热化学平衡模型,合成天然气产量从使用阿斯彭加煤的气化

文摘

生产的合成或替代天然气)从煤炭感兴趣的是一个过程在哥伦比亚reserves-to-production比(R / P)天然气有望7至10年,而煤是预测的R / P约90年。在这部作品中,过程生产合成天然气通过coal-entrained流气化炉模型下热化学平衡与吉布斯自由能的方法。模型是使用一个完整和全面的白杨+开发模型。两种典型技术用于携入的流气化炉煤干燥煤泥等建模和模拟。重点放在燃料喂养技术之间的相互作用和选择能源coal-SNG过程的输出参数,即能源效率、力量,和合成天然气质量。发现煤阶不明显影响能源指标,如冷气体,过程,和全球效率。然而,饲养技术显然会影响这个过程由于气化剂。模拟结果相比对可用的技术数据具有良好的精度。因此,该模型是一个通用的、有用的计算工具来研究和优化煤合成天然气的过程。

1。介绍

煤是一种能量的主要来源,占世界能源供应的25% ~ ~ 40%世界发电。据预测,煤炭将继续扮演重要的角色在满足世界不断增长的能源需求在可预见的未来(1]。然而,煤炭的使用面临着诸多挑战,如清洁和高效的能源系统,碳储存和封存的挑战,由于开采环境影响(1,2]。煤气化在携入的流量反应堆蒸汽和/或氧气生产合成气(合成气),这是一个大部分是氢和一氧化碳的混合物(3]。因此,迫切需要从合成气生产燃料和化工产品提示这个热化学过程的研究3,4]。气化装置在发电厂生产燃气驱动燃气涡轮机。和化工厂收益率的气化合成气可以用来产生一个广泛的化工产品,如氨、甲醇、甲烷和液体燃料(5]。未来的植物将混合动力/化工厂与气化的关键单元操作;因此,热化学过程已经成为英超单元操作在能源和化学工业。因此,气化研究仍然是一个重要的主题(3,6,7]。

从煤炭的生产合成天然气哥伦比亚特别感兴趣的是一个过程,天然气的消耗被预见在未来几年由于越来越高的需求在过去的几年中(8];碳储量仍预见持续约90年(9,10]。这些储备在南美洲最高的煤炭储量。哥伦比亚是分布式的煤炭生产地区如下:50.92%,塞萨尔主要煤矿El Descanso,Calenturitas,La Loma和Jagua;38.87%拉希拉(从煤矿);3.57% Cundinamarca (Guaduas煤矿);3.21%的博亚(Tunja-Duitama,Sogamoso-Jerico,和Chinavita-Umbita-Tinaba煤矿);2.22%的北桑坦德(苏利亚,Cucuta,Tasajero,托莱多煤矿);和1.21%。因此,国家面临的主要挑战之一是找到如何增加价值的矿产资源环境下,效率和可持续性标准(1]。因此,本研究重点是建模的煤气化合成天然气生产过程通过携入的流动是一种很有前途的和清洁生产能源和燃料的替代方法。

几项研究的建模煤气化已发表在专业文献。Grabner和迈耶11]分析了气化过程在第一和第二热力学定律。目的是研究煤阶效应(标准和高灰分煤)气化炉技术(壳牌、西门子、德士古、康菲石油公司和高温Winkler-HTW)。(火用)效率越高被泥浆达到喂食和干燥技术与标准的煤炭。

Kunze和Spliethoff [12)和阿斯彭+开发了一个模型来模拟一个通用的气化炉携入的流。的目的是分析影响燃料供给系统,也就是说,干饲料和浆饲料对气化过程30条。他们发现更高的能源效率干饲料气化(83%)相比,浆饲料(72%)。Seifkar et al。13]研究了煤炭供应的影响和反应堆冷却系统流影响气化炉的过程。他们分析了三个系统:第一个包含干煤饲料和反应堆冷却用水,第二个是一个干煤饲料部分用水冷却,最后一个是一个煤浆饲料供应系统不制冷。作者讨论了与研究相关的优点和缺点的系统。

Maurstad et al。14)提出了一个模型与阿斯彭加描述一个植物整体煤气化联合循环(IGCC)和没有有限公司₂捕捉。他们进行了对比两种技术(干饲料和浆饲料)五种煤在IGCC电厂能源行为。他们发现IGCC电厂的热效率和权力减弱与煤阶浆饲料技术,而干饲料技术并没有受到影响。Yu et al。15)研究的影响在水煤气气化技术转移反应单元用于费流程。这项研究是由一个阿斯彭加模型的方法。他们表明,干饲料技术提出了更高的能源效率和较小的H₂/公司比关于浆饲料技术。普林斯et al。16)研究了不同的碳捕捉和封存方式IGCC电站的过程建模。干饲料技术分析了气化过程中因其更高的效率(82.3%)与泥浆对气化炉进料系统(大约75%)。

