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

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Modelling analysis and

• ptimization 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. 2 Shenmu Shanjiang Coal Chemical Co. 3China Petroleum University

30th Oil Shale Symposium October 18-22, 2010

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¢ 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

Outline of Presentation

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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

test results

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Yaojie Oil Shale Plant

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Yaojie Oil Shale Plant

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Yaojie Oil Shale Plant

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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

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SJ pyrolysis process

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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)

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Location ① ② ③④⑦ ⑤ ⑥ ⑧

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OIL SHALE SAMPLING &TESTS

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OIL SHALE SAMPLING &TESTS

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OIL SHALE SAMPLING &TESTS

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OIL SHALE SAMPLING &TESTS

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PYROLYSIS REACTION MODEL

JH Oil Shale Pyrolysis Reaction Model

SemiCoke O H H C H C H C H C H C H C H C H C CH CO CO H VGO HGO LGO Kerosene Naphtha

• ilshale

7722 . 0015 . 00002017 . 00003811 . 00005739 . 00005985 . 00013853 . 00009034 . 00032773 . 00007285 . 00081888 . 00006411 . 00010715 . 00050751 . 00013776 . 00017474 . 00007199 . 00007223 . 00010262 .

2 12 5 10 5 10 4 8 4 8 3 6 3 6 2 4 2 4 2 2

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + ⇒ SemiCoke O H H C H C H C H C H C H C H C H C CH CO CO H VGO HGO LGO Kerosene Naphtha

• ilshale

8363 . 00105 . 00000895 . 00000623 . 00007374 . 00002763 . 00005721 . 00003892 . 00023524 . 00008075 . 0008865 . 00000623 . 00001226 . 00051213 . 00009901 . 00012559 . 00005174 . 00005191 . 00007376 .

2 12 5 10 5 10 4 8 4 8 3 6 3 6 2 4 2 4 2 2

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + ⇒

HK Oil Shale Pyrolysis Reaction Model

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Reaction type Mineral Reaction Equation Reaction Temperature K Dehydration Hydrated Smectite 446 Gypsum 523 Dehydroxylation Kaolinite 810 Smectite 935 Illite 750 Carbonate decomposition Calcite 1023 Siderite 773 Dolomite 1023 Pyrite 773 Pyrite 773 Oxidation Pyrite 1023 Oxidation Magnetite 1023 Oxidation Troilite 1023 S Capture Calcium Oxide 1023 Hematite 773 Hematite 773

( )

) ( O H 2 2SiO O Al OH O Si Al

2 2 3 2 4 5 2 2

g

r

h

+ ⋅ ⎯→ ⎯

( )( ) ( )

) ( O H 2 smectite O H 2 OH O Al Si Mg Fe Al K Ca

2 2 4 20 3 . 7.67 0.65 0.75 2.59 0.24 0.43

g

r

h

+ ⎯→ ⎯ ⋅

( )( ) ( ) ( )( )

) ( O H 2 O Al Si Mg Fe Al K Ca OH O Al Si Mg Fe Al K Ca

2 22 3 . 7.67 0.65 0.75 2.59 0.24 0.43 4 20 3 . 7.67 0.65 0.75 2.59 0.24 0.43

g

r

h

+ ⎯→ ⎯

( )( ) ( )

