Shell粉煤气化流程模拟分析与优化_贾靖华
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贾靖华等:Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化
最小化法建立了气流床平衡模型,模型将煤的复杂 热解过程进行了简化,利用该模型对水煤浆气化过 程和 干 煤 粉 气 化 过 程 进 行 了 模 拟 分 析; 张 宗 飞 等[5] 、单贤根等[6] 应用 Gibbs 自由能最小化法建立 了干煤粉气化模型,并将计算结果与文献值进行了 比较,表明对 N2 输送的气化过程能够很好的模拟, 但文献[5] 也指出对采用 CO2 输送粉煤的气化过程 模拟偏差较大;弥勇等[7] 建立了 Aspen 煤气化模型, 气化炉散热损失按照原料煤热值的 2% 估算,模拟 表明,模型适用于加压气流床煤气化工艺过程,可用 于气化炉的过程设计;林立[8] 建立了 Aspen 干煤粉气 化模型,煤热解产物的计算采用了化学渗滤脱挥发分 模型(CPD),气化过程则根据 Gibbs 自由能最小化法 计算,模拟结果与文献值比较符合;谢芳等[9] 、孟辉 等[10] 、肖祥等[11] 及汪洋等[12] ,采用流程模拟软件建 立了水煤浆气化炉平衡模型,模型将煤裂解为单元素 分子,考虑了气化炉热损失,计算表明,水煤浆浓度和 氧煤比是影响气化过程的主要参数。
73
2015 年第 6 期
洁净煤技术
第 21 卷
表 1 Shell 气化炉运行工况
项目
工况 1
煤
O2
CO2
温度 / ℃
82
182
82
流量 / ( kg·s-1 ) 22． 9 19． 9
3． 2
工况 2
煤
O2
CO2
80
பைடு நூலகம்179
80
23． 2
21． 4
3． 3
煤 91 24． 8
工况 3 O2 175 21． 1
收稿日期:2014-12-30;责任编辑:孙淑君 DOI:10. 13226 / j. issn. 1006-6772. 2015. 06. 018 作者简介:贾靖华(1978—) ,男,宁夏中宁人,工程师,硕士,从事化工流程模拟方面的工作。 E-mail:jiajinghua@ dtctri． com． cn 引用格式:贾靖华,左玉帮,刘 鑫,等. Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化[ J] . 洁净煤技术,2015,21(6) :72-75,90.
摘 要:为了对大唐多伦煤制烯烃项目 Shell 气化炉的稳定运行提供技术支持,根据粉煤气流床气化 炉碳转化率高、高温下反应接近平衡的特征,基于 Gibbs 自由能最小化法,建立了 Shell 粉煤气化平衡 模型。 通过对模型进行气化反应限制和热损失修正,计算值与运行值吻合较好。 利用建立的模型,研 究了碳转化率、不同煤粉输送载气、氧煤比等参数对气化性能的影响。 结果表明:碳转化率的升高,可 以使有效气组成增加;相同流量条件下,CO2 作为载气,气化得到的有效气组成略高于 N2 ;增大氧煤 比,导致有效气组成先增加后减小,分析得出研究工况的最佳氧煤比为 0． 86,并以此为基础,对多种 操作负荷条件下的氧煤比进行了优化。 关键词:Aspen Plus;粉煤气化;模拟;氧煤比;优化 中图分类号:TQ546 文献标志码:A 文章编号:1006-6772(2015)06-0072-04
图 1 Shell 粉煤气化平衡模型模拟流程
针对 Shell 气化炉高温、高压的特点并结合文献 [8-11] ,常规组分如粗煤气、固定碳等的物性计算 采用了 RK - Soave 物性方法。 RK - Soave 物性方法 多用于气体加工、炼油等工艺过程,适用的体系为非 极性或弱极性的组分混合物,尤其适用于高温、高压 条件。 煤和灰作为非常规组分,物理属性主要计算 焓和密度,计算模型采用了软件内嵌的 HCOALGEN 与 DCOALIGT 模型。 1． 3 模型的验证
JIA Jinghua,ZUO Yubang,LIU Xin,et al. Simulation and optimization of Shell pulverized coal gasification process[ J] . Clean Coal Technology, 2015,21(6) :72-75,90.
