炼焦过程模拟与分析

炼焦过程模拟与分析

焦炉工业模拟在焦洗过过程中，焦洗过的过程是以焦为原料，通过高温干燥化学生产焦棕酸、焦油等化学品。焦炉是炼焦的核心热工设备，以水平室式结构为主，多应用于冶金行业现代焦炉向着设备大型化、产能高效化、技术现代化发展，其中焦炉大型化的核心问题是实现焦炉均匀加热、源头减排污染物、提高劳动生产率及物质和能量的循环利用率本模拟在分析焦炉工业操作参数的基础上1流程模拟1.1炭化室高度以武汉科技大学设计院设计的WKD6050D型焦炉为模拟对象，其炭化室高度为6000mm，平均宽500mm，加热水平高度为805mm，单孔装煤量为42.22t。应用AspenPlus模块重构，基于焦炉一组炭化室及燃烧室建立模拟炼焦过程1.2流股组分的确定本模拟流程中物流主要有煤、焦炭、荒煤气，流程的进料组成与状态参数的输入是模拟的起点。但焦化过程的原料、产物均为复杂混合物，以产物荒煤气为例煤是以有机质为主，由不同分子量、不同化学结构的一组“相似化合物”组成的混合物，难以建立起确定的组分组成，因此对煤的模拟采用两个子物流：NCPSD与MIXCISLD，且在模拟中选择MIXNCPSD流股等级。对煤流股的建模中，采用其Proxanal工业分析（见表1）、Sulfanal硫分析（见表2）、Ultanal元素分析数据（见表3），应用PSD粒度分布定义煤粒大小，其中120μm～140μm占10%,140μm～160μm占20%,160μm～180μm占30%,180μm～200μm占40%，由此模拟实际工业流程中的粉碎机等机械装置，并根据焦炉生产量确定煤流股的流率，根据实际操作参数设定温度和压力，确定煤流股的进料状态参数。荒煤气组成简化模拟见表4。煤焦油主要组分模拟1.3物理方程模型的选择炼焦过程温度在1000℃以上，生成焦炭同时产生大量荒煤气，后者主要成分是H2结果与讨论2.1喷射模拟2.1.1煤调湿反应器干馏过程临时转化率的模拟采用煤调湿预处理煤料，可稳定煤料水分，增加煤的相对密度，减少结焦时间，提高焦炭质量，降低能耗，延长焦炉组的使用寿命，同时减少剩余氨水量，从源头减量焦化废水。采用RStoic反应器（R-101）模拟煤调湿过程模拟中规定了煤调湿反应器的临时转化率，通过定义虚拟反应和计算，得到水蒸气和干煤两种产物，产物经两相闪蒸罐（S-101）分离，干煤进入下一级反应器（R-102）干馏。由于煤干馏过程中水分发生变化，会改变工业分析定义的水分属性值，因此为使煤调湿过程与干馏过程物料平衡，模拟中应用一个计算器模块建立煤调湿反应器和炭化室反应器之间的平衡关系，进而控制调湿过程，使得模拟过程更加贴切实际情况。该过程的质量守恒模型方程见式（1）和（2):水平衡：C物料平衡：C由方程（1）和（2）可得式（3):联立方程组,建立一个计算器模块对象，在该模块中创建这5个变量后，输入Fortran语句：H2.1.2产率反应器r-108由于煤的干馏过程为多相反应，该反应过程的动力学、化学计量数等难以用实验方式测定，故采用产率反应器RYield(R-102）进行模拟。炭化室反应器接收来自煤调湿反应器的干煤以及燃烧室反应器的热流股，反应生成煤气、氨水、焦油和焦炭，根据工业生产条件下煤料高温干馏时各种产物的平均产率（相对干煤的质量）数据（见表72.1.3燃烧反应器及炉墙模拟焦炉组耗能是评价焦炉热工管理的核心指标，严格的RGibbs反应器模型通过吉布斯自由能最小值计算化学平衡及相平衡，因此为得到优化的焦炉能耗，采用RGibbs反应器模拟燃烧过程。燃烧室反应器以高炉煤气为原料，模拟其燃烧热量通过炉墙为炭化室提供能量，同时生成焦炉烟气。为使模拟结果更加贴合工厂实际运行状态，选取炭化室炉墙热流密度平均值为5500W/m2.2煤调湿反应器s-108闪蒸罐模型的特点是恒压绝热，其计算模式是基于物料守恒的，此处用于煤调湿反应器（R-101）和炭化室反应器（R-102）产物的分离。两相闪蒸罐（S-101）与煤调湿反应器共同组成煤调湿系统模型，氮气为体系提供干燥热负荷；闪蒸分离器（S-102）与炭化室反应器组成炭化室系统模型，由燃烧室反应器（R-103）为该炭化室模型提供热负荷。2.3焦炉荒煤气耦合模型炭化室反应器（R-102）和燃烧室反应器（R-103）耦合符合焦炉实际生产过程，实现燃烧室向炭化室供热，完成煤干馏反应，是炼焦的主要耗能过程，同时也是焦炉热工状态优化的主要内容，是实现焦炉平稳运行和节能的关键。该耦合模型定义两个子域：加热烟道和炭化室，高炉煤气（BOG）在燃烧室立火道中燃烧，产生周期性共轭传热，在炉壁上形成周期性变化的热流密度，模拟中，热流密度以热流股的形式传递至炭化室。选取热流密度平均值5500W/m式中：Q———燃烧室向单个炭化室的供热量，在此模拟程序中为耦合计算中的初始设定值，kW;q———炭化室炉墙热流密度平均值，W/m据此热负荷值规定出燃烧室反应器的反应温度与压力分别为1854.25℃和0.101MPa。计算得到荒煤气参数见表8。由表8可以看出，除CO、NH2.4煤的产率灵敏度分析在模拟的基础上，基于炭化室与燃烧室之间匹配的热负荷为自变量，以产率为优化目标，对炭化室与燃烧室的耦合过程进行灵敏度分析。选取热负荷步长为10kW，采集变量是焦炭与荒煤气产率和燃烧室的炉墙温度，选择氢气为关键组分，其产率（相对干煤的质量）代表荒煤气产率，灵敏度分析结果见图2。由图2可知，随着热负荷增加，焦化产品产率变大，到达431kW时，焦化产品产率变化趋于平缓，若进一步提升热负荷，对炉体强度有更高要求，且随着BOG用量增加，炭化室石墨化问题加重，易引起加煤阻力增大、煤饼坍塌等问题，严重影响生产质量，故优化后单孔炭化室最佳热负荷为431.47kW，此时焦炭产品产率为83%，燃烧室炉墙平均温度为1412℃，而在实际生产过程中，此条件下不同煤种的焦炭产率平均在80%优化后的热负荷值低于2.3节中耦合计算中的设定值（527.34kW），两者之间存在95.87kW的节能空间（节能率18.18%），同时有更高的生产效率，可据此建立焦炉生产的节能目标，采取相应的节能方法。如加强焦炉的热工管理3流股信息模拟及力学性能3.4该模型同时还可用于焦化过程中热负荷、焦炭和湿煤的成分与质量流量等数值的模拟计算。3.1构建了由煤调湿工艺、炭化室与燃烧室共同组成的炼焦过程的AspenPlus模拟流程，包括单元模块的建立、流股信息的模拟、反应器间平衡方程的控制，其中由RStoic反应器模型所产出的干煤水分为2.78%。3.2对炭化室和燃烧室两个反应器进行热力学耦合，计算得到产出荒煤气温度为751.42℃；并通过与