Modelling analysis and optimization for an oil shale process Jimmy - PowerPoint PPT Presentation

Modelling analysis and optimization for an oil shale process Jimmy Jia 1 , Rick Sherritt 1 , Jim Schmidt 1 , Gwen Chia 1 , Wenzhong Shang 2 Shuyuan Li 3 1 PROCOM Consultants Ltd. 1 2 Shenmu Shanjiang Coal Chemical Co. 3 China Petroleum University 30th Oil Shale Symposium October 18-22, 2010

Outline of Presentation ¢ Introduction — A New Oil Shale Plant Is Commissioned in Jul. 2010 ------ Yaojie Oil Shale Plant — Oil Shale Feed Properties Review — Process Introduction ¢ Modeling Method and Simulation — ASPEN Plus simulation platform — Pilot plant simulation and comparison with pilot test — Modeling analysis and scale up with various feed rates — Enormous gasification has been quantified ¢ Conclusions and Future Work 2

Background ¢ A large number of SJ- pyrolysis process were operated in remote North-west of China ¢ Shan Jiang Coal Chemical Company started pyrolysis process development in 1992 ¢ A series of pyrolysis processes have been built with various capacities of the retort ¢ 1t/h è 20t/h capacity ( 1, 4, 8, 12 & 20) ¢ Focus on coal pyrolysis before 2009 with own patents ¢ A new oil shale plant is constructed using SJ technology ¢ Modeling analysis is requested to provide scale up design and commissioning support in this project ¢ Modeling analysis showed a good agreement with the pilot 3 test results

Yaojie Oil Shale Plant 4

Yaojie Oil Shale Plant 5

Yaojie Oil Shale Plant 6

Yaojie Oil Shale Plant ¢ Construction started at the end of 2009 ¢ Design capacity: 100,000 ton shale oil production per year -- 8 retorts; Up to 500 ton/day (shale handling) ¢ Process is basically similar to SJ coal pyrolysis process with some modifications in ash drying, oil separation, cooling etc. ¢ Scheduled commission date: 25th of July 2010 ¢ Oil sales has been contracted with 4000~5000 yuan/ton (US $60~75/t) as marine fuel ¢ Location: very dry, 100s mm rain annually ¢ Altitude 2100m (above sea level) ¢ Landscape: Loess Plateau landscape 7

SJ pyrolysis process 8

Yaojie Oil Shale Plant ¢ 3 retorts were commissioned during the end of Jul. to Aug. 2010 ¢ Particle size : 8~150mm ¢ Potential oil shale handling capacity: 1000t/day (single retort) 9

Location ⑥ ⑧ ③④⑦ ① ⑤ ② 10

O IL SHALE SAMPLING & TESTS 11

O IL SHALE SAMPLING & TESTS 12

O IL SHALE SAMPLING & TESTS 13

O IL SHALE SAMPLING & TESTS 14

P YROLYSIS R EACTION M ODEL JH Oil Shale Pyrolysis Reaction Model oilshale 0 . 00010262 Naphtha 0 . 00007223 Kerosene 0 . 00007199 LGO ⇒ + + 0 . 00017474 HGO 0 . 00013776 VGO + + 0 . 00050751 H 0 . 00010715 CO 0 . 00006411 CO 0 . 00081888 CH + + + + 2 2 4 0 . 00007285 C H 0 . 00032773 C H 0 . 00009034 C H 0 . 00013853 C H + + + + 2 4 2 6 3 6 3 8 0 . 00005985 C H 0 . 00005739 C H 0 . 00003811 C H 0 . 00002017 C H + + + + 4 8 4 10 5 10 5 12 0 . 0015 H O 0 . 7722 SemiCoke + + 2 HK Oil Shale Pyrolysis Reaction Model oilshale 0 . 00007376 Naphtha 0 . 00005191 Kerosene 0 . 00005174 LGO ⇒ + + 0 . 00012559 HGO 0 . 00009901 VGO + + 0 . 00051213 H 0 . 00001226 CO 0 . 00000623 CO 0 . 0008865 CH + + + + 2 2 4 0 . 00008075 C H 0 . 00023524 C H 0 . 00003892 C H 0 . 00005721 C H + + + + 2 4 2 6 3 6 3 8 0 . 00002763 C H 0 . 00007374 C H 0 . 00000623 C H 0 . 00000895 C H + + + + 4 8 4 10 5 10 5 12 0 . 00105 H O 0 . 8363 SemiCoke + + 2 15

