基于 Aspen Plus软件的煤气化过程模拟评述

2010-09-26蒋云峰邓蜀平熊志建王敏龙

河南化工 2010年14期

关键词：煤气化气化炉物性

刘永 ,蒋云峰 ,邓蜀平 ,熊志建 ,王敏龙

(中国科学院山西煤炭化学研究所工程咨询中心 ,山西太原 030001)

基于 Aspen Plus软件的煤气化过程模拟评述

刘永 ,蒋云峰 ,邓蜀平 ,熊志建 ,王敏龙

(中国科学院山西煤炭化学研究所工程咨询中心 ,山西太原 030001)

煤气化技术是实现煤清洁利用的有效途径,是煤炭转化的关键技术。通过利用 Aspen Plus过程模拟软件建立气化炉模型,可以低成本、低风险、高效率的研究评估气化炉的气化性能和考察各项操作条件对气化产物的影响,寻找最佳操作点。总结了国内外科研机构已报道的各型基于 Aspen Plus软件开发的气流床气化炉模型,分析了各种气化炉模型的区别与联系,并根据实践经验提出了煤气化过程模拟的发展方向。

煤气化 ;Aspen Plus;过程模拟

1 前言

煤气化工艺是生产煤基化学品、煤基液体燃料、制氢、IGCC发电以及多联产系统的龙头技术、基础技术[1],是目前实现煤炭清洁、经济利用的有效方法,但各类煤气化装置投资均十分巨大。在一个煤化工项目中,煤气化部分的投资一般要占到项目总投资的 60%以上。煤气化技术研发的巨大时间和费用耗费,使许多相关科研机构望而却步,严重阻碍了煤气化工艺的研究以及工业化进程。

利用先进的计算机技术实现煤气化工艺的全过程模拟,可减少大量中间试验,获得实验条件下难以得到的性能信息;同时可利用已有的理论成果来低成本、无风险地对煤气化这个复杂过程进行优化研究,寻找最佳操作点,提高整个过程的效率。

自 20世纪 60年代开始,国内外研究者做了大量的研究工作,根据气化原理、反应动力学开发出各类型气化炉的数学模型,可准确预测气化炉出口煤气组成、流率以及温度,用以进行气化炉的设计和优化操作。但研究中发现,各数学模型均由一系列质量守恒、能量守恒、动力学、热力学等方程组成,形式复杂,较难理解,且各模型边界条件不统一,移植性差。

鉴于以上不足,许多学者开始将大型流程模拟软件Aspen Plus引入煤气化过程研究。在固体处理方面,Aspen Plus的优势在于其拥有完备的固体性质数据库以及一套通用的处理固体的单元操作模型,包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。Aspen Plus[2]中所有的单元操作都适合于处理固体,可针对不同气化工艺特点,结合与之相对应的单元模块,快速构建气化工艺模型;同时可灵活输入控制语句与计算模块,使模拟结果更接近于真实值。此外 Aspen Plus设计了一系列过程分析工具,可在构建的模型上同时进行多种不同工况分析,优化操作条件。

煤炭气化技术已有多种成熟工艺,按原料在炉内的状态可将气化炉分为固定床、流化床和气流床三大类,其中气流床工艺指标优良,能源利用效率高,是目前煤气化技术发展的主要方向和研究热点。本文将国内外目前应用Aspen Plus软件开发的各型气流床气化炉模型进行了初步总结,对比各种模型的联系与区别,同时结合实践经验,提出煤气化模拟技术的发展建议。

2 模型构建基础

目前Aspen Plus应用于煤气化模拟的原理是通过一系列假设条件,将煤气化过程设定为平衡模型,认为气化过程一直处于稳定运行状态,所有化学反应均达到平衡;然后通过平衡自由能最小原理,结合气化过程质量及能量平衡方程,可对出口煤气组成、产率及平衡温度进行预测计算。项友谦、汪洋、Watkinson等均已基于此原理建立了气化过程平衡数学模型,并取得较好的成果[3-5]。但由于平衡模型假设条件较理想,在实际应用中受各种条件限制,模型计算结果准确性与气化炉型关联度较大。整体来说,气流床模型最接近于实际值,流化床次之,而固定床由于反应温度低,反应产物复杂,难以利用平衡自由能最小原理进行准确计算,致使结果最差。

2.1 组分规定

煤气化是一个高温、高压下由多种组分参与反应的复杂反应过程。用 Aspen Plus进行模拟时,通常将所涉及的组分分为常规组分、非常规组分两种。煤气化过程中非常规组分一般指非常规固体,如煤、飞灰、灰渣等。

