劉 永 ,蔣云峰 ,鄧蜀平 ,熊志建 ,王敏龍

(中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所工程咨詢中心 ,山西太原 030001)

基于 Aspen Plus軟件的煤氣化過(guò)程模擬評(píng)述

劉 永 ,蔣云峰 ,鄧蜀平 ,熊志建 ,王敏龍

(中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所工程咨詢中心 ,山西太原 030001)

煤氣化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤清潔利用的有效途徑,是煤炭轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)利用 Aspen Plus過(guò)程模擬軟件建立氣化爐模型,可以低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高效率的研究評(píng)估氣化爐的氣化性能和考察各項(xiàng)操作條件對(duì)氣化產(chǎn)物的影響,尋找最佳操作點(diǎn)。總結(jié)了國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)已報(bào)道的各型基于 Aspen Plus軟件開(kāi)發(fā)的氣流床氣化爐模型,分析了各種氣化爐模型的區(qū)別與聯(lián)系,并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了煤氣化過(guò)程模擬的發(fā)展方向。

煤氣化 ;Aspen Plus;過(guò)程模擬

1 前言

煤氣化工藝是生產(chǎn)煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、制氫、IGCC發(fā)電以及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的龍頭技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)[1],是目前實(shí)現(xiàn)煤炭清潔、經(jīng)濟(jì)利用的有效方法,但各類煤氣化裝置投資均十分巨大。在一個(gè)煤化工項(xiàng)目中,煤氣化部分的投資一般要占到項(xiàng)目總投資的 60%以上。煤氣化技術(shù)研發(fā)的巨大時(shí)間和費(fèi)用耗費(fèi),使許多相關(guān)科研機(jī)構(gòu)望而卻步,嚴(yán)重阻礙了煤氣化工藝的研究以及工業(yè)化進(jìn)程。

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤氣化工藝的全過(guò)程模擬,可減少大量中間試驗(yàn),獲得實(shí)驗(yàn)條件下難以得到的性能信息;同時(shí)可利用已有的理論成果來(lái)低成本、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地對(duì)煤氣化這個(gè)復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化研究,尋找最佳操作點(diǎn),提高整個(gè)過(guò)程的效率。

自 20世紀(jì) 60年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外研究者做了大量的研究工作,根據(jù)氣化原理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)出各類型氣化爐的數(shù)學(xué)模型,可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣化爐出口煤氣組成、流率以及溫度,用以進(jìn)行氣化爐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作。但研究中發(fā)現(xiàn),各數(shù)學(xué)模型均由一系列質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等方程組成,形式復(fù)雜,較難理解,且各模型邊界條件不統(tǒng)一,移植性差。

鑒于以上不足,許多學(xué)者開(kāi)始將大型流程模擬軟件Aspen Plus引入煤氣化過(guò)程研究。在固體處理方面,Aspen Plus的優(yōu)勢(shì)在于其擁有完備的固體性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)以及一套通用的處理固體的單元操作模型,包括破碎機(jī)、旋風(fēng)分離器、篩分、文杜里洗滌器、靜電沉淀器、過(guò)濾洗滌機(jī)和傾析器。Aspen Plus[2]中所有的單元操作都適合于處理固體,可針對(duì)不同氣化工藝特點(diǎn),結(jié)合與之相對(duì)應(yīng)的單元模塊,快速構(gòu)建氣化工藝模型;同時(shí)可靈活輸入控制語(yǔ)句與計(jì)算模塊,使模擬結(jié)果更接近于真實(shí)值。此外 Aspen Plus設(shè)計(jì)了一系列過(guò)程分析工具,可在構(gòu)建的模型上同時(shí)進(jìn)行多種不同工況分析,優(yōu)化操作條件。

煤炭氣化技術(shù)已有多種成熟工藝,按原料在爐內(nèi)的狀態(tài)可將氣化爐分為固定床、流化床和氣流床三大類,其中氣流床工藝指標(biāo)優(yōu)良,能源利用效率高,是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主要方向和研究熱點(diǎn)。本文將國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用Aspen Plus軟件開(kāi)發(fā)的各型氣流床氣化爐模型進(jìn)行了初步總結(jié),對(duì)比各種模型的聯(lián)系與區(qū)別,同時(shí)結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出煤氣化模擬技術(shù)的發(fā)展建議。

