宋曉宇，楊志遠(yuǎn)，，孟茁越，趙晶晶，龍江

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

長期以來，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)上的地位是舉足輕重的。然而由于存在分布不均、煤質(zhì)品階差異較大以及環(huán)境影響方面等因素，煤炭的潔凈高效利用一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。同時(shí)，天然氣作為一種清潔能源，近年來的需求量與日俱增，但我國的天然氣儲(chǔ)量較低，需求長期依賴進(jìn)口，使得我國的能源安全存在極大的隱患。為緩解以上問題，發(fā)展煤制合成天然氣(SNG)被認(rèn)為是一種增加天然氣資源的有效途徑[2-3]。然而對(duì)于大型煤化工項(xiàng)目來說，從前期的研究開發(fā)到后期的放大以及優(yōu)化，大都需要耗費(fèi)大量的時(shí)間以及資源，這成為阻礙其發(fā)展的重要因素。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，化工流程模擬也日趨成熟[4]。通過計(jì)算機(jī)模擬，不僅能夠減少人力物力的消耗，極大的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)也能獲取一般實(shí)驗(yàn)條件難以獲得的數(shù)據(jù)，短期內(nèi)通過對(duì)流程的分析獲取最佳工藝條件，對(duì)工藝的開發(fā)以及優(yōu)化起到指導(dǎo)作用。Aspen Plus作為一款大型化工流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)的研發(fā)、優(yōu)化等多個(gè)方面[5-7]。

目前，不少學(xué)者通過利用Aspen Plus對(duì)煤制天然氣技術(shù)進(jìn)行模擬，并分析其過程，為理論研究以及實(shí)際應(yīng)用方面提供了一定的指導(dǎo)和幫助。本文就近年來Aspen Plus在煤制天然氣方面的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)并加以評(píng)述，并對(duì)Aspen Plus在煤制天然氣的未來應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 Aspen Plus簡介

Aspen Plus是美國麻省理工學(xué)院(MIT) 開發(fā)出的第三代流程模擬軟件，它開發(fā)于20世紀(jì)70年代后期。經(jīng)過長期的擴(kuò)充與完善，發(fā)展至今，其已成為世界公認(rèn)的大型標(biāo)準(zhǔn)化化工流程模擬軟件。其囊括幾乎所有的化工過程設(shè)備的操作模型，可完成從單個(gè)單元操作到整個(gè)工藝流程的模擬。并且，其具備工業(yè)上適用且完備的物性系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)庫中包含1 773種有機(jī)物、2 450種無機(jī)物、3 314種固體物質(zhì)、900種水溶電解質(zhì)的基本物性參數(shù)[8]。同時(shí)，Aspen Plus還提供了幾十種用于計(jì)算傳遞物性和熱力學(xué)性質(zhì)模型的方法，還提供了靈活的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)，可以使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來求物性參數(shù)[9]。此外，Aspen Plus還可對(duì)構(gòu)建的工藝流程模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對(duì)基建、操作等方面的費(fèi)用可進(jìn)行預(yù)估。

2 Aspen Plus在煤制天然氣方面的應(yīng)用

煤制天然氣的過程通常由氣化、變換、凈化和合成氣甲烷化單元構(gòu)成[10]，如圖1所示。其中氣化，甲烷化作為關(guān)鍵單元[11]，常被作為研究重點(diǎn)。在Aspen Plus中，由于Gibbs反應(yīng)模塊能通過Gibbs自由能最小法實(shí)現(xiàn)氣-液-固三相的化學(xué)平衡和相平衡，通常被用來作為煤氣化、甲烷化等一系列復(fù)雜反應(yīng)模型的主要反應(yīng)器。而煤是一種極其復(fù)雜的物質(zhì)，一般作為非常規(guī)組分處理，由密度(DCOALIGT)與焓(HCOALGEN)定義。但在Aspen中，Gibbs反應(yīng)器無法直接計(jì)算煤的吉布斯自由能，為模擬煤的反應(yīng)過程，通常根據(jù)煤的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)，使用Fortran語言嵌入計(jì)算模塊來將煤分解成與之近似的元素單質(zhì)等常規(guī)組分，再進(jìn)入Gibbs反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)[12]。