Bockelie et al。17]研究了合成气的组成和冷煤气效率两个商业气化炉使用计算流体动力学模型(CFD)。商业气化炉认为是壳牌(干饲料技术与气化阶段)和康菲石油(浆饲料技术与两个气化阶段)。作者突出了协议模型的仿真结果与文献中报道的数据。阿明(18和Silaen和王19]在携入的流动进行了气化过程的数值模拟反应堆。他们研究了操作参数的影响,如煤干燥喂食和浆系统、气化剂的类型、煤阶全球气化炉性能。他们强调,合成气热值(疱疹_合成气)高干燥系统技术。此外,碳转换效率和疱疹_合成气增加当氧气作为气化剂,因为氮气的惰性的影响空气被避免了。

以生物质为原料生产合成天然气通过气化,Vitasari et al。20.)开发了一个阿斯彭+模型进行(火用)分析不同类型的生物质(木、城市固体废物(USW)和污水污泥)。他们模拟了过程在不同的操作条件下,包括反应堆压力的变化以及甲烷化反应器的温度和压力。全球过程(火用)效率与木材53 - 58%;USW是42 - 46%和污水污泥被从47至57%。Tremel et al。21模拟一个小规模的工厂生产合成天然气通过间接蒸汽生物质气化。热生物质气化炉的输入为500千瓦。平衡下的模型开发方法使用阿斯彭加和考虑的吉布斯自由能最小化。他们研究了四种操作条件对能源效率的影响的过程。之间的比例合成天然气的能源和生物质值达到66 - 75%左右。这个指标增加正交char时用来喂蒸汽锅炉。

Heyne et al。22]研究了热集成现有的生物质蒸汽和权力之间循环(CHP)通过间接气化和合成天然气的生产过程。热植物建模和模拟通过阿斯彭加,并使用缩放技术进行了分析。过程全球效率达到90%左右,这表明通过间接气化合成天然气生产是可行的耦合CHP植物。

另一方面,从美国能源部的国家能源技术实验室进行了诊断商业气化炉携入的流。阿斯彭的分析是通过加上从14 IGCC电站模型和验证数据。IGCC电厂效率没有有限公司₂捕获了42.1%,39.7%,39%,壳,康菲石油公司和德士古。关于成本,没有公司IGCC电站的具体成本₂捕获约有2350美元美元/千瓦为康菲石油公司(浆饲料技术)和2710美元/千瓦美元壳(干饲料技术)23]。

煤的气化过程在不同操作条件下被广泛研究。这样做已经通过建模和仿真策略与软件工具,如阿斯彭+分析热化学过程或研究输入参数如何影响igcc的过程。根据文献引用,煤气化技术在合成天然气生产的影响使用阿斯彭+模型没有。因此,在当前的研究中,两种典型技术用于携入的流用干煤浆煤气化炉进料系统进行建模和仿真。重点放在燃料供给技术之间的相互作用和能量coal-SNG过程的输出参数,包括碳转换效率、冷煤气效率、过程和全球能源效率,合成天然气热值,沃泊指数,和权力。因为大多数修改文献没有深入模型的细节,本研究提出了作为额外的贡献,全面、完整的模型下的煤合成天然气过程热化学平衡在阿斯彭+开发。

2。方法

2.1。Coal-SNG过程描述:煤泥喂模式

完整的流程在携入的生产合成天然气通过煤气化流反应器与泥浆喂养系统包括几个阶段,如图1。第一阶段包括固体燃料入口进入系统与水泥浆混合后。典型的水泥浆的浓度是wt。约30 - 40%,这意味着煤炭燃烧所产生的热量的很大一部分将用于蒸发水气化炉在更高的压力。因此,湿饲料气化炉的冷煤气效率(CGE)预计将(8至10%)低于干饲料气化炉(12,16]。

携入的流气化炉建模有两个气化阶段,70%的泥浆质量流进入加压反应器(阶段2,图1)泥浆与氧气反应(纯度98%)。空气作为氧化剂的使用避免了由于高流速产生废气的氮量就越高。这个反应堆的合成气形成流向第二次加压反应器(阶段3,图1)反应发生与剩下的初始泥浆质量流量的30%。在第二个反应堆,没有氧气的补充。通过这种方式,煤炭液化作用是公司提升和降低反应₂H₂,和H₂O与char推动H的形成₂,CH₄,公司多数化合物(1)- (3)。考虑

气化炉的下游单位大多是标准气相过程(3]。合成气在气化过程中产生(阶段23,图1)经过分离器除去未反应的煤(阶段4,图1)。未反应的煤是重新投入到过程回收阶段1中字符。此外,在第五阶段(图1)合成气淬火冷却用水和相应的灰固化(渣的形成)。渣是从合成气在微粒去除系统中删除。根据粒度分布、颗粒物质清理过程可以包括飓风、静电除尘器、袋式过滤器。冷却和微粒去除后,合成气被送入水煤气转移反应堆(WGSR),氢的形成是提升(阶段6,图1)。通过添加蒸汽WGSR,一氧化碳和水对二氧化碳和氢(见(4))。这样,WGSR可以产生一个修改后的合成气与特定的摩尔比率H₂/公司通过调整任何反应堆进口流(蒸汽和/或合成气)。考虑

