煤制天然氣過(guò)程模擬與?分析

趙冬，馮霄，王東亮

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煤制天然氣過(guò)程模擬與?分析

趙冬，馮霄，王東亮

（中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

煤制天然氣過(guò)程具有設(shè)備流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、單位熱值投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文運(yùn)用Aspen Plus 軟件建立煤制天然氣流程的過(guò)程模型，并采用?分析法對(duì)系統(tǒng)主要單元進(jìn)行計(jì)算分析，得出系統(tǒng)的?分布狀況及各單元的?損失量。結(jié)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(shí)，系統(tǒng)的?損失也主要發(fā)生在煤氣化單元，占系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)的不可逆性引起的內(nèi)部?損失，通過(guò)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(tǒng)?損失的關(guān)鍵。

煤制天然氣；Aspen Plus；過(guò)程模擬；?

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，近年來(lái)能源、化工產(chǎn)品的需求也出現(xiàn)較高的增長(zhǎng)速度[1]。作為世界上主要的清潔能源天然氣，已被廣泛地應(yīng)用于發(fā)電、化工、城市燃?xì)狻⑵?chē)燃料等行業(yè)。與其他制取天然氣技術(shù)相比，煤制天然氣具有設(shè)備流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、單位熱值投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用流程模擬軟件Aspen Plus對(duì)煤制天然氣過(guò)程進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確地描述整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行情況，對(duì)優(yōu)化實(shí)際生產(chǎn)條件具有一定的指導(dǎo)意義。

?分析方法是基于熱力學(xué)第二定律的熱力學(xué)分析方法，通過(guò)衡算方程來(lái)計(jì)算過(guò)程系統(tǒng)各單元的?損失及其分布，能夠直觀地反映整個(gè)系統(tǒng)的用能情況，為發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能潛力、提高用能效率提供理論依據(jù)。近年來(lái)，?分析方法以其特有的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，黃智賢等[2]采用?分析方法對(duì)天然氣制烯烴發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，得到了甲醇合成單元未反應(yīng)氣全循環(huán)時(shí)系統(tǒng)的?效率最高，并找出了系統(tǒng)?損發(fā)生的主要單元；龍鳳樂(lè)等[3]建立了煉油廠常減壓蒸餾裝置的?分析模型，結(jié)果表明，系統(tǒng)中加熱爐的?效率最低，為41.5%；侯丹[4]基于Aspen Plus對(duì)火電廠進(jìn)行?分析，研究了火電廠整個(gè)系統(tǒng)?效率的影響參數(shù)，并確定了清潔生產(chǎn)方案的最佳條件。

目前，文獻(xiàn)中對(duì)于整個(gè)煤制天然氣過(guò)程模擬已有較完整的分析[5]，但是對(duì)于全系統(tǒng)的?分析還鮮有研究。本文將以國(guó)內(nèi)某煤制天然氣企業(yè)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)整個(gè)煤制天然氣過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模、模擬，同時(shí)，采用?分析法對(duì)整個(gè)過(guò)程主要單元進(jìn)行分析，分別計(jì)算各單元的?效率及?損失，并比較各單元?損對(duì)整個(gè)流程?損的影響，為提高整個(gè)系統(tǒng)的用能效率提供方向。

1 煤制天然氣系統(tǒng)的介紹

煤制天然氣系統(tǒng)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(chǎn)生富含H2和CO的合成氣，合成氣出氣化單元進(jìn)入變換單元，經(jīng)過(guò)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(jìn)入凈化系統(tǒng)脫除合成氣中的CO2、H2S等酸性氣體，H2S氣體進(jìn)入硫回收單元，凈化后的合成氣進(jìn)入甲烷化單元進(jìn)行甲烷合成，最后得到天然氣產(chǎn)品[5]。本文選取了涉及原料煤及最終產(chǎn)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(guò)程，整個(gè)氣化爐可分為5個(gè)區(qū)：干燥和預(yù)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(jiàn)圖2。干餾層采用模塊RYield和Sep，設(shè)置苯酚等揮發(fā)組分的收率；氣化層采用模塊Rstoic和Sep，設(shè)置氣化溫度為620℃，發(fā)生的反應(yīng)為式（1）。

