GE水煤浆气化全流程模拟

第39卷第7期化学工程Vol. 39 No.72011 年7月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)l. 2011GE水煤浆气化全流程模拟张磊，汪根宝，谢东升,许兆广(中国石化集团南京工程公司，江苏南京211100)摘要:GE水煤浆气化工艺是目前广泛采用的煤气化技术。通过对GE水煤浆气化全过程的模拟，可以加深对工艺包的理解,对气化炉进行优化控制，同时为工艺设计和生产操作提供指导。文中根据GE水煤浆气化的T.艺特点，将水煤浆气化过程分为煤的裂解与气化激冷与排渣、碳洗、闪蒸与灰水处理等基本单元过程,在对单元过程模型反复核算改进的基础上采用Aspen Plus建立了GE水煤浆气化全流程的计算模型。通过校核计算与设计计算2种方式分别进行了模型验证,2种计算结果均与工艺包数据较为吻合,证明所建立的模型适用于CE气化过程的计算,可以对GE气化炉的气化过程作出相对合理的预测。关键词:Aspen Plus;冰煤浆;气化;激冷;灰水处理;碳洗;模拟中图分类号:TQ 054文献标识码:A文章编号:1005-9954(2011 )07-0078-05Simulation of whole GE water-coal slurry gasification processZHANG Lei, WANG Gen-bao, XIE Dong-sheng, XU Zhao-guang(Sinopee Nanjng Engineering & Construction lnc.，Nanjing 21100 , Jiangsu Province, China)Abstract :GE water coal slumy gasification process is one of the commonly-used advanced gasification technologies.The simulation of whole GE gasification can improve the understanding of the process and be used 8s a predictivetool at the optimization stage, and also provide guidance for process design and production operation. The featuresof CE slurry gasification were analyzed, which can be divided into several units of coal pyrolysis and gasification,quench and slag handing, syngas scrubbing, fash, and black water handling. The calculation model of whole CEwater- coal slury gasification process was set up with Aspen Plus based on the testing and verifying section models.The model was verified through rating and designing calculations. Two calculation results are in agreement with thedata in process design package( PDP). It indicates that the developed model is feasible to calculate and predict theGE gasification.Key words: Aspen Plus; water-coal slurry; gasification; quench; black water handling; syngas scrubbing; simulation立足于中国的能源结构及国家宏观发展战略的拟分析,可以更深人地了解其工艺，并对气化炉进行转变,洁净煤技术作为可持续发展和实现2个根本优化控制",提高整个过程的热效率;同时可以预转变的战略措施之一，得到了 政府的大力支持。