Shell褐煤气化模拟计算分析

第43卷第2期煤化工Vol.43 No.22015年4月Coal Chemical IndustryApr. 2015Shell褐煤气化模拟计算分析贾靖华',左玉帮',刘鑫',康善娇',刘佳男',梅长松',李春启',陈二孩了,颜昌玉2(1.大唐国际化工技术研究院有限公司,北京100070;2.大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司,内蒙古多伦 027300)摘要以大唐多伦煤制烯烃项目Shell气化炉为研究对象,基于Gibbs自由能最小化法,通过反应平衡限制和热损失修正,建立了Shell 褐煤气化平衡模型,计算结果与运行数据吻合较好。同时,研究了不同操作条件对气化性能的影响。结果表明:CO2载气流量和氧煤比是主要的影响因素,特别是氧煤比可以明显改变气化温度和产品煤气组成，随着氧煤比的增加,气化温度升高,有效气(H2+C0)组成先增加后减小，针对所用气化煤种,分析得出最佳氧煤比为0. 76。关键词褐煤气化, 模拟计算, Aspen Plus ,平衡模型,氧煤比,C02载气流量文章编号: 1005-9598 (2015) -02-0015 -05中图分类号:TQ54 文献标识码:A我国褐煤资源丰富,已探明的保有储量达1 303亿输人数据和验证主要来源于相关文献数据,缺少对工t,约占全国煤炭储量的13%。与其他煤种相比,褐煤业运行装置的模拟;所报道的Shell气化模型,主要含氧量高、灰分及灰熔融性温度变化大、密度小,是- -针对以烟煤和无烟煤为原料，且采用N2作为输送载种高挥发性、高水分、低热值、低灰熔融性温度的劣质气的气化工艺， 对CO2作为载气的气化工艺报道较燃料。目前,世界各国的褐煤主要用于坑口燃烧发电，少,尚未有以褐煤为原料且采用CO2作为输送载气的但效益不明显,环境污染严重。随着煤气化技术的发气化 工艺模拟的有关报道。大唐国际化工技术研究院展,对煤种的适应性提高,且褐煤具有成本低、反应活有限公司与大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司合性强、不黏结等优点,使得以褐煤为原料发展高附加作,借助AspenPlus软件，以大唐内蒙古多伦煤制烯值的煤化工产业越来越受到重视13)。以褐煤为原料烃项目Shell 气化炉为研究对象,对以褐煤为气化原的大唐多伦煤制烯烃项目、大唐克旗煤制天然气项料及CO2为输送载气的气化工艺进行了模拟研究,分目、大唐呼伦贝尔化肥项目、呼伦贝尔金新化肥项目析了主要操作条件对气化结果的影响，优化得出了最先后建成投产。佳氧煤比,以用于指导气化炉的稳定运行。”建立褐煤气化工艺数学模型,有助于指导生产装置的调整优化,实现经济运行。煤气化建模主要有两1 Shell 褐煤气化平衡模型的建立种方法:动力学模型和热力学平衡模型。根据化学反应速率方程建立的动力学模型,可较好地模拟气化炉1.1物性方 法的选择内的物理化学变化过程,计算精度较高, 但模型过于针对Shell气化炉高温、高压的特点,并结合文复杂,通用性较差。采用Gibbs自由能最小化法和平献[4-7]的报道,采用RK -Soave物性方法,对常规组衡常数法,建立的热力学平衡模型则相对简单,具有分如粗煤气、固定碳等进行物性计算。RK- Soave物性一定的通用性,特别是对气流床计算精度较高,可以方法多用于气体加工、炼油等工艺过程计算,适用的辅助气化炉的设计和操作运行。目前,国内已有不少体系为非极性或弱极性的组分混合物，如烃类及CO2、关于气流床平衡模型的报道。但综合来看,模型的HS H等轻气体,尤其适用于高温、高压条件。收稿日期:2014-11-20中国煤化工作者简介:贾靖华(1978- ),男 ,宁夏中宁,工程师,硕士, 2003年本科毕业于MH. CNM HG业,现主要从事化工流程模拟技术相关工作,E- mail :jiajinghua@dtctri. com. cn。.- 16-煤化工2015年第2期煤和灰为非常规组分，主要通过计算焓和密度,(式中minG表示体系的最小Gibbs自由能优化研究其物理属性。本研究利用Aspen plus软件内嵌目标函数,后面公式为其具体表达式)的HCOALGEN焓模型与DCOALIGT密度模型进行计算。模型主要的输人参数有工业分析数据、元素分析数据b;= 2 myny+Smny(3)和硫分分析数据,数据输人的完整度与准确度直接关系到模拟的精确度。_nsAj9anzm,+ En(H(x)+Q,=1.2模拟流程及数 学模型(4)利用Aspen plus建立的Shell褐煤气化平衡模型模拟流程示意图见图1。煤粉物流进人裂解模块,n≥0发生裂解反应。裂解模块是一个仅计算收率的简单反上述表达式中,式(2)为目标函数;式(3)为体系应器,主要是将煤裂解为单元素分子(纯元素C、S、H2、的原子守恒方程;式(4)为气化模块的焓平衡方程,其N、02、C12)及H20、灰渣,并将裂解产生的热和产物导中,等式左边分别为输人系统的化学焓、显焓及裂解人气化模块。