基于响应面法的煤气化工艺优化

第20卷第2期洁净煤技术Vol. 20 No.22014年3 月Clean Coal TechnologyMarch 2014基于响应面法的煤气化工艺优化杨洋',郭芸菲了,邓骥',但小冬',李林峰'(1.西南石油大学化学化工学院，四川成都610500;2. 西南石油大学资源与环境学院，四川成都610500)摘要:基于响应面法可在考虑因素间交互作用的基础上对煤气化工艺进行优化,利用Aspen Plus 建立了Shell 气化炉模型,采用Box-Hehnken设计进行煤气化仿真试验,构建了目标值与工艺参数间的响应曲面,在考虑工艺参数交互作用的基础上对工艺进行多目标优化。结果表明:氧煤比与蒸汽煤比的交互作用及氧煤比与压力的交互作用的影响能力大于蒸汽煤比与压力的交互作用,且氧煤比对参数交互作用的影响能力有较大贡献。经试验验证确定煤气化性能指标多目标优化方案为:氧煤比0. 784 kg/kg,蒸汽煤比0.0786 kg/kg,压力2.76 MPa。方案下的计算结果为:煤气有效成分97. 75%，冷煤气效率84. 25% ,煤气产率1.92 m'/kg;验证优化方案下的试验结果为:煤气有效成分98. 04%，冷煤气效率85. 20% ,煤气产率1. 93 m'/kg,与计算结果的误差较小,说明响应面模型计算精度较高，优化方案合理。关键词:响应面法;Box-Hehnken;煤气化;优化;氧煤比;蒸汽煤比;压力中图分类号:TD849;TQ546文献标志码:A文章编号:1006-6772( 2014)02-0060-04Optimization of coal gasification process based on response surface methodYANG Yang' ,GUO Yunfei2 , DENG ji' , DAN Xiaodong' ,LI Linfeng'( .Collge of Chemisry and Chermical Eninering ,Southwest Petroleum Univrsiy , Chengdu 610500 ,China;2.College of Resources and Enwironment , Souhuest Petroleum Uniersity ,Chengdu 610500 , China)Abstract:Based on the response surface method ( RSM) ,optimize the coal gasification considering the interaction between the factors ofprocess. Establish Shell coal gasifier model with Aspen Plus. Using Box- Behnken design for coal gasifcation simulation and establish RSMmodel with the test data.Based on the performance of interaction of technological parameters ,optimize the process. The results show that theinteraction of oxygen- -coal ratio and the steam-coal ratio and interaction of oxygen-coal ratio and pessue are more influential than the in-teraction of steam-coal ratio and pressure.Oxygen -coal ratio afet the interaction more than other factors.Considering the multi -objectiveoptimization plan with verification, When the oxygen-coal ratio is 0. 784 kg/kg, the team-coal ratio is 0. 0786 kg/kg,the perssure is 2. 76MPa, the performance is the best.The calculation of efectie components of gas ,cold gas eficiency , gas yield is 97. 75 percent ,84.25 per-cent and 1. 92 m'/kg.The test results is 98. 04 percent，85.20 percent,1. 93 m/kg respectively.The difference between calculation resultsand experimental results is small, so the optimnization is reasonable.Key words: response surface method; Box-Hehnken ;coal gasification ;optimization;oxygen- -coal ratio;team-coal ratio;pressure利用,提高煤气化产品品质。