Aspen Plus应用于煤气化的模拟研究

刘 斌，甘 涛，曹 栋，王乃超

(西北化工研究院设计所，陕西 西安 710061)

Aspen Plus应用于煤气化的模拟研究

刘 斌，甘 涛，曹 栋，王乃超

(西北化工研究院设计所，陕西 西安 710061)

随着我国的环境日趋恶化，环境保护越来越受到重视，实现煤的清洁利用是非常必要的，实现煤清洁利用的有效途径可用到煤气化技术。采用Aspen Plus模拟软件建立煤气化反应模型，通过模拟数据与实际数据的对比评估，可以获得大量实验室难以得到的宝贵数据，进而推进优化煤气化技术的研究进展。通过模拟论证及理论分析，Aspen Plus模拟软件应用于煤气化反应模拟是可行的，对于实际煤气化应用具有一定的借鉴意义。

Aspen Plus；煤气化；模拟分析

煤炭是我国主要的能源资源之一，不仅可以作为工业燃料还是重要的化工原料。随着我国的环境日趋恶化，环境保护越来越受到重视，实现煤的清洁利用是非常必要的，实现煤清洁利用的有效途径可用到煤气化技术。但在各类煤气化技术中，涉及到的煤气化装置在整个煤气化项目投资中占有比例超过60%。煤气化技术的研发周期长、研发成本高、安全性要求高，使得很多相关的科研机构对此望而却步，影响了煤气化工艺的研究和工业化发展。如果能够利用高端的计算机模拟技术实现对煤气化技术的有效模拟，可以获得大量实验室难以得到的宝贵数据，进而推进优化煤气化技术的研究进展。鉴于各种化工模拟软件如Aspen Plus、Pro Ⅱ等在各类化工领域模拟应用成功的案例，可尝试应用化工模拟软件对煤气化技术进行模拟。Aspen Plus在固体处理方面具有相较于其他模拟软件的优势，它具有更加全面的固体数据库，并且每个单元操作模型都能处理固体。Aspen Plus在物料热量平衡、相平衡及化学反应平衡的基础上，自身提供近乎全面的物性数据，并且拥有丰富的单元操作模型，能够用于各种化工工艺流程的模拟，已经成功实践于各类工程实际生产流程中。本文以基于Aspen Plus软件，设定必要的假设条件如煤首先裂解的假定，利用平衡模型建模，通过Gibbs自由能最小的原理，对水煤浆气化炉出口的粗煤气的组成、产率及平衡温度进行模拟计算推测，结合实际应用的数据，考察Aspen Plus软件应用于水煤浆煤气化的模拟研究的可行性。

1 煤气化基本原理

煤气化反应是煤以氧气、蒸汽或者氢气为气化剂，在高温条件下，产生氧化反应，使其从固体燃料转变为气体燃料的过程。煤的气化反应是由一系列的化学反应组成，煤作为主要含碳的固体燃料，其气化的主要反应如下：

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)

从物理化学角度来看，煤气化可以分为如下阶段：煤炭脱水干燥、煤热解挥发分、挥发分或半焦的气化反应等。在煤气化的过程中，粒度很低的煤粉在高温(400 ℃左右)下就会发生热解反应，挥发物如：焦油、煤气等就会析出。

从反应动力学角度分析，煤气化反应在低温时主要受化学反应控制，但是，在高温时，决定反应速率的因素变为传质过程。气化剂的吸附、活性部位的表面反应以及产物的解吸够成了气化反应的基本步骤。

2 煤气化模型的建立

本文模拟煤气化过程采用反应平衡模型，即采用Gibbs自由能最小化方法进行模拟。反应平衡模型以反应热力学为基础，相对比较简单，并且具有一定的通用性，对于碳转化率高、反应接近平衡的工况预测相对效果较好；但是是由于其不考虑汽化炉的流动传热、传质特性以及气化反应过程的缺点，对于没有达到化学平衡的工况的预测相对较差。

应用Gibbs自由能最小化方法，建立了煤气化反应的反应模型，见图1。

图1 煤气化反应的模型示意图

Fig.1 Diagram of coal gasification model

首先把煤气化反应过程理想地分为煤的热解反应、煤的燃烧反应两个过程。裂解反应过程采用了Ryield模拟反应器，其主要目的是把煤热解为可用于模拟反应的单元素分子和灰渣，并把由此产生的热解能量转移给后续模拟过程，保证总热量的平衡。煤的燃烧反应选择利用Gibbs自由能最小化方法进行反应平衡的Gibbs模拟反应器，其目的是通过自有能最下化原理进行计算反应平衡，计算得出煤燃烧反应后得到的水煤气的温度及其组成。Ssplit模拟模块仅仅是将反应后的水煤气进行气固相分离，固相为煤气化后的废渣。

流程图中COAL为原料煤，COAL-P为煤热解反应后产物，Q为热解反应能量，H2O为进入原料水，O2为原料氧气，PRODUCTS为反应后的水煤气，GASES为去除废渣的水煤气，SOLIDS为废渣。值得注意的是：COAL应设置为非常规组分(NCPSD)；生成的水煤气主要组分设定为H2O、N2、O2、H2、CO、CO2、H2S、CH4、S、H2S、COS、HCl等。

