水煤浆气化装置水洗过程的建模与优化

第28卷第12期针算机与用化学Vl.28,No.122011年12月28日Computers and Applied ChemistryDecember, 2011水煤浆气化装置水洗过程的建模与优化彭伟锋,钟伟民,程辉,孔祥东,钱锋(华东理工大学,化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海,200237)摘要:煤气化技术的发展不仅提高了煤炭的高效清洁综合利用,同时也减小了煤直接燃烧造成的环境污染。煤气化过程的建模与优化具有十分重要的现实意义。本文基于化工分离技术,建立了水煤浆气化装置水洗过程的模型,并实现了流程模拟。模拟结果与实际工业过程数据相符,模型具有一定的精度。通过灵敏度分析,考察了变换冷凝液的流量和温度,水洗塔出口压力进口粗合成气的温度、压力、负荷等关键操作参数对出口合成气水汽比的影响。分析结果表明,合成气中的水汽比随着变换冷凝液流量的增加而减小,温度的升高而增加:进口粗合成气对水汽比的大小影响较大,流量越大、温度越高,则水汽比越大;而水洗塔出口压力对水汽比的影响较小,随着压力增加水汽比有一定的减小。根据灵敏度分析的结果,对水煤浆气化装置进行了工艺操作参数的优化,提高了合成气中的水汽比,使之更利于后续工段的生产。关键词:水煤浆气化:水洗过程;建模;灵敏度分析:水汽比优化中图分类号:TQ54;TQ53;06文献标识码:A文章编号:100141602011)12-1515-15201引言2水煤浆气化装置水洗过程简述能源是人类赖以生存及推动社会可持续发展的重要多喷嘴对置式水煤浆气化技术的水洗过程主要包括物质基础,其中煤是地球上储藏最丰富的化石燃料叮。中煤气洗涤系统和黑水闪蒸系统。煤气洗涤系统主要有旋国是世界上煤炭资源较丰富的国家之一,煤炭储量远大风分离器和水洗塔组成;黑水闪蒸系统主要由蒸发热水于石油和天然气储量。目前,我国已探明的煤炭储量达塔、真空闪蒸罐、澄清槽、灰水槽等组成。其流程如图1060亿吨,占化石能源总量的90%以上,2010年煤1所示。炭产量达324亿吨,居世界首位。作为一次能源,我国煤炭直接燃烧约占煤炭总量的80%左右,这样不仅效率低,而且排放出大量烟尘,二氧化硫、氮氧化物等有害气体,使生态环境遭到严重破坏。发展煤气化技术是减少环境污染、实现煤炭高效洁净综合利用的重要措施。煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础,是这些行业的共性技术和龙头技术。近20年来,我国煤气化装置和先进技术的开I-cyclone, 2-scrubbing tower, 3-evaporation tower, 4-vacuum flash发研究取得了引人注目的成效。多喷嘴对置式水煤浆气5-clarifying tank, 6.gray water tank, SI-raw gas, S2-condensate,S3-gray water, S4-low temperature condensate, S5-black water化技术是由我国自主研发的一种新型水煤浆气化技术。S6-syngas, S7-cold water, S8-acid gas, S9-lock hopper water, S10-water气化炉装有4个预膜式工艺喷嘴,雾化夹角大,雾化效1-旋风分离器;2-水洗塔;3-蒸发热水塔;4真空闪蒸器;5-澄清槽:6灰水槽;S1粗合成气;S2变换冷凝液;S3-灰水;果好,又因釆用对撞方式,其混合更加充分。与其它煤s4低温冷凝液:S5-黑水;S6-合成气;S7激冷水;S8-酸性气体;气化技术相比,多喷嘴对置式水煤浆气化技术具有比氧S9-锁斗黑水;S10一次水耗低、合成气有效气体成分高、炉膛温度分布相对均匀、Fig 1 Schematic diagram of scrubbing process系统稳定等优点6。图1水洗过程流程图来自气化炉洗涤冷却室上部的粗合成气经过混合模型化是实现化工过程自动控制与优化操作的基器、旋风分离器、水洗塔洗涤除尘后送净化系统。粗合础。本文对一个最大日处理1150吨煤的多喷嘴对置式水成气主要包括H2O、H2、CO,酸性气体CO2、H2S等杂煤浆气化装置的水洗过程进行建模,通过灵敏度分析考质和部分灰渣碳颗粒,在混合器中加湿后进入旋风分离察变换冷凝液、进口粗合成气等参数对水洗塔出口合成器除去大部分灰渣,然后进入水洗塔进一步洗涤。水洗气中水汽比的影响,并进行了工业装置的优化,提高了塔中下部含固量较低的洗涤黑水经黑水循环泵加压后分合成气的水汽比中国煤化工收稿日期:2011-10-20;修回日期:201115CNMHG基金项目:国家自然科学基金资助项目(6080409);国家高技术研究发展计划(863)(2009AA042159;上海科技攻关项目(l11035上海市基础研究重点项日(10C1403400,上海市重点学科建设项目资助(B504)作者简介:彭伟锋(1987-),男,浙江人,硕士研究生,Emai:pwf3005@163c0m.