化工仿真模拟是研究0弓言煤气化工艺优化的重要手段,具有一定的精确性,且煤气化是重要的洁净煤技术,是发展煤基化学成本较低。汪洋等(4]利用Gibbs自由能最小化方法品、煤基液体燃料、合成天然气.ICCC发电等过程工研究了高温高压下的气化炉模型,并通过参数分析业的基础,对实现煤炭清洁高效利用具有重要意得到了较理想的操作条件。郑煜鑫等[5]对粉煤气义[1-3]。煤气化工艺的优化有利于促进煤高效转化流床气化炉进行数值模拟得到了有效气体含量最大收稿日期:2013- 10-20;责任编辑:宫在芹D1.0112/.1006-607 2014.02.16基金项目:四川省教育厅重点项目( 12ZA191)作者简介:杨洋( 1989- -) ,男,河北廊坊人,硕士研究生,从事煤化工与天然气化工方面的研中国煤化工引用格式:杨洋,郭芸非,邓 骥,等基于响应 面法的煤气化工艺优化[].洁净煤技术,2014TYHCN M H G.an Cou ThonYANG Yang, GU0 Yunfei , DENG Ji ,et al.Optimization of coal gasification process based2014 ,20(2) :60-63,116.502014年第2期洁净煤技术第20卷分(CO+H2)含量、冷煤气效率及煤气产率等多个目表5响应面模型分析标值作为性能指标，构建工艺参数对各性能指标的.冷煤气效煤气产率/项目φ( C0+H2)/%响应面,分析工艺参数交互作用对煤气化过程的影率/%(m3●kg')响,并在此基础上进行多目标优化。工艺参数的因平方和ss474. 92.1013. 5.0.28素水平见表3。均方MS52. 77112. 610.031F值330. 25299. 73115. 09表3工艺参数的因素水平P值0. 0020. 00030. 0012氧煤比/蒸汽煤比/压力/信噪比53. 65446. 42629. 815因素水平(kg.kg"')(kg.kg')MPa回归系数R20. 9090. 99890. 9970.600.03注:自由度df为90.800.09模型响应值与回归方程关系的显著性可通过P1. 000.15值判定,P值越小则显著程度越高,P≤0.05说明影响显著,P≤0.01说明影响极显著[7]。2.2响应面建立基于Box-Behnken设计的正交试验结果见表由表5可知，各模型的P值比0.01低两个数量4,各试验点所对应的响应值(煤气有效成分含量、级,可知模型响应值与回归方程关系的显著水平较冷煤气效率及煤气产率)通过Shell气化炉模型计高。信噪比应大于4,数值越大代表模型的计算结算得到。对表4数据进行回归分析得到响应面模果越能更好地反映试验结果[18。表5中各模型的信噪比均远大于4,说明模型有较高精确度。R为型,各响应面模型的分析结果见表5。响应面模型的回归系数,以冷煤气效率为响应值的表4正交试验结 果模型为例，模型的R2为0.9989,说明冷煤气效率的氧煤比蒸汽煤比/压力/ o(CO+ 冷煤气 煤气产率/变化99. 89%来自所选工艺参数(氧煤比、蒸汽煤(kg.kg') (kg.kg') MPa H2)/% 效率/%(m3 ●kg~')比、压力)的变化，该模型回归方程可较好地描述与96.0410 65.7604 1. 5052响应值之间的真实关系。各模型的R2均在99%以093. 402181. 1395 1. 9344上,说明各响应面模型能够合理地对试验进行模拟93.3615 81. 0847 1. 9328计算。96.8456 84. 0978 1. 9326 ,79. 8980 59. 3409 1. 65503结果与讨论82. 883261.5519 1. 6553.1工艺参数交 互作用对煤气化性能指标的影响98. 1980 81. 3861 1. 841786. 1006 63. 93691. 6551通过响应面模型回归方程建立的响应曲面和等-91. 2968 68. 83331. 6190高线可较直观地分析出因素间交互作用对响应值的-194. 8300 69. 55371. 6036影响。各工艺参数间交互作用对煤气有效成分含.82. 8838 61. 55471. 6551量、冷煤气效率和煤气产率的影响如图2~图4所93.3105 67. 00381. 5555示。由图2~图4可知,图a)b)中曲面的弯曲度明98.4220 81. 8383 1. 8499显大于图c),图a)、b)中目标值(煤气有效成分含:100Ig10: 10096-≌.9E 925 8888s 88e 8484--84801.000.50~大一 百0.50> 21.00 1.000.50~之0.500.50~ δ落汽媒比。 -0.50 -0.s0h -0.50-_.00-0.50 .. .kg")-0.50.-0.50 0.K吗)rl比kkgk-.000基比压力MPa -.00模比(K中国煤化工比(k)氧MHCNMH Ga)图2各工艺参数交互作用对煤气有效成分的 影响522014年第2期洁净煤技术第20卷从图5、图6可以看出,范围一中的燃料替代能挥其高效节能效果需特定的资源、环境及运行管理效提高与有机物协同处理两项碳减排占总碳减排量技术水平相匹配,应结合中国煤炭资源的分布及利的99% ,外购电力节电碳减排只占1%。用情况,并充分考虑实施地的煤炭运输条件及环境，选择合理、经济的系统集成技术和项目运作方式。