软件模拟干熄焦造气工艺流程分析

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摘要：研究了水蒸汽和焦炉煤气联合熄焦的干熄焦造气工艺，该工艺在熄焦的过程中实现了合成气的生成，降低了熄焦的气料比，省去了循环风机降低了设备和操作费用，生成的合成气可以作为高级燃料、合成甲醇和氨的原料。以PRO/Ⅱ为开发平台，成功的将其用于干熄焦造气过程的开发，为工程设计提供理论支持和数据参考。

关键词：干熄焦；水蒸汽；焦炉煤气；PRO/Ⅱ；合成气

熄焦是炼焦系统中一个非常重要的环节，在国家经济快速发展的背景下，干熄焦作为重点节能项目在很多企业中得到推广。烟台同业化工提出的干熄焦联产甲醇技术［1］是利用熄焦和合成气的生产为一体，以水蒸汽和焦炉煤气为冷却介质利用炙热焦炭的热量生成富含H2、CO和CO2的合成气，合成气可以作为高级燃料、合成氨、甲醇等的工业原料。本文采用PRO/Ⅱ化工模拟软件对干熄焦联产合成气工艺进行流程模拟，建立合理的流程模拟模型，为装置的设计提供相关数据参考，对干熄焦造气的技术设计和操作条件的调优提供可靠的依据。

1工艺流程介绍

干熄焦造气工艺主要是利用饱和水蒸汽和焦炉煤气代替现行的以循环氮气作为冷却气体，从干熄焦炉的冷却段底部向上喷出，在冷却段上升过程中吸收红焦的显热后温度上升，水蒸汽与焦炉煤气及部分焦炭发生气化反应生成富含H2、CO、CO2的合成气。生成的合成气从冷却段的上部烟道排出，经过除尘器除尘后，进入废热锅炉进行热量回收。废热锅炉产生的蒸汽可以用来作为熄焦的冷却气体、供热或者发电等其他用途。经过废热锅炉输出的合成气可以经过洗气箱等预处理作为合成氨、甲醇等物质的原料，工艺流程见图1。从干熄焦工艺的流程介绍可以看出，干熄焦造气工艺由于不需要冷却气体循环，省去耐热耐磨的循环风机，减少了设备的投。

2软件简介

PRO/Ⅱ软件是由美国仿真科学SIMSCI）公司开发的大型化工模拟软件。该软件拥有巨大的数据库和多种热力学方法，用户可以方便的用数学模型描述和模拟相应的工艺流程和单元操作。同其他化工软件一样，在建立模型的过程中彻底透彻的了解所模拟的工艺流程，确定流程所涉及物质、各个设备所对应的单元操作模块、选择合适的物性方法，根据实际过程对模型进行处理建立合适的流程模型。

3热力学模型的开发

干熄焦造气工艺一个高温反应系统，反应产物主要包括焦炭、水蒸汽和焦炉煤气等。这些物质在高温系统中进行的各个反应可以近似的认为接近于热力学平衡［2］，平衡产物的计算可以通过物料、能量及化学平衡关系式来计算。干熄焦造气工艺过程中的合成气生成及焦炭烧损等可以采用Gibbs反应器模型。采用Gibbs反应器模型有利于简化过程，可以不考虑系统中具体发生的反应，直接利用Gibbs自由能原理通过物料和热量衡算出平衡组分。因为焦炭的传热性能差，所以在干熄焦炉横截面上大部分区域受热量损失的影响较小，热损失主要发生在靠近炉壁的区域，而干熄焦炉炉壁一般做耐火材料处理，炉壁区域的热量损失可以忽略［3］。因而在干熄焦炉模型开发的过程中，内砌耐火材料的干熄焦炉可以作为一个绝热的理想反应器。Gibbs反应器模型是依据Gibbs自由能最小原理在反应的工艺条件下通过物料和热量衡算计算出的平衡产物，反应组分的定义直接确定了计算结果的准确性，所以反应中反应组分的定义尤为重要。因此在Gibbs模型计算中要定义所有可能存在的组分。而且，在干熄焦炉的高温环境中，焦炭中所含硫进入合成气的主要形式是H2S、COS及少量硫醇和硫茂等，而在合成气中以H2S形式存在的占其硫总量的90%以上，所以合成气中的硫含量的主要形式假定为H2S，忽略其它含量微少的硫化物。根据上面的分析和假定，Gibbs反应器包含的所有产物定义为：H2、CO、CO2、H2O、CH4、C2H6、N2、H2S。由于PRO/Ⅱ中元素不能直接定义，Gibbs自由能模型也不能计算非常规组分（没有固定分子量等物理属性的物质，例如焦炭），所以可以根据焦炭具体元素组成使其先转化为含有该元素的气体组分，这些气体组分可以通过Gibbs自由能反应器预测出合成气的出口温度和组成。这样处理可以避免了对焦炭进行元素分析和工业分析的麻烦，而且反应热不是过程量是状态量，不会影响最终的计算结果。所以在建立模型的过程中直接将焦炭先经过ConversionReactor进行预处理（在该模型中焦炭转化为含有所有元素的气体），再进入Gibbs反应器模型。水蒸汽和焦炉煤气可以直接进入Gibbs反应器，也可以通过ConversionReactor后进入。自Gibbs反应器出来产物经过SolidSeparator处理单元进行气固分离［4］。

4模拟计算和结果分析

经过上面的热力学模型的建立，根据实际的工艺条件（如表1）计算出合成气的出口组成见表2。从表2可以看出合成气中含有大量的H2、CO和CO2，这样生成的合成气既可以作为高级可燃性气体，同时根据模拟结果通过调节相关工艺参数来得到不同用途的合成气组成（合成甲醇、合成氨等）。根据计算结果从合成气的组成表2可以看出：如果用作高级燃料，由于合成气中富含H2和CO，可以经过简单处理直接作为高级燃料；如果作为合成甲醇的原料，可以通过调节停留时间及冷却剂使合适的氢碳比（(H2-CO2)/(CO+CO2)）在2.05~2.1之间；如果作为合成氨原料，可以调节减少焦炭的烧损量在合成气的出口添加N2调节合适的氢氮比。由于水蒸汽和焦炉煤气的比热及导热系数大于氮气，从表1可以直接看出熄焦的气料比为550Nm3/t焦炭，极大的减少了传统干熄焦的气料比（武钢7、8号干熄焦炉约为1400m3/t焦炭、宝钢干熄焦气料比约为1000m3/t焦炭）［5］。传统干熄焦是利用炙热焦炭的显热用来生产蒸汽用来发电、取暖等用途，干熄焦造气工艺主要是利用炙热焦炭的显热和高温条件生成合成气。

5结论

干熄焦造气工艺集熄焦和合成气的生成为一体，一方面降低了干熄焦的气料比，省去了耐磨耐热的循环风机，很大程度上减少了干熄焦造气过程的设备和操作费用，另一方面为合成气的生成提供了一种新的方法。以PRO/Ⅱ软件为开发平台，模拟计算干熄焦造气工艺，有利于分析干熄焦造气工艺条件的分析，减少了实验的操作费用能够为干熄焦造气过程的工艺设计提供理论依据和数据参考。

作者：周辉 杨春和 王世月 单位：中石化南京工程有限公司