Rajul Nayak, Raju K Mewada - Моделирование процесса газификации угля с использованием ASPEN PLUS

1. Введение

Спрос на энергию растет с каждым днем на национальном или международном уровне. Ввиду ограниченного количества жидкого топлива с точки зрения запасов нефти исследователи заинтересованы реакцией Фишера Тропша. Из многих реакторов, именно РПС (реактор с псевдоожиженным слоем) показал лучшую производительность при отводе/подводе тепла. Процесс синтеза Фишера Тропша обеспечивает полный спектр топлива, получаемого газификацией угля. Большое количество исследователей работают в этой области.

Явление флюидизации очень сложно, и реакция в реакторе с псевдоожиженным слоем является еще одной проблемой. Желательно понять и предсказать состав продуктов, полученных в реакторе с псевдоожиженным слоем, в наилучших возможных условиях эксплуатации. В этой статье описываются явления газификации угля, а имитация газификации угля проводилась с использованием симулятора Aspen Plus.

Сотуде-Гаребаах вообще разработал всеобъемлющую модель для сжигания угля в циркуляционной камере сгорания с псевдоожиженным слоем (ЦКСПС). Предлагаемая модель объединяет гидродинамические параметры, модель реакции и кинетические подпрограммы, необходимые для моделирования сжигания угля в ЦКСПС. Разработаны кинетические выражения для скоростей горения угля. Модель реакции, которая учитывает только важные этапы сжигания угля были смоделированы с использованием четырех реакторных моделей ASPEN PLUS и нескольких подпрограмм [1].

Йонг Ким проводил имитационное исследование газа-жидкости (природного газа для синтетического топлива Фишера-Тропша), чтобы найти оптимальные условия реакции для максимального производства синтетического топлива. Для моделирования использовалось программное обеспечение Aspen HYSYS. Оптимальные условия реакции для установки ФТ определяли путем изменения реакционной переменной, такой как температура [2].

2. Газификация угля

Газификация угля - это процесс взаимодействия угля с кислородом, паром и двуокисью углерода с образованием газообразного продукта, содержащего водород и монооксид углерода. Газификация - это, по сути, неполное сгорание [3].

Газификация относится к группе процессов, которые выдвигают на первый план превращение твердого или жидкого топлива в горючий газ в присутствии или в отсутствии агента газификации. Обычно это осуществляется путем реакции топлива, такого как уголь, биомасса, масло или кокс, с минимальным количеством кислорода, часто в сочетании с паром. Тепло, выделяемое из экзотермических реакций топлива и кислорода, поддерживает газификатор при рабочей температуре и управляет реакциями эндотермической газификации, происходящими внутри газификатора. Мы можем использовать пар в качестве газифицирующего агента только в том случае, если мы можем обеспечить внешний источник тепла, который продвигает эндотермические реакции вперед. Забота о климатических изменениях вызвала интерес к газификаторам с псевдоожиженным слоем, как один из популярных вариантов газификации, занимающих почти 20% своего рынка [4].

Рисунок 1 – Реактор с псевдоожиженным слоем

Газификация определенно имеет некоторые важные преимущества перед прямым сгоранием. Когда топливо обрабатывается, объем газа, получаемого при газификации, значительно меньше по сравнению с газом сгорания. Уменьшенный объем газа нуждается в меньшем оборудовании, что приводит к снижению затрат. Газификация определенно является привлекательным вариантом для удаленных мест. Однако один из важных недостатков газификации связан с пониженной эффективностью преобразования углерода, благодаря которой в топливе остается некоторая часть топливной энергии [9].

2.1 Преимущества газификаторов с псевдоожиженным слоем

• Возможность изменения соотношения воздух-топливо, которое помогает контролировать температуру слоя.
• Газификаторы с псевдоожиженным слоем более приспособлены к изменению исходного сырья по сравнению с другими типами газификаторов.
• Они поддерживают равномерные радиальные профили температуры и избегают проблем с шлакообразованием.
• Более высокая пропускная способность топлива по сравнению с другими газификаторами.
• Улучшена передача массы и тепла из топлива.
• Высокая теплотворная способность.
• Уменьшение зашлакованности [3].