圖1 煤制合成天然氣工藝流程

在氣化過程中，根據(jù)煤所處的階段不同，通常將氣化單元分成干燥、熱解、氣化等模塊進(jìn)行研究。氣化模塊主要采用基于吉布斯能最小原理的吉布斯反應(yīng)器模型(RGibbs)。而甲烷化過程由于受反應(yīng)平衡所約束[13]，通常我們假設(shè)系統(tǒng)達(dá)到平衡并處于穩(wěn)定狀態(tài)，并忽略過程能量損失。因此，反應(yīng)器的模擬大多數(shù)選擇吉布斯反應(yīng)模塊(RGibbs)或平衡反應(yīng)模塊(REquil)表示，但亦有使用動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模塊(RPlug)進(jìn)行模擬的案例。

物性方法的選擇是決定模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確的重要因素之一。對(duì)于氣化過程，由于其存在非常規(guī)固體組分，且屬于非極性真實(shí)物系，常選RK-SOAVE作為物性方法；而甲烷化反應(yīng)入口氣體主要為合成氣或焦?fàn)t氣等氣態(tài)物質(zhì)體系，因此物性方法通常選用PENG-ROB、BWR、PR-BM等。物性方法的選擇通常是根據(jù)不同的原料組分、反應(yīng)條件以及研究目的所決定，其核心目標(biāo)就是為了使模型更為可靠(參見表1)。

表1 氣化及甲烷化模型特征

2.1 Aspen Plus在工藝流程模擬方面的應(yīng)用

東赫等[14]利用Aspen Plus對(duì)GSP、GE、以及四噴嘴對(duì)置3種煤氣化爐模型進(jìn)行模擬。其熱解模塊通過Fortran語言嵌入David Merrick計(jì)算模型來預(yù)測半焦的產(chǎn)率，并使用BEATH模型校正了壓力對(duì)熱解過程的影響，模擬結(jié)果經(jīng)過與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有效氣含量誤差只有2%，認(rèn)為所構(gòu)建的模型較為可靠。薛霏霏等[15]構(gòu)建了Shell粉煤氣化模型，探討了氣化壓力、氧煤比、蒸汽煤比等操作參數(shù)對(duì)氣化效果的影響，通過正交分析得出在壓力3.86 MPa，溫度1 350 ℃，蒸汽煤比0.104，氧煤比0.834時(shí)，有效氣總體積為95.328%。高瑞等[16]構(gòu)建了煤熱解-氣化耦合的兩段爐氣化模型，采用RGibbs反應(yīng)器與內(nèi)嵌Fortran語言的RPlug反應(yīng)器分別作為兩段氣化的主反應(yīng)器，通過與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，認(rèn)為模型比較可靠，可為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。

在甲烷化的模擬研究中，早在2012年，何一夫[17]利用Aspen Plus對(duì)煤制天然氣甲烷化過程進(jìn)行模擬，采用5個(gè)串聯(lián)的甲烷化反應(yīng)器(REquil)模擬甲烷化過程，用兩個(gè)分流器(Fsplit)對(duì)甲烷化反應(yīng)器的循環(huán)比與分流率進(jìn)行控制，探討并得出循環(huán)比與分流率對(duì)反應(yīng)器出口溫度有較大的影響。胡國廣等[18]利用Aspen Plus對(duì)托普索甲烷化工藝第一級(jí)帶循環(huán)回路的反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并考察了等溫和絕熱兩種情況下不同工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)器出口甲烷含量的影響。其采用單因素研究與虛擬正交實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法，認(rèn)為等溫情況下溫度是影響甲烷含量的主要因素，而絕熱情況下循環(huán)率對(duì)甲烷的產(chǎn)量影響更大。

蘭榮亮等[19]基于Aspen Plus構(gòu)建了煤制天然氣甲烷化工藝的全流程模型，其中包含2個(gè)甲烷化反應(yīng)器及補(bǔ)充反應(yīng)器(REquil)，通過研究不同循環(huán)比和分流率對(duì)產(chǎn)品的影響，得出適宜的循環(huán)比(0.76)與分流率(0.58)，可為甲烷化工藝設(shè)計(jì)提供一定的幫助。

徐艷麗等[20]選用吉布斯反應(yīng)器(RGibbs)與分離模塊構(gòu)建煤制氣甲烷化反應(yīng)模型，對(duì)反應(yīng)過程中的析碳現(xiàn)象進(jìn)行了熱力學(xué)研究，探討了不同氫氧碳比下溫度與壓力對(duì)析碳量的影響，得出壓力與析碳量大體為正相關(guān)，碳的含量是直接影響析碳量的關(guān)鍵因素，氧原子的摩爾較低時(shí)，溫度對(duì)析碳區(qū)的擴(kuò)大起促進(jìn)作用。