纯02(气化剂)和CO2(煤粉输送载气)作热，等式右边前两项为输出系统的化学焓和显焓,最为单独的物流直接进入气化模块,气化模块为Gibbs后一项为气化炉的散热损失,根据张宗飞等[10研究自由能最小化法反应器,无需提供详细的反应,就可结果,散热损失取输人煤热值的2%;式(5)为非负约计算出反应平衡时的煤气组成和气化温度。气化生成束条件。的粗煤气和灰渣进入气固分离模块，进行气固分离，1.3 Shell褐煤气化平衡模型的修正与验证分离出粗煤气物流和灰渣物流。同时,模型考虑了气原料煤为东胜利褐煤，其煤质分析列于表1,化炉的散热损失。Shell气化炉运行工况列于表2。将表2中的3种工裂解热况数据,分别输人到已建立的Shell褐煤气化平衡模裂触型中进行计算,模拟结果表明,计算出的气化温度及煤粉煤气组成与实际运行值偏差较大。为此,对主要的气化反应进行了限制修正，同时结合现场运行数据,对裂解模块粗煤气气化炉散热损失进行了校正,修正后的模型计算结果二氧化碳载气气化产物气固分离列于表3。从表3可知,模拟值与运行值吻合良好,说纯氧气化剂[模块明对模型的修正是合理的，能较好地模拟CO2作为输热损失气化模块灰渣送载气的褐煤气化过程,可进- - 步对操作条件进行计算分析。图1 Shell 褐煤气化平衡模型模拟流程示意图表1煤的工业分析和元素分析其中,煤裂解模块中,各单元素分子的收率由煤工业分析/%元素分析/%的元素分析组成确定,所以该模块的数学模型主要是MaV。AsFCaCgHO。SgNu能量平衡方程,式(1 )为煤裂解模块的焓方程[8]:4.5634.33 14. 48 51.19 63. 26 3.46 16.04 1.07 1. 69mwuH..2 +m。Hu(ea)= 2 nASHjm.28. +复2 Shell气化炉运行工况数据温度/C压力 (G)/MPa流量 /kg.s"'nH(Tw)+Q,784.023.8气化模块模拟的组分体系包括:H20、H2.CO、CO2、H2S、工况101719.0.N、Ar、COS、CH、02、S、C(固体),组分体系达到化学反CO23.1应平衡的判断依据是体系的Gibbs自由能达到极小某824.4值,以此原理建立的反应器数学模型8]描述见式(2)~工况2018018.5862.6(5):烧中国煤化工23.9minG, G=j=s+11= 1(2)工况3 O2MYHCNMH G18.4.2015年4月贾靖华等:Shell褐煤气化模拟计算分析-17-表3 Shell 褐煤气化平衡模型计算结果煤气组成(千基)工况气化温度/CH2摩尔分数/%CO摩尔分数/%CO2摩尔分数/%CH/X 10*模拟值运行值运行值模拟值 运行值1 6451 65718. 82.18. 6956. 0156. 6524. 0423. 540. 003. 101 48420. 7121. 3557. 859. 0220. 386. 6827. 6015531 52820. 1820. 4957. 558. 2421.1919.903.3619. 60注:对主要煤气组分的计算结果。2操作条件对气化温 度及煤气组成的影响反应,温度降低,利于H2、CO2和CH,的生成，因此,综合作用的结果是H2、CO2和CH,的含量小幅增加,co和以表2中的运行工况3作为模拟分析的研究工有效气含量下降。实际气化温度的选择与煤种有关，况，通过在Shell褐煤气化平衡模型中改变工况3的由于Shell气化炉属液态排渣,因此为了使炉内形成操作条件,计算分析了不同操作条件对气化温度及煤连续的液态渣层分布和顺利排渣,气化温度必须高于气组成的影响。灰渣的流动温度,一般工程上选取的气化温度至少要2.1气化压 力对气化温度及煤气组成的影响高出流动温度100 C~150 C[1-5]。维持其他操作条件不变,采用Shell褐煤气化平表5不同气化温度下的煤气组成衡模型,计算不同气化压力条件下的气化温度及煤气煤气组成(干基)组成(见表4)。从表4可知,气化压力的改变对气化气化温温度和最终的煤气组成几乎没有影响。由于甲烷化反度/C H摩尔CO摩尔CO2摩尔H+C0糜尔HA分数/%分数/%分数/%分数/% /X10*应是一个体积缩小的反应,所以当压力增加时,甲烷，1687 19. 8558. 1720. 8778. 02化反应平衡点右移,造成甲烷含量有微量提高,这与1 653 19.93 58.01 20. 9577. 941.27单贤根等1[121研究结果- - 致。但对于实际生产过程,1 62020.01 57. 8421. 0477. 851. 68提高气化压力,可以加快炉内的气化反应速率,使气1 587 20.10 57. 6621.1377.762. 25化强度加强,产能提高。1 553 20.20 57.48 21. 2277. 683. 04衰4气化压力对气化温度及煤气组成的影响1 520 20. 2957.2821. 3277. 