应性广,在煤化工项目气化选型时具有一定优势。 徐越等[1-2] 利用 Aspen Plus 软件建立了干煤粉
气流床模拟平台,模型考虑了煤的热解、非均相反应 和均相反应,计算表明,模型能够对二段式干煤粉气 化炉及 Shell 煤气化工艺过程进行模拟计算;王辅臣 等[3] 基于 Shell 气化炉内的流动特征及气化过程分 析,从停留时间分布角度出发,建立了气化炉的数学 模型,计算值和实际值吻合较好,并应用该模型对工 艺条件进行了优化;于遵宏等[4] 采用 Gibbs 自由能
0 引 言
自 1797 年发明煤炭气化技术以来,先后开发了 100 多种气化炉型。 目前,已商业化的新一代煤气 化技术主要有:以 Lurgi、BGL 为代表的移动床气化 技术,以 U - Gas、TRIG 为代表的流化床气化技术, 以 Shell、GE 等为代表的气流床气化技术。 其中,气 流床气化技术因其在大型化方面的优势获得了广泛 应用,而以 Shell 为代表的粉煤气化技术因为煤种适
上述建立的平衡模型对气流床工艺过程进行了 模拟,但输入条件和验证主要来源于文献数据,缺少 对工业装置建模,尚未有关于以褐煤为原料,且采用 CO2 为输送载气的气化工艺模拟文献报道。 本文借 助 Aspen Plus 软 件, 以 大 唐 多 伦 褐 煤 制 烯 烃 项 目 Shell 气化炉为研究对象,建立了 Shell 粉煤气化 平衡模型。 对模型进行了气化反应平衡限制和热损 失修正,修正后的模型能较好地预测 CO2 为输送介 质的气化产品组成及气化温度,进而利用模型分析 了运行参数对气化结果的影响,并对不同负荷条件 下的氧煤比进行了优化,为 Shell 气化炉的稳定运行 提供技术支持。
2015 年第 6 期
尘系统处理。 1． 2 模型的建立
Shell 粉煤气化平衡模型模拟流程如图 1 所示。 利用 Aspen Plus 建立的 Shell 粉煤气化平衡模型模 拟流程为:煤粉物流进入裂解模块发生煤裂解反应, 将煤分解为单元素分子( C、S、H2 、N2 、O2 、Cl2 ) 、H2 O 及灰渣,并将裂解热和裂解产物导入气化模块中;气 化剂纯 O2 和煤粉输送载气 CO2 作为单独的物流直 接进入气化模块,气化模块为 Gibbs 自由能最小化 法反应器,无需提供详细的反应,就可计算出反应平 衡时的煤气组成和气化温度;气化炉热损失根据文 献[5,7] ,按照输入煤热值的 2% 估算;气化模块生 成的粗煤气和灰渣进入分离模块进行气固分离,分 离出粗煤气物流和灰渣物流。
( Datang International Chemical Technology Research Institute Co. ,Ltd. ,Beijing 100070,China)
Abstract:In order to provide technical support for Shell gasifier of Datang Duolun coal to olefin project,a balance model of Shell pulverized coal gasification was established based on Gibbs free energy minimization method using Aspen Plus according to the characteristics of gasification reactions being close to equilibrium at the condition of high temperature and high carbon conversion rate. Through limitation of main reactions equilibrium and heat loss modification,the simulation result was consistent with the actual data. The influencing factors on gasification performance was studied with the established model in the paper,such as carbon conversion rate,carrier gas type,oxygen-coal ratio. The results showed that the effective gas increased with the increase of carbon conversion rate. Whlie under constant gas flow,carrier gas CO2 was beneficial to produce more effective gas comparing with carrier gas N2 . Meanwhile,the effective gas firstly increased,then decreased with the increase of oxygen-coal ratio. The optimal value of oxygen-coal ratio was 0. 86. Furthermore,optimal oxygen-coal ratio was also concluded at different operation loads. Key words:Aspen Plus;pulverized coal gasification;simulation;oxygen-coal ratio;optimization