2.2 Недостатки газификаторов с псевдоожиженным слоем

• Окислительные условия создаются, когда кислород диффундирует от пузырьков к фазе эмульсии, тем самым снижая эффективность газификации.
• Потери, возникающие из-за увлечения частиц [3].

В газификаторе уголь подвергается ряду химических и физических изменений: сушка угля, сухая перегонка или пиролиз, сжигание, газификация угля.

2.3 Сушка угля

При температуре частицы около 105 °C большая часть влаги вытесняется при нагреве угля. Сушка является быстрым процессом и может быть по существу закончена, когда температура достигает 300 °C, в зависимости от типа угля и метода нагрева.

2.4 Сухая перегонка или пиролиз

На сухую перегонку или пиролиз приходится большая процентная потеря веса угля, которая происходит быстро на начальных этапах нагрева угля. Во время этого процесса лабильные связи между ароматическими кластерами в угле расщепляются, образуя фрагменты молекулярной массы, намного меньшие, чем уголь. Фрагменты с низким молекулярным весом испаряются и выходят из угольной частицы, образуя легкие газы и смолу. Фрагменты с высокой молекулярной массой, и, следовательно, низким давлением паров, остаются в угле в типичных условиях удаления летучих компонентов, пока они не прикрепятся к решетке полукокса. Твердый продукт, оставшийся после удаления лутучих, называется кокс [2].

2.5 Сжигание

Уголь в атмосфере кислорода подвергается горению. В газификаторах частичное сжигание происходит в кислородно-дефицитной или восстановительной атмосфере. Газификаторы используют 30-50% кислорода, теоретически требуемого для полного сгорания двуокиси углерода и воды. Окись углерода и водород являются основными продуктами, и лишь часть углерода в угле полностью окисляется до углекислого газа. Реакция горения записывается в общем виде следующим образом, где λ изменяется от 0 (чистый продукт CO₂) до 1 (чистый продукт CO). Величина λ зависит от условий газификации и обычно близка к 1.

(1 - λ)C + O₂ → 2λСО + (1 - λ)СО₂

Тепло, выделяемое при частичном сжигании, обеспечивает основную часть энергии, необходимой для проведения эндотермических реакций газификации.

2.6 Газификация угля

Кислород быстро потребляется в зоне горения, которая занимает небольшой объем реактора. Дальнейшая конверсия угля происходит через гораздо более медленные, обратимые реакции газификации с CO₂, H₂O и H₂.

C + CO₂ → 2СО

C + H₂O → СО + H₂

C + 2H₂ → CH₄

CO + H₂O → СО₂ + H₂

3. Синтез Фишера-Тропша

Синтез-газ, полученный из газификации угля или из природного газа путем частичного окисления или парового риформинга, может быть превращен в разнообразные транспортные топлива, такие как бензин, авиационное турбинное топливо и дизельное топливо. Процесс Фишер-Тропш, который преобразует синтез-газ в сильно алифатические углеводороды по сравнению с катализатором железа или кобальта, широко используется для этого применения. Процесс был успешно выполнен в Германии во время Второй мировой войны и используется на коммерческой основе на заводах Sasol в Южной Африке [6].

Процесс Фишера-Тропша (ФТ) является одной из передовых технологий конверсии биотоплива, которая включает газификацию сырья, очистку и кондиционирование полученного синтез-газа и последующий синтез в жидком (или газообразном) биотопливе [8]. Синтез Фишера-Тропша чрезвычайно интересен тем, что синтез-газ, полученный из угля, может производить жидкие транспортные топлива, такие как бензин (C5-C12) и дизельное топливо (C12-C20). Типичные рабочие давления для синтеза ФТ составляют 15-40 бар, в то время как выделяются два температурных режима: высокотемпературный (300-350 °C) и низкотемпературный синтез Фишера-Тропша (200-260 °C) [7,12].

