第39卷第7期化學(xué)工程Vol 39 No. 72011年7月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Jul. 2011GE水煤漿氣化全流程模擬張磊,汪根寶,謝東升,許兆廣(中國(guó)石化集團(tuán)南京工程公司,江蘇南京2100)摘要:GE水煤漿氣化工藝是目前廣泛采用的煤氣化技術(shù)。通過對(duì)GE水煤漿氣化全過程的模擬,可以加深對(duì)工藝包的理解,對(duì)氣化爐進(jìn)行優(yōu)化控制,同時(shí)為工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)。文中根據(jù)CE水煤漿氣化的工藝特點(diǎn),將水煤漿氣化過程分為煤的裂解與氣化激冷與排渣、碳洗閃蒸與灰水處理等基本單元過程在對(duì)單元過程模型反復(fù)核算、改進(jìn)的基礎(chǔ)上采用 Aspen Plus建立了GE水煤漿氣化全流程的計(jì)算模型。通過校核計(jì)算與設(shè)計(jì)計(jì)算2種方式分別進(jìn)行了模型驗(yàn)證,2種計(jì)算結(jié)果均與工藝包數(shù)據(jù)較為吻合,證明所建立的模型適用于GE氣化過程的計(jì)算,可以對(duì)GE氣化爐的氣化過程作出相對(duì)合理的預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞: Aspen Plus;水煤漿;氣化;激冷;灰水處理;碳洗;模擬中圖分類號(hào):TQ054文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-9954(2011)07007805Simulation of whole Ge water-coal slurry gasification processZHANG Lei, WANG Gen-bao, XIE Dong-sheng, XU Zhao-guang(Sinopec Nanjing Engineering & Construction Inc. Nanjing 211100, Jiangsu Province, China)Abstract: GE water-coal slurry gasification process is one of the commonly-used advanced gasification technologiesThe simulation of whole Ge gasification can improve the understanding of the process and be used as a predictivetool at the optimization stage, and also provide guidance for process design and production operation. The featuresof ge slurry gasification were analyzed, which can be divided into several units of coal pyrolysis and gasificationquench and slag handing, syngas scrubbing, flash, and black water handling. The calculation model of whole gEwater-coal slurry gasification process was set up with Aspen Plus based on the testing and verifying section modelsThe 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 theKey words: Aspen Plus; water-coal slurry; gasification; quench; black water handling; syngas scrubbing; simulation立足于中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)及國(guó)家宏觀發(fā)展戰(zhàn)略的擬分析,可以更深入地了解其工藝,并對(duì)氣化爐進(jìn)行轉(zhuǎn)變潔凈煤技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)2個(gè)根本優(yōu)化控制,提高整個(gè)過程的熱效率;同時(shí)可以預(yù)轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略措施之一,得到了政府的大力支持。煤測(cè)不同條件下氣化爐出口煤氣的成分及污染物的排氣化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈利用的關(guān)鍵共性技術(shù),是放,為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)煤氣化的模擬工作得到許多研究人員的重電、多聯(lián)產(chǎn)等過程工業(yè)的龍頭和基礎(chǔ)。