Simulation and optimization of Shell pulverized coal gasification process
JIA Jinghua,ZUO Yubang,LIU Xin,KANG Shanjiao,LIU Jia'nan,MEI Changsong,LI Chunqi
上述所建 Shell 粉煤气化平衡模型的验证采用 了工业运行数据,见表 1。 包括了进料煤粉、气化剂 纯 O2 、煤粉输送介质 CO2 的流量及温度,各工况的操 作压力均为 4． 0 MPa。 气化所用褐煤的工业分析和 元素分析见表 2。 将表 1 中的运行工况数据输入到建 立的模型中,计算结果误差较大,为此对主要气化反 应进行了平衡限制,结合运行数据对热损失进行校 正。 实际运行的 Shell 气化炉共 2 台。 模型修正后的 计算结果见表 3,模拟值与运行值吻合较好,说明对 模型的修正较为合理,可对 Shell 气化炉的气化过程 进行模拟分析。
1 模型的建立与验证
1． 1 Shell 气化工艺简介 从磨煤和干燥工段过来的煤粉通过煤粉加速器
加速调节后,送至气化炉;空分送过来的氧气经过氧 气预热器预热至 180 ℃ 进入气化炉;以上物料在气 化炉内 4． 0 MPa 压力、1300 ~ 1700 ℃ 温度下进行部 分氧化反应。 气化产生的渣以液态形式经气化炉炉 壁向下流入渣池;生成以 H2 +CO 为主的合成气从顶 部出气化炉,在气化炉出口被激冷气压缩机送来的 激冷气激冷至 900 ℃ ,然后合成气分别经过锅炉系 统的激冷管、输气管、合成气冷却器进行冷却,出合 成气冷却器后温度为 340 ℃ 的粗煤气被送往干法除
第 21 卷第 6 期
2015 年 11 月
洁净煤技术
Clean Coal Technology
Vol． 21 No． 6 Nov. 2015
Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化
贾靖华,左玉帮,刘 鑫,康善娇,刘佳男,梅长松,李春启
( 大唐国际化工技术研究院有限公司,北京 100070)
贾靖华等:Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化
最小化法建立了气流床平衡模型,模型将煤的复杂 热解过程进行了简化,利用该模型对水煤浆气化过 程和 干 煤 粉 气 化 过 程 进 行 了 模 拟 分 析; 张 宗 飞 等[5] 、单贤根等[6] 应用 Gibbs 自由能最小化法建立 了干煤粉气化模型,并将计算结果与文献值进行了 比较,表明对 N2 输送的气化过程能够很好的模拟, 但文献[5] 也指出对采用 CO2 输送粉煤的气化过程 模拟偏差较大;弥勇等[7] 建立了 Aspen 煤气化模型, 气化炉散热损失按照原料煤热值的 2% 估算,模拟 表明,模型适用于加压气流床煤气化工艺过程,可用 于气化炉的过程设计;林立[8] 建立了 Aspen 干煤粉气 化模型,煤热解产物的计算采用了化学渗滤脱挥发分 模型(CPD),气化过程则根据 Gibbs 自由能最小化法 计算,模拟结果与文献值比较符合;谢芳等[9] 、孟辉 等[10] 、肖祥等[11] 及汪洋等[12] ,采用流程模拟软件建 立了水煤浆气化炉平衡模型,模型将煤裂解为单元素 分子,考虑了气化炉热损失,计算表明,水煤浆浓度和 氧煤比是影响气化过程的主要参数。
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2015 年第 6 期
洁净煤技术
第 21 卷
表 1 Shell 气化炉运行工况
项目
工况 1
煤
O2
CO2
温度 / ℃
82
182
82
流量 / ( kg·s-1 ) 22． 9 19． 9
3． 2
工况 2
煤
O2
CO2
80
பைடு நூலகம்179
80
23． 2
21． 4
3． 3
煤 91 24． 8
工况 3 O2 175 21． 1
收稿日期:2014-12-30;责任编辑:孙淑君 DOI:10. 13226 / j. issn. 1006-6772. 2015. 06. 018 作者简介:贾靖华(1978—) ,男,宁夏中宁人,工程师,硕士,从事化工流程模拟方面的工作。 E-mail:jiajinghua@ dtctri． com． cn 引用格式:贾靖华,左玉帮,刘 鑫,等. Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化[ J] . 洁净煤技术,2015,21(6) :72-75,90.
