭高效洁净综合利用的重要措施4。煤中的灰份在高温下熔融,熔渣与热合成气一起离开气德士古气化炉是目前最常见的一种气化炉炉型,是化炉燃烧室,顺流向下进入气化炉下段激冷室,被激冷水淬冷后合成气温度降低至约223℃。熔渣迅速固化并第二代煤气化技术中最成熟、商业化装置最多的技术具有对煤种适应性大、整体热利用率高、碳的转换率高产生大量蒸汽,被水蒸汽饱和并夹带少量飞灰的合成气从激冷室上部出口排出。气体进入文丘里洗涤器与从喷以及产气品质高等优点。过程模拟软件 Aspen Plus近来嘴喷出的洗涤水混合后进板式碳洗塔,合成气经除尘除被广泛应用于煤气化的过程模拟中1。孟辉等基于沫后送至变换工段。由灰水处理来的高压灰水及变换工Aspen Plus根据吉布斯自由能最小化原理建立了 Texaco段送来的高温冷凝液和汽提冷凝液作为碳洗塔的洗涤气化炉模型,研究了水煤浆浓度、氧气纯度等对气化炉出口气体组成和温度的影响。谢芳等建立了Texa气水。碳洗塔底排出的黑水经流量控制阀排至灰水处理。同时,系统产生的黑水经中压闪蒸器和真空闪蒸器处理,化炉的 Aspen Plus模型,并应用 Fortran语言对非常规组进行部分水的回用分和模型进行修正,研究表明(co+H2)含量和气化炉温度随着水煤浆浓度、氧煤比的增加而增加。姚月华等3德士古气化过程的建模以 Aspen Plus为模拟工具,对Shel粉煤气化炉和德士古水煤浆气化过程进行了模拟和对比分析。虽然针对德士Aspen Plus是世界公认的标准大型通用流程模拟软古气化炉模型的研究有很多,但是对于德士古气化系统件,它具有完善的物性数据库、热力学模型和单元操作包括气化、水洗、分离)的整体模拟却并不多见。在模块,也可以进行水煤浆气化过程的模拟本文采用我们以前的工作中1,对工业多喷嘴水煤浆气化过程的实际水煤浆气化装置的工业运行数据,进行了气化过程水洗系统进行了模拟和优化研究,取得了令人满意的结的建模。果。为更好地研究整个德士古气化系统的运行特性,本31组分规定煤气化过程收稿日期:201205-14;修回日期:201206-10基金项目:国家自然科学基金项目重点基金U6202);国家自然科学基金项目(611748);国家H牛的复杂反应中国煤化工CNMHG⊥海市基础研究重点项目10JC1403500和上海市重点学科建设项(B504)资作者简介:彭伟锋(1987-),男,硕士生,主要研究方向为化工过程建模与优化, E-mail:pwB05@163com联系人:钱锋,男江苏人,博士,教授,博士生导师Emal:faqian@ecust.edu.cn780针算帆易症眉牝兽2012,29(7组分很多, Aspen Plus对煤和灰分此类物质提供了较好物。 RGibbs能够在常规固体组分和流体相之间计算化学的处理方法。煤气化过程中的常规组分有H2O、O2、H2平衡,非常规固体Ash被认为惰性组分不影响平衡计算。CO、CO2、H2S、CH4、N2、C等;本文定义非常规固体煤为COAL、灰分为ASH,选择其组分类型在本模型中,规定出口组分包括CO、H2、CO2、CH4、AR、N2、H2S、COS、HCl、H2O和未反应的C,气化压其中工业煤质分析如表1所示,除水分外,工业分力为40MPaG,C转化率98%,热损失05%。通过求解析和元素分析均基于干基系列非线性数学规划问题得到系统在 Gibbs自由能最小时的平衡状态,从而得出反应产物的组成表1煤的工业分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal332碳洗塔模块分析工业分析精馏的平衡级模型应用广,比较成熟;求解算法有Proximate analysis/(wt%简捷法和严格法两大类,简捷法计算简单,但精度不高水分固定碳挥发分灰分fixed carbonvolatiles无法满足实际需要,严格法计算结果精确。所以碳洗塔采用平衡级模型通过严格法求解元囊分析Rad Frac是一个严格模型,用于模拟所有类型的多级ultimate analysis/(w%)Ash汽-液分馏操作。碳洗塔可直接用 Radfrac模拟,定义207346个理论级,每5个理论级设置一块泡罩式塔板,共4块3.2物性方法塔板;塔的操作压力为3.85MPaG:粗合成气由塔底进化工过程模拟中,选择的物性方法是否适当,将直入,高压灰水、高温冷凝液和汽提冷凝液由塔顶进入。