联系人:钟伟民(1976-),男,博士,副研究员,Ema:wuzhong@ecust.edu.cn1516计算机局痖用牝学2011,28(12)两路,一路送入气化炉洗涤冷却室,另一路送入混合器表1Ash粒径分布作为洗涤润湿水;底部含固量较高的黑水进入黑水闪蒸Table 1 PSd of ash系统;水洗塔顶部出来的即为气化过程产品,主要包含有效合成气H2和CO,以及水蒸汽和CO2100~120从旋风分离器、水洗塔出来的2股黑水混合后进入120~140蒸发热水塔蒸发室,与来自气化炉的黑水一起发生闪蒸,160~180大量水蒸汽及部分溶解在黑水中的酸性气体被闪蒸出来。闪蒸出来的气体通过上升管进入蒸发热水塔上部热331旋风分离器模型水室,与低温冷凝液和来自灰水槽的灰水直接接触换热,旋风分离器把含有固体的进口气体物流分离成一股未冷凝的闪蒸气体经蒸发热水塔冷凝器换热后冷却及气固体物流和带有残余固体的气体物流。对于核算计算,液分离,冷凝液进入灰水槽,酸性气体排放至火炬燃烧需给定旋风分离器的直径,用来计算分离效率和压降。排放。在蒸发热水塔初步浓缩后的黑水进入真空闪蒸器分离效率计算公式:进行闪蒸,底部黑水进入澄清槽,澄清后的灰水溢流至灰水槽,底部沉降的细渣进入压滤机系统进行压滤处理。勿从入口除去的固体流率总固体入口流率灰水槽出口灰水一路作为水洗塔的洗涤水;第二路作为7 Co-C 2oCo-EE锁斗的排渣冲洗水;第三路少量灰水送入废水处理装置。2 Co3水煤浆气化装置水洗过程的建模其中,C0为入口气体中固体浓度,C为出口清洁气体中Aspen Plus是世界公认的标准大型通用流程模拟软体浓度,Q为入口气体流率,出的速率。件,它具有完善的物性数据库、热力学模型和单元操作压降计算公式( Shepherd& Lapple)模块。相比其它模拟系统, Aspen Plus功能强大、灵活方便,支持整个工艺流程的模拟,不仅可进行全装置物△P=0030V7料平衡、热量平衡计算,还可以对整个流程进行设计规其中,p为流体密度,U为入口气体流速,N为入口速定、灵敏度分析、工况研究及优化等。该软件的应用极率大地提高了炼油、化工工艺设计的水平和效率。旋风分离器用半经验模型的关联式,根据工艺操作3.1物性方法的选择范围,规定其效率关联式为 Shepherd& Lapple,其适合化工过程模拟中,选择的物性方法是否适当,将直接于(5-200μm范围内的粒子影响所计算的物性的准确程度,从而影响到计算结果的精332塔模型确度。在闪蒸器和塔的模拟中,所执行的主要热力学性质精馏的定态数学模型有平衡级和非平衡级两类,前计算是相平衡。应用热力学提供了两种通过相平衡关系来者应用广,比较成熟;求解算法有简捷法和严格法两大描述逸度的方法,即状态方程方法和活度系数方法M。水类,简捷法计算简单,但精度不高无法满足实际需要,洗过程中含有大量的水,水属于强极性物质,且具有氢键,严格法计算结果精确。所以水洗塔和蒸发热水塔均采用非理想性很强。因此可选用活度系数法进行计算。另外平衡级模型通过严格法求解。本流程中没有发生化学反应,只存在汽液平衡的混合过Radfrac是一个严格模型,用于模拟所有类型的多级程,所以选择NRTL作为全局的物性方法。汽-液分馏操作。水洗塔可直接用 Radfrac模型,有6块塔3.2组分规定板,塔顶压力3.68MPa,汽相由塔底进入,液相由塔顶进HO、H2CO、CO2、H1S等均为常规组分,而粗合入塔内。而对于蒸发热水塔,根据其装置结构特点,可用成气和灰水中的细灰、灰渣都是固体物质,故可以用非 Radfrac模型模拟热水室,用闪蒸器模型模拟蒸发室,从常规固体物质Ash来模拟,组分类型为而实现蒸发热水塔的功能。热水室也有6块塔板,塔顶压Nonconventional,它不参与化学平衡和相平衡。对于含力043MPa;蒸发室温度15407℃,压力043MPa有NC固体组分Ash的物流,还需设置一个子物流34水洗过程流程模拟NCPSD用于模拟物流中Ash的分布情况。根据装置分析根据上述规定和主要单元模型的分析,结合实际生数据,规定Ash的粒径分布如表1所示。产过程,建立了整个水洗过程的模型,如图2所示。3.3单元模型RAWGAS为来自气化炉洗涤冷却室上部的粗合成整个水洗过程由混合与分流、气固分离、闪蒸、汽气,进入旋风中国煤化工黑水,进入蒸液分离等典型过程组成,通过建立合理的数学模型并求发热水塔蒸发解来模拟上述过程CNMHG真空闪蒸器CW1、CW2是2胶冷碳水,分别进入水冼塔和蒸发热2011,28(12)彭伟锋,等:水煤浆气化装置水洗过程的建模与优化1517C11L0. RAINGASJ母V1408AT14022v1411v1402A熟Bw2Fig 2 Simulation of scrub图2水洗过程流程模拟图水塔。