摩尔比H₂/公司的退出WGSR将取决于目标是整个工厂的过程;对二甲基合成,摩尔比率是理想的,而费流程需要一个比。生产合成天然气,摩尔的关系是首选21,24,25]。因此,第五阶段的合成气的一部分(图1)是绕过,只有60%至70%的合成气质量流经过WGSR。在化学应用,合成气体和/或氢是美联储下游化工厂。适合的二氧化碳封存(3),或者它也可以用作载体气体夹带流气化炉用干喂养技术(12]。在合成天然气生产计划(图1),合成气adjusted-molar比H₂/公司然后通过酸气体回收装置(AGR),它包含一个分离装置,可去除酸性气体(阶段7,图1)。在合成气AGR单位是酸性气体和其他杂质清理干净,形成上游在这个过程中,如北半球₃、盐酸、H₂年代,因为,H₂啊,和₂等等。清洗过程是必要的,因为下一个过程阶段(阶段8日图1)由催化反应器的性能高度依赖反应堆进口气体的质量(24]。此外,在减少环境在气化炉,硫和氮杂质出现,硫化氢和氨,分别。这两种化学物质可以很容易地使用污染物去除系统(即删除。,sulfur dioxide absorbers and NOx reactors) and are potentially valuable by-products to be used as well or as raw material for different chemical process, that is, a sulfuric acid plant production. In the current process, the outcoming gas from Stage 7 (Figure1)是构成主要由H₂和有限公司这种合成气adjusted-molar比率流的甲烷化阶段(阶段8日图1),甲烷形成提升(见(5))。即使额外的甲烷化反应器的反应可能发生,也就是说,(6),形成的甲烷(5)热动力青睐是因为反应器的操作条件(温度、压力)以及反应堆进口气体的组成和适应催化技术。模拟在这项研究中表明,在给定的条件下,反应的平衡常数提出(6)是22倍低于中给出反应的平衡常数(5)。因此,在假定没有重大错误(5)作为唯一的反应发生在甲烷化反应器。

阶段(图91)对应于合成天然气调节阶段。合成天然气冷却;因此,8(见(蒸汽形成的阶段5)是合成天然气冷凝和分离。这个街区的出口(阶段10,图1)对应于所需的天然气温度在50 - 60°C和高水平的甲烷浓度(合成天然气)。考虑

2.2。Coal-SNG过程描述:干煤模式

过程图通过煤气化生产合成天然气使用携入的流动反应器与干喂养技术呈现在图2。第一阶段代表了燃料系统入口和有限公司₂在一个气化炉携入的流。应该注意的是,与泥浆喂养技术相比,这个过程需要的煤气化炉的水分含量很低,在1%和2%之间。在干燥的饲养技术,气化炉包括一个反应堆(26(阶段2,图2)。所有剩余阶段干喂养技术对应泥浆中描述的类似阶段饲养技术(部分2.1)。然而,的合成气通过WGSR是不同的两种技术。在干燥的饲养技术,大约85% -95%的合成气质量流量通过水气比和合成气的其余部分是绕过酸气体回收装置(AGR)。这是因为合成气摩尔比率/ H₂离开气化炉在泥浆技术大约是1:1,而在干燥的合成气技术有限公司/ H₂摩尔比率大约是2:1。CO浓度越高的合成气离开气化炉用干喂养技术是归因于低数量的水在气化过程中,直接相关的H₂浓度。

2.3。测试燃料

哥伦比亚的化学表征煤用于这项研究提出了表1。根据ASTMD88-12标准,Sanoha煤炭被列为烟煤和Bijao煤是一种亚烟煤的B型煤。这些燃料用于验证模型与技术数据。

2.4。软件的选择

使用先进的模拟进行了过程工程仿真软件系统(阿斯彭加v7.3) (27]。阿斯彭加是一个过程建模软件适合各种稳态建模应用程序。目前,该软件被广泛应用于模拟气化过程,热电联产的植物,和polygeneration系统,它们与不同技术和燃料(12,28- - - - - -34,良好的工业数据之间的协议和那些使用阿斯彭模型确定了(35,36]。阿斯彭+软件提供了一个灵活的输入语言描述合成天然气的生产过程,包括它的组件,连接,和计算序列。使用阿斯彭+模型发展导致了一个更简单的方法,维护和更新,因为小的复杂和综合系统可以创建和测试作为单独的模块集成。它有一个广泛的物理属性数据库模型合成天然气生产过程的物质流(6,30.,33,37,38]。另外,阿斯彭加有很多内置的模型块(如加热器、泵、流混合器,流分割),其中一些可以直接用于这项工作。