常规组分指组分均匀,有确定分子式的物质,其物性可直接在 Aspen Plus自带的物性数据库中查到。非常规固体是指由多种固体组成的混合物,其物性无法直接从软件自带物性数据库中获得;同时非常规固体常被假定为一种惰性物质,不参加相平衡和化学平衡计算,只计算密度和焓。

对于非常规固体组分,需要模拟者给定组分属性,以便在物性模型或单元操作计算模块中使用这些数据。Aspen Plus软件中专门开发有用于计算煤的密度和焓的工作的模型：HCOALGEN与DCOAL IGT,需要模拟者输入各项的工业分析数据、元素分析数据和硫分析数据来完成计算。数据输入的完整度与准确度直接关系到模拟的精确度。

2.2 物性方法

物性方法是用于计算模拟中所需性质的模型和方程的集合,选择适宜的物性方法经常是决定模拟结果精确度的关键。Aspen Plus自带了几乎所有目前广泛应用的物性方法,同时模拟者为使结果更加精确,可自行开发适宜的物性方法。

煤气化一般是在高温、高压下进行的,同时气体组分多为轻气体,如 CO、H2、CO2、O2。研究者多使用RKS或RKS-BM、PR-BM方程,这两种方程多用于烃加工、燃烧、石化等工艺过程的计算,适用体系为非极性或弱极性的组分混合物,如烃类、CO、CO2、H2等轻气体。在实际应用中,在同一种模型上使用这两种方程分别计算,计算结果并无大差别。

3 气流床模型

目前国内外新建大型煤化工项目的煤气化技术均是以气流床为主,如 Shell、GE-Texaco、GSP等。气流床气化炉反应温度高,速度快,碳转化率高,杂质少,模拟结果较接近于实际结果,尤其是干粉进料的气流床气化炉。国外一些部门如DOE、普林斯顿大学等在进行 IGCC、FT合成、化学链燃烧等煤炭清洁转化技术的概念设计、能效研究以及可行性研究的过程中,开发了一些基于 Aspen Plus软件的煤气化模型,据称结果完全符合研究要求。但从报道文献上来看,由于技术保密的要求,大多数文献仅仅只是一些模型的总体介绍、大体思路,缺乏对具体的构建方法、使用的计算模块尤其是控制模块的详细描述。国内也存在这样的问题,涉及到模型建立的文献相当少,且数据不完整。

表 1 Aspen Plus软件构建的各型气化炉模型计算结果

表 2 计算结果与实际值%

常规建立气化炉模型的做法均是将气化炉假定分解成两个独立的过程。一是煤的热裂解与挥发物的燃烧气化过程,此时煤中的 H、O、S、N全部转入气相,灰分不参加反应,二是裂解产物与气化剂、裂解产物之间的反应过程。这两个过程用煤裂解单元(DComp)与反应单元 (Gasifier)来进行模拟,如图 1所示。传统模拟的处理方法是首先利用煤裂解单元将煤分解为具有由碳氢和其他化合物、纯净元素和灰组成的常规物流混合物,其中灰被处理为具有特定物性的纯元素,然后再通到反应单元中,通过化学反应平衡和相平衡计算出口气体组成。这种做法的缺点是模拟前需要规定裂解单元的产物分布,由于物料平衡不严格,导致计算的煤气组成和实际情况偏差较大。

图 1 基于Aspen Plus的通用煤气化模型示意图

徐越、林立等人分别对常规气化模型分别进行了不同改进,用以研究气流床气化炉的气化性能和操作条件对气化产物的影响。林立在煤裂解单元引入了由 Fletcher教授开发的化学渗滤脱挥发分模型(CFD)进行计算裂解产物分布,该模型可使用实测的煤特性数据来精确模拟裂解气化过程,对于第二过程,利用软件中 RGibbs反应器模块计算化学反应平衡和相平衡。徐越[11]建立的全过程气化模型用Ryield模块模拟煤裂解单元,同时加入了裂解产物产率函数 Fortran语句块以及相应的收敛条件DS1、DS2,可根据用户设定的反应动力学来进行裂解产物计算。结果显示,除微量组分外,大部分组分计算值与文献值符合较好。