V1408A为旋风分离器,T401A为水洗塔,表2水洗塔出口合成气结果Tl402A1为蒸发热水塔热水室,T1402A2为蒸发热水塔Table 2 Results of syNgas蒸发室,V402A为真空闪蒸器,V141l为澄清槽,v1412项目模拟值为灰水槽成气流量(Nm3hr)16274435水洗过程模拟结果干气流量(Nm3hr2)72849温度/℃由于气化产品经水洗塔洗涤后由塔顶出来,因此209.1压力MPa本模拟主要考察水洗塔的精度。其中水洗塔出口合成气其中气体组成如表3所示。换算后干气组成的模拟( SYNGAS)的模拟结果与实际工业生产数据的比较如结果与仪表分析值如表4所示。表2所示。表3水洗塔出口气体组成(体积分数)Table 3 Composition of SYNGAS.H2N2H2056370.162802014000133.03e4000163.l8e50.0689147e-5表4干气组成Table 4 Composition of dry组分HcH×10HsAr×104CORCOSX104模拟值%46.1603872.8815.79分析值%36.507061637-0.16-3.54由表2和表4可知,水洗塔出口合成气主要组成的41关键参数对水汽比的灵敏度分析模拟结果与主要工艺操作条件与工业生产值比较接近,4111变换冷凝液对水汽比的灵敏度分析说明该模型能较好地表征实际工况的运行情况。变换冷凝液的温度和流量是影响水洗塔水洗效果的4关键操作参数对合成气中水汽比的灵敏要因素之一因而也会进一步影响出口合成气的水汽度分析与优化凝液的流量和温度对出口合成气水汽比的影响。水汽比水洗塔出口合成气中水的含量必须达到一定的标随冷凝液流量和温度的变化情况分别如图3、图4所示。准,因为合成气需进入后续变换装置进行合成工艺。水由图3可中国煤化工答出口合成气的含量的大小可以用水汽比来表示,即合成气中水与干气水汽比随着CNMHG换冷凝液由塔的体积比。影响水汽比大小的因素很多,本文基于水洗项进入水洗塔,马工的性口戏飞改雕换热,冷凝液流过程模型进行了关键操作参数对水汽比的灵敏度分析。量的增加就会使粗合成气中更多的水蒸汽被冷凝下来,1518计算机蜀痃用化营2011.28从而使得出口合成气的水汽比减小。图4说明在一定的图5为进口粗合成气流量变化对出口合成气水汽比流量条件下,出口合成气的水汽比随着冷凝液温度的升的影响。当其它条件不变时,合成气水汽比随着粗合成高而增大。变换冷凝液的温度升高带入水洗塔的能量增气流量的增加而变大。因为塔顶冷凝液是一定的,能冷大,而其对粗合成气的冷凝量减少,因此出口合成气的凝的水蒸汽的量也是一定的,进口粗合成气的流量越大,水汽比增大则被冷凝下来的水蒸汽比例越小,即出口合成气的水汽14比越大1.41.31.21.21.1flowrate of condensate (mhr)240260280Fig 3 Effect of condensate flow rate on water/vapor ratiot'emperatre of RAWGAS stream/C图3冷凝液流量对水汽比的影响Fig 6 Effect of RAWGAS temperature on water/vapor ratio图6 RAWGAS温度对水汽比的影响6。13图6为进口粗合成气温度变化对出口合成气水汽比的影响。当其他条件不变时,合成气水汽比随着粗合成气温度的升高而增大。粗合成气温度升高也会使得水洗塔内的温度升高,对冷凝液的需求量也将增加,若冷凝液不变,则出口合成气的水汽比必然会增大。由图6可以看出,粗合成气温度对水汽比的影响很大。当温度约140在219℃以下时,粗合成气中开始有液相出现,进入水temperature of condensate/C洗塔后液相将直接由塔底排出,这就使得水洗塔出口合Fig 4 Effect of condensate temperature on water/vapor ratio成气的水汽比大大降低,所以此时水汽比随粗合成气温图4冷凝液温度对水汽比的影响度的变化较快,且水汽比的值较小;当温度在219℃以41.2进口粗合成气对水汽比的灵敏度分析上时,水汽比随合成气温度的变化较平缓,且水汽比值进口粗合成气是水洗塔出口合成气的直接来源,各也较大,能符合后续工艺的要求,故生产操作中应控制参数的变化将对出口合成气产生重要影响。粗合成气由进口粗合成气的温度在219℃以上。塔底进入水洗塔,通过变换冷凝液和循环灰水的洗涤冷却,除去其中的酸性气体和部分水蒸汽,从塔顶排出。pressure of RAWGAS stream/MPa100001200014000Fig7 Effect of RAWGaS pressure on water/vapor ratioflowrate of RAWGAS stream/(m hr)图7 RAWGAS压力对水汽比的影响Fig 5 Effect of RAWGAS flow rate on water/vapor ratio图7为进中国煤化工合成气水汽比图5 RAWGAS流量对水汽比的影响的影响。