Liu J等[21]提出一種新型的兩段式甲烷化工藝，其采用快速流化床為主反應(yīng)器，并連接尾部固定床反應(yīng)器。利用Aspen Plus對(duì)“雙固定床工藝”、“流化床和固定床工藝”以及“快速流化床和固定床工藝”進(jìn)行模擬比較，確定“快速流化床和固定床工藝”是一種更為有效的單程甲烷化工藝，其CO轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.8%。但對(duì)催化劑的耐磨性要求較高。

高振等[22]以DAVY甲烷化為主體構(gòu)建了模型，并考察了汽氣比，分流比，回流比對(duì)一段及二段甲烷化工藝的綜合影響。模型使用兩個(gè)平行反應(yīng)器(RGibbs)對(duì)原料氣分流，并引入蒸汽至第一甲烷反應(yīng)器，將第二甲烷反應(yīng)器的氣體循環(huán)至第一反應(yīng)器。結(jié)果表明，汽氣比，分流比，回流比皆可有效控制甲烷化反應(yīng)，而在控溫方面，氣體循環(huán)優(yōu)于導(dǎo)入蒸汽。侯建國[23]借助Aspen Plus對(duì)自主搭建的天然氣甲烷化工藝模型進(jìn)行模擬，通過軟件研究了項(xiàng)目開停車時(shí)可能遇到的波動(dòng)工況(負(fù)荷波動(dòng)與原料氣組分波動(dòng))對(duì)設(shè)備的影響，并提出了一些應(yīng)對(duì)方案，可為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的支持幫助。

姚輝超等[24]基于Aspen Plus根據(jù)某煤制天然氣項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)，搭建了3種不同循環(huán)方式的甲烷化簡化模型。通過比較討論3種工藝在操作、能耗、設(shè)備利用方面的差異，認(rèn)為增加反應(yīng)器及循環(huán)回路在控制與壓縮機(jī)能耗方面具有一定優(yōu)勢。

胡亮華等[25]基于Aspen Plus構(gòu)建了焦?fàn)t氣甲烷化流程，選用平推流反應(yīng)器模型(RPlug)模擬甲烷化反應(yīng)器，針對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，所得數(shù)據(jù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)吻合，為模擬焦?fàn)t氣甲烷化提供了一種可行的思路。范峻銘[26]針對(duì)焦?fàn)t氣甲烷化過程中的反應(yīng)壓力、汽氣質(zhì)量比對(duì)反應(yīng)器出口溫度和甲烷產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究，最終認(rèn)為反應(yīng)壓力可以調(diào)節(jié)反應(yīng)器出口溫度，但同時(shí)對(duì)甲烷產(chǎn)量的產(chǎn)生較大影響，而采用導(dǎo)入過熱蒸汽的方式對(duì)產(chǎn)量的影響很小，但可調(diào)節(jié)甲烷化反應(yīng)器的溫度。但小東[27]對(duì)某廠的絕熱式三段固定床焦?fàn)t煤氣甲烷化工藝進(jìn)行模擬，其使用平推流反應(yīng)模塊(RPlug)模擬絕熱固定床反應(yīng)器，研究了分流率、循環(huán)率以及水蒸氣含量對(duì)反應(yīng)器溫度的影響，得出循環(huán)率和分流率對(duì)溫控起關(guān)鍵作用的結(jié)論。黃志偉等[28]搭建了焦?fàn)t煤氣絕熱多段甲烷化流程模型，考量了溫度、壓力、循環(huán)比等工藝參數(shù)對(duì)甲烷流量的影響，進(jìn)而加以優(yōu)化，使甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由35.87%提高到63.63%。

在當(dāng)前，將煤制合成天然氣中的氣化和甲烷化分別進(jìn)行研究的同時(shí)，亦有不少研究人員提出一些將煤制合成天然氣各單元進(jìn)行耦合的新工藝，用以提高能源利用效率。程曉磊等[29]在煤制甲烷的過程中引入Ca基吸收劑，利用Aspen Plus中的Gibbs反應(yīng)模塊構(gòu)建了煤直接制甲烷的反應(yīng)體系，考察不同條件下的產(chǎn)物的產(chǎn)率，預(yù)測到最優(yōu)反應(yīng)條件，為實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。該方法將煤的熱解氣化甲烷化合并在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，可有效地利用甲烷化釋放的能量，減少設(shè)備投資。Wang[30]提出一種新型煤制SNG流程，其將傳統(tǒng)的變換單元與甲烷化單元進(jìn)行合并，并采用三個(gè)串聯(lián)的Gibbs反應(yīng)器對(duì)其進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果認(rèn)為，在能耗方面，新工藝具有一定的優(yōu)勢。

