劉 斌，甘 濤，曹 棟，王乃超

(西北化工研究院設(shè)計所，陜西 西安 710061)

Aspen Plus應(yīng)用于煤氣化的模擬研究

劉 斌，甘 濤，曹 棟，王乃超

(西北化工研究院設(shè)計所，陜西 西安 710061)

隨著我國的環(huán)境日趨惡化，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視，實(shí)現(xiàn)煤的清潔利用是非常必要的，實(shí)現(xiàn)煤清潔利用的有效途徑可用到煤氣化技術(shù)。采用Aspen Plus模擬軟件建立煤氣化反應(yīng)模型，通過模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比評估，可以獲得大量實(shí)驗(yàn)室難以得到的寶貴數(shù)據(jù)，進(jìn)而推進(jìn)優(yōu)化煤氣化技術(shù)的研究進(jìn)展。通過模擬論證及理論分析，Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用于煤氣化反應(yīng)模擬是可行的，對于實(shí)際煤氣化應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

Aspen Plus；煤氣化；模擬分析

煤炭是我國主要的能源資源之一，不僅可以作為工業(yè)燃料還是重要的化工原料。隨著我國的環(huán)境日趨惡化，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視，實(shí)現(xiàn)煤的清潔利用是非常必要的，實(shí)現(xiàn)煤清潔利用的有效途徑可用到煤氣化技術(shù)。但在各類煤氣化技術(shù)中，涉及到的煤氣化裝置在整個煤氣化項(xiàng)目投資中占有比例超過60%。煤氣化技術(shù)的研發(fā)周期長、研發(fā)成本高、安全性要求高，使得很多相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)對此望而卻步，影響了煤氣化工藝的研究和工業(yè)化發(fā)展。如果能夠利用高端的計算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對煤氣化技術(shù)的有效模擬，可以獲得大量實(shí)驗(yàn)室難以得到的寶貴數(shù)據(jù)，進(jìn)而推進(jìn)優(yōu)化煤氣化技術(shù)的研究進(jìn)展。鑒于各種化工模擬軟件如Aspen Plus、Pro Ⅱ等在各類化工領(lǐng)域模擬應(yīng)用成功的案例，可嘗試應(yīng)用化工模擬軟件對煤氣化技術(shù)進(jìn)行模擬。Aspen Plus在固體處理方面具有相較于其他模擬軟件的優(yōu)勢，它具有更加全面的固體數(shù)據(jù)庫，并且每個單元操作模型都能處理固體。Aspen Plus在物料熱量平衡、相平衡及化學(xué)反應(yīng)平衡的基礎(chǔ)上，自身提供近乎全面的物性數(shù)據(jù)，并且擁有豐富的單元操作模型，能夠用于各種化工工藝流程的模擬，已經(jīng)成功實(shí)踐于各類工程實(shí)際生產(chǎn)流程中。本文以基于Aspen Plus軟件，設(shè)定必要的假設(shè)條件如煤首先裂解的假定，利用平衡模型建模，通過Gibbs自由能最小的原理，對水煤漿氣化爐出口的粗煤氣的組成、產(chǎn)率及平衡溫度進(jìn)行模擬計算推測，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)，考察Aspen Plus軟件應(yīng)用于水煤漿煤氣化的模擬研究的可行性。

1 煤氣化基本原理

煤氣化反應(yīng)是煤以氧氣、蒸汽或者氫氣為氣化劑，在高溫條件下，產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使其從固體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w燃料的過程。煤的氣化反應(yīng)是由一系列的化學(xué)反應(yīng)組成，煤作為主要含碳的固體燃料，其氣化的主要反應(yīng)如下：

C + O2= CO2

(1)

CO2+ C = 2CO

(2)

H2O + C = CO + H2

(3)

2H2+ C = CH4

(4)

3H2+ CO = CH4+ H2O

(5)

H2O + CO = CO + H2

(6)

從物理化學(xué)角度來看，煤氣化可以分為如下階段：煤炭脫水干燥、煤熱解揮發(fā)分、揮發(fā)分或半焦的氣化反應(yīng)等。在煤氣化的過程中，粒度很低的煤粉在高溫(400 ℃左右)下就會發(fā)生熱解反應(yīng)，揮發(fā)物如：焦油、煤氣等就會析出。

從反應(yīng)動力學(xué)角度分析，煤氣化反應(yīng)在低溫時主要受化學(xué)反應(yīng)控制，但是，在高溫時，決定反應(yīng)速率的因素變?yōu)閭髻|(zhì)過程。氣化劑的吸附、活性部位的表面反應(yīng)以及產(chǎn)物的解吸夠成了氣化反應(yīng)的基本步驟。

