淺談GE水煤漿氣化過程的建模與優(yōu)化

姚多貴

摘 要： 近年來，隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展以及創(chuàng)新，各領(lǐng)域?qū)γ禾康男枨罅恳苍谥鹉暝黾樱欢禾康闹苯尤紵o生態(tài)環(huán)境造成的污染也不容忽視，這就需要一種既能有效利用煤炭資源，又能減少環(huán)境污染的技術(shù)，GE水煤漿氣化工藝就應(yīng)運(yùn)而生。GEGP工藝，即原Texaco水煤漿加壓氣化工藝（2004年Texaco被GE并購(gòu)）。是美國(guó)Texaco石油公司在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能最大限度的提升煤的高效清潔利用，對(duì)環(huán)境的污染也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)GE水煤漿氣化過程的建模以及優(yōu)化就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：GE水煤漿氣化工藝 建模 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ054 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）09-0268-02

引言

在世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展以及老百姓生活水平不斷提高的時(shí)代背景下，各領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨罅恳苍谥鹉暝黾?，而煤作為一種不可再生資源，在我國(guó)的能源消耗總量中占據(jù)著主體地位。但是由于技術(shù)所限，使得我國(guó)對(duì)煤的利用率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，與此同時(shí)，煤在燃燒過程中排放出的大量廢氣也極大地污染了我們賴以生存的環(huán)境。因此，在對(duì)GE水煤漿氣化過程建模的基礎(chǔ)上，不斷的改進(jìn)以及優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)，提高煤的利用率并減少環(huán)境污染，是現(xiàn)階段所有業(yè)內(nèi)人士需要關(guān)注的重點(diǎn)課題。

一、GE水煤漿氣化工藝生產(chǎn)的過程

1.煤漿制備以及給料系統(tǒng)

將貯運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)送的碎煤以及界區(qū)外來的石灰石粉，分別輸送至煤料斗以及石灰石料斗中，再經(jīng)過稱量給料機(jī)進(jìn)入到磨煤機(jī)中，與一定比例的水以及濾液進(jìn)行融合，在磨煤機(jī)中磨成一定粒度分布的約61%濃度的水煤漿，將水煤漿通過高壓煤漿泵輸送到氣化爐工藝燒嘴中。

2.氣化以及粗渣處理系統(tǒng)

將進(jìn)入到氣化爐工藝燒嘴中的水煤漿與空分裝置來的氧氣一起輸送到氣化爐中，這二者會(huì)在一定壓力以及高溫下經(jīng)過氧化反應(yīng)而生成粗煤氣，其中，溫度通常會(huì)保持在1400攝氏度左右。急冷后的粗煤氣會(huì)在文丘里洗滌器以及洗滌塔中經(jīng)過二次洗滌，并輸送到下一環(huán)節(jié)。熔渣固化后將其輸送到碎渣機(jī)中，把大塊渣進(jìn)行粉碎。之后將處理過的碎渣輸送到鎖斗中，定期排入渣池，最后就能將碎渣借助運(yùn)輸工具向外輸送。

3.渣水處理系統(tǒng)

出氣化爐急冷室的黑水以及從洗滌塔底部排出的黑水，在減壓后會(huì)經(jīng)過閃蒸工序，分離出水中溶解的氣體，并在處理之后進(jìn)入沉降槽，沉降后會(huì)得到固含量約為20%的灰水，將之借助泵輸送到過濾機(jī)中，經(jīng)過脫水處理后的濾餅就可以裝車外運(yùn)了。

4.灰水預(yù)處理系統(tǒng)

為了降低氣化外排污水的氨氮含量，緩解污水處理系統(tǒng)壓力，在神華新疆項(xiàng)目采用污水氨汽提工藝。由于污水中含有一定量的鈣、鎂離子和懸浮物，會(huì)造成設(shè)備管道結(jié)垢和堵塞；在污水氣提之前必須進(jìn)行脫除處理。在汽提前對(duì)污水加如適量堿液和聚合物A進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后污水進(jìn)入澄清槽分離，在澄清槽底部出口的灰水中加入適量的聚合物B，充分混合后送至板框壓濾機(jī)壓濾，濾渣由汽車運(yùn)至渣場(chǎng)；澄清后污水進(jìn)入多功效過濾系統(tǒng)進(jìn)一步除固，除固后污水送至污水汽提塔進(jìn)行提氨處理，從而降低污水中的氨氮含量；氣提氣進(jìn)行氨吸收后，氨水送至動(dòng)力中心；氣提后污水送至污水處理裝置。