在工藝流程方面，Aspen Plus的作用主要集中在構(gòu)建反映實(shí)際工況的模型以及利用靈敏度分析對(duì)現(xiàn)有工藝的優(yōu)化方面，同時(shí)還能對(duì)所提出的新工藝進(jìn)行分析比對(duì)，為后期的推廣奠定基礎(chǔ)。

2.2 Aspen Plus在反應(yīng)器研究方面的應(yīng)用

Jang等[31]對(duì)1978年由Exxon所開發(fā)催化煤氣化工藝中的固定床型反應(yīng)器進(jìn)行了模擬。通過使用從文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所推導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器模型(RPlug)，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，有效成分基本吻合，但模型的普適性較差。劉忠慧等[32]基于Gibbs自由能最小原理對(duì)循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)行建模，通過與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比認(rèn)為比較可靠，并對(duì)操條件進(jìn)行單因素以及正交因素分析，得出最優(yōu)操作參數(shù)，為后期優(yōu)化提供指導(dǎo)依據(jù)。

Errbib H[33]使用Aspen Plus中的平推流模型(RPlug)對(duì)甲烷化過程中的等溫固定床反應(yīng)器進(jìn)行建模，研究了溫度(520～600 K)，壓力(0.1～1.5 MPa)和CO2添加量對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，認(rèn)為所構(gòu)建的模型能有效地預(yù)測甲烷化反應(yīng)器的性能。蔣鵬等[34]采用Aspen Plus對(duì)流化床甲烷化反應(yīng)進(jìn)行模擬，甲烷化反應(yīng)器使用平推流反應(yīng)模塊(RPlug)，并嵌入Fortran編寫的動(dòng)力學(xué)子程序。研究了不同工況下甲烷產(chǎn)率的變化，實(shí)驗(yàn)值同模擬值較好吻合，所構(gòu)建模型可靠。并得出低溫高壓以及適宜的氫碳比(2.7～3.0)有利于甲烷的生成的結(jié)論。

王秀林等[35]通過Aspen Plus建立了以化學(xué)平衡反應(yīng)模塊(REquil)為甲烷化反應(yīng)器的絕熱甲烷化反應(yīng)模型，研究了不同組分氣體對(duì)甲烷化溫度和總碳轉(zhuǎn)化率的影響，認(rèn)為出口溫度與甲烷和水的含量正相關(guān)，總碳轉(zhuǎn)化率隨氫氣含量的增多而上升。彭淑靜等[36]以錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應(yīng)器為基礎(chǔ)，利用Aspen Plus分別建立了以化學(xué)平衡模塊(REquil)和平推流模塊(RPlug)為反應(yīng)器的模型。經(jīng)分析比較，認(rèn)為平推流模型與實(shí)際數(shù)據(jù)更為接近。

在反應(yīng)器研究方面，主要通過選用不同模型來對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行更為匹配的模擬。而通過模擬分析，相較其他模型，動(dòng)力學(xué)的模型能較好的反映實(shí)際環(huán)境下的反應(yīng)器性能。

2.3 Aspen Plus在能量分析方面的應(yīng)用

Li等[37]基于Aspen Plus對(duì)煤制天然氣全流程進(jìn)行模擬，并將所得模擬結(jié)果與美國能源部公布數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果證明該模型可精確模擬煤制天然氣過程。基于該模型，研究了煤制天然氣與熱電聯(lián)產(chǎn)的耦合，并通過分析過程中能量利用情況，得出耦合工藝的能量利用率提高了七個(gè)百分點(diǎn)，為改進(jìn)煤制天然氣體系的能量集成利用提供了幫助。Chao等[38]提出并基于Aspen Plus研究了一種夾帶流煤氣化和熱解一體化系統(tǒng)，分析了操作條件對(duì)氣化性能的影響，得到了優(yōu)化的操作參數(shù)，并通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)集成系統(tǒng)的性能與熱解階段焦油和CH4的產(chǎn)率高度相關(guān)。相較傳統(tǒng)系統(tǒng)，其效率提高了2.2%。