张斌、AspenTech公司开发的模型也将气化炉分解为煤裂解单元 (DComp)与反应单元 (Gasifier)。与林立[12-13]模型不同的是这类模型的煤裂解单元并不真实表达裂解反应过程,而是先假定将粉煤裂解转化成 C、S、H2、N2、O2、Cl2、飞灰 (UBC)和灰渣(ASH)等组分,同时将裂解热传递给反应单元,然后裂解组分被输入到反应单元与气化剂O2、H2O发生化学反应,然后通过 RGibbs反应器模型以自由能最小为判据来确定产品化学反应平衡时的组成。同时这两个模型在裂解单元部分的构建方面有所不同,张斌利用 Ryield反应器模块来模拟,而 Aspen-Tech公司则利用 Rstoic反应器模块。后者在反应器计算模块中输入煤特性数据：煤工业分析数据、元素分析数据以硫元素分析数据,通过计算改变反应系数,从而得出较为精确的产物分布,同时该模型对不同煤种有较强的适用性。

对于激冷流程的气化炉如 GE-Texaco、GSP,还需要利用Mixer和 SEP模块来模拟激冷和排渣功能的单元操作模型。同时此类模型还可以进行生物质气化、发电等领域的流程模拟[14]。

张斌等人还应用 Aspen Plus自定义功能,用Fortran语言编写了基于能量平衡与质量平衡的气流床气化模型。经计算验证,模型计算值与文献值符合较好,可用以预测和模拟气流床气化炉的性能。

4 目前存在问题及发展方向

综上所述,用 Aspen Plus软件开发模拟气流床气化炉的模型是可行的。模型能够合理预测出口煤气中关键组分的浓度,同时可充分利用软件的工况分析和灵敏度分析工具,评估气化炉的气化性能和寻找气化炉最佳操作条件。但必须要指出的是模型对许多反应条件都进行了简化处理,假设条件设定过于理想,无法表现真实气化过程,所以存在许多问题,这需要在以后工作中改进完善。

①由于利用平衡模型建模,同时设定了大量的假设条件,而这在实际过程中是不可能的,因此其用途受到一定限制,仅仅是趋势研究、概念研究,不能直接用于指导气化炉设计;②模型计算采用“黑箱”方式,对气化炉内物料运动及化学反应情况反映较少,忽略了气化过程的三传一反及动力学行为;③Aspen Plus可比较方便准确地模拟气流床气化工艺,尤其是干法进料工艺如 Shell,计算结果与文献值吻合较好;但湿法进料工艺如 GE-Texaco,结果有较大误差。对于反应温度较低、过程更加复杂的流化床工艺、固定床工艺,直接利用平衡模型计算的结果与文献值更是有较大差别。

为了更准确地对气化以及燃烧过程进行过程模拟,同时克服上述种种不足,根据实践应用经验,笔者认为基于Aspen Plus软件建立的气化炉模型的发展方向应该是在目前平衡模型基础上,增加依据快速热解过程以及气化反应过程的热力学、动力学编制的计算控制模块或数据包,并应充分考虑粒径分布、碳沉积、气化炉内气固相运动行为等因素,这样计算结果才有可能更接近于实际值,同时开发的模型的应用领域将会有进一步的拓展。

[1] 倪维斗,李政,薛元.以煤气化为核心的多联产能源系统 -资源/能源/环境整体优化与可持续发展[J].中国工程科学,2000,2(8)：59-68.

[2] Aspen Technology Company.Aspen Plus User Guide [M].New York,USA：Cambridge University Press, 1999：100～152.

[3] 项友谦.煤气化过程热力学平衡组成的理论计算[J]. Fuel,1986(1)：4-10.

[4] Watkinson A P,Lucas J P,L im C J A prediction of performance of commercial coal gasifiers[J].Fuel,1991,70：519-527.

[5] 汪洋,代正华,于广锁,等.运用 Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉[J].煤炭转化,2004,27 (4)：27-33.

[6] 于戈文,许志琴,焦玉杰.煤气化工艺过程模拟研究[J].内蒙古石油化工,2007(2)：15-17.

[7] Larson.E.D.,Ren T.Synthetic fuels production by indirect coal liquefaction[J].Energy for SustainableDevelopment,2003,7(4),79-102.

[8] 徐越,吴一宁,危师让.基于ASPEN PLUS平台的干煤粉加压气流床气化性能模拟[J].西安交通大学学报,2003,37(7)：692-694.

[9] NiQ Z,W illiamsA.A simulation study on the perfor mance of entrained-flow coal gasifier[J].Fuel,1995,, 74(1)：102～110.

[10] 林立.Aspen Plus软件应用于煤气化的模拟[J],上海化工,2006,31(8)：10～13.

[11] 张斌,李政,江宁,等.基于Aspen Plus建立喷流床煤气化炉模型[J].化工学报,2003,27(8),1779 -1182.

[12] Aspen Technology Company.Aspen IGCC Model[M]. New York,USA：Cambridge University Press,2007：5-20.