其中,GE公視(23),但大部分的工作僅集中在氣化部分對(duì)包括司開發(fā)的水煤漿氣化(原德士古水煤漿加壓氣化技激冷排渣、洗滌閃蒸等工序在內(nèi)的整個(gè)水煤漿氣術(shù))具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)碳轉(zhuǎn)化率高適合作化工合化流程模擬卻很少關(guān)注。而這些工序?qū)饣到y(tǒng)的成原料氣、三廢處理方便操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為迄物料消耗、能量消耗及利用起著重要作用。因此,本今為止工業(yè)化較好的煤氣化技術(shù),在國(guó)內(nèi)得到了廣文開展了氣化全流程的模擬計(jì)算工作,通過對(duì)氣化泛應(yīng)用。工藝的分析將氣化過程分為若干子過程進(jìn)行模擬,通過 Aspen Plu對(duì)整個(gè)水煤漿氣化過程進(jìn)行模并與工藝包提供的數(shù)據(jù)對(duì)比取得了理想的結(jié)果,可收稿日期:2010-1224作者簡(jiǎn)介:張磊(1981一)男碩士,工程師從事化工設(shè)計(jì)工作 E-mail: changlei0.smi@H中國(guó)煤化工CNMHG張磊等CE水煤漿氣化全流程模擬79以為實(shí)際生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)提供幫助。①碳的不完全轉(zhuǎn)化;②粗渣和細(xì)渣的生成;③特殊的進(jìn)料,如添加助熔劑和返料細(xì)灰的情況。針對(duì)這些1流程模擬缺陷,本文將煤、灰、粗渣、細(xì)渣作為非常規(guī)組分處煤氣化是十分復(fù)雜的化工過程,采用 Aspen建理,采用 dulong方程計(jì)算其熱值。同時(shí)將轉(zhuǎn)化的模時(shí)需要對(duì)氣化過程適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｒ环矫嫘枰獙翁挤謩e與煤灰反應(yīng)生成一定比例的粗渣和細(xì)渣),一設(shè)備分解成幾個(gè)單元模型,另一方面需要將幾個(gè)特殊進(jìn)料的情況下,將助熔劑和返料細(xì)灰分解后進(jìn)設(shè)備整合成一個(gè)單元模型。根據(jù)CE水煤漿氣化的入氣化爐,均采用 SToic反應(yīng)器模塊,反應(yīng)方程式特點(diǎn),將煤氣化過程分為煤的裂解與氣化激冷與排如下:渣、碳洗、灰水處理等基本單元,在對(duì)單元過程模型010833C+0.87A→S1反復(fù)核算、改進(jìn)的基礎(chǔ)上建立全流程的計(jì)算模型,以0.0158833C+0.8094A—C1使模型能夠反應(yīng)不同條件下氣化過程的物能消耗及CacO,-+Ca0+CO2產(chǎn)物特性。C→0.0158833C+0.8094A(41.1煤的裂解與氣化式中:A為灰分,S1為粗渣,CH為細(xì)渣。一般認(rèn)為水煤漿氣化分2步完成,第1步是同時(shí),為了更貼近水煤漿氣化的機(jī)理,本文將煤煤的完全氧化放熱反應(yīng);第2步是二氧化碳、水蒸分解后的產(chǎn)物與氧氣、粗渣細(xì)渣先進(jìn)入 RGibbs燃?xì)?、煤熱解產(chǎn)物和碳發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。第1步反應(yīng)燒反應(yīng)器,然后再進(jìn)人RGbs氣化反應(yīng)器,具體流為第2步反應(yīng)提供熱量。程如圖1所示。物性方法可以采用PRBM或RKS在進(jìn)行煤氣化模擬時(shí),通常的做法是采用BM,二者的模擬結(jié)果均在可接受范圍,不同的是采YIeld反應(yīng)器將煤分解成純質(zhì)元素和灰分,然后進(jìn)用PRBM方法氣化爐出口氣體的溫度更接近工藝入 RGibbs反應(yīng)器。這種方法在一定程度上能夠包中數(shù)據(jù),而RKS-BM方法氣體組成更符合工藝包反應(yīng)氣化爐出口的氣體組成,但缺點(diǎn)是沒有考慮:中的設(shè)計(jì)值。COAL煤漿制備煤分解生成粗渣SLURRYATERMIXERRYIELDRSTOICDECOMSLAGELEMT合成去激冷賓氣化卜回RN燒住成細(xì)200}ELMT2RGIBBS卜 AFIN H RGIBBS卜國(guó)cHAR| RSTOIC助熔劑助熔劑分解細(xì)濟(jì)分解返料細(xì)濟(jì)HADI2 FCHAR2CHARRSTOICQADDOXYGEN LOCHAR2 RSTOI氧氣1氣化部分流程擬圖Fig. 1 Aspen flowsheet of gasification雖然氣化反應(yīng)溫度很高反應(yīng)速度快,停留時(shí)間計(jì)算模型中采用平衡溫距進(jìn)行補(bǔ)償。為了簡(jiǎn)化計(jì)算短,但因氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)(溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濃度梯模型,本文僅考慮以下幾個(gè)獨(dú)立反應(yīng):度等)復(fù)雜,存在返混、回流等較多不定因素,上C+H,0=C0+H2(5)述各反應(yīng)不會(huì)完全達(dá)到化學(xué)平衡,而且反應(yīng)程度各∩-cn⊥T(6不相同。