C ONVENTIONAL MINERAL REACTION Reaction type Mineral Reaction Equation Reaction Temperature K ( )( ) ( ) Ca K Al Fe Mg Si Al O OH 2 H O Dehydration Hydrated ⋅ 446 0.43 0.24 2.59 0.75 0.65 7.67 0 . 3 20 4 2 Smectite h smectite 2 H O ( g ) ⎯ ⎯→ r + 2 h CaSO 2 H O CaSO 2 H O ( g ) Gypsum 523 ⋅ ⎯ ⎯→ r + 4 2 4 2 Dehydroxylation Kaolinite h 810 Al Si O ( OH ) Al O 2SiO 2 H O ( g ) ⎯ ⎯→ ⋅ + r 2 2 5 4 2 3 2 2 Ca K ( Al Fe Mg )( Si Al ) O ( OH ) Smectite 935 0.43 0.24 2.59 0.75 0.65 7.67 0 . 3 20 4 h ( )( ) Ca K Al Fe Mg Si Al O 2 H O ( g ) ⎯ ⎯→ r + 0.43 0.24 2.59 0.75 0.65 7.67 0 . 3 22 2 Illite ( )( ) ( ) h 750 K Al Mg Si Al O OH ⎯ ⎯→ r 1.5 3.5 0.5 7 20 4 0.75K O 0.5MgO 2 . 25 Al O 7SiO 2 H O ( g ) ⋅ ⋅ ⋅ + 2 2 3 2 2 h CaCO CaO CO Carbonate Calcite 1023 ⎯ r ⎯→ + 3 2 decomposition h FeCO 1/3Fe O 1 / 3 CO 2 / 3 CO Siderite ⎯ r ⎯→ + + 773 3 3 4 2 Dolomite h 1023 MgCO CaCO MgO CaO 2 CO ⋅ ⎯ ⎯→ + + r 3 3 2 h FeS H FeS H S Pyrite 773 + ⎯ ⎯→ r + 2 2 2 h FeS 2 / 3 H O FeS 2 / 3 H S 1 / 3 SO + ⎯ ⎯→ r + + Pyrite 773 2 2 2 2 h Oxidation Pyrite FeS 11 / 4 O 1/2Fe O 2 SO 1023 + ⎯ ⎯→ r + 2 2 2 3 2 h Fe O 1 / 4 O 3/2Fe O Oxidation Magnetite + ⎯ ⎯→ r 1023 3 4 2 2 3 Oxidation Troilite h 1023 FeS 7 / 4 O 1/2Fe O SO + ⎯ ⎯→ r + 2 2 3 2 h CaO SO 1 / 2 O CaSO S Capture Calcium Oxide 1023 + + ⎯ ⎯→ r 2 2 4 h Fe O 1 / 3 H 2/3Fe O 1 / 3 H O ( g ) + ⎯ ⎯→ r + Hematite 773 2 3 2 3 4 2 h Hematite Fe O 1 / 3 CO 2/3Fe O 1 / 3 CO 773 + ⎯ ⎯→ r + 2 3 3 4 2

H YDROCARBON R EACTIONS Reaction Reactants Reaction Equation type Pyrolysis Oil Shale h OilShale r Naphtha Kerosene LGO Reaction α + β + χ ⎯ ⎯→ HGO VGO H CO CO CH + δ + ε + φ + ϕ + γ + η 2 2 4 C H C H C H C H C H + ι + κ + λ + ϖ + µ 2 4 2 6 3 6 3 8 4 8 C H C H C H H O SemiCoke + ν + ο + π + ϖ + θ 4 10 5 10 5 12 2 Combustion Hydrocarbons h C H O CO CO H O ( g ) + ⎯ ⎯→ + + r m n 2 2 2 CO 1 h CO O CO + ⎯ ⎯→ r 2 2 2 H 2 1 h H O H O ( g ) 742 kJ / mol ( H ) + ⎯ ⎯→ r + 2 2 2 2 2 SemiCoke h r SemiCoke O CO H O N SO H S NO H + ⎯ ⎯→ + + + + + + 2 2 2 2 2 2 x 2 Gasification SemiCoke h SemiCoke ( ) C H O CO H 131 . 38 kJ / mol ( Carbon ) + ⎯ ⎯→ r + − reaction 2 2 1 HydroCarbon h C H O CO H + ⎯ ⎯→ + r m n 2 2 2 h CO 3 H CH H O Methanation CO + ⎯ ⎯→ r + 2 4 2 Reaction CO 2 h CO 4H CH 2 H O + ⎯ ⎯→ + r 2 2 4 2 Hydrocarbon HydroCarbon h C H C H C H H ⎯ r ⎯→ + + m n (m - a) (n - b) a (b - 2) 2 Cracking 17 h CO H O CO H 41 . 98 kJ / mol ( CO ) + ⎯ ⎯→ + − r Water Shift CO 2 2 2

M ODELLING R ESULTS Fuel ¡Gas ¡composi.on ¡ ¡ Pilot Test Result % ¡ ¡ ¡ H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 11.00% ¡ CO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 9.01% ¡ CO2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 15.42% ¡ CH4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 1.36% ¡ C2H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ C2H4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.04% ¡ C2H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.08% ¡ C3H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ C3H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ C4H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ C4H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ C5H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ C5H12 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ H2O ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ N2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 57.45% ¡ NH3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 18 H2S ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.10% ¡