煤化工多联产系统中的煤气化过程模拟

化学工程师Sum 160 No. 1ChemicalEngineer2009年1月文章编号:1002 - 1124(2009010 -0021 -03继教煤化工多联产系统中育的煤气化过程模拟刘钧,李建伟,赵晓,雷昭,李腾山(西安科技大学化学与化工学院,陕西西安710054)摘要:德士古水煤浆 气化技术采用气流床气化炉,对煤种的兼容性较好,其清洁、高效代表着当今煤气化技术的发展潮流。采用Aspen Plus软件对德士古煤气化生产过程进行模拟,包括水煤浆制备.气化反应,CO变换.低温甲醇洗等工段,详细介绍了模拟过程,并求解气化炉在工况下的出口煤气成分。关键词:煤气化;德士古气化炉;过程模拟中图分类号:TQ019 ;TQ545文献标识码:BSimulation of gasification process for multiple Co - generation system in coal chemical industryLIU Jun, u Jian - wei ,ZHAO Xiao,LEI Zhao,LI Teng - shan(School of Chemical and Chemical Engineering, xi' an University of Science and Techonoly ,Xian 710054 ,China)Abstract :Texaco gasification technology is based on Entrained - Bed Geasifier , which has a good compatibilitywith coal, and stands for the direction of coal gasification technology by its cleanliness and high eficienecy. It isused Aspen Plus to simulate Texaco Coal gasification process , including coal - slury preparation , gasification , coshift, low temperature methanol washing. It is introduced the simulation process detailedly, and figure out the out-let gas composition.Key words :coal gasification; texaco gasifier; process simultion立足于我国以煤为主的能源结构，以煤气化为流床中加压气化,水煤浆与纯O2在高温、高压下反核心的多联产系统是解决我国未来可持续发展的应生成合成气。除含水分高的褐煤以外,大部分烟方向之一。“多联产”系统能够从系统的高度出发,煤、石油焦等均可作为德士古煤气化炉的气化原结合各种生产技术路线的优越性,使生产过程耦合料,制成60% ~65%浓度的水煤浆,煤中灰分含量到一起,彼此取长补短,从而达到能源的最高利用以不超过20%为宜。工业装置使用气化压力在2.效率,最低的能耗,最低的投资和运行成本，以及最8~6.5MPa,气化温度在1300~ 1400C,C0和H2少的全生命周期污染物排放"。达到80%以上。水煤浆和99.6%纯O2经德士古本文针对多联产系统中的煤气化工艺进行研烧嘴呈射流状态进入气化炉。在高温高压下进行究,采用德士古气化技术,建立模拟流程,为下一步气化反应,生成以CO和H2为主要成分的粗合成优化工艺做准备。气。1德士古煤气化工艺2仿真模型的建 立及求解方法德士古公司在上世纪70年代以前就开发了以通过应用Aspen Plus 软件,以工业上原有的天然气和重油为原料生产合成气技术。70年代的2000t. d-'生产装置设计数据为基础,建立2000 t石油危机促进了德士古公司寻找替代能源和洁净●d"'煤气化过程的计算机仿真模型,对生产过程的煤气化技术开发。经过多年研究,推出了水煤浆进行模拟计算,以达到建成后的流程能够比较好地气化工艺。该工艺采用水煤浆进料、液态排渣在气与工厂实际生产过程相吻合的效果,从而证明流程模拟的可信唐敕个流积@图1中国煤化工收稿日期:2008-11-15TYHCNMHG.作者简介:刘钧(1985 -),男,硕士研究生。导师简介:李建伟,男.副教授,硕士生导师。22刘钧等:煤化工多联产系统中的煤气化过程模拟2009年第1期四四cmm四项回L 1oon]-. . Con号图1德士古气化仿真模拟流程总图Fig 1 Analog simulation flow chart of Texaco gsification式中T:平 衡时温度。表1所选煤种的分析指标从平衡上讲,变换反应为放热反应,降低温度Table 1 Analyzing indexes of selected coals对平衡有利。但在高温条件下,CO变换反应易接质量(工业分析)/% 质量(元素分析)/% 热址( BTU/Ib)近平衡。.水分灰分挥发分固定碳CHNSASHOHHV12752.2.2甲 烷化反应的化学平衡, 9.077.5936.9755.447.3506.1.97.55.66co +3H2 =CH。+ H20 +205. 95kJ . kmol-'2.1煤浆制备单 元的仿真模型(图2)本工段是制备德士古水煤浆,原料煤经磨煤机平衡常数计算式如下:Kp=Pcu . Pmpo/(Pco●Pi)(3)磨碎成煤粉,同时将煤粉加水湿磨,制成60% ~70%的煤浆,见图2。式中Kp:该反应平 衡常数;Pau、Pmo、Pco、Pm:分DECOMP别表示CH, H20、CO .H2的平衡分压。