為反映各反應(yīng)與化學(xué)平衡之間的偏差,在中國(guó)煤化工(7)CNMHG80化學(xué)工程2011年第39卷第7期COS +H,0=H,s+cO(8)處理。由于氣化壓力已經(jīng)確定,以及水的顯熱相N2+3H2=2NH3(9)對(duì)于潛熱來說很小,因此,激冷水對(duì)激冷室出口氣其中,水煤氣變換反應(yīng)(6)是決定氣化爐出口體的水氣體積比影響較小,過多的激冷水主要貢氣體組成的最重要的反應(yīng),其平衡溫距一般在獻(xiàn)在黑水和渣水中。這樣,確定激冷水量就需要300-400℃首先確定這2股水的量。曾慶純等用連通器原1.2激冷與排渣理模擬激冷室黑水循環(huán)量,能較好地解釋工程現(xiàn)激冷過程可以說是氣化系統(tǒng)水平衡的核心,一象,但并沒有給出具體模型參數(shù)和計(jì)算結(jié)果,而且方面決定著上游碳洗塔的補(bǔ)水,另一方面決定著下計(jì)算過程復(fù)雜,所以參考意義不大。本文在仔細(xì)游黑水閃蒸及灰水處理系統(tǒng)的負(fù)荷。因此,確定滿分析激冷過程的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)這2股水均是按照足工藝要求的最佳激冷水量至關(guān)重要。激冷室不僅定濃度的固體量進(jìn)行排放,碳洗塔出口黑水排包括合成氣的冷卻還涉及到粗渣和黑水的排放,而放也是如此。從這個(gè)角度上講,整個(gè)系統(tǒng)的水平且排渣是間斷過程,這種工藝過程采用計(jì)算流體力衡主要取決于系統(tǒng)所產(chǎn)生的粗渣和細(xì)渣的量,其學(xué)(CFD)軟件模擬往往能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果,用穩(wěn)后續(xù)的設(shè)備如鎖斗、鎖斗沖洗罐的體積也是基于態(tài)模擬工具則很難處理。此進(jìn)行設(shè)計(jì)的。合成氣中夾帶細(xì)渣與激冷室底部本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激冷部分的穩(wěn)態(tài)模擬,將排黑水及渣水排放的細(xì)渣按一定比例設(shè)置。具體模渣和鎖斗沖洗均設(shè)為連續(xù)過程,并做一定的分離擬流程如圖2所示。灰混合成氣去碳洗塔020MIXER激冷水激冷水490-CHAR20gPUMPCHIARSOO合成氣白激冷室激冷渣分離灰水分離渣水混加熱黑水去島壓閃蒸200QUHOUTSEFSPLITMIXERHEATER-十Q50Q3508}加熱渣水混08EATELMIXER鎖斗循減壓渣池池泉黑水去低瓜閃蒸5540◆SSPLITVALVEPUMP低壓灰水粗渣圖2激冷與排渣部分流程模擬圖Fig 2 Aspen flowsheet of quench and slag handling1.3洗滌1.4灰水處理激冷室出口合成氣中帶有一部分的細(xì)渣,這部黑水閃蒸的主要目的是降低黑水溫度,濃縮黑分細(xì)渣需要在文丘里洗滌器與碳洗塔中洗滌下來。水中的含固量、解析少量酸性氣體及熱量回收。通同時(shí)為了滿足后續(xù)變換工藝的要求,需要對(duì)合成氣常高壓閃蒸后的氣體換熱后繼續(xù)分離氣相去酸性冷卻以滿足一定的水氣體積比。氣體處理液相送到除氧器。低壓閃蒸后的氣相直通過工藝分析,發(fā)現(xiàn)碳洗塔有一股水要經(jīng)過文接進(jìn)入代替低壓蒸汽給除氧器供熱。真空閃蒸后的丘里洗滌器后又回到碳洗塔,因此在模擬時(shí)將文丘氣相經(jīng)真空泵送回灰水槽液相(即濃縮后的渣水)里洗滌器與碳洗塔下部分作為一個(gè)整體用閃蒸模塊在沉降槽分離,分離出的干凈灰水添加分散劑循環(huán)模擬,碳洗塔上部采用RdFm模擬。具體過程見使用,灰渣經(jīng)過凵中國(guó)煤化工查機(jī)粗渣圖3。起外送。CNMHG張磊等GE水煤漿氣化全流程模擬81由于這一部分并沒有十分復(fù)雜的工藝過程,主根據(jù)灰水槽中氯離子的濃度排放一定量的灰水去廢要采用閃蒸及分離模塊模擬。其中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是水處理,以控制可溶固體和懸浮微粒的積聚。具體除氧器需要采用 RadFrac模擬,另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是要流程如圖4所示合成去變換碳洗塔上部高溫變換冷凝液kRADFRACSCR激冷賓出冂合成氣灰水加熱器除氧器出冂灰水碳洗塔下部區(qū)3FLASH2HEATER激冷水四o渣水分離碳洗塔出冂黑水去高壓閃蒸SSPLIT圖3合成氣洗滌部分流程模擬圖灰水去灰水加熱器黑水日碳洗塔酸性氣去汽提放空黑水自激冷室軾器冷卻低壓變換冷凝液分離FLASH2HEATERRADFRACFLASH2黑水日渣池泉新鮮水HEATER FLASHD沉降灰水低壓灰給料袋廢水SSPLTFSPLT HEATEFSPLT HEATER灰水去煤漿制備絮凝劑鎖斗沖洗水圖4閃燕與灰水處理模擬流程Fig. 4 Aspen flowsheet of flash and black water handling2模擬結(jié)果數(shù)據(jù)接近(氣化爐燃燒室出口變換反應(yīng)平衡常數(shù)為2.1校核計(jì)算1.06,與工藝包中平衡常數(shù)1.0358基本一致)部分將工藝包提供的物料數(shù)據(jù)輸入模型,驗(yàn)證碳洗塔微量氣體結(jié)果與工藝包數(shù)據(jù)有較大差距。