接影响所计算的物性的准确程度,从而影响到模型计算34德士古气化过程流程模拟结果的精确度。通过上述主要单元模型的分析,结合工艺流程图和煤气化是一个高温、高压下进行的反应过程,气体实际生产过程,建立了德士古水煤浆气化过程的模型,为非极性或弱极性的轻气体,如H2CO2、H2S、CH等,如图1。模型中主要设备名称、位号及功能如表2所示。般多用 RK-SOAVE或 RKS-BM、PRBM性质方法,表2模型中的主要设备这几种方法适用于烃加工、燃烧、炼油、化工等工艺过able 2 Main devices of model程的计算呵。本文选择PRBM作为物性方法功能model非常规固体不参与相平衡和化学平衡计算,只计算其密度和焓。在 Aspen Plus中,通用煤的焓模型是煤裂解单元将煤分解成单质HCOALGEN,该模型包括燃烧热、标准生成热和热容的气化单元进行煤气化反应,产生合rgibbs不同关联式。煤的密度模型 DCOALIGT用于计算煤的干基真实密度。激冷室SEPfash2冷却合成气、汽液分高33气化过程模块分析碳洗塔T0701radfrac洗涤合成气331气化炉模块分析中压闪燕器vo811flash2蒸发、浓缩黑水本文基于 Gibbs自由能最小化原理建立气化炉模型。通过一系列假设条件,将煤气化过程假设为一个平真空闪蒸器VO813flash2进一步蒸发、浓缩黑水衡模型,认为所有反应达到化学平衡,结合气化过程质中压闪蒸分离o80112汽液分离,排出酸性气体量平衡和能量平衡,在系统的Gibs自由能达到最小值真空闪蒸分离v803ash2汽液分离,排出不凝气时,计算出口合成气的组成、产率及平衡温度。与动力学模型相比,基于 Gibbs自由能最小化原理建立的平灰水加热器Eo801heat预热高压灰水衡模型,具有计算速度快、收敛性能好等优点闪燕气冷却器E0805heater冷却闪蒸气至120℃为将非常规组分转换为 Aspen Plus可以计算的常规组分,需要引入煤裂解单元,因此把气化炉分成2个独真空冷凝器将闪蒸气冷凝为水立的过程,煤裂解单元和反应单元澄清槽将黑水澄清煤裂解单元不需要知道反应的化学计量系数或动力学方程,只计算产物的收率。所以可采用 RYieid模块来灰水槽mxer收集灰水模拟煤裂解单元,将煤分解成H2O、H2、N2、Cl2、O2分流器MI、M2M3、M4分流物流(包括子物流)S、C、Ash等组分,同时将裂解热传递给反应单元。物流倍增器七示装置需要倍增气化单元用 RGibbs反应模块模拟, RGibbs不需要中国煤化工物流规定反应的化学计量系数或动力学参数,只需要规定产CNMHG2012,29(7彭伟锋,等:德士古水煤浆气化过程的建模与优化分析由表3和表5可知,除微量组分CH4、H2S、COS外,其余数据均与实际生产值十分吻合,表明模型对关键产物的拟合具有一定的精度。4水煤浆气化过程的优化日水煤浆气化过程中,有效合成气收率与节水是衡量装置操作水平的主要指标。水煤浆浓度和氧煤比是装置君操作最主要的调整手段,而氧煤比在一定程度上决定了气化反应温度。因此,本文基于模型,分析了水煤浆浓度和气化反应温度对合成气收率的影响。同时分析了高温、汽提冷凝液对过程废水排放和合成气水汽比的影响。Fig 1 Simulation diagram of Texaco gasification process.41水煤浆浓度对合成气收率的影响图1德士古气化过程流程模拟图在现有工况下,改变水煤浆浓度,即保持进料煤的量不变,改变制煤浆水的量,计算不同水煤浆浓度下的对一典型工况进行了模拟分析。其主要工艺参数为:煤气化结果,如图2所示,浆流量为2888m/h,煤浆浓度为60%,煤浆密度可以看出,在现有工况下,随着水煤浆浓度的提高1200kg/m3,氧气流量15000Nm/h,气化压力40MPaG,Co的含量显著增加,而H2、CO2和H2O的含量均有所碳洗塔操作压力385MPG,碳洗塔出口合成气温度减少,但有效气C0H)的总含量增加,由于进料媒212℃。的量不变,即氧煤比不变,水量的减少使得气化炉温度3.5模拟结果与分析升高。水煤气反应是吸热反应,温度升高使反应加剧,碳洗塔出口合成气( SYNGAS)为煤气化过程的产O和B2的浓度提高,但HO的减少又使变换反应的平品,所以合成气的结果可以反映整个模型的精度。