3所示。阿斯彭+模型描述

3.1。假设

中使用的相对高温气化过程允许考虑动力学障碍最小化,这是发现气体混合物离开气化炉的方法来平衡(4,39]。因此,气化过程可以成功地通过一个热力学模型描述(27,40]。在这个工作中,全面平衡的方法是使用而忽略了水动力气化炉的复杂性。其他模型中假设:(1)静止的状态,(2)WGSR和甲烷化反应器equilibrium-isothermal反应堆,(3)字符应该是100%石墨(传统物质可在阿斯彭+数据库),(4)的灰分变成渣,和(5)的气化炉反应器模拟RGibbs绝热反应器。此外,调节煤(干燥)和空气分离装置将氧气作为气化剂在模型中不考虑。

RGibbs反应堆被选中,是因为这种类型的反应堆可以处理三个阶段在化学平衡的平衡组成,允许预测生产合成气通过最小化的吉布斯自由能21]。事实上,RGibbs反应堆的白杨,吉布斯自由能最小化原则已广泛采用代表气化反应(6,41- - - - - -43]。平衡产品潜在RGibbs反应堆中形成H₂O, N₂阿,₂H₂C公司有限公司₂,CH₄H₂年代,NH₃因为,盐酸,Cl₂(24,28]。这些物种允许通用仿真不同的合成气,根据输入参数。定义的物种可能形成于气化炉是基于以下考虑。(我)CH₄是唯一烃考虑在这工作由于更高的压力和温度4]。(2)中包含的硫煤被认为是主要转换成H₂年代,因为。少量的氯表明氯化物种形成只是盐酸和Cl的痕迹₂;,只NH (iii)的假设₃形式而不是氧化氮的生产已经由其他研究人员(44]。

3.2。煤合成天然气模型

本节讨论如何使用阿斯彭+模拟使用泥浆喂养技术通过煤气化合成天然气生产。同时,介绍了建模方法的主要差异干喂养技术。阿斯彭加过程流程图是分成五个层次(图3):泥浆制备(喂),气化(GASIFIC),水煤气转移反应堆(转移),酸性气体回收装置(AGR)和甲烷化(METHANAT)。每一个层次结构包括至少一个阿斯彭+内置块,在某些情况下,也就是说,在喂养的层次结构,还包括额外的Fortran子例程。

在干燥的饲养技术,主要流程图所示图非常相似3。流程图的干燥的饲养技术,进水口流有限公司所取代₂进口流。喂养方式都是赞赏的模型之间的差别在一些特定的层次结构如下所述。

3.2.1之上。喂养的层次结构

阿斯彭+模型用于模拟泥浆制备(摄食等级)是显示在图4。

喂养层次结构(图4)是用来模拟原料进口流程(流煤),是由只有煤收到的植物;也就是说,破碎过程和干燥过程都不考虑。原料是哥伦比亚煤的工业分析和元素分析表1。阿斯彭加不能处理非常规物质,和煤炭是一个非传统固体与复杂的大分子结构(45,46]。因此,煤流需要假设分解活性化合物,也就是说,其相应的成分(如C、H₂N₂阿,₂S Cl₂,和H₂O),基于其工业分析和元素分析。这是在收益率进行反应堆(RYIELD块,图4)[41,43- - - - - -46]。这个反应堆的收益率分布已经被FORTRAN语句指定在一个计算器块(47]。这些语句指定组件的质量流率的流s - 1,图4。然后由混合浆流进溪水的s - 1混合块MIXER-1,并驱动下一个过程阶段通过流TO-GASIF(图4)。流TO-GASIF树叶喂层次结构和变得GASIFIC层次结构的主要入口,形成,淬火,调节,模拟合成气的清洁。在内置的混合器块(MIXER-1),未反应的固体煤(char)气化过程阶段重新投入到过程。关于能源的另一边,与煤炭相关的反应热分解是由热量流1(图4)到下一个层次(GASIFIC,图3)[25,30.已经建模[],气化反应47]。然后,进一步的气化反应应用于煤的有效成分在同一焓的水平。