Рисунок 2 – Реакция Фишера-Тропша

Уголь сжигается для получения моноксида углерода и пар диссоциирует с горячим углем для получения водорода, как показано в следующих уравнениях «сдвиг водяного газа»:

C + Н₂О → СО + Н₂ и СО + Н₂О → СО₂ + Н₂

Синтез Фишера-Тропша происходит посредством двух одновременных реакций, способствующих контакту СО и Н2 с катализатором:

2Н₂ + СО → -СН₂- + Н₂О и СО + Н₂О → СО₂ + Н₂

который может быть упрощен как:

2СО + Н₂ → -СН₂- + СО₂

Следующая диаграмма представляет собой процесс уголь-жидкость (УЖ).

Рисунок 3 – Процесс уголь-жидкость

4. Моделирование

Модели рассмотренных процессов разрабатываются с использованием Aspen Plus в качестве имитатора процесса. Различные этапы, рассмотренны в моделировании ASPEN PLUS для того, чтобы показать общий процесс газификации, - это разложение сырья, летучие реакций, газификация угля и разделение газа и твердого тела.

При моделировании процесса газификации были учтены следующие допущения:

• Процесс является устойчивым и изотермическим.
• Сухая перегонка угля происходит мгновенно, а летучие продукты в основном состоят из H₂, CO, CO₂, CH₄ и H₂O.
• Уголь содержит только углерод и золу

4.1 Разложение угля

RYIELD - реактор ASPEN PLUS, используется для имитации разложения сырья. На этом этапе уголь превращается в его составляющие компоненты, включая углерод, водород, кислород, серу, азот и золу, путем определения распределения выхода продуктов в соответствии с окончательным анализом [8, 10].

4.2 Летучие реакции

Реактор АSPEN PLUS Гиббса - RGIBBS, используется для горения, в соответствии с предположением, что летучие реакции следуют за равновесием Гиббса. Масса состоит в основном из C, H, N, O, S, Cl, золы и влаги. Углерод будет частично составлять газовую фазу, которая принимает участие в удалении летучих веществ, и оставшийся углерод содержит часть твердой фазы (кокс), что приводит к газификации угля.

Модель сепаационной колонны используется перед реакцией RGIBBS для разделения летучих и твердых веществ для протекания летучих реакций. Количество летучих веществ может быть определено из приблизительного анализа угля. Кроме того, учитывая предположение, что уголь содержит только углерод и золу, количество углерода в летучей части может быть рассчитано путем вычитания общего количества углерода в чаше из общего углерода в угле.

4.3 Газификация угля

Стехиометрический реактор ASPEN PLUS RSTOIC выполняет газификацию путем указания реакций газификации [8,9,10].

Рисунок 4 – Схема процесса газификации угля в кипящем слое

В таблицах (рис.5, 6) показаны исходные материалы, то есть состав угля и параметры экспериментальной установки, используемые при моделировании.

Рисунок 5 – Состав угля, определенный в Aspen Plus

Рисунок 6 – Параметры экспериментальной установки

5. Результаты и обсуждение

5.1 Образование продукта

В стехиометрическом реакторе будет происходить газификация угля. Основным продуктом является синтез-газ, то есть H₂ и CO вместе с другими компонентами, такими как H₂O, N₂, S, SO₂, SO₃, Cl₂, HCl, CO₂, CH₄ и зола, которые необходимо разделить. Поток представляет собой выходной поток RSTOIC, то есть поток S6. Расход массы всех этих компонентов приведен в таблице (рис. 7).

Рисунок 7 – Результат реактора Outlet Stream S6

После образования продукта генерируемые компоненты находятся в газовой и твердой фазе. Поэтому для разделения этих двух фаз предусмотрен циклонный сепаратор, который будет разделять газы, представленные потоком GASOUT и твердыми веществами, которые представлены потоком SOLIDS из выходного потока реактора.

Поскольку наш основной продукт представляет собой только синтез-газ (H₂ и CO), поэтому предусмотрен простой сепаратор, который будет разделять другие газообразные продукты, которые показаны потоком S8, а поток S9 содержит только H2 и CO, которые могут быть использованы для синтеза Фишера-Тропша, чтобы производить различныхе синтетические топлива для следующего этапа. В таблице (рис. 8) представлены массовые скорости потока каждого компонента для каждого потока.

