浅谈GE水煤浆气化过程的建模与优化

姚多贵

摘 要： 近年来，随着科技技术的不断发展以及创新，各领域对煤炭的需求量也在逐年增加，然而煤炭的直接燃烧给生态环境造成的污染也不容忽视，这就需要一种既能有效利用煤炭资源，又能减少环境污染的技术，GE水煤浆气化工艺就应运而生。GEGP工艺，即原Texaco水煤浆加压气化工艺（2004年Texaco被GE并购）。是美国Texaco石油公司在重油气化的基础上发展起来的。它能最大限度的提升煤的高效清洁利用，对环境的污染也要远远低于传统工艺。因此，在现有基础上，实现GE水煤浆气化过程的建模以及优化就显得尤为重要。

关键词：GE水煤浆气化工艺 建模 优化

中图分类号：TQ054 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）09-0268-02

引言

在世界经济飞速发展以及老百姓生活水平不断提高的时代背景下，各领域对能源的需求量也在逐年增加，而煤作为一种不可再生资源，在我国的能源消耗总量中占据着主体地位。但是由于技术所限，使得我国对煤的利用率要远远低于其他发达国家，与此同时，煤在燃烧过程中排放出的大量废气也极大地污染了我们赖以生存的环境。因此，在对GE水煤浆气化过程建模的基础上，不断的改进以及优化这项技术，提高煤的利用率并减少环境污染，是现阶段所有业内人士需要关注的重点课题。

一、GE水煤浆气化工艺生产的过程

1.煤浆制备以及给料系统

将贮运系统运送的碎煤以及界区外来的石灰石粉，分别输送至煤料斗以及石灰石料斗中，再经过称量给料机进入到磨煤机中，与一定比例的水以及滤液进行融合，在磨煤机中磨成一定粒度分布的约61%浓度的水煤浆，将水煤浆通过高压煤浆泵输送到气化炉工艺烧嘴中。

2.气化以及粗渣处理系统

将进入到气化炉工艺烧嘴中的水煤浆与空分装置来的氧气一起输送到气化炉中，这二者会在一定压力以及高温下经过氧化反应而生成粗煤气，其中，温度通常会保持在1400摄氏度左右。急冷后的粗煤气会在文丘里洗涤器以及洗涤塔中经过二次洗涤，并输送到下一环节。熔渣固化后将其输送到碎渣机中，把大块渣进行粉碎。之后将处理过的碎渣输送到锁斗中，定期排入渣池，最后就能将碎渣借助运输工具向外输送。

3.渣水处理系统

出气化炉急冷室的黑水以及从洗涤塔底部排出的黑水，在减压后会经过闪蒸工序，分离出水中溶解的气体，并在处理之后进入沉降槽，沉降后会得到固含量约为20%的灰水，将之借助泵输送到过滤机中，经过脱水处理后的滤饼就可以装车外运了。

4.灰水预处理系统

为了降低气化外排污水的氨氮含量，缓解污水处理系统压力，在神华新疆项目采用污水氨汽提工艺。由于污水中含有一定量的钙、镁离子和悬浮物，会造成设备管道结垢和堵塞；在污水气提之前必须进行脱除处理。在汽提前对污水加如适量碱液和聚合物A进行反应，反应后污水进入澄清槽分离，在澄清槽底部出口的灰水中加入适量的聚合物B，充分混合后送至板框压滤机压滤，滤渣由汽车运至渣场；澄清后污水进入多功效过滤系统进一步除固，除固后污水送至污水汽提塔进行提氨处理，从而降低污水中的氨氮含量；气提气进行氨吸收后，氨水送至动力中心；气提后污水送至污水处理装置。

二、GE水煤浆气化工艺生产过程的建模

想要模拟GE水煤浆气化工艺的生产过程，相关企业可以借助Aspen Plus这一软件，它可以实现对生产装置的设计、稳态模拟以及优化等目的，是目前应用最为广泛的流程模拟系统之一。利用Aspen Plus来实现对GE水煤浆气化工艺生产过程的建模，需要实际生产过程中的详细数据信息作为支持，具体操作如下：

1.组分规定

GE水煤浆气化过程是在高温以及高压条件下发生复杂反应的过程，所涉及到的组分多且杂。在Aspen Plus软件中，对煤以及灰分此类物质提供了一个较为便捷的处理方式。在煤的整个气化过程中，会生成多个组分，即水、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢以及氮气等常规气体；煤、细灰以及灰渣等非常规固体。由于整个煤气化过程中会生成一部分非常规固体，使得在定义物流时，还需要设置固体子物流NCPSD以及CIPSD，来对物流中固体的分布状况进行模拟。

2.选择物性方法

对GE水煤浆气化工艺生产过程的模拟，想要确保物性计算的精准度，就需要合理选择物性方法，物性方法是否恰当将直接关系到最终模型计算结果的准确性以及科学性。

在煤气化过程中生成的各种气体，如氢气、二氧化碳、氮气以及硫化氢等，都是一些弱极性或者非极性的轻气体，通常用于PR-BM、RKS-BM以及RK-SOAVE等性质方法，上述方法一般会用于燃烧、化工以及炼油等工艺流程的计算。