干喂养技术模拟时,阿斯彭+流程图喂养层次图中描述的很相似4;唯一的区别是使用有限公司₂进口流而不是进水口流,考虑原料的含水率低(1% - -2%)。

3.2.2。GASIFIC层次结构

图5是一个原理图的阿斯彭气化炉设备+模型(48,49]。气化设施由三个部分组成:一个反应堆,淬火和清洗系统(固体和液体从合成气删除)。建模的泥浆技术、气化系统由两个RGibbs反应堆(RGIBB-1 RGIBB-2,人物5)。流TO-GASIF来自喂养层次分为两个流由一块流因子(SPLIT1)。形成流s和s 3(图5wt)进行70% wt.和30%。(职责)的总物质流TO-GASIF。同样,热量流1分为两个热量流2和H-3流除数块(QSPLIT)图5。流2与入口流中的氧气反应RGIBB-1反应堆。质量流量的氧气流可以调整为了修改等价比率(ER)(见(7))或反应堆温度。流4(图5)提要第二RGibbs反应堆RGIBB-2和反应流s 3。通过这种方式,H的形成₂,CH₄和推广;看到(1)- (3)。流S-5(图5)是由混合然后淬火冷却的水入口流在阿斯彭WATQFEED +内置块MIXER-2和HEATER-1。下一步是块SSPLIT,它是用来模拟流因子。SSPLIT是一个阿斯彭+内置块,允许完全分离传统从常规化合物以及固体液体和气体。因此,SSPLIT分离常规固体和非常规的固体和来自反应器的气相(6,47]。传统固体对应未反应的煤或字符(字符流),以及非传统的固体主要是火山灰(流渣)。流CHAR是回收和反馈过程中喂养层次结构;相比之下,流渣排放的过程。剩下的湿气体混合物(流S-8,图5)然后驱动SEP-1块水回收模拟和clean-dry合成气驱动到下一个层次转移。9月单位中使用这个模型是白杨+内置块从混合物中分离物质的质量和能量平衡的标准没有任何热力学平衡计算。在一些商业气化炉,淬火是用于气体冷却和促进渣的形成。水力流中的水可以条件和重用WATQFEED或进水口流。

这种开发模型是有用的预测合成气成分和反应堆温度在不同的操作条件下,包括流量、组成、温度和饲料的材料以及操作反应堆压力。

模拟干喂养技术,阿斯彭+流程图GASIFIC层次结构使用一个RGibbs反应堆;因此无论是质量分割还是热的配电箱引入模型,和完整的TO-GASIF流以及完整的热火1流去RGIBB-1反应堆;参见图6。尽管如此,所有剩下的内置块干喂养技术(图6)对应于泥浆中描述的类似阶段饲养技术(图5)。

3.2.3。将层次结构

合成气从GASIFIC发送到转移的层次结构,其中WGSR模拟。如图7,通过内置旁路模拟流分流块(SPLIT-2)。浆的流S-9,饲养技术,有60%至70%的合成气流REQUIL反应堆。在这个反应堆,水煤气转移反应(见(4))。流S-11离开WGSR反应堆和流S-10(绕过)混合,冷却HEATER-2内置块。进口流蒸汽的质量流量调整,直到摩尔比率流ADJ-SYNG。这个比例调整,灵敏度分析工具支持的阿斯彭加使用。这个工具是在部分模型分析。流ADJ-SYNG离开转移和提要AGR的层次结构,气体净化过程的模拟。

一个类似流程图呈现在图7用于模拟水煤气转移过程的干燥的饲养技术。过程考虑到通过流S-9流合成气流的85% - -95%左右,而剩下的质量流绕过WGSR通过流S-10反应堆。

3.2.4。AGR层次结构

在这个模型中,酸性气体回收装置建模通过一个内置的9块(SEP-2)。的清理过程模拟合成气通过退休所有酸性气体和其他杂质形成的上游在这个过程中,人物8。这个阶段是相似的两种技术模拟(干和浆)。

如图8,ADJ-SYNG流来自转移层次分为ACID-G流(由H₂O, N₂H₂年代,NH₃、有限公司₂,因为)和TO-METHA流,由主要由CH₄,CO和H₂。流TO-METHA提要下一个层次结构,模拟甲烷化反应。

3.2.5。METHANAT层次结构

流TO-METHA即将到来的AGR是METHANAT驱动的层次结构,促进甲烷形成的模拟。如图9,流TO-METHAN送入一个平衡电抗器(REQUIL-2)有限公司和H₂反应形成CH₄和H₂O(见(5))。冷凝在流S-14退役,而气态产品是由流12到加热器(HEATER-3)气体冷却,发送到9单元(SEP-3)。SEP-3分离器,分离过程模拟合成天然气和水之间。有限公司₂和任何其他可能的剩余杂质被流施退休。通过这种方式,流合成天然气(图9)包含所需的气体产品与高甲烷浓度。

在这个层次,没有模型过程差异泥浆喂食和干燥技术;因此,干喂养技术是模拟使用相同的图模型(图9)。

3.3。能量参数

能源指标估计特征通过煤气化合成天然气生产使用哥伦比亚煤为原料。这些参数是有用的分析过程中喂养燃料系统技术的功能。这种能量指标的描述如下所示。

(我)等价比率(ER), (7),占氧煤比的热化学过程。ER > 1是一个很好的过程而ER < 1表明rich-fuel进程或不完全燃烧。呃= 1表示化学燃烧,所有燃料气化炉的完全氧化,变成了H₂O和有限公司₂。考虑 在哪里和的入口质量流量氧气和煤,分别。呃_stq是化学当量比(见(8))计算理论燃烧反应(见(9))。考虑 在哪里代表一个递归的燃料替代公式估计在干燥的基础和灰免费;和分别是氧气的分子量和煤炭。