煤测不同条件下气化炉出口煤气的成分及污染物的排气化技术是实现煤炭洁净利用的关键共性技术,是放,为工程设计提供指导。发展煤基化学品煤基液体燃料、煤气化联合循环发煤气化的模拟工作得到许多研究人员的重电多联产等过程工业的龙头和基础。其中,GE公视[23),但大部分的工作仅集中在气化部分,对包括司开发的水煤浆气化(原德士古水煤浆加压气化技激冷、排渣洗涤、闪蒸等工序在内的整个水煤浆气术)具有煤种适应性强、碳转化率高、适合作化工合化流程模拟却很少关注。而这些T序对气化系统的成原料气、三废处理方便、操作稳定等优点,成为迄物料消耗能量消耗及利用起着重要作用。因此,本今为止工业化较好的煤气化技术,在国内得到了广文开展了气化全流程的模拟计算工作,通过对气化泛应用。工艺的分析,将气化过程分为若干子过程进行模拟，通过Aspen Plus对整个水煤浆气化过程进行模并与工艺包提供的数据对比,取得了理想的结果,可收稿日期:2010-12-24作者简介:张磊( 1981- -),男,硕士,工程师、从事化工设计工作,E-mail:hanglei01. snei@ sinopec. com。张磊等GE水煤浆气化全流程模拟●79.以为实际生产和工程设计提供帮助。①碳的不完全转化;②粗渣和细渣的生成;③特殊的进料，如添加助熔剂和返料细灰的情况。针对这些1流程模拟缺陷，,本文将煤、灰、粗渣细渣作为非常规组分处煤气化是十分复杂的化工过程,采用Aspen 建理,采用Dulong方程计算其热值'°]。同时将转化的模时需要对气化过程适当的处理。--方面需要将单碳分别与煤灰反应生成--定比例的粗渣和细渣["),一设备分解成几个单元模型,另一方面需要将几个特殊进料的情况下,将助熔剂和返料细灰分解后进设备整合成-一个单元模型。根据GE水煤浆气化的人气化炉,均采用RSloic反应器模块,反应方程式特点,将煤气化过程分为煤的裂解与气化、激冷与排如下:渣碳洗、灰水处理等基本单元,在对单元过程模型0.010 833C +0.87A-→+S(1)反复核算、改进的基础上建立全流程的计算模型，以0.015 883 3C +0.809 4A--→Cp(2)使模型能够反应不同条件下气化过程的物能消耗及CaCO,一→CaO + CO2(3)产物特性。Cp-→ 0.015 883 3C +0.809 4A(4)1.1 煤的裂解与气化式中:A为灰分,SL为粗渣,Cp为细渣。- -般认为水煤浆气化分2步完成[4],第1步是同时,为了更贴近水煤浆气化的机理,本文将煤煤的完全氧化放热反应;第2步是二氧化碳、水蒸分解后的产物与氧气、粗渣、细渣先进人RCibbs燃气、煤热解产物和碳发生的转化反应。第1步反应.烧反应器,然后再进入RGibbs 气化反应器,具体流为第2步反应提供热量。程如图1所示。物性方法可以采用PR-BM或RKS-在进行煤气化模拟时,通常的做法是采用BM,二者的模拟结果均在可接受范围,不同的是采RYield反应器将煤分解成纯质元素和灰分,然后进用PR-BM方法气化炉出口气体的温度更接近工艺人RGibbs反应器'5。这种方法在- -定程度上能够包中数据,而RKS-BM方法气体组成更符合工艺包反应气化炉出口的气体组成，但缺点是没有考虑:中的设计值。-COAL煤浆制备煤分解生成粗资-SLURY}-HELEMENT+ WATERMIXERRYIELDRSTOICQDECOMPQ.--- ELEMTI合成(上激冷官气化e QBURN}燃烧HELMT2}生成细资➢一[200RGIBBS H GAFIN HRGIBBS t QCHAR- RSTOIC助熔剂助熔剂分解细渍分觯返料细潢✧一[CaCo1C ADI2-CHAR}CHAR]- ◆[ QADDQCHAR2OXYGEN圈1气化部分流程横拟圜Fig.1 Aspen flowsheet of gaification虽然气化反应温度很高,反应速度快,停留时间计算模型中采用平衡温距进行补偿。为了简化计算短,但因气化炉内的流场(温度场、压力场、浓度梯模型,本文仅考虑以下几个独立反应:度等)复杂，存在返混、回流等较多不定因素[4),上C+ H20=CO + H2(5)述各反应不会完全达到化学平衡,而且反应程度各CO +H2O=CO2 +H2(6)不相同。为反映各反应与化学平衡之间的偏差,在CH, + H20 =CO +3H2(7).80化学工程2011 年第39卷第7期COS + H20= H2S +CO2(8)处理。