二、GE水煤漿氣化工藝生產(chǎn)過程的建模

想要模擬GE水煤漿氣化工藝的生產(chǎn)過程，相關(guān)企業(yè)可以借助Aspen Plus這一軟件，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬以及優(yōu)化等目的，是目前應(yīng)用最為廣泛的流程模擬系統(tǒng)之一。利用Aspen Plus來實(shí)現(xiàn)對(duì)GE水煤漿氣化工藝生產(chǎn)過程的建模，需要實(shí)際生產(chǎn)過程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息作為支持，具體操作如下：

1.組分規(guī)定

GE水煤漿氣化過程是在高溫以及高壓條件下發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)的過程，所涉及到的組分多且雜。在Aspen Plus軟件中，對(duì)煤以及灰分此類物質(zhì)提供了一個(gè)較為便捷的處理方式。在煤的整個(gè)氣化過程中，會(huì)生成多個(gè)組分，即水、氧氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫以及氮?dú)獾瘸Ｒ?guī)氣體；煤、細(xì)灰以及灰渣等非常規(guī)固體。由于整個(gè)煤氣化過程中會(huì)生成一部分非常規(guī)固體，使得在定義物流時(shí)，還需要設(shè)置固體子物流NCPSD以及CIPSD，來對(duì)物流中固體的分布狀況進(jìn)行模擬。

2.選擇物性方法

對(duì)GE水煤漿氣化工藝生產(chǎn)過程的模擬，想要確保物性計(jì)算的精準(zhǔn)度，就需要合理選擇物性方法，物性方法是否恰當(dāng)將直接關(guān)系到最終模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及科學(xué)性。

在煤氣化過程中生成的各種氣體，如氫氣、二氧化碳、氮?dú)庖约傲蚧瘹涞龋际且恍┤鯓O性或者非極性的輕氣體，通常用于PR-BM、RKS-BM以及RK-SOAVE等性質(zhì)方法，上述方法一般會(huì)用于燃燒、化工以及煉油等工藝流程的計(jì)算。

對(duì)于非常規(guī)固體來說，它既不參與化學(xué)平衡計(jì)算，也不進(jìn)行相平衡計(jì)算，只要得出它的密度以及焓就可以了。利用Aspen Plus中的焓模型HCOALGEN，就可以計(jì)算出煤的干基真實(shí)密度。其中，在焓模型HCOALGEN中，會(huì)涉及到燃燒熱、標(biāo)準(zhǔn)生成熱以及熱容的不同關(guān)聯(lián)式。

3.GE水煤漿氣化過程的建模

目前，通常會(huì)使用Gibbs自由能最小化的方式，來進(jìn)行GE水煤漿氣化爐模型的建立。將整個(gè)煤氣化過程假設(shè)為一個(gè)平衡模型，并假設(shè)一系列條件，讓所有反應(yīng)都達(dá)到化學(xué)平衡，結(jié)合氣化過程的質(zhì)量平衡以及能量平衡，當(dāng)系統(tǒng)的Gibbs自由能達(dá)到最小值時(shí)，就可以計(jì)算出合成氣的組成、平衡溫度以及產(chǎn)率。Gibbs自由能最小化方法可以將氣化爐分成煤裂解單元以及反應(yīng)單元兩個(gè)獨(dú)立過程。

結(jié)合實(shí)際的GE水煤漿氣化過程，建立的模型如圖（1）所示：

GE水煤漿氣化過程模型中的主要設(shè)備有以下幾類，如圖（2）所示：

將企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括各進(jìn)料物流數(shù)據(jù)等，帶入其中，就可以對(duì)整個(gè)GE水煤漿氣化過程進(jìn)行模擬。

三、GE水煤漿氣化過程的優(yōu)化措施

GE水煤漿氣化工藝的效果是否符合預(yù)期，關(guān)鍵看它的有效合成氣收率以及節(jié)水效果。而影響合成氣收率的主要因素有以下幾類，即水煤漿的濃度、氣化反應(yīng)溫度以及冷凝液流量等。相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)可以通過以下措施，來優(yōu)化GE水煤漿氣化過程。