574.161 486 20.40 57. 0721. 4277. 475.78气化压力气化温.(G)/MPa度/C H2摩尔C0摩尔CO2摩尔CH42.3 CO2载气流量 对气化温度及煤气组成的影响分数/%分数/% 分数/% /X10*利用Shell褐煤气化平衡模型，仅改变CO2载气1 555 20. 197. 5021.210. 00流量,计算得出的气化温度和煤气组成见表6。从表621 5520. 197. 49可知，流量的增加，导致气化温度H、CO、有效气3I 553 20. 1957. 4821.22 1. 92(H+CO)含量下降,CO2含量增加。由于CO2为吸热性的155320.20.7.4721.22 3. 38气化剂,所以气化温度呈下降趋势;同时,载气CO2流155220. 2057.47 21.23 5. 26量的增加，使变换反应平衡点左移，导致H2含量下61 55257. 4621.23 7. 57降;因为载气流量的增加,使气化炉出口煤气总流量2.2气化温 度对煤气组成的影响也相应增加,所以CO含量下降,实际上,由于气化工其他操作条件不变的情况下,在Shell褐煤气化艺以CO2为载气输送,CO2的还原反应得到了强化,所平衡模型中，调整气化温度计算出的煤气组成列于以CO绝对流量是增加的;H和CO含量的降低必然使表5。从表5可知，随着气化温度的降低,Co和有效有效气含量下降;煤气组成中CO2的含量,则由于人气含量略微减少,CO2.H2、CH的含量有小幅增加,这炉载气CO2流量的增加呈.上升趋势。实际气化炉的操与吴学成等1021)研究结果-致。气化温度的降低,导作中，载气中国煤化工医度加以控制，致水蒸气、CO2与半焦的反应速率臧弱,有效气含量略必须严格按YHCNM HG微下降;另-方面,变换反应和甲烷化反应都是放热2.4氧煤比对气化温 度及有效气组成的影响- 18煤化工2015年第2期表6 CO, 载气流对气化温度及煤气组成的影响煤气组成(干基)CO2载气流量/m.h+t气化温度/CH2摩尔CO摩尔CO2摩尔H+C0CH/X 10*分数/分数/%摩尔分数/%3 6601 57120. 5757. 8320. 4978. 392. 884 8481 55320.2057. 4821. 2277.673.045490.1 54320. 0057. 2821.61.77. 283.147 3201 517l9.4756.7222. 7376. 193.45.9 1501 49218. 9756. 1423. 8275. 113. 8010 980146718.5055. 5524. 9074. 044.2012 8101 44418. 0554. 9525. 9673. 004. 66其他操作条件不变,使气化炉的氧煤比在0.48~综上所述,结合氧煤比对气化温度的影响及煤的0.96变化,利用建立的Shell褐煤气化平衡模型,计灰熔融性温度，分析得出气化煤种的最佳氧煤比为算得出的气化温度变化趋势见图2。从图2可知,随0.76,在此条件下,可获得较优的工艺指标。着氧煤比的增大，气化炉内的燃烧反应愈来愈烈,气化温度逐渐升高;另外，由图2可知，氧煤比大于3结0. 65时,温度上升剧烈,且氧煤比每增加0. 01,温度升高约50 C。本研究基于Gibbs自由能最小化方法,通过反应2400 [限制和热损失修正，建立了Shell 褐煤气化平衡模) 2100型,模拟结果与实际运行值吻合良好,可对工业操作这1800明1500条件进行计算分析:苦1200(1)对Shell气化炉运行工况的模拟表明,模型900600 I能较好地模拟工业装置以CO2为输送载气的褐煤气0.47 0.57 0.67 0.77 0.87 0.97 .化过程,对气化炉的稳定运行有一定的指导意 义。氧煤比/kg●kg'(2)对操作条件的计算分析表明,单纯改变气化图2氧煤比对气化温 度的影响压力和气化温度对气化结果的影响很小;CO2载气流通过Shell褐煤气化平衡模型，计算得出的有效量对气化温度和主要煤气含量影响显著,随着流量的气含量随氧煤比的变化情况见图3。从图3可知,有增加，气化温度、H2、CO、有效气含量下降,CO2含量增效气含量随氧煤比的增加，呈先增大后减小的趋势，加;氧煤比作为气化炉关键操作条件,对气化温度和与宋志春[6)的研究结论相符。这主要是因为在低氧产品有效气含量影响很大,随着氧煤比的增加,气化煤比状态下，随着氧煤比的增加，半焦与氧气生成温度升高,有效气含量先增加后减小，综合考虑各方C0、半焦与水蒸气生成H2的反应占主导,所以C0和面的影响因素,得出最佳氧煤比为0. 76。H2含量增加;但如果继续提高氧煤比,生成的H2和CO将与02反应,生成更多的H20和CO,又使得H2和CO符号说明:含量逐渐下降,所以导致有效气总量先增加后减小。