計(jì)算的水氣出口氣體的組成是否滿足工藝要求。碳洗塔出口計(jì)算體積比為14,結(jié)果如表1所示。CO和H2等主要?dú)怏w組成與工藝包仍在可接受的范H中國(guó)煤化工上看,誤差CNMHG可靠性化學(xué)工程2011年第39卷第7期表1碳洗塔出口氣體組成及溫度Table 1 Gas composition and temperature at scrubber exit組分流量/( kmol h溫度/℃H2ArN, H,s COS計(jì)算值1580.7145.7879.85780.42.312.529.91.19.5215.5設(shè)計(jì)值1599.61461.1865.95599.13.912.631.20.813.5215.02.2設(shè)計(jì)計(jì)算股計(jì)算結(jié)果,如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明,物料消在實(shí)際工作中,工藝包專利商提供工藝包的耗與系統(tǒng)水循環(huán)量相對(duì)于工藝包中數(shù)據(jù)均偏大時(shí)間一般比較長(zhǎng),導(dǎo)致工程進(jìn)展緩慢。如果通過這主要是由于各個(gè)模塊的誤差積累導(dǎo)致的結(jié)果。Aspen模擬能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)氣化工藝流程,那這也可以從校核計(jì)算的結(jié)果反應(yīng)出來,由于校核么能給設(shè)計(jì)院開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作帶來很大幫助。計(jì)算中水氣體積比偏大,為了使水氣體積比降低,因此,本文在校核計(jì)算的基礎(chǔ)上,再次從設(shè)計(jì)的角必然會(huì)增加冷卻水的流量,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)水循環(huán)度進(jìn)行工藝計(jì)算,即煤種條件已知,為了獲得一定量增大?；旧?設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果也能夠較好地的合成氣產(chǎn)量及水氣體積比,驗(yàn)證各主要物料的反應(yīng)水煤漿氣化系統(tǒng)的物流特性,可以給前期設(shè)消耗。為了工藝包的保密性,本文僅列出少數(shù)流計(jì)工作帶來幫助。衰2部分流股結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of pDp data and model-calculated results for partial material streamsk)氧計(jì)算)粗渣流量/細(xì)渣流氧耗(按純流量/(kmol·h)煤耗/(knl,h-y(kg·h-")(kg·h)激冷水激冷室碳洗塔鎖斗廢水出口黑水出口黑水循環(huán)水計(jì)算值41793.81241.85290.45235.612012.35654.1703.4221.51140.2設(shè)計(jì)值4146611232.0524895194.611222503.070122.51029.13結(jié)論[2]王輔臣,劉海峰,龔欣,等水煤漿氣化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬本文討論了水煤漿氣化過程全流程的模擬計(jì)算[刀].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(1):33-38方法,通過工程經(jīng)驗(yàn)歸納的平衡溫距使模型更加精3侯祥松陳勇,劉艷霞,等基于平衡常數(shù)法的 Texaco氣化模型[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2004,27(3):49-53細(xì),獲得了較好的結(jié)果。無論氣體組成還是物料消[4]亢萬忠粉煤氣化爐的模擬[J].石油化工設(shè)計(jì),2008,耗與工藝包的差值均在可接受的范圍內(nèi)。氣化水系25(1):2933統(tǒng)的核心在于系統(tǒng)排渣量,所以準(zhǔn)確模擬氣化反應(yīng)[5]張斌李政江寧等基于 Aspen Plu建立噴流床煤氣渣的形成非常重要?；癄t模型[J].化工學(xué)報(bào),2003,50(8):1179-1182.對(duì)于其他壓力等級(jí)的水煤氣化過程是否同樣適6 HIGMAN C, VAN DER BURGT M. Gasification[M用有待進(jìn)一步驗(yàn)證。Burlington: Gulf Professional Publishing, 2003[7] CHAO Chen. A technical and economic assessment ofCO, capture technology for IGCC power plants[D]參考文獻(xiàn):Pennsylvania: Carnegie Mellon University, 2005[1]林立. Aspen Plus軟件應(yīng)用于煤氣化的模擬[J]上海[8]曾慶純于廣鎖,施軍民激冷室內(nèi)黑水循環(huán)量分析化工,200,31(8):10-3[].煤化工,1992):4849中國(guó)煤化工CNMHG