趙冬，馮霄，王東亮

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煤制天然氣過程模擬與?分析

趙冬，馮霄，王東亮

（中國石油大學（北京），北京 102249）

煤制天然氣過程具有設備流程簡單、技術成熟可靠、單位熱值投資成本低等優(yōu)點。本文運用Aspen Plus 軟件建立煤制天然氣流程的過程模型，并采用?分析法對系統主要單元進行計算分析，得出系統的?分布狀況及各單元的?損失量。結果表明，低溫甲醇洗單元的?效率最高，為98.22%，煤氣化單元的?效率最低，為58.99%。同時，系統的?損失也主要發(fā)生在煤氣化單元，占系統總?損失的72.69%。煤氣化單元中主要的?損失是由于傳熱不可逆和化學反應的不可逆性引起的內部?損失，通過優(yōu)化氣化溫度、汽氧摩爾比等方式改善氣化爐的氣化條件是提高氣化?效率、降低系統?損失的關鍵。

煤制天然氣；Aspen Plus；過程模擬；?

隨著我國經濟持續(xù)快速發(fā)展，近年來能源、化工產品的需求也出現較高的增長速度[1]。作為世界上主要的清潔能源天然氣，已被廣泛地應用于發(fā)電、化工、城市燃氣、汽車燃料等行業(yè)。與其他制取天然氣技術相比，煤制天然氣具有設備流程簡單、技術成熟可靠、單位熱值投資成本低等優(yōu)點。運用流程模擬軟件Aspen Plus對煤制天然氣過程進行模擬，可以準確地描述整個過程的運行情況，對優(yōu)化實際生產條件具有一定的指導意義。

?分析方法是基于熱力學第二定律的熱力學分析方法，通過衡算方程來計算過程系統各單元的?損失及其分布，能夠直觀地反映整個系統的用能情況，為發(fā)現系統節(jié)能潛力、提高用能效率提供理論依據。近年來，?分析方法以其特有的優(yōu)勢在各個工程領域中得到了廣泛應用，黃智賢等[2]采用?分析方法對天然氣制烯烴發(fā)電多聯產系統進行了分析，得到了甲醇合成單元未反應氣全循環(huán)時系統的?效率最高，并找出了系統?損發(fā)生的主要單元；龍鳳樂等[3]建立了煉油廠常減壓蒸餾裝置的?分析模型，結果表明，系統中加熱爐的?效率最低，為41.5%；侯丹[4]基于Aspen Plus對火電廠進行?分析，研究了火電廠整個系統?效率的影響參數，并確定了清潔生產方案的最佳條件。

目前，文獻中對于整個煤制天然氣過程模擬已有較完整的分析[5]，但是對于全系統的?分析還鮮有研究。本文將以國內某煤制天然氣企業(yè)實際運行數據為基礎，運用Aspen Plus軟件對整個煤制天然氣過程進行簡化、建模、模擬，同時，采用?分析法對整個過程主要單元進行分析，分別計算各單元的?效率及?損失，并比較各單元?損對整個流程?損的影響，為提高整個系統的用能效率提供方向。

1 煤制天然氣系統的介紹

煤制天然氣系統的工藝流程圖如圖1所示。以煤炭為原料，水蒸氣與空分裝置分離出的氧氣為氣化劑，由氣化爐氣化產生富含H2和CO的合成氣，合成氣出氣化單元進入變換單元，經過部分變換使出變換單元的合成氣中H2/CO為3，然后合成氣進入凈化系統脫除合成氣中的CO2、H2S等酸性氣體，H2S氣體進入硫回收單元，凈化后的合成氣進入甲烷化單元進行甲烷合成，最后得到天然氣產品[5]。本文選取了涉及原料煤及最終產品SNG的主要工序單元——煤氣化單元、粗煤氣變化單元、合成氣凈化單元及甲烷化單元。

2 煤制天然氣流程模擬

2.1 煤氣化單元

本文中采用的是魯奇碎煤加壓固定床氣化工藝。該工藝是逆流工藝過程，整個氣化爐可分為5個區(qū)：干燥和預熱層、干餾層、氣化層、燃燒層及灰層。固定床氣化爐Aspen Plus流程模擬圖見圖2。干餾層采用模塊RYield和Sep，設置苯酚等揮發(fā)組分的收率；氣化層采用模塊Rstoic和Sep，設置氣化溫度為620℃，發(fā)生的反應為式（1）。