燃燒層采用模塊RGibss，設(shè)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(chǎn)品為天然氣，則需要對(duì)甲烷化工藝的碳?xì)浔扔幸欢ǖ囊蟆４置簹庾儞Q單元的原理就是通過(guò)水蒸氣變換反應(yīng)，將CO與H2O反應(yīng)生成H2和CO2，主要用于制氫或調(diào)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(lái)的合成氣分成兩股，一股經(jīng)過(guò)換熱后進(jìn)入變換反應(yīng)器，出變換反應(yīng)器后與入口物流進(jìn)行換熱，然后與另一股未變換氣混合降溫，經(jīng)過(guò)四級(jí)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(yīng)器采用Rstoic模塊，設(shè)置CO的轉(zhuǎn)化率為70%，反應(yīng)溫度為325℃，發(fā)生的反應(yīng)見(jiàn)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(guò)程，煤氣出爐溫度低，粗煤氣組分復(fù)雜，含有多種酸性雜質(zhì)，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(guó)內(nèi)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(jīng)過(guò)變換單元的出來(lái)的粗煤氣，首先通過(guò)氨冷器將粗煤氣冷卻到?32℃，經(jīng)過(guò)預(yù)洗段脫除氣體中的石腦油成分，再經(jīng)過(guò)洗滌塔1～5依次脫除粗煤氣中的H2S、CO2，并通過(guò)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(jìn)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(lái)自低溫甲醇洗單元的凈化氣與反應(yīng)器-3的出口氣體進(jìn)行換熱后分成兩股，一股直接進(jìn)入反應(yīng)器-1進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，并通過(guò)換熱降溫后，另一股進(jìn)入反應(yīng)器-2。出反應(yīng)器-2的氣體經(jīng)過(guò)換熱后再次分成兩股，一股進(jìn)行循環(huán)換熱，一股進(jìn)入反應(yīng)器-3繼續(xù)反應(yīng)。出反應(yīng)器-3的氣體經(jīng)過(guò)換熱后進(jìn)入反應(yīng)器-4進(jìn)行反應(yīng)后，進(jìn)一步降溫后進(jìn)入分離塔-4除去水分，最后得到產(chǎn)品氣（SNG）。

其中，甲烷化流程選擇PR-BM作為物性方法，4個(gè)反應(yīng)器均選擇REquil模塊進(jìn)行模擬，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)見(jiàn)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(guò)程中所能做的最大有用功[6]。?的計(jì)算方法有兩種，一種是把?分成物理?和化學(xué)?[7]，另一種是把?分解成物理?phys、化學(xué)?chem和混合?mix[8]。選用第二種?計(jì)算方法，即式（5）。

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

式中，為原料煤質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)。

?的各物理意義和詳細(xì)計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。原料煤的元素組成分析、系統(tǒng)各單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及計(jì)算?值見(jiàn)表1～表5。

表1 煤的元素組成分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

表2 煤氣化單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及?值

表3 粗煤氣變換單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及?值

表4 低溫甲醇洗單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及?值

表5 甲烷化單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及?值

根據(jù)各單元主要物流的模擬數(shù)據(jù)及計(jì)算?值，可得煤制天然氣系統(tǒng)各單元?損及?效率見(jiàn)表6。比較系統(tǒng)各個(gè)單元的?效率可以發(fā)現(xiàn)，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(jiàn)圖6。

表6 煤制天然氣系統(tǒng)各單元輸入輸出?分析

從圖6中可以得出，整個(gè)系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)的不可逆性引起的內(nèi)部?損失，因此分析煤氣化單元的內(nèi)部?損是降低系統(tǒng)?損、提高?效率的關(guān)鍵。

煤氣化爐中發(fā)生的燃燒反應(yīng)過(guò)程的Gibbs自由能變化大，是燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程，化學(xué)?損大，改善氣化爐的氣化條件是提高氣化?效率的關(guān)鍵。因此可以通過(guò)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(jìn)而降低煤制天然氣系統(tǒng)的?損。

4 結(jié) 論

運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)煤制天然氣系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模、模擬，并采用?分析法對(duì)整個(gè)過(guò)程主要單元進(jìn)行分析，得出整個(gè)系統(tǒng)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(shí)，系統(tǒng)的?損也主要發(fā)生在煤氣化單元，占總?損的72.69%。通過(guò)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(tǒng)?損失的關(guān)鍵。

符 號(hào) 說(shuō) 明

chem——化學(xué)?，kW

mix——混合?，kW

phys——物理?，kW

——原料煤質(zhì)量，kg/s

net——原料煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg

(C)——原料煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(H) ——原料煤中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(N) ——原料煤中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(O) ——原料煤中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

[1] 付國(guó)忠，陳超. 我國(guó)天然氣供需現(xiàn)狀及煤制天然氣工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 中外能源，2010（6）：28-34.

3.2 清選：用水沖洗收割機(jī)內(nèi)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(jī)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的模擬與?分析[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（3）：440-445.

[3] 龍鳳樂(lè)，張強(qiáng)，楊肖曦，等. ?分析方法在煉油廠常減壓蒸餾裝置能耗評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備，2011（1）：72-74.

[4] 侯丹. 基于Aspen Plus的?分析在火電廠清潔生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用[D]. 大連：大連理工大學(xué)，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(tǒng)能量與經(jīng)濟(jì)分析[D]. 上海：華東理工大學(xué)，2013.

[6] 馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)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(xué)工程出版社，1987.

[10] 崔國(guó)星，盛新，張麗華. Shell 粉煤氣化系統(tǒng)的?熱力學(xué)分析[J]. 潔凈煤技術(shù)，2010（3）：48-51.

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Simulation and exergy analysis of coal to SNG process

ZHAO Dong，F(xiàn)ENG 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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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?yàn)榛は到y(tǒng)工程。E-mail xfeng@cup.edu.cn。