当其CNMHG比随着粗合成本文通过灵敏度分析研究了进口粗合成气的流量气压力的升高而减小。当粗合成气进入到压力较低的水温度、压力对出口合成气水汽比的影响。2011,28(12)彭伟锋,等:水煤浆气化装置水洗过程的建模与优化1519洗塔,体积增大,温度降低。故进口粗合成气的压力越根据装置运行情况,及时调整水洗塔等设备的压力,维大,进入水洗塔后温度就降得越低,出口合成气中的水持系统的稳定。据装置长周期运行估计,合成气中水汽含量就越低,即水汽比越小。由图7可知,进口粗合成比由原来的125左右提高到130左右,改善了后续工艺气的压力应控制在38MPa以下,才能得到水汽比较高的运行。的合成气4.3水洗塔出口压力对水汽比的灵敏度分析5结论水洗塔出口压力,即出口合成气的压力变化对水汽本文基于化工分离技术等,对水煤浆气化装置的水比也有一定的影响,如图8。洗过程进行了建模,模拟结果与实际生产值吻合较好。同时对水洗过程进行灵敏度分析,考察了变换冷凝液的流量和温度,水洗塔出口压力,进口粗合成气的温度、13压力、负荷等主要操作参数对出口合成气水汽比的影响。基于水洗过程模型与灵敏度分析结果,结合装置运行情1.2况,通过调整进口粗合成气的温度和变换冷凝液的流量提高了合成气中的水汽比,取得了较好的工业应用效果1.1References3.8I Anne-Gaelle Collot. Matching gasification technologies to coalessure nfmwer/MPaproperties. International Journal of Coal Geology, 2006, 65(3)191-212.Fig 8 Effect of tower pressure on water/vapor ratio2 Huang Zhongjiu, Fang Dingye. Chemical Technology. 2nd Ed图8水洗塔出口压力对水汽比的影响Beijing: Higher Education Press, 20083 Stiegel G J, Massood Ramezan. Hydrogen from coal gasification:由图8可知,出口合成气的水汽比随着水洗塔出口An economical pathway to a sustainable energy future压力的增大而减小,压力增大会使水洗塔内水蒸汽的冷4Bwa49hmr由凝点下降,即进口粗合成气中被冷凝的水蒸汽就越多,opposed multi-burmers Nitrogen Technology, 2008, 29(6): 1-5所以出口合成气中水含量减少,水汽比变小。uangsuo. Research and42水洗过程水汽比的优化industrial applications of coal-water slurry gasification witopposed multi-burners. Science Technology Industry of China,合成气中的水蒸汽参与变换反应,水蒸汽的含量必2006,22:2831须满足变换的要求,否则需从外界补充过热蒸汽于合成6 Yan Zhuoyong, Liang Qinfeng, Guo Qinghua, et al. Experimentalinvestigations on temperature distributions of flame sections in a气,就增加了蒸汽消耗和成本。若合成气中水含量高于bench-scale opposed multi-burmer gasifier. Applied Energy, 2009变换要求或者合成气不需变换,可通过合成气冷却器冷86(8):13591364却合成气以将合成气中水含量降低到满足工艺要求,同7 Aspen Technology. Aspen Plus User Guide. USA. Aspen时副产低压蒸汽8 Yao Yongchun, Wang Yifei, Liang Tie. Simulation of two-stage表5水汽比优化前后对比Chemistry,2008,25(9):1123-1126Table 5 Water/vapor ratio before and after optimization.9 Zhang Bing, Li Zhen, Jiang Ning. Modeling of entrained bed coal项目优化前优化后gasification with Aspen Plus. Journal of Chemical Industry and粗合成气温度/℃Engineering,2003,54(8):11791182冷凝水流量/m3hnr2)125中文参考文献本文根据水洗过程模型与灵敏度分析结果,结合实黄仲九,房鼎业.化学工艺学[M]2版.