燃燒層采用模塊RGibss，設置燃燒溫度為920℃。氣化爐整體壓力為4160kPa。

2.2 粗煤氣變換單元

由于產品為天然氣，則需要對甲烷化工藝的碳氫比有一定的要求。粗煤氣變換單元的原理就是通過水蒸氣變換反應，將CO與H2O反應生成H2和CO2，主要用于制氫或調整合成氣的氫碳比。

圖3為粗煤氣變換單元的流程模擬圖。由氣化單元出來的合成氣分成兩股，一股經過換熱后進入變換反應器，出變換反應器后與入口物流進行換熱，然后與另一股未變換氣混合降溫，經過四級間接換熱后出變換單元，出口氣溫度為40℃。

其中，物性方法采用RK-ASPEN，變換反應器采用Rstoic模塊，設置CO的轉化率為70%，反應溫度為325℃，發(fā)生的反應見式（2）。

2.3 合成氣凈化單元

碎煤加壓氣化由于是逆流氣化過程，煤氣出爐溫度低，粗煤氣組分復雜，含有多種酸性雜質，如CO2、H2S、苯酚等。綜合考慮煤種、氣化條件和合成氣組成等因素，國內化工企業(yè)一般采用低溫甲醇洗工藝，該工藝的模擬流程圖如圖4所示。

經過變換單元的出來的粗煤氣，首先通過氨冷器將粗煤氣冷卻到?32℃，經過預洗段脫除氣體中的石腦油成分，再經過洗滌塔1～5依次脫除粗煤氣中的H2S、CO2，并通過閃蒸分離出H2S、CO2，H2S送往硫回收單元。

其中，該流程模擬采用的物性方法是PSRK，洗滌塔1～5均選擇Sep模塊進行模擬，模擬后出凈化單元的凈煤氣溫度為27℃，CO2含量≤1.5%，H2S≤0.01mL/L。

2.4 甲烷化單元

甲烷化單元的模擬流程如圖5所示。來自低溫甲醇洗單元的凈化氣與反應器-3的出口氣體進行換熱后分成兩股，一股直接進入反應器-1進行甲烷化反應，并通過換熱降溫后，另一股進入反應器-2。出反應器-2的氣體經過換熱后再次分成兩股，一股進行循環(huán)換熱，一股進入反應器-3繼續(xù)反應。出反應器-3的氣體經過換熱后進入反應器-4進行反應后，進一步降溫后進入分離塔-4除去水分，最后得到產品氣（SNG）。

其中，甲烷化流程選擇PR-BM作為物性方法，4個反應器均選擇REquil模塊進行模擬，反應器內發(fā)生的反應見式（3）、式（4）。

—→（4）

物料的?指的是物料由始態(tài)向寂態(tài)可逆變化過程中所能做的最大有用功[6]。?的計算方法有兩種，一種是把?分成物理?和化學?[7]，另一種是把?分解成物理?phys、化學?chem和混合?mix[8]。選用第二種?計算方法，即式（5）。

其中，原料煤采用褐煤，其成分很難精確地測定，所以采用信澤式[9]計算原料煤的?值，計算公式為式（6）。

式中，為原料煤質量，kg/s；net為原料煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；(C)、(H)(O)(N)分別為原料煤中碳、氫、氧、氮的質量分數。

?的各物理意義和詳細計算過程參見文獻[8]。原料煤的元素組成分析、系統各單元主要物流的模擬數據及計算?值見表1～表5。

表1 煤的元素組成分析（質量分數） 單位：%

表2 煤氣化單元主要物流的模擬數據及?值

表3 粗煤氣變換單元主要物流的模擬數據及?值

表4 低溫甲醇洗單元主要物流的模擬數據及?值

表5 甲烷化單元主要物流的模擬數據及?值

根據各單元主要物流的模擬數據及計算?值，可得煤制天然氣系統各單元?損及?效率見表6。比較系統各個單元的?效率可以發(fā)現，低溫甲醇洗單元的?效率最高，為98.22%，煤氣化單元的?效率最低，只有58.99%，整體?效率為84.44%。各單元的?損見圖6。

表6 煤制天然氣系統各單元輸入輸出?分析

從圖6中可以得出，整個系統中?損最多的為煤氣化單元，占總損失的72.69%，其次是粗煤氣變換單元，占總損失的16.19%。煤氣化單元中主要的?損失是由于傳熱不可逆和化學反應的不可逆性引起的內部?損失，因此分析煤氣化單元的內部?損是降低系統?損、提高?效率的關鍵。