(2)煤炭转换效率(CCE %), (10),是数量之间的比例(质量)的合成天然气的出口流程和煤炭的数量(质量)在进口的过程。考虑 与替代天然气的质量流量过程。

(3)冷煤气效率(%),或气化过程的能源效率,(11)之间的比例从气化炉合成气能量流离开和煤炭能源流喂到流程中。考虑 在哪里的质量流量从气化炉合成气离开;疱疹_煤炭是高热值的煤,收到包括灰分和水分含量;疱疹_合成气的高热值合成气流离开气化炉(湿基),(12)。考虑 与=质量分数(湿基);=每一个气态物种合成气能源内容考虑,即有限公司H₂,CH₄C₂H₄C₆H₆H₂年代,NH₃;疱疹_我值从文学和展示在表2(50]。

(四)流程效率(,%),(13),是能量转换的效率的合成气合成天然气,估计之间的比例合成天然气的能源流离开的过程和合成气能源流离开气化炉,它产生的地方_{合成天然气}是合成天然气的热值越高。考虑

(v)全球效率(,%),(14之间的比率),被定义为在合成天然气能源流离开了煤流过程和能量喂养过程,也就是说,煤炭转化合成天然气的能源效率。考虑

(vi)合成天然气的高热值(疱疹_{合成天然气}),(15),占气体的质量过程。据估计气体摩尔分数的产品合成天然气的能量流。考虑 与=摩尔分数;=每一个气态物种的能量被认为是合成天然气,即有限公司H₂,CH₄。

(七)沃泊指数,WI (MJ / Nm³),(16),占气体的可交换性。根据沃泊指数,可以知道合成天然气质量很好的被天然气管道运输,与密度(在标准条件(1 atm, 15°C)。考虑

(八),(千瓦),(17),指的是一个参数合成天然气力量,据估计之间的产品合成天然气产生的质量流率(公斤/ s)及其高热值(疱疹_{合成天然气}焦每千克)。考虑

3.4。模拟条件

表中给出的质量流率3是用来验证模型。目的是为了模拟分析模型精度通过煤气化合成天然气生产。(即操作条件。,temperature and pressure) for reactors and other facilities (Table4)被从可用的技术报告51)或认为在这部文学作品根据仿真结果。仿真条件定义生产大约100 MMFCD合成天然气。因此,气化炉的压力高于40条由于这项工作的目的是研究一个真正可行的过程(52]。

能量参数,如疱疹_合成气和疱疹_{合成天然气}、煤炭转换效率、冷效率、过程效率,全球效率,沃泊指数和力量(见(12)- (17),直接估计在阿斯彭+模型通过计算器的Fortran语句块。等价比率估计作为一个气化炉的运行状况,从而反应温度。

4所示。结果与讨论

在本节中,仿真结果为合成天然气合成两个哥伦比亚煤(Bijao和Sanoha)相比,可用数据使用泥浆和干喂养技术从技术报告(51]。仿真结果包括合成气合成天然气成分,合成天然气流动(质量和体积流),和能量参数。这些结果是有用的比较喂养技术以及燃料规格(哥伦比亚煤阶)通过煤气化合成天然气生产。

两个全局参数估计的质量提出了仿真结果,并与参考数据在不同作品中,均方根偏差(RMSD)或均方根误差(RMSE)和相对误差(RE) [53,54]。这些参数被认为是在这个工作对引用数据分析模型的准确性。RMSD有单位的每个参数分析和表达的再保险是百分比(%)。介绍了再保险之间的平均误差估计和合成气中各气体的形式报道,对于煤炭类型和饲养技术。考虑

4.1。合成气和合成天然气成分

模拟合成气成分的饲养技术验证与技术报告数据相比,如表所示5。来估计模型的行为,表示和展示在同一个表。每个硬币都比较参数估计在气(合成气和合成天然气)包括煤炭类型和喂养技术相同的微积分。

的连贯的行为模型来预测物种浓度较高的合成气流。H的再保险₂有限公司和有限公司₂模拟与参考数据从6.6%到18%不等。这是确认表5的低RMSD这些气体的体积浓度的物种。例如,RMSD H₂表明该模型预测不同±5.3%卷;这个值较低与H₂浓度在携入的流气化炉生产模拟。RMSD股份有限公司和有限公司₂以类似的方式表现。然而,模型不能预测精度较低的物种浓度(N的痕迹₂,CH₄,在北半球₃在合成气,COS)由于其较高的再保险。这也证实了RMSD显示在表5。模型变异性较高对微量浓度达到模拟气化技术。

重要的是要强调气化炉的温度操作中没有可用的参考工作,因此可能是一个重要的参考和模拟数据之间的误差来源。

关于疱疹_合成气(湿基)基本能量参数的气化过程,强调的是模型能够预测前后一致地这个因素,因为它是13%和其在±1.6 MJ / Nm RMSD不同³。高热值约10 MJ / Nm³对原材料和技术模拟。这些结果非常类似于其他煤气化报告,使用化学平衡方法进行模拟24]。