北京:高等教育出版际工业装置运行特点,在保证气化过程平稳安全运行的李伟锋,于广锁,龚欣,等。多喷嘴对置式煤气化技术门.氮前提下,主要通过调整进口粗合成气的温度和变换冷凝肥技术,2008,29(6:1-5液的流量,对合成气中的水汽比进行了优化。其中粗合5于遵宏,于广锁.多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研究开发与成气温度通过调节气化炉炉温和激冷水流量来调节。进产业化应用门.中国科技产业,2006,2228-31口粗合成气温度由原来的平均219℃提高到2205℃;冷8姚水春,王亦飞,果铁等两段式气化工艺流程的 Aspen Plus木流最米的均3m3同时,9张V山中国煤化工2喷流床媒气化炉CNMHG1520计算机与应用化学2011,28(12)Modeling and optimization of scrubbing process of coal-water slurry gasificationplantPeng Weifeng, Zhong Weimin, Cheng Hui, Kong Xiangdong and Qian Feng(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes, Ministry of Education, East ChinaUniversity of Science and Technology, Shanghai, 200237, China.Abstract: Coal gasification technology has greatly enhanced the efficient and clean use of coal. Also, it reduced the pollution caused by coalcombustion. It has a great practical significance that modeling and optimization of coal gasification process. The scrubbing process model ofcoal-water slurry gasification was established based on the separation technology of chemical engineering. The model was verified by theindustrial data, and it had high accuracy. The effects of temperature and flow rate of the condensate and temperature, pressure and flow rate ofthe inlet raw gas and pressure of the water scrubbing tower on the water/vapor ratio of the outlet syngas were investigated using sensitivityanalysis. The results of sensitivity analysis show that the water/vapor ratio of outlet syngas would increase with rising condensate temperatureor inlet raw gas temperature and flow rate. Increasing the pressure of water scrubbing tower and inlet raw gas or flow rate of condensate wouldcause a reduction in the water/vapor ratio of outlet syngas. According to the results of sensitivity analysis, the operating parameters ofcoal-water slurry gasification plant were optimized. The water/vapor ratio was increased, which is more helpful to the subsequent section in theroductionKeywords: coal-water slurry gasification, scrubbing process, modeling, sensitivity analysis, optimization(Received: 2011-10-20; Revised: 2011-11-15中国煤化工CNMHG