2 煤氣化模型的建立

本文模擬煤氣化過程采用反應(yīng)平衡模型，即采用Gibbs自由能最小化方法進(jìn)行模擬。反應(yīng)平衡模型以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ)，相對比較簡單，并且具有一定的通用性，對于碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的工況預(yù)測相對效果較好；但是是由于其不考慮汽化爐的流動傳熱、傳質(zhì)特性以及氣化反應(yīng)過程的缺點(diǎn)，對于沒有達(dá)到化學(xué)平衡的工況的預(yù)測相對較差。

應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法，建立了煤氣化反應(yīng)的反應(yīng)模型，見圖1。

圖1 煤氣化反應(yīng)的模型示意圖

Fig.1 Diagram of coal gasification model

首先把煤氣化反應(yīng)過程理想地分為煤的熱解反應(yīng)、煤的燃燒反應(yīng)兩個過程。裂解反應(yīng)過程采用了Ryield模擬反應(yīng)器，其主要目的是把煤熱解為可用于模擬反應(yīng)的單元素分子和灰渣，并把由此產(chǎn)生的熱解能量轉(zhuǎn)移給后續(xù)模擬過程，保證總熱量的平衡。煤的燃燒反應(yīng)選擇利用Gibbs自由能最小化方法進(jìn)行反應(yīng)平衡的Gibbs模擬反應(yīng)器，其目的是通過自有能最下化原理進(jìn)行計算反應(yīng)平衡，計算得出煤燃燒反應(yīng)后得到的水煤氣的溫度及其組成。Ssplit模擬模塊僅僅是將反應(yīng)后的水煤氣進(jìn)行氣固相分離，固相為煤氣化后的廢渣。

流程圖中COAL為原料煤，COAL-P為煤熱解反應(yīng)后產(chǎn)物，Q為熱解反應(yīng)能量，H2O為進(jìn)入原料水，O2為原料氧氣，PRODUCTS為反應(yīng)后的水煤氣，GASES為去除廢渣的水煤氣，SOLIDS為廢渣。值得注意的是：COAL應(yīng)設(shè)置為非常規(guī)組分(NCPSD)；生成的水煤氣主要組分設(shè)定為H2O、N2、O2、H2、CO、CO2、H2S、CH4、S、H2S、COS、HCl等。

值得注意的是，在煤氣化反應(yīng)的模擬中，需要用到Aspen Plus提供的用戶功能擴(kuò)展接口，在Ryield模擬反應(yīng)器的裂解反應(yīng)中，把煤熱解為可用于模擬反應(yīng)的單元素分子和灰渣的過程，需要用到Fortran語言來編寫計算過程，來實(shí)現(xiàn)模擬裂解反應(yīng)。Fortran語言是一種計算能力很強(qiáng)的高級語言，適用于對計算要求較高的軟件編寫，Aspen Plus的用戶模型也是用Fortran語言編寫為主。

關(guān)于煤氣化模擬反應(yīng)的物性方法的選擇也是很重要的，合適的物性方法能夠決定模擬數(shù)據(jù)的精確度。煤氣化一般在高溫高壓下進(jìn)行，同時氣體組分多為輕氣體，研究者多使用RK-SOAVE或RKS-BM、PR-BM方程，這些方程多用于烴加工、燃燒、石化等工藝過程的計算，適用于體系為非極性或弱極性的組分混合物，如烴類、CO、CO2、H2等輕氣體。本文中采用RK-SOAVE方程進(jìn)行模擬計算。

3 煤氣化模型的驗(yàn)證

本文采用項(xiàng)目已實(shí)際應(yīng)用的煤種，對建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，對本煤種的工業(yè)分析和元素分析見表1。表1中數(shù)據(jù)作為Aspen Plus軟件模擬的初始數(shù)據(jù)。

表1 煤種分析數(shù)據(jù)Table 1 Analytical data of coal

通過模擬流程的建立、初始數(shù)據(jù)的輸入，進(jìn)行Aepsn Aplus模擬計算，得到模擬結(jié)果。模擬結(jié)果與項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison between the model results and actual data

通過數(shù)據(jù)對比可以看出，Aepsn Aplus模擬計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)相差不大，數(shù)據(jù)的差距在允許的范圍內(nèi)，說明了Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用于煤氣化反應(yīng)模擬是可行的，其對實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)具有借鑒意義。下面通過改變不同操作條件，考察它們對煤氣化反應(yīng)的影響。