i一某一裂解产 物组分;80mur进料煤的质量流量,kg/s;.n-第 i种组分的摩尔流量, kmol/s;75|AH..8一煤的标准 生成焓,kJ/kg;活70HA:puxr._第 i种组分的标准生成焓, kJ/kmol;Hu(Tmu)--进料煤 带人的显焓,kJ/kg;0.47 0.57 0.67 0.77 0.87 0.97H(Tmw)-中国煤化工/kmol;H(T]2)-EHCN M H G]/kmol;，图3氧煤比对有效气含 量的影响AH9eam一弟 i种组分进科的标准生成焓,kJ/kmol ;.2015年4月贾靖华等:Shell褐煤气化模拟计算分析- 190,一-煤的裂解热,kW;[4]林立. Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J].上NP-裂解产物组分数;海化工，2006 ,31(8): 10-13.气化系统中的某- -组分;[5]谢芳,李海洋 ,阁世媚. Texaco水煤浆气化炉的建模不参与相平衡的固体组分数;与模拟[J].贵州化工, 2011 ,36(1):1-4.C一参 与相平衡的组分数; .[6]孟辉,段立强,杨勇平.基于Aspen Plus的Texaco-相平衡中的某- -相;气化炉性能研究[J].现代电力,2008 ,25(4):53-58.p一参与相平 衡相的个数;[7]肖祥,周臻,黄歆雅.基于Aspen Plus的水煤浆气C--气化系统的Gibbs自由能,kW;化模拟[J].广东化工, 2012 ,39( 18):22-24.G一第j 种固体组分的标准Gibbs自由能,kJ/kmol;[8]于遵宏,王辅臣.煤炭气化技术[M].北京:化学工业出G--第 I相第j种组分的标准Gibbs自由能,kJ/kmol ;版社, 2010.n,--第j 种固体组分的摩尔流量. kmol/s;[9]张宗飞,汤连英,吕庆元,等.基于Aspen Plus的粉煤ny-第 I相第j种组分的摩尔流量, kmol/s;气化模拟[J].化肥设计, 2008 , 46(3): 14-18.气化系统中的某一 元素;[10]弥勇,余安华.煤气化模拟计算模型[J].化工设m一气化系统的原子矩阵; .计, 2010,20(2):9-11.b.-气化系 统元素的摩尔数矩阵, kmol/s;[11]单贤根,任相坤,步学朋,等. 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Datang Duolun Coal Chemical Industry Co., Ld., Duolun Inner Mongolia 027300, China)Abstract Taking the Shell gasifier of Datang Duolun coal -to - olefin project as a research object, the Shell lignitegasification balance model was established by adopting the Gibbs free energy minimization method, and taking intoconsideration the reaction equilibrium limitation and heat loss corection. The calculation result was in good agreement with theon -site data. The impact of different operating conditions on the gasification performance was also studied, and the resultindicated that the CO2 crier gas flow rate and the oxygen- -coal ratio were the main influencing factors. The oxygen- coal ratio,in particular, could obviously change the gasification temperature and the composition of the product gas. Furthermore,gasification temperature inereased with the increase of the oxygen-coal ratio, and the effective gas (H2+CO) composition firstincreased and then decreased. The optimal oxygen- -coal ratio was 0.76, according中国煤化工nKey words lignite gasification, analog calculation, Aspen Plus, equilYHCNM H Gn to cal, co,carrier gas flow rate.