摘 要:为了对大唐多伦煤制烯烃项目 Shell 气化炉的稳定运行提供技术支持,根据粉煤气流床气化 炉碳转化率高、高温下反应接近平衡的特征,基于 Gibbs 自由能最小化法,建立了 Shell 粉煤气化平衡 模型。 通过对模型进行气化反应限制和热损失修正,计算值与运行值吻合较好。 利用建立的模型,研 究了碳转化率、不同煤粉输送载气、氧煤比等参数对气化性能的影响。 结果表明:碳转化率的升高,可 以使有效气组成增加;相同流量条件下,CO2 作为载气,气化得到的有效气组成略高于 N2 ;增大氧煤 比,导致有效气组成先增加后减小,分析得出研究工况的最佳氧煤比为 0． 86,并以此为基础,对多种 操作负荷条件下的氧煤比进行了优化。 关键词:Aspen Plus;粉煤气化;模拟;氧煤比;优化 中图分类号:TQ546 文献标志码:A 文章编号:1006-6772(2015)06-0072-04
图 1 Shell 粉煤气化平衡模型模拟流程
针对 Shell 气化炉高温、高压的特点并结合文献 [8-11] ,常规组分如粗煤气、固定碳等的物性计算 采用了 RK - Soave 物性方法。 RK - Soave 物性方法 多用于气体加工、炼油等工艺过程,适用的体系为非 极性或弱极性的组分混合物,尤其适用于高温、高压 条件。 煤和灰作为非常规组分,物理属性主要计算 焓和密度,计算模型采用了软件内嵌的 HCOALGEN 与 DCOALIGT 模型。 1． 3 模型的验证
JIA Jinghua,ZUO Yubang,LIU Xin,et al. Simulation and optimization of Shell pulverized coal gasification process[ J] . Clean Coal Technology, 2015,21(6) :72-75,90.
应性广,在煤化工项目气化选型时具有一定优势。 徐越等[1-2] 利用 Aspen Plus 软件建立了干煤粉
气流床模拟平台,模型考虑了煤的热解、非均相反应 和均相反应,计算表明,模型能够对二段式干煤粉气 化炉及 Shell 煤气化工艺过程进行模拟计算;王辅臣 等[3] 基于 Shell 气化炉内的流动特征及气化过程分 析,从停留时间分布角度出发,建立了气化炉的数学 模型,计算值和实际值吻合较好,并应用该模型对工 艺条件进行了优化;于遵宏等[4] 采用 Gibbs 自由能
0 引 言
自 1797 年发明煤炭气化技术以来,先后开发了 100 多种气化炉型。 目前,已商业化的新一代煤气 化技术主要有:以 Lurgi、BGL 为代表的移动床气化 技术,以 U - Gas、TRIG 为代表的流化床气化技术, 以 Shell、GE 等为代表的气流床气化技术。 其中,气 流床气化技术因其在大型化方面的优势获得了广泛 应用,而以 Shell 为代表的粉煤气化技术因为煤种适
上述建立的平衡模型对气流床工艺过程进行了 模拟,但输入条件和验证主要来源于文献数据,缺少 对工业装置建模,尚未有关于以褐煤为原料,且采用 CO2 为输送载气的气化工艺模拟文献报道。 本文借 助 Aspen Plus 软 件, 以 大 唐 多 伦 褐 煤 制 烯 烃 项 目 Shell 气化炉为研究对象,建立了 Shell 粉煤气化 平衡模型。 对模型进行了气化反应平衡限制和热损 失修正,修正后的模型能较好地预测 CO2 为输送介 质的气化产品组成及气化温度,进而利用模型分析 了运行参数对气化结果的影响,并对不同负荷条件 下的氧煤比进行了优化,为 Shell 气化炉的稳定运行 提供技术支持。
2015 年第 6 期
尘系统处理。 1． 2 模型的建立
Shell 粉煤气化平衡模型模拟流程如图 1 所示。 利用 Aspen Plus 建立的 Shell 粉煤气化平衡模型模 拟流程为:煤粉物流进入裂解模块发生煤裂解反应, 将煤分解为单元素分子( C、S、H2 、N2 、O2 、Cl2 ) 、H2 O 及灰渣,并将裂解热和裂解产物导入气化模块中;气 化剂纯 O2 和煤粉输送载气 CO2 作为单独的物流直 接进入气化模块,气化模块为 Gibbs 自由能最小化 法反应器,无需提供详细的反应,就可计算出反应平 衡时的煤气组成和气化温度;气化炉热损失根据文 献[5,7] ,按照输入煤热值的 2% 估算;气化模块生 成的粗煤气和灰渣进入分离模块进行气固分离,分 离出粗煤气物流和灰渣物流。
( Datang International Chemical Technology Research Institute Co. ,Ltd. ,Beijing 100070,China)
