利用Aspen Plus模擬焦爐煤氣甲烷化過程及其熱集成網絡優化

摘 要：焦爐煤氣甲烷化制備天然氣是一種清潔高效的焦爐煤氣利用方式。根據焦爐煤氣組成，選擇BWRS物性方法及LHHW本征動力學方程，利用Aspen Plus軟件模擬3段式固定床甲烷化反應器，結果與試驗數據相近。利用夾點技術進行熱集成分析，消減了熱負荷的消耗，優化余熱回收過程，余熱利用率從45.85%提高到88.42%。

關鍵詞：焦爐煤氣；甲烷化反應分析；集成網絡優化

前言

隨著經濟快速發展，天然氣作為一種安全、清潔的優質能源，其消費量持續增長[1]，2014年國內天然氣表觀消費量達1800億立方米，增幅9%，而前11月天然氣產量只有1112.6億立方米，增幅6.7%[2]，對外進口依存度逐年增加。焦爐煤氣作為焦炭行業的工業副產物，每年產量約為1200億立方米。因此，焦爐煤氣甲烷化合成天然氣作為一種利用新技術，能有效減少天然氣短缺壓力。

Aspen Plus流程模擬軟件嚴格的機理模型使其在科研和生產中被普遍運用。文章以某焦化廠焦爐煤氣甲烷化工藝和相關動力學研究為基礎，對甲烷化反應流程進行了模擬分析，利用夾點技術完成熱集成網絡的優化，提高甲烷化余熱利用率，為焦爐煤氣制天然氣工業化提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 甲烷化反應動力學

甲烷化反應主要涉及以下三個反應：

3H2+CO？葑CH4+H2O

H2O+CO？葑CO2+H2

4H2+CO2？葑CH4+2H2O

CO甲烷化反應和變換反應為獨立反應，動力學模型假設碳化物為中間體，模擬采用LHHW型本征動力學方程。

r■=■

r2=■

其中，ki為反應速率常數（i=1，2）；Kj為吸附平衡常數（j=α，C，OH），Keq為反應平衡常數。

1.2 甲烷化流程模擬

文章采用文獻中試驗數據，原料進氣量20619m3（STP）/h，溫度30℃，壓力2.2MPa，進料組成如下。

表1 焦爐煤氣組成

甲烷化采用絕熱固定床反應器，不考慮軸向的返混、溫度梯度和濃度梯度，采用一維平推流模型，選擇BWRS物性方法。甲烷化反應是強放熱反應，為避免溫度過高造成催化劑的燒結和積碳失活等，采用三段甲烷化反應器串聯方案。

2 結果與討論

2.1 模擬結果驗證

調整進氣量和入口溫度等條件控制反應器溫度在550℃以下，模擬結果如表2所示。

與文獻中試驗數據相差不大，CO和CO2轉化率都達到工藝要求，說明動力學方程、工藝參數的選擇在焦爐煤氣甲烷化模擬中是可行的。三段甲烷化反應器串聯方案能有效降低反應終溫（單一甲烷化反應器可達904℃），降低了對設備移熱性能的要求，避免了催化劑的燒結。

2.2 換熱網絡優化

從表3物流參數表中可知，需要熱負荷2124.83kW，且品位較高，冷負荷9218.18kW，其中高壓蒸汽回收4224.85kW，余熱利用率45.85%。根據夾點理論可知，當能量通過夾點，其熱用工程和冷用工程必然大于所需最小量，造成雙重能量損失。由總組合曲線可知，系統熱集成網絡夾點為530℃左右，而且夾點上方沒有熱負荷需求，最小冷負荷為7093.36kW。因此換熱網絡有較大改進空間。

依據夾點匹配的可行性原則，通過流股分割、添加換熱器，進行過程物流的熱復合，結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，需要增加3個換熱單元和9個冷卻器。但優化后存在即換熱器、工藝流構成的封閉回路，這是由于以運行總年度費用成本最小為綜合目標形成的，從而產生多于Euler通用網絡理論的最少換熱器數目，同時由于存在多余穩定操作參數，影響網絡的穩定運行，增加控制難度。因此合并回路上的換熱器。

由于熱物流2、3換熱后溫度仍高于高壓蒸汽溫度，因此可將冷水冷卻改為蒸汽鍋爐回收熱量生產高壓蒸汽，同時對新形成的封閉回路進行換熱器合并。（如圖3所示）

優化后系統總共需要3個換熱單元，6個冷卻器。所需熱負荷為0kW，冷負荷7093.81kW，其中高壓蒸汽回收熱量5317.27kW，中壓蒸汽回收217.47kW，低壓蒸汽回收737.29kW，余熱利用率88.42%。

3 結束語

利用Aspen Plus完成焦爐煤氣甲烷化工藝模擬，采用三段絕熱甲烷化反應器串聯方案控制反應器溫度在550℃以下，有效降低了設備換熱要求，避免催化劑燒結。模擬結果與試驗數據相不大，驗證了建模過程中動力學及工藝參數選擇的準確性。

對熱集成網絡進行分析，采用夾點技術恰當匹配冷熱物流之間的換熱及冷熱公用工程的類型和能級選擇。利用余熱加熱原料氣，消減了熱負荷的消耗。優化余熱回收過程，余熱利用率從45.85%提高到88.42%。

參考文獻

[1]田春榮.2012年中國石油和天然氣進出口狀況分析[J].國際石油經濟，2013（3）：44-55.

[2]中國石油和化學工業聯合會.2014年石油和化工行業經濟運行報告[N].中國化工報，2015-1-22.

作者簡介：彭勝（1987-），民族：漢族，研究方向或從事的主要專業工作：煤化工方面催化劑制備。