3.1 氣化壓力的影響

在模擬中保持原數(shù)據(jù)不動，只改變氣化的壓力，對不同的氣化壓力進(jìn)行煤氣化模擬，得到模擬計算結(jié)果見表3。

表3 氣化壓力的影響Table 3 Effect of the Gasification Pressure

由表3中可以看出，在氣化爐中維持高溫1350℃不變，氣化壓力對反應(yīng)的影響很小。隨著氣化壓力的不斷提高，水煤氣中有效組分(H2+CO)的含量幾乎沒有變化。有文章指出：對于實(shí)際生產(chǎn)過程中，氣化壓力提高，單位時間可獲得的氣體量增加，產(chǎn)能相應(yīng)增加。但是，如果從氣化爐的設(shè)計角度進(jìn)行考慮，在同樣高溫的條件下，氣化壓力的大小直接影響了氣化爐設(shè)備的設(shè)計，氣化壓力越大，對氣化爐設(shè)備要求越高，相應(yīng)的造價會大大提升。所以建議在煤氣化反應(yīng)條件允許的情況下，氣化壓力不宜設(shè)計過高，項(xiàng)目常設(shè)氣化壓力一般在2.0MPaG左右。

3.2 水煤漿濃度的影響

水煤比是影響煤氣化反應(yīng)的一個重要因素，模擬考察水煤比的影響，調(diào)整水煤漿濃度從56%到60%進(jìn)行模擬計算(干煤的量定為不變，通過改變水的進(jìn)入量調(diào)整水煤漿濃度)，得到模擬結(jié)果如表4所示。

表4 水煤漿濃度的影響Table 4 Effect of the concentration of coal water slurry

由表4可看出，隨著水煤漿濃度的增加，一氧化碳和有效組分(H2+CO)的含量逐漸升高，而氫氣和二氧化碳則逐漸降低，并且二氧化碳的變化趨勢更明顯。分析其原因如下：由于水量的減少，造成了水煤氣反應(yīng)減弱，變換反應(yīng)更有利于向左的方向反應(yīng)。水量的大小是可以起到調(diào)節(jié)氫氣產(chǎn)量的作用。

3.3 氧煤比的影響

氧煤比也會影響煤氣化反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)不同的氧煤比進(jìn)行模擬計算，對結(jié)果進(jìn)行分析，亦可對實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用起到借鑒作用。維持其他參數(shù)不變，通過改變氧氣的通入量，起到調(diào)節(jié)氧煤比的效果。模擬結(jié)果如表5所示。

表5 氧煤比的影響Table 5 Effect of oxygen/coal ratio

由表5可以看出：隨著氧煤比的增加，有效組分(H2+CO)的含量呈下降趨勢，這就說明：氧氣含量的增加導(dǎo)致了氧化反應(yīng)的增加，更多的有效組分(H2+CO)被氧化，生成的水量也會相應(yīng)增加。所以選擇一個合適的氧煤比是十分必要的，在保證足夠的氧氣來滿足氧化反應(yīng)提供熱量的情況下，需要注意不能通入過多的氧氣，即控制好合適的氧煤比。

4 結(jié)論

通過模擬數(shù)據(jù)與項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)差距在允許的范圍內(nèi)，由此證明Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用于煤氣化反應(yīng)模擬是可行的。建立的本煤氣化模型，可以應(yīng)用于對于碳轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)接近平衡的煤氣化反應(yīng)工況，對于水煤氣中關(guān)鍵組分的預(yù)測是合理的。Aspen Plus軟件在不同影響因素對煤氣化反應(yīng)影響的預(yù)測方面，也比較符合實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果，對于實(shí)際煤氣化應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

[1] 薛榮書，譚世語.化工工藝學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2004：401-403.

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(本文文獻(xiàn)格式：劉 斌，甘 濤，曹 棟，等.Aspen Plus應(yīng)用于煤氣化的模擬研究[J].山東化工,2017,46(5):109-111,114.)

Simulation for Coal Gasification Using Aspen Plus

LiuBin,GanTao,CaoDong,WangNaichao

(Design Institute of the Northwest Research Institute of Chemical Industry,Xi’an 710061,China)

With the deterioration of the environment in our country, more and more attention has been paid to environmental protection. It is necessary to realize the clean utilization of coal. Use Aspen Plus to establish coal gasification reaction model. Through a comparative evaluation of the simulation data and the actual data, we can get a lot of valuable data to the laboratory research progress, and promote the optimization of coal gasification. Through simulation and theoretical analysis, the application of Aspen Plus in the simulation of coal gasification reaction is feasible.

Aspen Plus；coal gasification；simulation

2017-01-22

劉 斌(1967—)，男，工程師，主要從事化工工藝設(shè)計工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0109-03