1.合理的選擇煤種

GE煤氣化工藝的特點(diǎn)之一是對(duì)煤種的適應(yīng)性廣。但從國(guó)內(nèi)廠家運(yùn)行情況看，要保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，煤質(zhì)的好壞有很大的影響，確切地說灰分低、灰熔點(diǎn)低、粘溫特性好的煤比較適合GE氣化。對(duì)于不同的地區(qū)和煤種來說，灰分、內(nèi)水含量、可磨指數(shù)、灰熔點(diǎn)、粘溫特性、煤漿的成漿性等相差較大，對(duì)氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，因此在可研期間必須要做好煤質(zhì)分析和成漿性試驗(yàn)，必要時(shí)再工廠進(jìn)行煤漿試驗(yàn)和試燒試驗(yàn)，確保選擇合適的煤種或混配有利于氣化運(yùn)行的混煤。

2.合理控制水煤漿的濃度

在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中我們可以發(fā)現(xiàn)，水煤漿的濃度越高，一氧化碳的含量也會(huì)隨之增加，與之相反的是，二氧化碳、氫氣以及水的含量會(huì)有所降低，但是有效合成氣體（一氧化碳+氫氣）的總體含量會(huì)增加，進(jìn)而提升合成氣體的吸收率。因此，在GE水煤漿氣化爐正常運(yùn)行的前提下，將水煤漿的濃度盡可能的提升到最大，以此來增加有效合成氣體的產(chǎn)氣率，從而優(yōu)化GE水煤漿氣化工藝的效率以及質(zhì)量。

3.合理控制氣化反應(yīng)溫度

在GE水煤漿氣化的實(shí)際生產(chǎn)過程中，在不改變其它條件的基礎(chǔ)上，氣化反應(yīng)溫度也會(huì)給合成氣收率造成影響。具體來說，當(dāng)氣化溫度升高時(shí)，一氧化碳以及水的含量也會(huì)逐漸增加，而氫氣以及二氧化碳的含量卻會(huì)慢慢減少，但是有效合成氣體（一氧化碳+氫氣）的總體含量也會(huì)有顯著提高。由此可見，在不改變其他生產(chǎn)要素的基礎(chǔ)上，不論是提高水煤漿的濃度，還是提高氣化反應(yīng)溫度，都能在不同程度上增加有效合成氣收率。

4.合理控制冷凝液的流量

在GE水煤漿氣化過程中，會(huì)消耗掉大量的水，所以，減少水的消耗量，對(duì)整個(gè)煤氣化工藝來說具有十分深遠(yuǎn)的意義。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，廢水的排放量會(huì)受高溫冷凝液以及汽提冷凝液流量的影響，流量越快則廢水排放量越大，反之則不然；與此同時(shí)，冷凝液的流量還會(huì)給水汽比造成影響，當(dāng)高溫冷凝液以及汽提冷凝液流量減少時(shí)，水汽比就會(huì)逐漸增大。因此，在現(xiàn)有工況下，企業(yè)可以通過對(duì)高溫冷凝液以及汽提冷凝液流量的合理控制，來有效減少?gòu)U水排放量，并同時(shí)提高水汽比。

5.優(yōu)化系統(tǒng)氨氮處理系統(tǒng)

氣化時(shí)煤中的一部分氮都會(huì)轉(zhuǎn)化為 NH3，NH3對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響。系統(tǒng)水中氨含量過高，會(huì)使下游污水處理系統(tǒng)中的生物菌生存環(huán)境破壞，影響污水處理效果。污水氨氮含量超標(biāo)排放，引發(fā)環(huán)境問題。 GE氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次將氨汽提工藝運(yùn)用與氣化灰水處理中。

四、結(jié)語

綜上所述，在我國(guó)煤消耗量逐年增加的時(shí)代背景下，利用GE水煤漿氣化工藝可以在很大程度上提高對(duì)煤的清潔高效利用，并從另一個(gè)角度保護(hù)我們的生存環(huán)境。因此，我國(guó)作為以煤為主的能源消耗大國(guó)，一定要對(duì)這項(xiàng)技術(shù)加以研究探索，對(duì)其中可能影響有效合成氣收率的因素引起重視，積極借鑒國(guó)外先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，通過對(duì)煤氣化過程的建模，來進(jìn)一步改進(jìn)以及優(yōu)化現(xiàn)有的工藝，從而在提高煤利用率的同時(shí)，推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

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