中四LgKp=9859. 6/T- 8.3636IgT +2.08 x10*TMIXER0-1. 8716x10-7r +11.888(4)式中r:平衡时温度。PUMPI由于该反应为放热反应,提高温度,甲烷浓度中mR减少,反应有利于向生成CO和H2的方向进行。團2煤浆制备单元但增加压力,甲烷浓度也相应增加。因为,甲烷化Fig.2 Coal slurry preparation unit反应是体积缩小的反应。图2中的DECOMP单元是一个仅计算收率的气化炉的入口物流是水煤浆和空分得来的简单反应器，模块来自Aspen Plus中的Ryield反应02,定义气化炉的反应产物如下:CH、H2、Co、模块。DECOMP单元其主要功能是将粉煤分解转CO2、H2S以及未反应的N2、02 H2、H20。模拟过程化成单元素的分子,将煤分解成C、H.O、S、N等基是在1300 ,4MPa条件下,且认为气化炉是-一个绝本组份,以方便在Aspen Plus中对煤的模拟。DE-热的反应器。煤的进料速率为2000t.d-' ,用于制COMP的出口物流COALI是由煤种所决定的”]。备水煤浆的水为550 t●d"',而空分得到的O2为2.2德士古气化炉的仿真模拟1920t. d-'。对煤气化反应,只着重于讨论变换反应和甲烷2.3 CO 变换单元的仿真模拟化反应两个反应。由于AspenPlus中没有相应的能够同时实现下面是这两个反应的化学平衡:气化炉燃烧室和激冷室功能的单元操作模型,在模2.2.1变换反应的化学平衡拟气化炉时,加入了一个SEP模块,即子物流分流CO+ H20=CO2 + H2 +41123kJ●kmol"器,用以实现排渣( ASH)的功能。从气化炉中出来的粗合成气中含有约50%的Kp=Pon●Pm/Pco●Puo(1)cO,需要将co进行变换,得到有用的原料气H2和式中Kp反应平衡常数;Poq、Pm、Pco、Pno:分别Co中国煤化丁i除。Co变换既是表示CO2、H,、CO、H2O的平衡分压。原CNMHG制造的继续。LgKp=2182/T -0.09361gT + 0.00632T-1.发换皮应习在催化剂存在下进行，根据温0806x10-27 -2. 2967(2)度的不同,分为中温变换和低温变换。低温变换催23刘钧等:煤化工多联产 系统中的煤气化过程模拟2009 年第1期表2气化炉出口气组成化剂虽然活性高,但抗毒性差,操作温度范围窄,所Table2 0ff- gas compsition of gasifier以很少单独使用。在模拟流程中,采用了中温变换摩尔流量/kmol .h实际值计算值串低温变换的工艺流程,见图3。H2O1110.061066.49中一hCOSHIFTI COSHPFT2N，42.1141.56-回H2363. 622284.3400c0中4083.654392.62:O,835.28791.34H2S46.6542.32CO0LERI COOLER2CH,3.842.02温度/C .14001300压力/MPa團3 CO变换单元表3 CO变换和甲醇洗仿真模拟计算结果Fig.3 CO converter unitTable 3 Analog simulation results for co2.4低温甲醇洗单元的模拟( 图4)transrormation and methanol scubbing摩尔流量CO变换产物低温甲醇洗产物/kmol.h-'(CAS4)(LIQ - OUT)H20313.0993.47 .电CH4OWASHN41.593.746237.7026.83co439.2621.71@中4664. 694874.26H,S围4低温甲醇洗单元.H。0.54Fig4 Low temperature methanol wash unitCH,O4958.20如图4所示,OUTGAS是从气化炉中出来的粗温度/C460-19. 1合成气(由于在Aspen Plus中无法找到一-个能与德士古气化炉-样结构的模块，故在本仿真模拟中，4结论选用了两个模块,即GASIFIER和SEP来分别模拟气化炉的燃烧室和激冷室) ,先是进入SEP模块来本文应用化工过程稳态模拟软件.对日处理煤排渣(ASH) ,出来的GASI经过冷却后,CAS2进入2000t的德士古煤气化工艺进行计算机模拟设计中温变换炉,开始变换反应。在中温变换炉中co达到了预期目标。主要获得以下结论:以Aspen的转化率为90% ,然后CAS4进入低温变换炉,得Plus为工具,以2000煤●d-的气化工艺的设计数到变换后的OUTSHIPT,此时CO总的转化率达到据为基础,根据实际生产情况,详细地对气化过程了95%。一般低温甲醇洗的操作温度为-30~ -的各设备进行了模块、物性计算方法的选择,成功60C,这里选用仿真模拟操作温度为-40C，用建立了2000煤.d-'德士古煤气化工艺的仿真模RadFrac模型来模拟吸收塔。甲醇以200m' .h-'型,模拟计算得到的结果与实际的德士古气化炉出的流量从塔顶进入吸收塔,合成气从塔底进入。模口合成气相比,各组分的误差值为: H20 -3.9%，拟得到的塔顶出口气体组成为:H296.3%,N2 0.N2-1.3% ,H2-3.4% ,Co +7.6% ,CO2 -5.3%。57%，,co 2.97% ,CH, 0.03% ,CO2 0.13%。结果与实际值比较接近,可以作为下一步工艺优化的基础。.3模拟计算结果(表 2,3)中国煤化工北工的发展和展望[1].MHCNMHG[2]在洋,代正华,于广镇,于遵宏.运用Cib自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化,004,(4):27 -33.