尽管低精度模型的估计痕迹,但考虑到它_合成气随着全球过程的参数,可以表现状态,气化模型前后一致地在不同煤类型和原料喂养技术。

表6比较之间的合成天然气成分模拟条件在这工作和报告数据51]。表7显示了合成天然气生产的质量和体积流量以及疱疹_{合成天然气}(见(15)),沃泊指数(见(16),(见(17))。

甲烷浓度的模拟合成天然气技术(表相媲美6)独立于煤炭类型。合成天然气的平均RMSD作文卷±1.8%,平均相对误差之间的报道和模拟数据是低于2%。然而,CH的收益率₄与泥浆喂养技术往往是由于两个气化阶段略高。甲烷成分的模拟合成天然气技术接近哥伦比亚的天然气成分希拉地区(约97%的CH卷₄)。

另一方面,在模拟的情况下,模型不能预测的痕迹浓度H₂N₂、有限公司₂在合成天然气来源。模拟数据对这些物种的再保险与参考数据高于65%。这个表中可以看到6,痕迹的RMSD较高而在气化过程中产生的浓度。然而,重要的是要强调相对较小震级为H₂基于“增大化现实”技术,N₂、有限公司₂浓度水平(低于2%)卷对CH₄浓度合成天然气(98%到94)卷。因此,微量浓度的影响可以忽略不计的能量参数估计中4.2。

4.2。作为气体燃料合成天然气生产和质量

尽管低精度预测模型合成天然气流的痕迹,在桌子上7,它可以观察到它_{合成天然气}由模拟计算几乎是等于Sanoja和Bijao哥伦比亚煤(独立于喂养技术),在这两种情况下它_{合成天然气}非常类似于在文献中报道的数据。它的平均相对误差_{合成天然气}低于2%;这可以解释由于类似的CH₄内容(表6从甲烷化阶段获得的)。因此,饲养技术不会对它造成影响_{合成天然气}。根据疱疹_{合成天然气}和WI_{合成天然气}表中给出7,模拟合成天然气可以归类为高质量的天然气(NG),它可以由天然气管道运输(煤和技术)22]。高质量的分类是由于它产生的空白_{合成天然气}和WI_{合成天然气}参数之间的范围由哥伦比亚监管规范定义的。疱疹_NG必须在35.4和42.8 MJ / m之间³和47.7 - -52.7 MJ / m³(55]。因此,合成天然气生产和分布可用于交通、电力、工业和国内和热生成系统(21]。因此,合成天然气有助于满足越来越高的需求在哥伦比亚的气体燃料。

它是证明表7对饲养技术的模拟合成天然气生产从哥伦比亚煤炭气化没有显示显著差异(在质量或体积流流动)相比,参考报告51]。这是由于不同的连贯的再保险在2.7%和4.2%之间。因此,这项工作中所开发的模型可以被认为是计算工具来研究煤合成天然气的过程。模拟和参考数据之间的差异可以归因于不可用的蒸汽流量报告数据(表4),其发病率在全球质量平衡。

关于合成天然气的力量(表7),预期之间的值计算误差边界由于质量流量和高热值差异模拟和数据报告。权力是高估了9.5%与煤不依赖技术。越高势能获得Sanoha煤由于其优质的燃料(表1)。

4.3。质量和能量效率

碳转换效率(CCE)呈现在图10。可以看出Sanoha煤往往给更高的煤转换,尤其是泥浆喂养技术。这可以解释为高挥发分煤(表的内容1);由于泥浆饲养技术,两个气化的第一个阶段是在较高的温度下气化炉干喂养技术(表4)。

模拟CCE的区别和技术报告数据约为3.5%。此外,模拟数据同意生物质气化收益率在文献中报道,约26%公斤CH₄/公斤木头(25]。CCE的差异在3% - -4%之间的煤炭和木材为原料可以用煤炭来解释更高的固定碳对于木材或生物量。

它是观察从图11冷煤气效率略高的干喂养技术,如预期根据文献[12]。这种趋势是由于泥浆饲养技术要求更多的能量自热过程蒸发水气化炉。然而,相关报道和模拟数据之间的差异几乎是毫无意义的,独立于煤或模拟技术。

图12显示了泥浆喂养过程效率更高的技术与干喂养技术相比,独立于煤炭。这解释是因为甲烷含量较高,合成气从泥浆技术产生更高的合成气质量送入反应器催化甲烷。同样的趋势在全球效率的比较,观察到图13。

从数据10- - - - - -13,它可以观察到,即使效率估计的仿真与干燥技术略低于同泥浆喂养技术之间的平均误差模型和技术报告还不到5%。很明显,这个过程效率(图12)高出3% Sanoha煤对Bijao煤。这是由于Sanoha煤炭质量等级高于Bijao煤(表1)。