2 模型構(gòu)建基礎(chǔ)

目前Aspen Plus應(yīng)用于煤氣化模擬的原理是通過(guò)一系列假設(shè)條件,將煤氣化過(guò)程設(shè)定為平衡模型,認(rèn)為氣化過(guò)程一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),所有化學(xué)反應(yīng)均達(dá)到平衡;然后通過(guò)平衡自由能最小原理,結(jié)合氣化過(guò)程質(zhì)量及能量平衡方程,可對(duì)出口煤氣組成、產(chǎn)率及平衡溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。項(xiàng)友謙、汪洋、Watkinson等均已基于此原理建立了氣化過(guò)程平衡數(shù)學(xué)模型,并取得較好的成果[3-5]。但由于平衡模型假設(shè)條件較理想,在實(shí)際應(yīng)用中受各種條件限制,模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性與氣化爐型關(guān)聯(lián)度較大。整體來(lái)說(shuō),氣流床模型最接近于實(shí)際值,流化床次之,而固定床由于反應(yīng)溫度低,反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜,難以利用平衡自由能最小原理進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,致使結(jié)果最差。

2.1 組分規(guī)定

煤氣化是一個(gè)高溫、高壓下由多種組分參與反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程。用 Aspen Plus進(jìn)行模擬時(shí),通常將所涉及的組分分為常規(guī)組分、非常規(guī)組分兩種。煤氣化過(guò)程中非常規(guī)組分一般指非常規(guī)固體,如煤、飛灰、灰渣等。

常規(guī)組分指組分均勻,有確定分子式的物質(zhì),其物性可直接在 Aspen Plus自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)中查到。非常規(guī)固體是指由多種固體組成的混合物,其物性無(wú)法直接從軟件自帶物性數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得;同時(shí)非常規(guī)固體常被假定為一種惰性物質(zhì),不參加相平衡和化學(xué)平衡計(jì)算,只計(jì)算密度和焓。

對(duì)于非常規(guī)固體組分,需要模擬者給定組分屬性,以便在物性模型或單元操作計(jì)算模塊中使用這些數(shù)據(jù)。Aspen Plus軟件中專門開(kāi)發(fā)有用于計(jì)算煤的密度和焓的工作的模型：HCOALGEN與DCOAL IGT,需要模擬者輸入各項(xiàng)的工業(yè)分析數(shù)據(jù)、元素分析數(shù)據(jù)和硫分析數(shù)據(jù)來(lái)完成計(jì)算。數(shù)據(jù)輸入的完整度與準(zhǔn)確度直接關(guān)系到模擬的精確度。

2.2 物性方法

物性方法是用于計(jì)算模擬中所需性質(zhì)的模型和方程的集合,選擇適宜的物性方法經(jīng)常是決定模擬結(jié)果精確度的關(guān)鍵。Aspen Plus自帶了幾乎所有目前廣泛應(yīng)用的物性方法,同時(shí)模擬者為使結(jié)果更加精確,可自行開(kāi)發(fā)適宜的物性方法。

煤氣化一般是在高溫、高壓下進(jìn)行的,同時(shí)氣體組分多為輕氣體,如 CO、H2、CO2、O2。研究者多使用RKS或RKS-BM、PR-BM方程,這兩種方程多用于烴加工、燃燒、石化等工藝過(guò)程的計(jì)算,適用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。在實(shí)際應(yīng)用中,在同一種模型上使用這兩種方程分別計(jì)算,計(jì)算結(jié)果并無(wú)大差別。