由于气化压力已经确定,以及水的显热相N2 +3H2 = 2NH3(9)对于潜热来说很小，因此,激冷水对激冷室出气其中,水煤气变换反应(6)是决定气化炉出口体的水气体积比影响较小,过多的激冷水主要贡气体组成的最重要的反应,其平衡温距一般在献在黑水和渣水中。这样,确定激冷水量就需要300- 400 C。首先确定这2股水的量。曾庆纯等[8]用连通器原1.2 激冷与排渣理模拟激冷室黑水循环量,能较好地解释工程现激冷过程可以说是气化系统水平衡的核心,一象,但并没有给出具体模型参数和计算结果,而且方面决定着上游碳洗塔的补水,另一方面决定着下计算过程复杂，所以参考意义不大。本文在仔细游黑水闪蒸及灰水处理系统的负荷。因此,确定满分析激冷过程的基础上，发现这2股水均是按照足工艺要求的最佳激冷水量至关重要。激冷室不仅一定浓度的固体量进行排放,碳洗塔出口黑水排包括合成气的冷却,还涉及到粗渣和黑水的排放,而放也是如此。从这个角度上讲,整个系统的水平且排渣是间断过程,这种工艺过程采用计算流体力衡主要取决于系统所产生的粗渣和细渣的量,其学( CFD)软件模拟往往能得到更准确的结果,用稳后续的设备如锁斗、锁斗冲洗罐的体积也是基于态模拟工具则很难处理。此进行设计的。合成气中夹带细渣与激冷室底部本文为了实现对激冷部分的稳态模拟,将排黑水及渣水排放的细渣按一定比例设置。具体模渣和锁斗冲洗均设为连续过程,并做- -定的分离拟流程如图2所示。(失混奇合成气去碳洗塔-220-1- .220-MIXER激冷水制激冷水-190-0--[490}CHAR20gl PUMP-CIIARSOO合成气白激冷室「激冷| 资分离灰水分离活水混合一加热]黑水去高压闪蒸十-200500◆FSPLITHEATER...504.... Q508]加热+-508-1济水混合MIXER J锁斗H515-7减压渣池济池能黑水去低压闪蒸| VALVESEPPUMP低压灰水[冲洗水894粗渣图2激冷与排渣部分流程模拟圜Fig.2 Aspen flowaheet of quench and slag handling1.3洗涤1.4灰水处理激冷室出口合成气中带有-部分的细渣,这部黑水闪蒸的主要目的是降低黑水温度,浓缩黑分细渣需要在文丘里洗涤器与碳洗塔中洗涤下来。水中的含固量、解析少量酸性气体及热量回收。通同时为了满足后续变换工艺的要求,需要对合成气常高压闪蒸后的气体换热后继续分离,气相去酸性冷却以满足一-定的水气体积比。气体处理,液相送到除氧器。低压闪蒸后的气相直通过工艺分析,发现碳洗塔有- - 股水要经过文接进人代替低压蒸汽给除氧器供热。真空闪蒸后的丘里洗涤器后又回到碳洗塔,因此,在模拟时将文丘气相经真空泵送回灰水槽液相(即浓缩后的渣水)里洗涤器与碳洗塔下部分作为-一个整体用闪蒸模块在沉降槽分离,分离出的干净灰水添加分散剂循环模拟,碳洗塔上部采用RadFrac 模拟。具体过程见使用,灰渣经过真空过滤机脱水后与捞渣机粗渣--图3。起外送。张磊等GE水煤浆气化全流程模拟81●由于这一部分并没有十分复杂的工艺过程,主根据灰水槽中氯离子的浓度排放-定量的灰水去废要采用闪蒸及分离模块模拟。其中的- -个关键点是水处理,以控制可溶固体和悬浮微粒的积聚。具体除氧器需要采用RadFrac模拟，另-一个关键点是要流程如图4所示。合成”(占变换。碳洗塔上:部商温变换冷凝液-3010RADFRACCR]BCR2激冷窄出口介成(碳洗塔下部城水加热器除氧器出口灰水-220-835-FLASH2832)C SCROUT ]濟水分离碳洗塔出口黑水去商压内蒸。。邀冷水-E90+{420-SSPLIT圈3合成气洗涤部分流程模拟圈Fig.3 Aapen flowheet of eyngas scrubbing灰水去矢水加热器黑水臼碳洗塔酸性气去汽提放空黑水白徽冷窄高厌的周除氧器低乐变换冷凝液。冷却分离HEATER HASH2RADIFRAC低压丙周FLAS2黑水白资地能A新鲜水。FLASH2|HEATERFASH2沉降情失水棚低乐失水水分寓发水冷组废水PUMPI MXER[ SSPUT ]PSPUT HEATERI FSPUT HEATER压速分园se灰水上煤浆制备絮凝剂细济锁斗冲洗水圈4闪蒸与灰水处理模拟流稷Fig.4 Aspen flowsheet of fash and black water handling2模拟结果数据接近(气化炉燃烧室出口变换反应平衡常数为2.1校核计算1.036,与工艺包中平衡常数1.035 8基本-致) ,部分将T.