煉焦過程模擬與分析

煉焦過程模擬與分析

焦爐工業(yè)模擬在焦洗過過程中，焦洗過的過程是以焦為原料，通過高溫干燥化學生產(chǎn)焦棕酸、焦油等化學品。焦爐是煉焦的核心熱工設備，以水平室式結(jié)構(gòu)為主，多應用于冶金行業(yè)現(xiàn)代焦爐向著設備大型化、產(chǎn)能高效化、技術現(xiàn)代化發(fā)展，其中焦爐大型化的核心問題是實現(xiàn)焦爐均勻加熱、源頭減排污染物、提高勞動生產(chǎn)率及物質(zhì)和能量的循環(huán)利用率本模擬在分析焦爐工業(yè)操作參數(shù)的基礎上1流程模擬1.1炭化室高度以武漢科技大學設計院設計的WKD6050D型焦爐為模擬對象，其炭化室高度為6000mm，平均寬500mm，加熱水平高度為805mm，單孔裝煤量為42.22t。應用AspenPlus模塊重構(gòu)，基于焦爐一組炭化室及燃燒室建立模擬煉焦過程1.2流股組分的確定本模擬流程中物流主要有煤、焦炭、荒煤氣，流程的進料組成與狀態(tài)參數(shù)的輸入是模擬的起點。但焦化過程的原料、產(chǎn)物均為復雜混合物，以產(chǎn)物荒煤氣為例煤是以有機質(zhì)為主，由不同分子量、不同化學結(jié)構(gòu)的一組“相似化合物”組成的混合物，難以建立起確定的組分組成，因此對煤的模擬采用兩個子物流：NCPSD與MIXCISLD，且在模擬中選擇MIXNCPSD流股等級。對煤流股的建模中，采用其Proxanal工業(yè)分析（見表1）、Sulfanal硫分析（見表2）、Ultanal元素分析數(shù)據(jù)（見表3），應用PSD粒度分布定義煤粒大小，其中120μm～140μm占10%,140μm～160μm占20%,160μm～180μm占30%,180μm～200μm占40%，由此模擬實際工業(yè)流程中的粉碎機等機械裝置，并根據(jù)焦爐生產(chǎn)量確定煤流股的流率，根據(jù)實際操作參數(shù)設定溫度和壓力，確定煤流股的進料狀態(tài)參數(shù)?；拿簹饨M成簡化模擬見表4。煤焦油主要組分模擬1.3物理方程模型的選擇煉焦過程溫度在1000℃以上，生成焦炭同時產(chǎn)生大量荒煤氣，后者主要成分是H2結(jié)果與討論2.1噴射模擬2.1.1煤調(diào)濕反應器干餾過程臨時轉(zhuǎn)化率的模擬采用煤調(diào)濕預處理煤料，可穩(wěn)定煤料水分，增加煤的相對密度，減少結(jié)焦時間，提高焦炭質(zhì)量，降低能耗，延長焦爐組的使用壽命，同時減少剩余氨水量，從源頭減量焦化廢水。采用RStoic反應器（R-101）模擬煤調(diào)濕過程模擬中規(guī)定了煤調(diào)濕反應器的臨時轉(zhuǎn)化率，通過定義虛擬反應和計算，得到水蒸氣和干煤兩種產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)兩相閃蒸罐（S-101）分離，干煤進入下一級反應器（R-102）干餾。由于煤干餾過程中水分發(fā)生變化，會改變工業(yè)分析定義的水分屬性值，因此為使煤調(diào)濕過程與干餾過程物料平衡，模擬中應用一個計算器模塊建立煤調(diào)濕反應器和炭化室反應器之間的平衡關系，進而控制調(diào)濕過程，使得模擬過程更加貼切實際情況。該過程的質(zhì)量守恒模型方程見式（1）和（2):水平衡：C物料平衡：C由方程（1）和（2）可得式（3):聯(lián)立方程組,建立一個計算器模塊對象，在該模塊中創(chuàng)建這5個變量后，輸入Fortran語句：H2.1.2產(chǎn)率反應器r-108由于煤的干餾過程為多相反應，該反應過程的動力學、化學計量數(shù)等難以用實驗方式測定，故采用產(chǎn)率反應器RYield(R-102）進行模擬。