Texaco水煤浆气化炉的建模与模拟

2011年2月贵州化工第36卷第1期Guizhou chemicallndustryTexaco水煤浆气化炉的建模与模拟谢芳,李海洋,阁世媚(贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳55003)摘要:为更好的分析 TEXACO煤气化炉,采用化工流程模拟软件对该过程进行了流程建模和模拟。通过对原料和流程分析,选择了合适于该流程的各操作单元模块及热力学方法,并应用 Fortran语言并非常规组分及模型进行修正,考虑碳的不完全转化等问题建立煤气化模型。分析了影响煤气化过程的重要操作参数结果表明水煤浆浓度、氧煤比是影响气化过程的重要因素。(CO0+H2)含量和气化炉温度随着水煤浆浓度、氡煤比的增加而增关键词:煤气化;建模;模拟中图分类号:TQ545文献标识码:A文章编号:1008-9411(2011)01-0001-04化过程,在化工流程模拟软件中建立模型,通过模拟,将所得结果与工业数据比较,若结果吻合,分析煤炭是我国最主要的能源资源,广泛应用于国影响过程的主要参数;若不吻合,则需嵌入煤的组分民经济的各个领域。煤炭气化是洁净、高效利用煤组成,含水量等方面,并考虑焓值、密度及粒度分布炭的最主要途径之一-2,目前较为成熟的煤气化等因素相关的 Fortran语句对模型进行修正。工艺有 SHELL、 LURGI和 TEXACO工艺。 TEXACO工艺有着气化炉结构简单、原料适应性强、压力范围宽和自动控制水平高等优点而被广泛应用发电和化气体净化肥生产中;但 TEXACO工艺同时又存在碳转化率不0.1-4MPa高,冷煤气效率低和气化所需的耗氧量较多等问题3,由于系统性能的试验研究往往代价高,因此利用化工流程模拟技术对 TEXACO工艺进行深入了解分析是具有十分重要意义本文应用化工流程模拟软件,对 TEXACO水煤图1煤气化流程图浆气化过程进行建模及模拟计算。通过对气化炉的煤气化工艺t Fortran语言建模模拟计算,以及模拟分析水煤浆浓度、氧煤比及碳转模拟化率等操作参数对气化结果的影响,确定影响气化工程的主要参数,以期能为实际生产操作的优化提修正模型〈吻合供理论依据。是1流程建模和模拟Fortran语言分析模型1.1煤气化原料、产物的组成及流程煤在气化剂氧气、水蒸气或氢气等气化剂,在高图2模拟采取的技术路线温条件下通过气化炉将煤转化为气体燃料,通过气1.2水煤浆气化过程及气化反应体净化装置将炉气净化为后续工序使用,其工艺流1.2.1水分蒸发及挥发份的析出程如图1所示。煤在雾化喷入气化炉后,由于与气流之间的强模拟煤气化过程采取的路线如图2。结合煤气烈的热交换水煤浆中的水分迅速蒸发煤同时发生基金项目:贵州大学研究生创新基金(校研理工2010018)资助收稿日期2010-10-17作者简介:谢芳(1987-),女,研究生,通讯联系人,电话15185147346實州化2011年2月Guizhou ChemicalIndustry第36卷第I期热分解反应。SO3,H2,Cl2,HCL,Co,CO2灰分。煤样的元素分析水煤浆一干煤+H2O和工业分析数据见表1。表1煤样元素分析和工业分析煤气(CO2、CO、H2、CH4、NH3、H2S焦元素分析组分分析油)1.2.2燃烧气化74.5150.60.050.5253517.43104.4668.11燃烧气化过程的主要反应:C+CO2→2C0在对组分的定义时,煤是一种非常规组分(Noonventional Solid),由不同组分构成的,无固定的分2Co+O2→2CO子量,无固定化学和相平衡,在化工流程模拟软件中Co+H2O→CO2+H2做了简化处理,认为非常规组分不参与化学平衡和2流程建模和模拟相平衡,利用 HCOALGEN和 DCOALIGHT计算焓和密度来表征煤的性质,并通过选择 NCPSD流型来对2.1代表组分的选择及定义煤的粒度分布进行设定。H2O,N2,O2,NO2,NO,S,煤气化过程实际组分非常复杂,体系包含多个SO2,SO3,H2,Cl2,HCL,CO,CO2属于常规组分,用化学反应,主要可分为三个部分,热解及挥发分的燃RK-soae方程计算物质的相关热力学性质-。烧煤的燃烧和气化还原反应。三个主要反应过程2.2操作单元模块的选择涉及的主要组分有C,H2O,N2,O2,NO2,NO,S,SO2,目0。二目FRPAAN图3煤气化工艺模块流程图基于化工模拟软件建立的工艺流程图见图3。器)模块将气固逐级分离。模拟过程选择 Yield(收率反应器)和 Rgibbs(平衡反应器)两模块反应器来实现对气化炉的模拟,因3结果与讨论rgibbs模块通过 Gibbs自由能最小实现化学和相平3.1水煤浆浓度衡但对于煤来说,该模块是不能进行计算器吉布斯水煤浆浓度从56.07%变化到65.22%,(CO+最小自由能的,因为它是一个非常规组分,无固定化H2)含量及气化温度计算结果如图4、5所示。此时学和相平衡,所以在煤进 Rgibbs模块反应器之前先氧煤比为0.9817,碳转化率为98%,气化压力为进入 Yield反应器,将煤分解成单元素分子和灰分,2MPa。由图表明(CO+H2)含量随着水煤浆浓度的同时并将分解热一同导入 Rgibbs反应器。但这种增加而增加。这是因为当煤浆浓度升高时,用来蒸做法是建立在煤的完全转化的情况在模拟过程中发水的热量降低,从而使得气化温度升高碳转化率若考虑实际生产中煤的不完全转化,可以通过对的提高促进CO和H2的生产,所以研究水煤浆特Yield反应器中C的收率来实现-。 HEATER换性和制备工艺提高水煤浆质量是非常必要的;但提热模块对炉气进行冷却,送入 CYCLONE模块(旋风高水煤浆浓度会引起煤浆黏度的增加,使得气化炉分离)模块, FABFL(织布过滤器),ESP(静电除尘的加料困难故在选取水煤浆浓度时应综合各条件2011年2月第36卷第1期谢芳等: Texaco水煤浆气化炉的建模与模拟考虑使其得到最优值6-9。(CO+H)%88水煤浆浓度%氧煤比图4水煤浆浓度对(CO+H2)含量的彩响图6氧煤比对(CO+H2)含量的影响氧煤比水煤浆浓度%图7氧煤比对气化温度的影响图5水煤浆浓度对气化温度的彩响转化率的升高而增加,(CO2+H2O)含量、气化温度3.2氧煤比随着碳转化率的升高反而下降。