艺包提供的物料数据输人模型,验证碳洗塔微量气体结果与工艺包数据有较大差距。计算的水气出口气体的组成是否满足工艺要求。碳洗塔出口计算体积比为1.45,大于工艺要求的1.4。总体上看,误差结果如表1所示。CO和H2等主要气体组成与工艺包仍在可接受的范围内,证明模型具有- -定的可靠性。●82化学工程2011 年第39卷第7期表1碳洗塔出口气体组成及温度Table 1 Gas composition and temperature at scrubber exit组分流量/(kmol.h~")温度/CCOHCO2H20CH,ANH2SCOSNH计算值1 580.7 1455.7 879.8 5 780.42.34.9412.529.91.19.5215.5设计值1 599.6 1461.1 865.9 5 599.13.12.631.20.813.5215.02.2设计计算股计算结果,如表2所示。计算结果表明，物料消在实际工作中,工艺包专利商提供工艺包的耗与系统水循环量相对于工艺包中数据均偏大,.时间一般比较长,导致工程进展缓慢。如果通过这主要是由于各个模块的误差积累导致的结果。Aspen模拟能够较为准确地反应气化工艺流程,那这也可以从校核计算的结果反应出来,由于校核么能给设计院开展基础设计工作带来很大帮助。计算中水气体积比偏大,为了使水气体积比降低，因此,本文在校核计算的基础上,再次从设计的角必然会增加冷却水的流量,导致整个系统水循环度进行工艺计算,即煤种条件已知,为了获得一定量增大。基本上,设计计算的结果也能够较好地的合成气产量及水气体积比，验证各主要物料的反应水煤浆气化系统的物流特性,可以给前期设消耗。为了工艺包的保密性,本文仅列出少数流计工作带来帮助。表2部分流股结果对比Table 2 Comparison of PDP data and model-calculaled resuls for partial malerial streams氧耗(按纯流量/(kmol. h")煤耗/粗渣流量/细渣流量/氧计算)/激冷室碳洗塔 锁斗(kg.h-")(kmol.h-")(kg.h-') (kg.h") 激冷水出口黑水出口黑水 循环水废水计算值41 793.81 241.85 290.4 .5235.612012.3 5654.1703.42211.5 1 140.2设计值41 466. 11 232.05248. 95 194.611225.2 5 063.0700.12211.5 1 029.13结论[2]王辅臣 ,刘海峰,龚欣,等水煤浆气化系统数学模拟本文讨论了水煤浆气化过程全流程的模拟计算[J].燃料化学学报,2001 ,29(1);33-38.方法,通过工程经验归纳的平衡温距使模型更加精3]侯祥松,陈勇,刘艳霞,等.基于平衡常数法的Texaco气化模型[J].煤炭转化2004 ,27(3) :49-53.细,获得了较好的结果。无论气体组成还是物料消4] 亢万忠粉煤气化炉的模拟[J].石油化工设计,2008,耗与工艺包的差值均在可接受的范围内。气化水系25(1) :29-33.统的核心在于系统排渣量，所以准确模拟气化反应5] 张斌,李政,江宁.等.基于Aspen Plus建立喷流床煤气渣的形成非常重要。化炉模型[J].化工学报,2003 ,50(8) 1179-1182对于其他压力等级的水煤气化过程是否同样适[6] HIGMAN C, VAN DER BURGT M. Gasification[ M].Burlingion: Gulf Professional Publishing,2003.用有待进一-步 验证。[7] CHAO Chen. A technical and economie assessment ofCO2 capture technology for IGCC power plants [D].参考文献:Pennsylvania: Carmegie Mellon University ,2005.[1]林立. Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J].上海[8] 曾庆纯,于广锁,施军民激冷室内黑水循环量分析化工,2006,31(8) :10-13.[J].煤化工,1999(2):4849.