煤氣化爐中發(fā)生的燃燒反應過程的Gibbs自由能變化大，是燃料化學能轉化為熱能的過程，化學?損大，改善氣化爐的氣化條件是提高氣化?效率的關鍵。因此可以通過優(yōu)化氣化溫度、汽氧摩爾比等方式提高氣化爐燃燒的?效率[10-11]，進而降低煤制天然氣系統的?損。

4 結 論

運用Aspen Plus軟件對煤制天然氣系統進行簡化、建模、模擬，并采用?分析法對整個過程主要單元進行分析，得出整個系統中低溫甲醇洗單元的?效率最高，為98.22%，煤氣化單元的?效率最低，為58.99%。同時，系統的?損也主要發(fā)生在煤氣化單元，占總?損的72.69%。通過優(yōu)化氣化溫度、汽氧摩爾比等方式改善氣化爐的氣化條件是提高氣化?效率、降低系統?損失的關鍵。

符 號 說 明

chem——化學?，kW

mix——混合?，kW

phys——物理?，kW

——原料煤質量，kg/s

net——原料煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg

(C)——原料煤中碳的質量分數

(H) ——原料煤中氫的質量分數

(N) ——原料煤中氮的質量分數

(O) ——原料煤中氧的質量分數

[1] 付國忠，陳超. 我國天然氣供需現狀及煤制天然氣工藝技術和經濟性分析[J]. 中外能源，2010（6）：28-34.

3.2 清選：用水沖洗收割機內外泥土，清理纏草等雜物，卸下鏈條用柴油浸泡待油泥刷凈為止，然后用機油浸泡5分鐘，至10分鐘，撈出不滴油后，涂上黃油用牛皮紙或塑料袋包好放在干燥處。

[2] 黃智賢，邱挺，吳燕翔. 天然氣制烯烴發(fā)電多聯產系統的模擬與?分析[J]. 福州大學學報：自然科學版，2009（3）：440-445.

[3] 龍鳳樂，張強，楊肖曦，等. ?分析方法在煉油廠常減壓蒸餾裝置能耗評價中的應用[J]. 石油化工設備，2011（1）：72-74.

[4] 侯丹. 基于Aspen Plus的?分析在火電廠清潔生產實踐中的應用[D]. 大連：大連理工大學，2011.

[5] 邵迪. 固定床與氣流床水煤漿氣化集成的煤制天然氣系統能量與經濟分析[D]. 上海：華東理工大學，2013.

[6] 馮霄. 化工節(jié)能原理與技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[7] Hinderink A P，Kerkhof F P J M，Lie A B K，et al. Exergy analysis with a flowsheeting simulator——I. Theory; calculating exergies of material streams[J].，1996，51（20）：4693-4700.

[8] Willem Van gool. Thermodynamics of chemical references for exergy analysis[J].，1998，39（16）：1719-1728.

[9] 信澤寅男. 能源工程中?的淺釋[M]. 朱明善譯. 北京：化學工程出版社，1987.

[10] 崔國星，盛新，張麗華. Shell 粉煤氣化系統的?熱力學分析[J]. 潔凈煤技術，2010（3）：48-51.

[11] 徐春霞，徐振剛，步學朋，等. 煤焦與CO2及水蒸氣氣化特性研究進展[J]. 潔凈煤技術，2008，13（6）：49-52.

Simulation and exergy analysis of coal to SNG process

ZHAO Dong，FENG Xiao，WANG Dongliang

（China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249）

Coal to SNG process has such advantages assimple flowsheet and equipment，high reliability and low investment per heating value. A model was developed using process simulation software Aspen Plus for the process producing SNG from coal，and exergy distribution of the process and exergy loss of each unit were calculated based on the exergy analysis method. In the process，the exergy efficiency of the rectisol unit was the highest，98.22%，and that of the gasification unit was the lowest，58.99%. Exergy loss mainly took place in the gasification unit，accounting for 72.69% of the total exergy loss.The internal exergy loss caused by heat transfer and chemical reactions irreversibility was the major loss in the gasification unit. Optimizing gasification temperature and molar ratio of steam to oxygen could be the key to improving exergy efficiency and reducing exergy loss of the process

coal to SNG；Aspen Plus；process simulation；exergy

TQ 085

A

1000–6613（2015）04–0990–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.04.016

2014-09-04；

2014-09-14。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CB720500）。

趙冬（1990—），男，碩士研究生。E-mail zhao.dong.2009@ 163.com。

馮霄，博士，教授，主要研究方向為化工系統工程。E-mail xfeng@cup.edu.cn。