炭化室反應器接收來自煤調(diào)濕反應器的干煤以及燃燒室反應器的熱流股，反應生成煤氣、氨水、焦油和焦炭，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件下煤料高溫干餾時各種產(chǎn)物的平均產(chǎn)率（相對干煤的質(zhì)量）數(shù)據(jù)（見表72.1.3燃燒反應器及爐墻模擬焦爐組耗能是評價焦爐熱工管理的核心指標，嚴格的RGibbs反應器模型通過吉布斯自由能最小值計算化學平衡及相平衡，因此為得到優(yōu)化的焦爐能耗，采用RGibbs反應器模擬燃燒過程。燃燒室反應器以高爐煤氣為原料，模擬其燃燒熱量通過爐墻為炭化室提供能量，同時生成焦爐煙氣。為使模擬結(jié)果更加貼合工廠實際運行狀態(tài)，選取炭化室爐墻熱流密度平均值為5500W/m2.2煤調(diào)濕反應器s-108閃蒸罐模型的特點是恒壓絕熱，其計算模式是基于物料守恒的，此處用于煤調(diào)濕反應器（R-101）和炭化室反應器（R-102）產(chǎn)物的分離。兩相閃蒸罐（S-101）與煤調(diào)濕反應器共同組成煤調(diào)濕系統(tǒng)模型，氮氣為體系提供干燥熱負荷；閃蒸分離器（S-102）與炭化室反應器組成炭化室系統(tǒng)模型，由燃燒室反應器（R-103）為該炭化室模型提供熱負荷。2.3焦爐荒煤氣耦合模型炭化室反應器（R-102）和燃燒室反應器（R-103）耦合符合焦爐實際生產(chǎn)過程，實現(xiàn)燃燒室向炭化室供熱，完成煤干餾反應，是煉焦的主要耗能過程，同時也是焦爐熱工狀態(tài)優(yōu)化的主要內(nèi)容，是實現(xiàn)焦爐平穩(wěn)運行和節(jié)能的關鍵。該耦合模型定義兩個子域：加熱煙道和炭化室，高爐煤氣（BOG）在燃燒室立火道中燃燒，產(chǎn)生周期性共軛傳熱，在爐壁上形成周期性變化的熱流密度，模擬中，熱流密度以熱流股的形式傳遞至炭化室。選取熱流密度平均值5500W/m式中：Q———燃燒室向單個炭化室的供熱量，在此模擬程序中為耦合計算中的初始設定值，kW;q———炭化室爐墻熱流密度平均值，W/m據(jù)此熱負荷值規(guī)定出燃燒室反應器的反應溫度與壓力分別為1854.25℃和0.101MPa。計算得到荒煤氣參數(shù)見表8。由表8可以看出，除CO、NH2.4煤的產(chǎn)率靈敏度分析在模擬的基礎上，基于炭化室與燃燒室之間匹配的熱負荷為自變量，以產(chǎn)率為優(yōu)化目標，對炭化室與燃燒室的耦合過程進行靈敏度分析。選取熱負荷步長為10kW，采集變量是焦炭與荒煤氣產(chǎn)率和燃燒室的爐墻溫度，選擇氫氣為關鍵組分，其產(chǎn)率（相對干煤的質(zhì)量）代表荒煤氣產(chǎn)率，靈敏度分析結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著熱負荷增加，焦化產(chǎn)品產(chǎn)率變大，到達431kW時，焦化產(chǎn)品產(chǎn)率變化趨于平緩，若進一步提升熱負荷，對爐體強度有更高要求，且隨著BOG用量增加，炭化室石墨化問題加重，易引起加煤阻力增大、煤餅坍塌等問題，嚴重影響生產(chǎn)質(zhì)量，故優(yōu)化后單孔炭化室最佳熱負荷為431.47kW，此時焦炭產(chǎn)品產(chǎn)率為83%，燃燒室爐墻平均溫度為1412℃，而在實際生產(chǎn)過程中，此條件下不同煤種的焦炭產(chǎn)率平均在80%優(yōu)化后的熱負荷值低于2.3節(jié)中耦合計算中的設定值（527.34kW），兩者之間存在95.87kW的節(jié)能空間（節(jié)能率18.18%），同時有更高的生產(chǎn)效率，可據(jù)此建立焦爐生產(chǎn)的節(jié)能目標，采取相應的節(jié)能方法。如加強焦爐的熱工管理3流股信息模擬及力學性能3.4該模型同時還可用于焦化過程中熱負荷、焦炭和濕煤的成分與質(zhì)量流量等數(shù)值的模擬計算。3.1構(gòu)建了由煤調(diào)濕工藝、炭化室與燃燒室共同組成的煉焦過程的AspenPlus模擬流程，包括單元模塊的建立、流股信息的模擬、反應器間平衡方程的控制，其中由RStoic反應器模型所產(chǎn)出的干煤水分為2.78%。3.2對炭化室和燃燒室兩個反應器進行熱力學耦合，計算得到產(chǎn)出荒煤氣溫度為751.42℃；并通過與