碳洗衡点左移,导致CO浓度提高,CO2和H的浓度降低,塔出口合成气的模拟结果与工业生产数据比较如表3所综合作用下,H2的含量有所减少,但不是很明显。示。合成气气体组成的模拟结果如表4所示,换算后干气组成的模拟结果与仪器分析值如表5所示。表3碳洗塔出口合成气结果Table3 The result of carbon washing tower export syngas项目模拟值工业生产值误差5050505Simulation result industrial data error/%合成气流量Nm3/hr688881098干气流量Nm/hr42138温度℃2104212.062%64%压力MPaG3.85水煤浆浓度%C02一H20=C0H2表4碳洗塔出口气体组成(体积分数)Fig. 2 The influence of CWS concentration on gasificationTable 4 The composition of carbon washing tower export syngas.图2水煤浆浓度对气化结果的影响另外,温度升高使得CO2还原反应加剧,结果也是0.16520.206900016101e4Co增加,CO2减少。根据上述分析,在保证气化炉正常H2SCOS运转的情况下可以尽量提高水煤浆浓度,以得到较高的5.14e46.76e408562.87e-5有效气成分。表5干气组成4.2气化反应温度对气化结果的影响Table 5 The composition of dry gas.在现有工况下,保持其它条件不变,研究气化温度组分对气化结果的影响,气化温度通过模型热损失来改变,模拟值35.8644.920340.02分析值%36.5545.32结果如图3所示。误差/%2.86在现有工况下,随着气化温度的升高,CO和H2O组分cOS的含量增加中国煤化工有效气成分模拟值%0.l518.58(CO+H2)增加分析值%0.12l8.90CNMHG反应加剧误差0.161.69Co和H2含量增加,同变秧反厘平衡点左移使得H2计算帆与痃用化喾2012,29(7)和CO2减少,CO2还原反应增强也使得CO2减少,综合由以上图4和图5可以看出,废水排放量均随着作用下,H2和CO2的含量均减少。因此,在现有工况下,高温冷凝液和汽提冷凝液流量的减小而减小,而水汽不管是提高水煤浆浓度促使气化反应温度提升,还是通比均随着高温冷凝液和汽提冷凝液流量的减小而增过增加氧煤比提供气化反应温度,都将使有效合成气收大。考虑到合成气的水汽比有一定的要求,适当提高率提高。水汽比,有利于下游产业的生产。在目前的工况下,可以适当通过减小高温和汽提冷凝液的流量来减少废30水排放,并提高水汽比根据上述优化分析结果,装置在工况允许的范围内提高了水煤浆浓度约1%,合成气收率提高了约0.5%提高浓度对于增加合成气收率降低系统用水量有着积极804重要的影响,在实际生产中应该在满足装置正常运行的情况下尽量提高水煤浆浓度。同时,在保证水汽比满足后续工艺的条件下,通过适当减少高温和汽提冷凝液流量,减少废水排放,利于气化过程的节水减排1195120012051210121512201225COH2“C02-H20=CO+H25结论Fig 3 The influence of gasification reaction temperature oncation本文基于 Aspen Plus软件平台,建立了德士古气化图3气化反应温度对气化结果的影响反应与水洗过程的流程模型,模拟结果与实际生产值吻43冷凝液对废水排放和水汽比的影响合较好。通过灵敏度分析考察了水煤浆浓度、气化温度水煤浆气化工艺最大的特点是耗水量大,如何减少对气化结果的影响,同时,分析了高温冷凝器、汽提冷系统整体的用水量具有十分重要的现实意义。本文基于凝液对过程废水排放和合成气水汽比的影响。分析结果模型对水煤浆气化过程用水量进行灵敏度分析,考察了表明:在当前工况下,水煤浆浓度越高,有效气成分也高温冷凝液和汽提冷凝液的流量变化对废水排放量和合越高;适当提高气化反应温度,有利于有效合成气的收成气水汽比的影响。率;适当降低高温和汽提冷凝液,能减少装置废水排放及提高合成气水汽比。基于模型优化分析结果,进行了50000水煤浆气化反应过程的优化,取得了较好的应用效果。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)中国煤化工CNMHG