Abstract:In order to provide technical support for Shell gasifier of Datang Duolun coal to olefin project,a balance model of Shell pulverized coal gasification was established based on Gibbs free energy minimization method using Aspen Plus according to the characteristics of gasification reactions being close to equilibrium at the condition of high temperature and high carbon conversion rate. Through limitation of main reactions equilibrium and heat loss modification,the simulation result was consistent with the actual data. The influencing factors on gasification performance was studied with the established model in the paper,such as carbon conversion rate,carrier gas type,oxygen-coal ratio. The results showed that the effective gas increased with the increase of carbon conversion rate. Whlie under constant gas flow,carrier gas CO2 was beneficial to produce more effective gas comparing with carrier gas N2 . Meanwhile,the effective gas firstly increased,then decreased with the increase of oxygen-coal ratio. The optimal value of oxygen-coal ratio was 0. 86. Furthermore,optimal oxygen-coal ratio was also concluded at different operation loads. Key words:Aspen Plus;pulverized coal gasification;simulation;oxygen-coal ratio;optimization
Simulation and optimization of Shell pulverized coal gasification process
JIA Jinghua,ZUO Yubang,LIU Xin,KANG Shanjiao,LIU Jia'nan,MEI Changsong,LI Chunqi
上述所建 Shell 粉煤气化平衡模型的验证采用 了工业运行数据,见表 1。 包括了进料煤粉、气化剂 纯 O2 、煤粉输送介质 CO2 的流量及温度,各工况的操 作压力均为 4． 0 MPa。 气化所用褐煤的工业分析和 元素分析见表 2。 将表 1 中的运行工况数据输入到建 立的模型中,计算结果误差较大,为此对主要气化反 应进行了平衡限制,结合运行数据对热损失进行校 正。 实际运行的 Shell 气化炉共 2 台。 模型修正后的 计算结果见表 3,模拟值与运行值吻合较好,说明对 模型的修正较为合理,可对 Shell 气化炉的气化过程 进行模拟分析。
1 模型的建立与验证
1． 1 Shell 气化工艺简介 从磨煤和干燥工段过来的煤粉通过煤粉加速器
加速调节后,送至气化炉;空分送过来的氧气经过氧 气预热器预热至 180 ℃ 进入气化炉;以上物料在气 化炉内 4． 0 MPa 压力、1300 ~ 1700 ℃ 温度下进行部 分氧化反应。 气化产生的渣以液态形式经气化炉炉 壁向下流入渣池;生成以 H2 +CO 为主的合成气从顶 部出气化炉,在气化炉出口被激冷气压缩机送来的 激冷气激冷至 900 ℃ ,然后合成气分别经过锅炉系 统的激冷管、输气管、合成气冷却器进行冷却,出合 成气冷却器后温度为 340 ℃ 的粗煤气被送往干法除
第 21 卷第 6 期
2015 年 11 月
洁净煤技术
Clean Coal Technology
Vol． 21 No． 6 Nov. 2015
Shell 粉煤气化流程模拟分析与优化
贾靖华,左玉帮,刘 鑫,康善娇,刘佳男,梅长松,李春启
( 大唐国际化工技术研究院有限公司,北京 100070)