) ( O H 2 7SiO O Al 25 . 2 0.5MgO O 0.75K OH O Al Si Mg Al K

2 2 3 2 2 4 20 7 0.5 3.5 1.5

g

r

h

+ ⋅ ⋅ ⋅ ⎯→ ⎯

2 3

CO CaO CaCO + ⎯→ ⎯ r

h 2 4 3 3

CO 3 / 2 CO 3 / 1 O 1/3Fe FeCO + + ⎯→ ⎯ r

h 2 3 3

CO 2 CaO MgO CaCO MgCO + + ⎯→ ⎯ ⋅

r

h

S H FeS H FeS

2 2 2

+ ⎯→ ⎯ +

r

h 2 2 2 2

SO 3 / 1 S H 3 / 2 FeS O H 3 / 2 FeS + + ⎯→ ⎯ +

r

h 2 3 2 2 2

SO 2 O 1/2Fe O 4 / 11 FeS + ⎯→ ⎯ +

r

h

) ( O H 2 CaSO O H 2 CaSO

2 4 2 4

g

r

h

+ ⎯→ ⎯ ⋅

3 2 2 4 3

O 3/2Fe O 4 / 1 O Fe ⎯→ ⎯ +

r

h 2 3 2 2

SO O 1/2Fe O 4 / 7 FeS + ⎯→ ⎯ +

r

h 4 2 2

CaSO O 2 / 1 SO CaO ⎯→ ⎯ + +

r

h

) ( O H 3 / 1 O 2/3Fe H 3 / 1 O Fe

2 4 3 2 3 2

g

r

h

+ ⎯→ ⎯ +

2 4 3 3 2

CO 3 / 1 O 2/3Fe CO 3 / 1 O Fe + ⎯→ ⎯ +

r

h

CONVENTIONAL MINERAL REACTION

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HYDROCARBON REACTIONS

Reaction type Reactants Reaction Equation Pyrolysis Reaction Oil Shale Combustion Hydrocarbons CO H2 SemiCoke Gasification reaction SemiCoke HydroCarbon Methanation Reaction CO CO2 Hydrocarbon Cracking HydroCarbon Water Shift CO

( )

2 2 2 2

H / 742 ) ( O H 2 1 H mol kJ g O

r

h

+ ⎯→ ⎯ + ) ( O H CO CO O H C

2 2 2 n m

g

r

h

+ + ⎯→ ⎯ +

SemiCoke O H H C H C H C H C H C H C H C H C CH CO CO H VGO HGO LGO Kerosene Naphtha OilShale

r h

θ ϖ π ο ν µ ϖ λ κ ι η γ ϕ φ ε δ χ β α + + + + + + + + + + + + + + + + + +

⎯→ ⎯

2 12 5 10 5 10 4 8 4 8 3 6 3 6 2 4 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2

NO S N O H CO O SemiCoke H H SO

x hr

+ + + + + + ⎯→ ⎯ +

2 2

CO O 2 1 CO ⎯→ ⎯ +

r

h

O

r

h 2 4 2 2

H 2 CH 4H CO + ⎯→ ⎯ +

( )

CO / 98 . 41 H CO CO

2 2 2

mol kJ O H

r

h

− + ⎯→ ⎯ +

( ) ( )

Carbon mol kJ H

r

h

/ 38 . 131 CO O H C SemiCoke

2 2

− + ⎯→ ⎯ +

2 2 n m

CO O 2 1 H C H

r

h

+ ⎯→ ⎯ +

2 2)

• (b

a b)

• (n

a)

• (m

n m

H H C H C H C + + ⎯→ ⎯ r

h

O H CH 3 CO

2 4 2

+ ⎯→ ⎯ +

r

h

H

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MODELLING RESULTS

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% ¡ H2S ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.10% ¡

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MODELLING RESULTS

Fuel ¡Gas ¡composi.on ¡ ¡ Pilot Test Result % ¡ ¡ ¡ Model ¡Results ¡ (Pyrolysis ¡ReacEon) ¡ ¡ ¡ ¡ H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 11.00% ¡ 1.01% ¡ CO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 9.01% ¡ 0.02% ¡ CO2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 15.42% ¡ 11.38% ¡ CH4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 1.36% ¡ 1.76% ¡ C2H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.00% ¡ C2H4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.04% ¡ 0.16% ¡ C2H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.08% ¡ 0.47% ¡ C3H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ 0.00% ¡ C3H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ 0.19% ¡ C4H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.05% ¡ C4H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.15% ¡ C5H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.01% ¡ C5H12 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.02% ¡ H2O ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 3.60% ¡ N2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 57.45% ¡ 79.19% ¡ NH3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.00% ¡ H2S ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.10% ¡ 0.00% ¡

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MODELLING RESULTS

Fuel ¡Gas ¡ composi.on ¡ ¡ Pilot Test Result % ¡ ¡ ¡ Model ¡Results ¡ (Pyrolysis ¡ReacEon) ¡ ¡ ¡ ¡ Model ¡Results ¡(Pyrolysis ¡ + ¡GasificaEon ¡ReacEon) ¡ ¡ ¡ ¡ H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 11.00% ¡ 1.01% ¡ 10.24% ¡ CO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 9.01% ¡ 0.02% ¡ 12.23% ¡ CO2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 15.42% ¡ 11.38% ¡ 10.21% ¡ CH4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 1.36% ¡ 1.76% ¡ 1.22% ¡ C2H2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.00% ¡ 0.00% ¡ C2H4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.04% ¡ 0.16% ¡ 0.11% ¡ C2H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.08% ¡ 0.47% ¡ 0.32% ¡ C3H6 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ 0.00% ¡ 0.05% ¡ C3H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.01% ¡ 0.19% ¡ 0.08% ¡ C4H8 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.05% ¡ 0.04% ¡ C4H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.15% ¡ 0.15% ¡ 0.10% ¡ C5H10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.01% ¡ 0.01% ¡ C5H12 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.02% ¡ 0.01% ¡ H2O ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 3.60% ¡ 3.60% ¡ N2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 57.45% ¡ 79.19% ¡ 60.95% ¡ NH3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.00% ¡ 0.00% ¡ 0.00% ¡ H2S ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mol%) ¡ 0.10% ¡ 0.00% ¡ 0.00% ¡