3结论参考文献:1)生物质水煤浆制浆燃烧集成系统协同处理[1] 水煤浆技术的概述[ EB/0L].[ 2001 - 12- 19]. ht:/www.w生物质废弃物,具有很好的碳减排潜力,经碳减排分cecol.com.cn/a/ 20120331/1533552.html.析评估,取代燃煤锅炉燃烧时，燃料替代能效提高与2]申 宝宏,赵路正.高碳能源低碳化利用途径分析[J].中国能源，2010(1):10-13.有机物协同处理两项碳减排占总碳减排量的99%,3]全国人大财经委“ 促进煤炭清洁生产与高效利用”课题组,促外购电力节电碳减排只占1%。如果在占67%的燃进煤炭清沽生产与高效利用推动“高碳能源"实现“绿色发料替代能效提高方面,进--步采用生物质固体废弃展"[R].北京:中国发展基金研究会,2012.物协同燃烧替代煤浆,则能取得更好的碳减排效果。4] 清洁发展机制[EB/OL].[2013- 12- 10].ttp:// baike. so .com/2)生物质水煤浆制浆燃烧集成系统协同处理doc/5987261.html.生物质废弃物,是中国CDM机制项目重点开发的领s]盛智中研经济研究院.2013- 2018 年中国清沽发展机制CDM市场投资策略指导研究报告[ R].北京:北京亚博中研信息咨域,尤其适用于大中型化工、食品加工、医药中药等询有限公司,2013.行业高浓度有机废液与固体废弃物协同处理的企业[6] 贾抒.CDM“打包者”的环保之路[ EB/0L].[ 2010-01- 19].和工业园区,建设生物质水煤浆为依托的多能源互htp://epaper. ndaily. cn/ html/ 2010- 01/19/content_ .6813158.补、可燃有机废弃物协同处理的分布式能源站,实现htm.资源能源、环境一体化。7]朱然平,杨 抒,孙森.能源消耗引起的温室气体排放计算工具指南[ R].北京:世界资源研究所,011.3)生物质水煤浆制浆燃烧集成系统是中国中8] IPCC.2006 IPCC Gudelines for National Grenhouse Gas Invento-小型工业锅炉技术改造与新建锅炉的选择之一,发ries[ R].Geneva:[s.n.] ,2006(上接第63页)化,2012,35(3):23-27.2. 76 MPa,此方案下试验结果为:煤气有效成分含[10] 海洪,汪坤,金文英,等.Box- Behnken响应面法优化超声波提取蚕沙中叶绿素的工艺研究[J].食品工业科技,2009 ,30量98.04%,冷煤气效率85. 20%,煤气产率1.93(3):207-209.m'/kg。[11]崔大明 ,张益波,付璐, 等响应面法优化超声法提取枸杞中总黄酮工艺[J].食品研究与开发,2011,32(3) :55-59.[12]夏鲲鹏,陈汉平 ,王贤华,等气流床煤气化技术的现状及发展[1] 郭树才.煤化工工艺学[ M].2版北京:化学工业出版社, 12:[J].煤炭转化,2005 ,28(4):69- -73.143- 144.[13] 孙鸿,张子峰,黄 健.煤化工工艺学[M].北京:化学工业[2] 高聚忠煤气化技 术的应用与发展[].洁净煤技术,2013,19出版社,2012:210-212.(1) :65-71.[14]刘钧.煤间接液 化工艺流程的模拟与优化[ D].西安:西安[3] 钱卫,黄于益,张庆伟,等.煤制天然气(SNG)技术现状[J].科技大学,2009.洁净煤技术,011,17(1):27-32.[15]徐京磐 ,鲍礼堂.流化床和气流床气化技术综述(下)[J].小.[4] 汪洋,代正华,于广锁,等运用Gibbs自由能最小化方法模氮肥设计技术,2002 ,23(2) :5- 16.拟气流床煤气化炉[J]煤炭转化204.24)27-33.[16]贺永德现代煤化工技 术手册[ M].北京:化学工业出版社,[5] 郑煜鑫,昊学红,张文慧,等.粉煤气流床气化炉的数值模拟2004:509-510.[].煤炭转化,2010,33(3):34-37.[17]徐向宏 ,何明珠.试验设计与Design-Expert.SPSS应用[M] .[6]宋志春, 鲍卫仁，常丽萍,等.气流床粉煤气化性能模拟分析北京:科学出版社,2010:155 156.[J].洁净煤技术,2010, 16(3):39-43.[18] 吴波,陈长华,杨 琳.洛伐他汀发酵培养基配方优化及[7]张宗飞，汤连英,吕庆元， 等.基于Aspen Plus的粉煤气化模拟15L罐放大[J].中国抗生素杂志,2007 ,32(7) :409- -413,437.[].化肥设计,2008 ,46(3):18.[19] Botero C, Field R P, Brasingon R D, et al. Performance of an[8] 徐越,吴一宁,危师让.基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压IGCC Plan中国煤化工h-Slumry Fed:lm气流床气化炉性能研究[J].西安交通大学学报, 2003,37pect. of Cou; Cooling Technolo-HCNMHG(11):1132-11361gy[J]. Ind... ..... Research, 2012, 519]黄雪莉,刘 娜.新疆准东煤气化过 程的模拟优化[].煤炭转(36)11778-11790.116