3 氣流床模型

目前國(guó)內(nèi)外新建大型煤化工項(xiàng)目的煤氣化技術(shù)均是以氣流床為主,如 Shell、GE-Texaco、GSP等。氣流床氣化爐反應(yīng)溫度高,速度快,碳轉(zhuǎn)化率高,雜質(zhì)少,模擬結(jié)果較接近于實(shí)際結(jié)果,尤其是干粉進(jìn)料的氣流床氣化爐。國(guó)外一些部門如DOE、普林斯頓大學(xué)等在進(jìn)行 IGCC、FT合成、化學(xué)鏈燃燒等煤炭清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)的概念設(shè)計(jì)、能效研究以及可行性研究的過(guò)程中,開(kāi)發(fā)了一些基于 Aspen Plus軟件的煤氣化模型,據(jù)稱結(jié)果完全符合研究要求。但從報(bào)道文獻(xiàn)上來(lái)看,由于技術(shù)保密的要求,大多數(shù)文獻(xiàn)僅僅只是一些模型的總體介紹、大體思路,缺乏對(duì)具體的構(gòu)建方法、使用的計(jì)算模塊尤其是控制模塊的詳細(xì)描述。國(guó)內(nèi)也存在這樣的問(wèn)題,涉及到模型建立的文獻(xiàn)相當(dāng)少,且數(shù)據(jù)不完整。

表 1 Aspen Plus軟件構(gòu)建的各型氣化爐模型計(jì)算結(jié)果

表 2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值%

常規(guī)建立氣化爐模型的做法均是將氣化爐假定分解成兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。一是煤的熱裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化過(guò)程,此時(shí)煤中的 H、O、S、N全部轉(zhuǎn)入氣相,灰分不參加反應(yīng),二是裂解產(chǎn)物與氣化劑、裂解產(chǎn)物之間的反應(yīng)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程用煤裂解單元(DComp)與反應(yīng)單元 (Gasifier)來(lái)進(jìn)行模擬,如圖 1所示。傳統(tǒng)模擬的處理方法是首先利用煤裂解單元將煤分解為具有由碳?xì)浜推渌衔?、純凈元素和灰組成的常規(guī)物流混合物,其中灰被處理為具有特定物性的純?cè)?然后再通到反應(yīng)單元中,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)平衡和相平衡計(jì)算出口氣體組成。這種做法的缺點(diǎn)是模擬前需要規(guī)定裂解單元的產(chǎn)物分布,由于物料平衡不嚴(yán)格,導(dǎo)致計(jì)算的煤氣組成和實(shí)際情況偏差較大。

圖 1 基于Aspen Plus的通用煤氣化模型示意圖

徐越、林立等人分別對(duì)常規(guī)氣化模型分別進(jìn)行了不同改進(jìn),用以研究氣流床氣化爐的氣化性能和操作條件對(duì)氣化產(chǎn)物的影響。林立在煤裂解單元引入了由 Fletcher教授開(kāi)發(fā)的化學(xué)滲濾脫揮發(fā)分模型(CFD)進(jìn)行計(jì)算裂解產(chǎn)物分布,該模型可使用實(shí)測(cè)的煤特性數(shù)據(jù)來(lái)精確模擬裂解氣化過(guò)程,對(duì)于第二過(guò)程,利用軟件中 RGibbs反應(yīng)器模塊計(jì)算化學(xué)反應(yīng)平衡和相平衡。徐越[11]建立的全過(guò)程氣化模型用Ryield模塊模擬煤裂解單元,同時(shí)加入了裂解產(chǎn)物產(chǎn)率函數(shù) Fortran語(yǔ)句塊以及相應(yīng)的收斂條件DS1、DS2,可根據(jù)用戶設(shè)定的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)進(jìn)行裂解產(chǎn)物計(jì)算。結(jié)果顯示,除微量組分外,大部分組分計(jì)算值與文獻(xiàn)值符合較好。

