Aspen Plus應用于煤氣化的模擬研究

劉 斌，甘 濤，曹 棟，王乃超

(西北化工研究院設計所，陜西 西安 710061)

Aspen Plus應用于煤氣化的模擬研究

劉 斌，甘 濤，曹 棟，王乃超

(西北化工研究院設計所，陜西 西安 710061)

隨著我國的環境日趨惡化，環境保護越來越受到重視，實現煤的清潔利用是非常必要的，實現煤清潔利用的有效途徑可用到煤氣化技術。采用Aspen Plus模擬軟件建立煤氣化反應模型，通過模擬數據與實際數據的對比評估，可以獲得大量實驗室難以得到的寶貴數據，進而推進優化煤氣化技術的研究進展。通過模擬論證及理論分析，Aspen Plus模擬軟件應用于煤氣化反應模擬是可行的，對于實際煤氣化應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，不僅可以作為工業燃料還是重要的化工原料。隨著我國的環境日趨惡化，環境保護越來越受到重視，實現煤的清潔利用是非常必要的，實現煤清潔利用的有效途徑可用到煤氣化技術。但在各類煤氣化技術中，涉及到的煤氣化裝置在整個煤氣化項目投資中占有比例超過60%。煤氣化技術的研發周期長、研發成本高、安全性要求高，使得很多相關的科研機構對此望而卻步，影響了煤氣化工藝的研究和工業化發展。如果能夠利用高端的計算機模擬技術實現對煤氣化技術的有效模擬，可以獲得大量實驗室難以得到的寶貴數據，進而推進優化煤氣化技術的研究進展。鑒于各種化工模擬軟件如Aspen Plus、Pro Ⅱ等在各類化工領域模擬應用成功的案例，可嘗試應用化工模擬軟件對煤氣化技術進行模擬。Aspen Plus在固體處理方面具有相較于其他模擬軟件的優勢，它具有更加全面的固體數據庫，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、相平衡及化學反應平衡的基礎上，自身提供近乎全面的物性數據，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，已經成功實踐于各類工程實際生產流程中。本文以基于Aspen Plus軟件，設定必要的假設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、產率及平衡溫度進行模擬計算推測，結合實際應用的數據，考察Aspen Plus軟件應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

煤氣化反應是煤以氧氣、蒸汽或者氫氣為氣化劑，在高溫條件下，產生氧化反應，使其從固體燃料轉變為氣體燃料的過程。煤的氣化反應是由一系列的化學反應組成，煤作為主要含碳的固體燃料，其氣化的主要反應如下：

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、煤熱解揮發分、揮發分或半焦的氣化反應等。在煤氣化的過程中，粒度很低的煤粉在高溫(400 ℃左右)下就會發生熱解反應，揮發物如：焦油、煤氣等就會析出。

從反應動力學角度分析，煤氣化反應在低溫時主要受化學反應控制，但是，在高溫時，決定反應速率的因素變為傳質過程。氣化劑的吸附、活性部位的表面反應以及產物的解吸夠成了氣化反應的基本步驟。

2 煤氣化模型的建立

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

應用Gibbs自由能最小化方法，建立了煤氣化反應的反應模型，見圖1。

圖1 煤氣化反應的模型示意圖

Fig.1 Diagram of coal gasification model

首先把煤氣化反應過程理想地分為煤的熱解反應、煤的燃燒反應兩個過程。裂解反應過程采用了Ryield模擬反應器，其主要目的是把煤熱解為可用于模擬反應的單元素分子和灰渣，并把由此產生的熱解能量轉移給后續模擬過程，保證總熱量的平衡。煤的燃燒反應選擇利用Gibbs自由能最小化方法進行反應平衡的Gibbs模擬反應器，其目的是通過自有能最下化原理進行計算反應平衡，計算得出煤燃燒反應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后的水煤氣進行氣固相分離，固相為煤氣化后的廢渣。

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

值得注意的是，在煤氣化反應的模擬中，需要用到Aspen Plus提供的用戶功能擴展接口，在Ryield模擬反應器的裂解反應中，把煤熱解為可用于模擬反應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，來實現模擬裂解反應。Fortran語言是一種計算能力很強的高級語言，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。

關于煤氣化模擬反應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據的精確度。煤氣化一般在高溫高壓下進行，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方程進行模擬計算。

3 煤氣化模型的驗證

本文采用項目已實際應用的煤種，對建立的模型進行檢驗，對本煤種的工業分析和元素分析見表1。表1中數據作為Aspen Plus軟件模擬的初始數據。

表1 煤種分析數據Table 1 Analytical data of coal

通過模擬流程的建立、初始數據的輸入，進行Aepsn Aplus模擬計算，得到模擬結果。模擬結果與項目實際數據對比見表2。

表2 模擬數據與實際數據對比Table 2 Comparison between the model results and actual data

通過數據對比可以看出，Aepsn Aplus模擬計算得到的數據結果與實際項目數據相差不大，數據的差距在允許的范圍內，說明了Aspen Plus模擬軟件應用于煤氣化反應模擬是可行的，其對實際項目應具有借鑒意義。下面通過改變不同操作條件，考察它們對煤氣化反應的影響。

3.1 氣化壓力的影響

在模擬中保持原數據不動，只改變氣化的壓力，對不同的氣化壓力進行煤氣化模擬，得到模擬計算結果見表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：對于實際生產過程中，氣化壓力提高，單位時間可獲得的氣體量增加，產能相應增加。但是，如果從氣化爐的設計角度進行考慮，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備的設計，氣化壓力越大，對氣化爐設備要求越高，相應的造價會大大提升。所以建議在煤氣化反應條件允許的情況下，氣化壓力不宜設計過高，項目常設氣化壓力一般在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的一個重要因素，模擬考察水煤比的影響，調整水煤漿濃度從56%到60%進行模擬計算(干煤的量定為不變，通過改變水的進入量調整水煤漿濃度)，得到模擬結果如表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，造成了水煤氣反應減弱，變換反應更有利于向左的方向反應。水量的大小是可以起到調節氫氣產量的作用。

3.3 氧煤比的影響

氧煤比也會影響煤氣化反應，通過調節不同的氧煤比進行模擬計算，對結果進行分析，亦可對實際項目應用起到借鑒作用。維持其他參數不變，通過改變氧氣的通入量，起到調節氧煤比的效果。模擬結果如表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：氧氣含量的增加導致了氧化反應的增加，更多的有效組分(H2+CO)被氧化，生成的水量也會相應增加。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 結論

通過模擬數據與項目實際數據對比，數據差距在允許的范圍內，由此證明Aspen Plus模擬軟件應用于煤氣化反應模擬是可行的。建立的本煤氣化模型，可以應用于對于碳轉化率高、反應接近平衡的煤氣化反應工況，對于水煤氣中關鍵組分的預測是合理的。Aspen Plus軟件在不同影響因素對煤氣化反應影響的預測方面，也比較符合實際生產的結果，對于實際煤氣化應用具有一定的借鑒意義。

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(本文文獻格式：劉 斌，甘 濤，曹 棟，等.Aspen Plus應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計工作。

TQ015.9

A

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