这是因为碳转化率保持水煤浆浓度及其他参数不变,通过改变氧升高即相当于氧煤比下降,气化温度降低,抑制气化气的流量来调节氧煤比使氧煤比从0.87变化到和燃烧反应,结果使H2和CO含量增加,CO2和1219,(co+H2)含量及气化温度计算结果如图6、H2O含量降低!1。7所示。此时水煤浆浓度为60%,碳转化率为98%气化压力为2MPa。由图表明(CO+H2)含量随着氧煤比的增加而增加,与图56比对,增加幅度大,这是因为氧煤比是气化的重要指标,当其他条件不变0.545时,提高氧煤比使反应加强,碳的转化率上升,气化炉温度也明显升高。但当氧气用量过大时,部分碳完全燃烧,生产二氧化碳,或不完全燃烧而生产的0.540氧化碳又进一步氧化为二氧化碳,从而使煤气中的有效组分减少,气化效率下降。故在操作过程中应确定合适的氧煤比。3.3碳转化率碳转化率保持水煤浆浓度、氧煤比及其他参数不变,考察碳转化率对(CO+H2)、(CO2+H2O)含量及气化温图8碳转化率对(CO+H2)含量的彩响度的关系。由图8~10表明(CO+H2)含量随着碳贵州化工2011年2月4Guizhou ChemicalIndustry第36卷第1期(CO+H2)含量及气化温度随着氧煤比的升高而升0424高;碳转化率在95%~99%,(CO0+H2)含量随碳转化率的升高而升高,(CO2+H2O)含量随气化温度随着碳转化率的升高而下降。参考文献:[1]梁占耀.煤炭资源开发利用中存在的问题、成因及对策[J].煤炭工程,2006,(2):55-570420[2]郭树才煤化工工艺学[M]北京:化学工业出版社,2007[3]李斌 TEXACO水煤浆气化炉的建模及仿真研究[D]002,重庆大学:重庆096碳转化率[4]林立. Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J]上海化工,2006,31(8):10-13图9碳转化率对(CO2+H2O)含量的彩响[5]ASPEN Technology Inc, Getting Started Modeling Processeswith Solids 2000[6JASPEN Technology Inc, Unit Operation Models, 2001[7]ASPEN Technology Inc, ASPEN PLUS USER CUIDE, 2001[8]L Jimenez, M. Gadalla, D. Boer, T. Majozi. Integrated gasification combined cycle(IGCC)process simulation and optimi-990n[J]. Computers and Chemical Engineering, xxx(2009)[9]F. Emun, M. Gadalla, L. Jimenez. Integrated GasificationCombined Cycle(IGCC)Process Simulation and Optimiza-tion[ J]. 18th European Symposium on Computer Aided Peo-cess Engineering-ESCAPE 18碳转化率[10]沈玲玲,姜秀民lcCC示范工程煤气化炉的数值模拟[]煤炭转化,2009,(1):14-19.图10碳转化率对气化温度的影响[11汪洋带正华运用Cib自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J]煤炭转化,2004,24(10):27[12]徐越,吴一宁,危师让基于 ASPEN PLUS平台的干煤(1)Co和H2是炉气的主要成分,本文通过模粉加压气流床气化性能模拟[J].西安交通大学学报,拟考察水煤浆浓度、氧煤比、气化压力和煤的粒度分2003,37(7):692-694布对(CO+H2)含量及气化温度的影响可得知水煤13于戈文,许志琴,焦玉杰煤气化工艺过程模拟研究[J浆浓度和氧煤比是影响气化过程的主要参数。内蒙古石油化工,2007,(2):15-1(2)模拟结果表明:水煤浆浓度在56.07%。[14]张宗飞汤连英吕庆元基于 Aspen Plu的粉煤气化模拟[刀].化肥设计,2008,46(3):14-1865.22%时,(CO+H2)含量及气化温度随着水煤浆浓度的增加而增加;氧煤比在0.887~1.219时Modeling and flwosheeting of the coal-gasification processXIE Fang, LI Hai-yang, GE Shi-mei( School of Chemistry and Chemical Engineering Guizhou University Guiyang 550003, Guizhou Province,ChinaAbstract: To analysis TEXACO coal gasification process, the peocess modeling and flowsheeting were completedbased on the chemical process simulation software. Appropriate unit module, Fortran language and thermodynamicmethod were selected by analysing the raw materials and process. and carbon conversion was considered in the module. To consider sever important operating parameters, showed that oxygen-coal ratio, water -coal mass ratio in coalslurry are the main factors affecting the gas composition at gasifier. The result indicated that the temperature of gasifierwas increased with the oxygen-coal ratio, and also inceased with the water-coal mass ratio in coal slurry.Key words: coal gasification; simulation