Рисунок 8 – Результаты скоростей потока

5.2 Анализ модели

Влияние вариации потока пара (при более низких расходах и более высоких соотношениях пара и угля) на составную газовую смесь: расход кислорода = 10 кг/ч; расход угля = 5 кг/ч; скорость потока пара = 5 кг/ч. Изменение скорости потока пара на составном газообразном продукте показано на рис. 9.

Рисунок 9 – График состава газообразного продукта в зависимости от отношения пара к углю

Наблюдается снижение тенденции в составе газообразного продукта всех составляющих, но уменьшающийся эффект значителен при использовании более высоких значений пара.

6. Выводы

С помощью ASPEN PLUS проведено моделирование, рассмотрен образец угля, используя его ближайший и окончательный анализ, и изучено влияние различных рабочих параметров на состав газообразного продукта.

Испытания проводились путем изменения скоростей потока пара, тем самым изменяя отношение пара к углю, тогда как скорость потока угля и все остальные параметры оставались постоянными. Наблюдалась тенденция снижения состава газообразного продукта всех составляющих (рис. 9), но уменьшающийся эффект был значительным, когда использовались сравнительно более высокие значения пара. Крайне низкий состав СО₂ можно объяснить упрощениями, используемыми при моделировании.Существует конкуренция между несколькими реакциями газификации для достижения завершения, поэтому очень трудно получить доступ к составу газообразного продукта, так как это также зависит от рабочих параметров. Цель газификации диктует наличие или отсутствие газифицирующего агента. Симулятор ASPEN PLUS обеспечивает большую помощь в доступе к производительности работы устройства.

Перечень ссылок

1. R Sotudeh-Gharebaagh, R Legros, Simulation of Circulating Fluidized Bed Reactors using ASPEN PLUS , Elsevier, PII: SOO16-2361(97)00211-l
2. Yong Heon Kim, Ki-Won Jun, Hyunku Joo, Chonghun Han, A simulation study on gas-to-liquid (natural gas to Fischer–Tropsch synthetic fuel) process optimization, Chemical Engineering Journal 155 (2009) 427–432
3. Daizo Kunii, Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Second Edition, Chap 1 , pg no: 1 to 5 Elsevier Publication,ButterworthHeinemann, Elseiver , New York, 1991.
4. Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Coal Conversion Processes, Gasification Standard Article by Lawrence J. Shadle, David A. Berry, Madhava Syamlal, U.S. Department of Energy, Wiley Interscience, November 15, 2002
5. Mohit Mohan Sahu, Project Report on Simulation of Process Parameters and Bed-Hydrodynamic Studies For Fluidized Bed Gasification Using Aspen Plus, National Institute of Technology, Rourkela, 2011
6. Fischer-Tropsch Fuels from Coal, Natural Gas, and Biomass: Background and Policy, CRS (Congressional Research Service) Report, Anthony Andrews, Jeffrey Logan, March 27, 2008
7. Brahmotri Sahoo, Project Report on The effect of parameters on the performance of a Fluidized Bed Reactor and Gasifier, National Institute of Technology, Rourkela, May-2011
8. Mehrdokht B. Nikoo, Nader Mahinpey, Simulation of biomass gasification in fluidized bed reactor using ASPEN PLUS , Elsevier, Biomass and bio energy 32 (2008)1245–1254
9. Xu Hao, Martina Elissa Djatmiko, Jie chang, Research Article on Simulation Analysis of a Gas-to-Liquid Process using Aspen Plus, Chem. Eng. Technol. 2008, 31, No. 2, 188-196
10. Maria Sudiro, Alberto Bertucco, Production of Synthetic Gasoline and diesel fuel by alternative processes using natural gas and coal: Process Simulation and Optimization, Elsevier, Energy 34 (2009), 2206-2214
11. Kezhong Li, Rong Zhang, Jicheng Bi, Experimental Study on syngas production by co-gasification of coal and biomass in a fluidized bed, Elsevier, International Journal og Hydrogen Energy 35 (2010) 2722-2726
12. Zwart RWR, Boerritger H. High efficiency co-production of synthetic natural gas (SNG) and Fischer–Tropsch (FT) transportation fuels from biomass. Energy & Fuels 2005;19:591–7.