对于非常规固体来说，它既不参与化学平衡计算，也不进行相平衡计算，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，就可以计算出煤的干基真实密度。其中，在焓模型HCOALGEN中，会涉及到燃烧热、标准生成热以及热容的不同关联式。

3.GE水煤浆气化过程的建模

目前，通常会使用Gibbs自由能最小化的方式，来进行GE水煤浆气化炉模型的建立。将整个煤气化过程假设为一个平衡模型，并假设一系列条件，让所有反应都达到化学平衡，结合气化过程的质量平衡以及能量平衡，当系统的Gibbs自由能达到最小值时，就可以计算出合成气的组成、平衡温度以及产率。Gibbs自由能最小化方法可以将气化炉分成煤裂解单元以及反应单元两个独立过程。

结合实际的GE水煤浆气化过程，建立的模型如图（1）所示：

GE水煤浆气化过程模型中的主要设备有以下几类，如图（2）所示：

将企业生产的实际运行数据，包括各进料物流数据等，带入其中，就可以对整个GE水煤浆气化过程进行模拟。

三、GE水煤浆气化过程的优化措施

GE水煤浆气化工艺的效果是否符合预期，关键看它的有效合成气收率以及节水效果。而影响合成气收率的主要因素有以下几类，即水煤浆的浓度、气化反应温度以及冷凝液流量等。相关生产企业可以通过以下措施，来优化GE水煤浆气化过程。

1.合理的选择煤种

GE煤气化工艺的特点之一是对煤种的适应性广。但从国内厂家运行情况看，要保证系统长期稳定运行，煤质的好坏有很大的影响，确切地说灰分低、灰熔点低、粘温特性好的煤比较适合GE气化。对于不同的地区和煤种来说，灰分、内水含量、可磨指数、灰熔点、粘温特性、煤浆的成浆性等相差较大，对气化炉稳定运行影响较大，因此在可研期间必须要做好煤质分析和成浆性试验，必要时再工厂进行煤浆试验和试烧试验，确保选择合适的煤种或混配有利于气化运行的混煤。

2.合理控制水煤浆的浓度

在长期生产实践中我们可以发现，水煤浆的浓度越高，一氧化碳的含量也会随之增加，与之相反的是，二氧化碳、氢气以及水的含量会有所降低，但是有效合成气体（一氧化碳+氢气）的总体含量会增加，进而提升合成气体的吸收率。因此，在GE水煤浆气化炉正常运行的前提下，将水煤浆的浓度尽可能的提升到最大，以此来增加有效合成气体的产气率，从而优化GE水煤浆气化工艺的效率以及质量。

3.合理控制气化反应温度

在GE水煤浆气化的实际生产过程中，在不改变其它条件的基础上，气化反应温度也会给合成气收率造成影响。具体来说，当气化温度升高时，一氧化碳以及水的含量也会逐渐增加，而氢气以及二氧化碳的含量却会慢慢减少，但是有效合成气体（一氧化碳+氢气）的总体含量也会有显著提高。由此可见，在不改变其他生产要素的基础上，不论是提高水煤浆的浓度，还是提高气化反应温度，都能在不同程度上增加有效合成气收率。

4.合理控制冷凝液的流量

在GE水煤浆气化过程中，会消耗掉大量的水，所以，减少水的消耗量，对整个煤气化工艺来说具有十分深远的意义。在实际生产过程中，废水的排放量会受高温冷凝液以及汽提冷凝液流量的影响，流量越快则废水排放量越大，反之则不然；与此同时，冷凝液的流量还会给水汽比造成影响，当高温冷凝液以及汽提冷凝液流量减少时，水汽比就会逐渐增大。因此，在现有工况下，企业可以通过对高温冷凝液以及汽提冷凝液流量的合理控制，来有效减少废水排放量，并同时提高水汽比。

5.优化系统氨氮处理系统

气化时煤中的一部分氮都会转化为 NH3，NH3对生产系统的安全、稳定产生较大的影响。系统水中氨含量过高，会使下游污水处理系统中的生物菌生存环境破坏，影响污水处理效果。污水氨氮含量超标排放，引发环境问题。 GE气化技术在国内首次将氨汽提工艺运用与气化灰水处理中。

四、结语

综上所述，在我国煤消耗量逐年增加的时代背景下，利用GE水煤浆气化工艺可以在很大程度上提高对煤的清洁高效利用，并从另一个角度保护我们的生存环境。因此，我国作为以煤为主的能源消耗大国，一定要对这项技术加以研究探索，对其中可能影响有效合成气收率的因素引起重视，积极借鉴国外先进的煤气化技术，通过对煤气化过程的建模，来进一步改进以及优化现有的工艺，从而在提高煤利用率的同时，推动我国社会经济的健康发展。

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