这个过程和全球效率更高的泥浆喂养技术(数字12和13)。这是由于更高的合成气中氢气浓度浆饲料技术对干饲料生产技术(21]。

泥浆喂养技术往往是更有效的比干喂养技术在煤合成天然气的过程模拟工作。这些参数的差异并不在煤阶的函数。冷煤气效率类似于所有模拟病例稍微改进干喂养技术。气化效率更好Sanoha煤由于其固定碳含量和更高的疱疹_煤炭(表1和5)。

RMSD估计会计的所有数据。低模拟和报告数据之间的差异,为煤炭使用两个不同的饲养技术,被发现。这些值显示良好的协议与本研究中描述的模型模拟数据,从文献报道数据。因此,本文中的模型构成了一个有价值的和通用的工具来研究固体燃料的热力学性能通过气化合成天然气的过程。

5。结论

一个模型来模拟合成天然气生产通过煤气化过程已经使用阿斯彭+开发软件。模型考虑两种不同的典型技术供应燃料的气化过程。水煤浆干燥煤的喂养系统。该模型可以模拟不同的固体燃料类型。因此,使用两种不同的哥伦比亚煤的影响,Bijao Sanoha,被认为是在这个工作。

全球对比报道和模拟数据提出了一种平均相对误差低于13%。因此,开发模型能够预测合成气的组成和加热值和合成天然气合成天然气质量和能量参数的过程和趋势。这项工作中给出的计算模型和在阿斯彭加v7.3开发软件可用于获得一个基本的工程和优化过程的理解,即使扩大。

根据模拟过程,发现煤阶不明显影响能源指标,如冷气体,过程,和全球效率。然而,饲养技术显然对这些能量参数产生影响。泥浆喂养过程和全球效率更高技术、冷煤气效率高时干喂养技术;这些结果同意文学。根据疱疹_{合成天然气}WI,模拟合成天然气来自煤和两种技术都可以归类为高质量的NG在哥伦比亚。因此,气体燃料可由天然气运输管道和合成天然气有助于满足越来越高的需求在哥伦比亚的气体燃料。

由于该模型可以用于分析各种类型的夹带流反应器不同的操作条件下,它可以被认为是一个多才多艺的和有用的计算工具来优化煤合成天然气过程。在未来的工作中,灵敏度分析的影响哥伦比亚煤阶(亚烟煤的半无烟煤)将进行。

命名法

AGR:	酸性气体回收装置
CCE:	煤炭转换效率(%)
CGE:	冷煤气效率(%)
d.b:	干基
呃:	当量比(-)
呃stq:	化学计量等价比率(-)
疱疹:	高热值()
IGCC:	整体煤气化联合循环电厂
:	质量流量(公斤/ s)
:	分子量(公斤/ kmol)
MMFCD:	每天数百万立方英尺
:	递归的分子分指数燃料替代公式
:	热功率合成天然气(千瓦)
:	相对误差
:	平均相对误差
表示:	根均方偏差(-)
:	Reserves-to-production比率
合成天然气:	合成或替代天然气
中国:	城市固体废物
焊接连接的阀盖。	湿基
WGSR:	水煤气转移反应堆
:	物质的质量分数(-)
:	物质的摩尔分数(-)
WI:	沃泊指数()
:	冷煤气效率(%)
:	全球效率(%)
:	流程效率(%)
:	假设的化学计量系数(摩尔)
:	密度()。

阿斯彭+模型层次结构的缩写

AGR:	层次结构对酸性气体回收装置
喂养:	层次结构泥浆制备
GASIFIC:	层次结构对气化阶段
METHANAT:	层次结构对甲烷化阶段
转移:	层次结构水煤气转移反应堆。

阿斯彭缩写+模型内置块

HEATER-1、HEATER-2 HEATER-3:	加热器单元
MIXER-1、MIXER-2 MIXER-3:	混合单元
REQUIL-1 REQUIL-2:	平衡反应堆机组
RGIBB-1 RGIBB-2:	吉布斯反应堆机组
RYIELD:	收益率反应堆单元
SPLIT1, SPLIT-2、QSPLIT SSPLIT、SEP-1 SEP-2, SEP-3:	单位或流因子单位分离。

阿斯彭+模型流缩写

ACID-G ADJ-SYNG, CHAR、二氧化碳、煤炭、COND-1, COND-2, 2, H-3,热火1,氧气,s - 1, 2, s 3, 4, S-5, s - 6,清晰地显示S-7, S-8, S-9, S-10, S-11, 12、13, S-14,施特,渣,合成天然气、蒸汽、合成气,TO-GASIF, TO-METHA,水,水力,WATQFEED。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢哥伦比亚公司的能量Celsia S.A. ESP的财政支持项目:开发和验证的计算模型来模拟生产合成天然气通过煤气化与阿斯彭加:哥伦比亚煤效果等级(西班牙语)代码:PI12-1-05。

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