張斌、AspenTech公司開(kāi)發(fā)的模型也將氣化爐分解為煤裂解單元 (DComp)與反應(yīng)單元 (Gasifier)。與林立[12-13]模型不同的是這類模型的煤裂解單元并不真實(shí)表達(dá)裂解反應(yīng)過(guò)程,而是先假定將粉煤裂解轉(zhuǎn)化成 C、S、H2、N2、O2、Cl2、飛灰 (UBC)和灰渣(ASH)等組分,同時(shí)將裂解熱傳遞給反應(yīng)單元,然后裂解組分被輸入到反應(yīng)單元與氣化劑O2、H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng),然后通過(guò) RGibbs反應(yīng)器模型以自由能最小為判據(jù)來(lái)確定產(chǎn)品化學(xué)反應(yīng)平衡時(shí)的組成。同時(shí)這兩個(gè)模型在裂解單元部分的構(gòu)建方面有所不同,張斌利用 Ryield反應(yīng)器模塊來(lái)模擬,而 Aspen-Tech公司則利用 Rstoic反應(yīng)器模塊。后者在反應(yīng)器計(jì)算模塊中輸入煤特性數(shù)據(jù)：煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)、元素分析數(shù)據(jù)以硫元素分析數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算改變反應(yīng)系數(shù),從而得出較為精確的產(chǎn)物分布,同時(shí)該模型對(duì)不同煤種有較強(qiáng)的適用性。

對(duì)于激冷流程的氣化爐如 GE-Texaco、GSP,還需要利用Mixer和 SEP模塊來(lái)模擬激冷和排渣功能的單元操作模型。同時(shí)此類模型還可以進(jìn)行生物質(zhì)氣化、發(fā)電等領(lǐng)域的流程模擬[14]。

張斌等人還應(yīng)用 Aspen Plus自定義功能,用Fortran語(yǔ)言編寫了基于能量平衡與質(zhì)量平衡的氣流床氣化模型。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證,模型計(jì)算值與文獻(xiàn)值符合較好,可用以預(yù)測(cè)和模擬氣流床氣化爐的性能。

4 目前存在問(wèn)題及發(fā)展方向

綜上所述,用 Aspen Plus軟件開(kāi)發(fā)模擬氣流床氣化爐的模型是可行的。模型能夠合理預(yù)測(cè)出口煤氣中關(guān)鍵組分的濃度,同時(shí)可充分利用軟件的工況分析和靈敏度分析工具,評(píng)估氣化爐的氣化性能和尋找氣化爐最佳操作條件。但必須要指出的是模型對(duì)許多反應(yīng)條件都進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,假設(shè)條件設(shè)定過(guò)于理想,無(wú)法表現(xiàn)真實(shí)氣化過(guò)程,所以存在許多問(wèn)題,這需要在以后工作中改進(jìn)完善。

①由于利用平衡模型建模,同時(shí)設(shè)定了大量的假設(shè)條件,而這在實(shí)際過(guò)程中是不可能的,因此其用途受到一定限制,僅僅是趨勢(shì)研究、概念研究,不能直接用于指導(dǎo)氣化爐設(shè)計(jì);②模型計(jì)算采用“黑箱”方式,對(duì)氣化爐內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)及化學(xué)反應(yīng)情況反映較少,忽略了氣化過(guò)程的三傳一反及動(dòng)力學(xué)行為;③Aspen Plus可比較方便準(zhǔn)確地模擬氣流床氣化工藝,尤其是干法進(jìn)料工藝如 Shell,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值吻合較好;但濕法進(jìn)料工藝如 GE-Texaco,結(jié)果有較大誤差。對(duì)于反應(yīng)溫度較低、過(guò)程更加復(fù)雜的流化床工藝、固定床工藝,直接利用平衡模型計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)值更是有較大差別。

為了更準(zhǔn)確地對(duì)氣化以及燃燒過(guò)程進(jìn)行過(guò)程模擬,同時(shí)克服上述種種不足,根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為基于Aspen Plus軟件建立的氣化爐模型的發(fā)展方向應(yīng)該是在目前平衡模型基礎(chǔ)上,增加依據(jù)快速熱解過(guò)程以及氣化反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)編制的計(jì)算控制模塊或數(shù)據(jù)包,并應(yīng)充分考慮粒徑分布、碳沉積、氣化爐內(nèi)氣固相運(yùn)動(dòng)行為等因素,這樣計(jì)算結(jié)果才有可能更接近于實(shí)際值,同時(shí)開(kāi)發(fā)的模型的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有進(jìn)一步的拓展。

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TQ541

：A

：1003-3467(2010)14-0025-03

2010-05-18

劉 永(1982-),助理研究員,現(xiàn)從事煤化工工程咨詢工作,電話：0351-4065237-804,Email：yongliu@sxicc.ac.cn。