值得注意的是，在煤气化反应的模拟中，需要用到Aspen Plus提供的用户功能扩展接口，在Ryield模拟反应器的裂解反应中，把煤热解为可用于模拟反应的单元素分子和灰渣的过程，需要用到Fortran语言来编写计算过程，来实现模拟裂解反应。Fortran语言是一种计算能力很强的高级语言，适用于对计算要求较高的软件编写，Aspen Plus的用户模型也是用Fortran语言编写为主。

关于煤气化模拟反应的物性方法的选择也是很重要的，合适的物性方法能够决定模拟数据的精确度。煤气化一般在高温高压下进行，同时气体组分多为轻气体，研究者多使用RK-SOAVE或RKS-BM、PR-BM方程，这些方程多用于烃加工、燃烧、石化等工艺过程的计算，适用于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。本文中采用RK-SOAVE方程进行模拟计算。

3 煤气化模型的验证

本文采用项目已实际应用的煤种，对建立的模型进行检验，对本煤种的工业分析和元素分析见表1。表1中数据作为Aspen Plus软件模拟的初始数据。

表1 煤种分析数据Table 1 Analytical data of coal

通过模拟流程的建立、初始数据的输入，进行Aepsn Aplus模拟计算，得到模拟结果。模拟结果与项目实际数据对比见表2。

表2 模拟数据与实际数据对比Table 2 Comparison between the model results and actual data

通过数据对比可以看出，Aepsn Aplus模拟计算得到的数据结果与实际项目数据相差不大，数据的差距在允许的范围内，说明了Aspen Plus模拟软件应用于煤气化反应模拟是可行的，其对实际项目应具有借鉴意义。下面通过改变不同操作条件，考察它们对煤气化反应的影响。

3.1 气化压力的影响

在模拟中保持原数据不动，只改变气化的压力，对不同的气化压力进行煤气化模拟，得到模拟计算结果见表3。

表3 气化压力的影响Table 3 Effect of the Gasification Pressure

由表3中可以看出，在气化炉中维持高温1350℃不变，气化压力对反应的影响很小。随着气化压力的不断提高，水煤气中有效组分(H2+CO)的含量几乎没有变化。有文章指出：对于实际生产过程中，气化压力提高，单位时间可获得的气体量增加，产能相应增加。但是，如果从气化炉的设计角度进行考虑，在同样高温的条件下，气化压力的大小直接影响了气化炉设备的设计，气化压力越大，对气化炉设备要求越高，相应的造价会大大提升。所以建议在煤气化反应条件允许的情况下，气化压力不宜设计过高，项目常设气化压力一般在2.0MPaG左右。

3.2 水煤浆浓度的影响

水煤比是影响煤气化反应的一个重要因素，模拟考察水煤比的影响，调整水煤浆浓度从56%到60%进行模拟计算(干煤的量定为不变，通过改变水的进入量调整水煤浆浓度)，得到模拟结果如表4所示。

表4 水煤浆浓度的影响Table 4 Effect of the concentration of coal water slurry

由表4可看出，随着水煤浆浓度的增加，一氧化碳和有效组分(H2+CO)的含量逐渐升高，而氢气和二氧化碳则逐渐降低，并且二氧化碳的变化趋势更明显。分析其原因如下：由于水量的减少，造成了水煤气反应减弱，变换反应更有利于向左的方向反应。水量的大小是可以起到调节氢气产量的作用。

3.3 氧煤比的影响

氧煤比也会影响煤气化反应，通过调节不同的氧煤比进行模拟计算，对结果进行分析，亦可对实际项目应用起到借鉴作用。维持其他参数不变，通过改变氧气的通入量，起到调节氧煤比的效果。模拟结果如表5所示。

表5 氧煤比的影响Table 5 Effect of oxygen/coal ratio

由表5可以看出：随着氧煤比的增加，有效组分(H2+CO)的含量呈下降趋势，这就说明：氧气含量的增加导致了氧化反应的增加，更多的有效组分(H2+CO)被氧化，生成的水量也会相应增加。所以选择一个合适的氧煤比是十分必要的，在保证足够的氧气来满足氧化反应提供热量的情况下，需要注意不能通入过多的氧气，即控制好合适的氧煤比。

4 结论

通过模拟数据与项目实际数据对比，数据差距在允许的范围内，由此证明Aspen Plus模拟软件应用于煤气化反应模拟是可行的。建立的本煤气化模型，可以应用于对于碳转化率高、反应接近平衡的煤气化反应工况，对于水煤气中关键组分的预测是合理的。Aspen Plus软件在不同影响因素对煤气化反应影响的预测方面，也比较符合实际生产的结果，对于实际煤气化应用具有一定的借鉴意义。

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(本文文献格式：刘 斌，甘 涛，曹 栋，等.Aspen Plus应用于煤气化的模拟研究[J].山东化工,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

刘 斌(1967—)，男，工程师，主要从事化工工艺设计工作。

TQ015.9

A

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