Yang等[39]對(duì)煤制天然氣過程的BGL氣化工藝進(jìn)行模擬，并對(duì)過程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析。基于仿真結(jié)果，利用分析和經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)該過程進(jìn)行評(píng)估，為實(shí)際生產(chǎn)和后期過程改進(jìn)提供了理論支持和參考。此外，Yang等[40]還通過對(duì)比Lurgi和BGL工藝中煤氣化單元與變換單元的能量利用情況與經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為Lurgi氣化過程的有效能損失要大于BGL過程，而BGL工藝在總損失，資金投入和生產(chǎn)成本方面均優(yōu)于Lurgi工藝，總體而言，相較于Lurgi工藝，BGL工藝更適合煤制合成天然氣。Kun等[41]將化學(xué)循環(huán)氣化與煤熱解相耦合的系統(tǒng)，并通過Aspen建模分析，認(rèn)為新工藝在能量利用方面以及廢水減排方面具有優(yōu)勢。同時(shí)，提出的耦合系統(tǒng)的仿真結(jié)果有利于操作條件的選擇和進(jìn)一步的放大設(shè)計(jì)。

穆雪剛等[42]基于Aspen Plus 構(gòu)建了甲烷化模型，對(duì)系統(tǒng)有效能和綜合能耗進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，隨溫度升高，有效能效率提升的同時(shí)伴隨著綜合能耗的提高，并通過研究不同反應(yīng)段數(shù)甲烷化工藝所能提供的有效能水平，認(rèn)為反應(yīng)段數(shù)越多的工藝單位產(chǎn)出甲烷所釋放的有效能越多。王思遠(yuǎn)等[43]利用Aspen Plus構(gòu)建了可靠的絕熱甲烷化模型，對(duì)過程中的進(jìn)行分析計(jì)算，通過靈敏度分析，提出將原料預(yù)熱提前的優(yōu)化方案，并考察了操作條件對(duì)損失的影響，結(jié)果表明優(yōu)化方案有利于高壓蒸汽的產(chǎn)出，增加冷流體的溫度及壓力皆有利于降低損失。孫麗萍等[44]利用Aspen Plus對(duì)托普索甲烷化工藝中裝置進(jìn)行焓差和物流焓以及有效能進(jìn)行計(jì)算，并通過與不同計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以比選焓與有效能的計(jì)算方法，其中對(duì)物流焓的計(jì)算Aspen Plus較為準(zhǔn)確快捷。

Huang等[45]對(duì)煤制合成天然氣全過程進(jìn)行了建模和模擬。在此基礎(chǔ)上，分析了流程中的碳元素的走向和整體的有效能，為后期提出節(jié)能與碳減排方案提供了幫助。趙冬等[46]構(gòu)建了簡化的煤制天然氣全流程模擬模型，并對(duì)主要過程單元進(jìn)行分析，其中氣化單元的效率最低，為58.99%，損失約占全系統(tǒng)的72%，是煤制天然氣流程中最主要的能量損失模塊。

利用Aspen Plus研究探討流程中的能量走勢，可以更有針對(duì)性的對(duì)過程的優(yōu)化提出優(yōu)質(zhì)方案，亦可通過能量利用率的計(jì)算，來比選方案。

3 結(jié)語與展望

作為一款功能強(qiáng)大的模擬軟件，Aspen Plus在模擬煤制天然氣方面取得了越來越多的成果。利用其本身所擁有的完備數(shù)據(jù)庫，強(qiáng)大的分析功能，在流程的模擬，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能量分析等方面均可提供一定的幫助。但建立模擬模型通常是基于對(duì)實(shí)際情況的假設(shè)和簡化，與復(fù)雜的實(shí)際過程相比，由于缺少對(duì)實(shí)際反應(yīng)狀況的較為完整的反映，模擬結(jié)果與真實(shí)情況還存在著一定的差距。

在煤制天然氣過程中，如何利用甲烷化產(chǎn)生的熱量是一個(gè)研究的熱點(diǎn)，利用Aspen Plus在可以探討其在理論上反應(yīng)平衡時(shí)的最佳操作條件。但同時(shí)，我們也要認(rèn)識(shí)到單一熱力學(xué)模型的局限性，反應(yīng)過程中動(dòng)力學(xué)因素影響同樣不可忽視。為使模型更加可靠，適用范圍更廣，我們可通過編寫計(jì)算模塊嵌入模型當(dāng)中，也可結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件，對(duì)反應(yīng)過程中的流場分布、溫度分布等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素進(jìn)行研究，從而使模型更為可靠，模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確，以促使Aspen Plus模擬軟件在煤制天然氣的研究中有更為廣泛的應(yīng)用。