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PROCESS MODEL

OS-FEED PYR-GAS DUMMY-1 RET-GAS DRY-COAL Q-SEP1 Q DUMMY-2 PYR-COAL Q-SEP2 Q CMB-GAS AIR-MIX CMB-H2O DUMMY-3 CMB-COAL Q-SEP3 Q REC-GAS HOTAIR H2OSPRAY CYCL-GAS CYCL-H2O CYCL-OIL HOT-GAS GASFLARE STEAM CMB-COOL H2OTOSTM COALH2O COOLASH H20WET WET-ASH ESP-GAS AIR H2OCOOL SEP-GAS SEP-OIL SEP-H2O ESP-H2O ESP-OIL WATERMIX OILMIX PILOTGAS GASFLAR2 PILOTOIL OILMIX2 PILOTASH WETASH2

CALCULATOR

ASH

CALCULATOR

SS-CMB

CALCULATOR

SS-PYR

CALCULATOR

WATER SM-DRYER SM-SEP1 SM-SEP2 SM-PYR SM-CMB1 SM-SEP3 AIR-MIX CYCLONE GASSPLIT SM-COOL MIXQUENC SM-BATH SEPQUENC GASBLOWR AIRCOMP KO-DRUM ESP OWMIX2 OWMIX1 PILOTGAS PILOTOIL PILOTASH

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MODELLING RESULTS

Item Feed Rate kg/h Exit T1

°C

Retort T3

°C

Air m3/h Fuel Gas m3/h Flare Gas m3/h Oil Shale Pilot Average 921.38 127 607.5 422 893 684.9 Modelling 921 130 580 422 893 687.5 Max 921 144 724 457.7 997.6 812.1 Min 921 107.5 551.3 348.8 716.3 431.9

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MODELLING RESULT

Shale oil Composition Pilot Test Product (kg/h) Modelling Results Product (kg/h) NAPHTHA 14.32 14.35 KEROSENE 10.62 10.58 LGO 12.94 12.93 HGO 42.80 42.75 VGO 41.56 41.58

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MODELLING RESULTS

Spent Shale Composition (mol%) Pilot test (dry) (based on 60% calculated ash) Modelling results Ash % 60.00 60.73 C % 36.74 35.41 H % 2.04 0.99 N % 1.27 0.00 CL % S % 0.76 0.70 O % 5.49 2.16

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MODELLING RESULTS

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FUTURE WORK

Ø To integrate retort process with gas treatment, water treatment and oil upgrading process Ø To provide analysis on plant energy efficiency Ø Provide cost estimation on carbon emission control and cost estimation

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SUMMARY

Ø Modelling analysis result agree well with pilot test results and have been used during scale up design and commissioning of the Yaojie oil shale plant Ø Modelling analysis has identified an approximated gasification reaction rate inside the retort which is difficult to measure directly Ø Modelling results showed that there will be no clinkering inside retort in agreement with pilot test results Ø SJ-500 retort can handle JH and HK oil shale feed with average oil grade from 7%~15% at potential rate 1000t/d Ø Oil shale property determines gas and oil products, JH shale produces 50% more gas than HK shale Ø The retort is easy to operate Ø Modelling results revealed large amount of carbon in semicoke is utilized by gasification reaction and has increased heat value of retort gas

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THANK YOU

4/38 Limestone St Darra, QLD 4076 Australia P +61 7 3715 8473 F +61 7 3715 6032 www.procom-consultants.com

• PROCOM Consultants is a

niche Australian engineering company that provides process engineering and plant commissioning services in several energy industry sectors.

• PROCOM was founded in 2005

following the closure of the Stuart Shale Oil Plant in Queensland Australia. PROCOM’s directors and several key employees worked

• n the project.
• PROCOM has provided

engineering and consulting services to oil shale, UCG, CSM, Refinery in USA, Estonia, China, Jordan and Australia.

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