Aspen Plus在煤熱解技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學(xué)強(qiáng)，劉今乾，么秋香

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

Aspen Plus在煤熱解技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學(xué)強(qiáng)，劉今乾，么秋香

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工過(guò)程模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等的大型化工流程軟件，廣泛應(yīng)用于石油化工及煤化工過(guò)程的模擬優(yōu)化。煤熱解技術(shù)作為一種煤炭資源清潔、高效、綜合利用的有效途徑，近年來(lái)在理論研究及工程應(yīng)用等方面受到了研究者的廣泛關(guān)注。本文就近年來(lái)Aspen Plus軟件在煤熱解方面的應(yīng)用成果和發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，同時(shí)也指出了目前研究的不足，并進(jìn)行了展望。

熱解；Aspen Plus；模擬；煤

煤熱解也稱(chēng)煤干餾，是指煤在隔絕空氣或惰性氣氛條件下加熱時(shí)所發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)變化的復(fù)雜過(guò)程。煤熱解產(chǎn)生熱解氣、焦油和半焦等產(chǎn)物。進(jìn)而對(duì)熱解氣進(jìn)行分質(zhì)利用，其中的氫用于煤焦油加氫，進(jìn)一步分離提氫后的熱解氣得到甲烷，用于生產(chǎn)壓縮或液化天然氣，將熱解氣中的一氧化碳用于生產(chǎn)甲醇、合成氨等產(chǎn)品，或作為工業(yè)燃料。對(duì)煤焦油進(jìn)行精餾生產(chǎn)高附加值的精細(xì)化學(xué)品，對(duì)適合加氫的煤焦油組分加氫生產(chǎn)油品、石腦油等。半焦可以用于生產(chǎn)電石、氣化后生產(chǎn)合成氨、甲醇、天然氣、乙二醇，替代無(wú)煙煤作為工業(yè)原料、燃料等[1]。煤熱解相對(duì)于煤的直接燃燒可以有效減少環(huán)境污染，是一種清潔、高效、綜合利用煤炭資源的有效途徑。中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，褐煤和低變質(zhì)煙煤儲(chǔ)量約占煤總儲(chǔ)量的55.1%[2]，在較溫和的條件下，從高揮發(fā)分的煤中提取具有高附加價(jià)值的精細(xì)化學(xué)品及清潔的氣體、液體、固體燃料等，在經(jīng)濟(jì)上無(wú)疑具有較大吸引力。但煤熱解技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研發(fā)需要耗費(fèi)大量費(fèi)用和時(shí)間，阻礙了煤熱解工藝開(kāi)發(fā)和工業(yè)化推廣。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，化工過(guò)程模擬日趨成熟，成為認(rèn)識(shí)化工過(guò)程的一種有效工具。借助模擬計(jì)算，能夠減少大量中間試驗(yàn)，獲得某些實(shí)驗(yàn)條件下難以得到的信息；還可以對(duì)整個(gè)煤熱解過(guò)程進(jìn)行分析，尋找最佳的操作參數(shù)，達(dá)到過(guò)程優(yōu)化的目的等。Aspen Plus作為最為常用的化工流程模擬軟件之一[2-5]，目前已有一些學(xué)者將其應(yīng)用于煤熱解過(guò)程的研究[6-11]，通過(guò)流程模擬能更好地分析其過(guò)程，為理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供支持和幫助。本文就近年來(lái)Aspen Plus軟件在煤熱解方面的應(yīng)用成果和發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述，同時(shí)也指出了目前研究的不足，并進(jìn)行了展望。

1 Aspen Plus 簡(jiǎn)介

Aspen Plus源于美國(guó)能源部于二十世紀(jì)七十年代后期在麻省理工學(xué)院(MIT)組織開(kāi)發(fā)的流程模擬軟件，于1981年底完成。該軟件經(jīng)過(guò)30多年的不斷改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了三十多個(gè)版本，成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，廣泛用于石油化工及煤化工等領(lǐng)域的模擬。Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工過(guò)程模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等的大型化工流程軟件。它為用戶(hù)提供了一套完整的單元操作模型，用于模擬各種單元操作過(guò)程。

物性模型及物性參數(shù)是得到精確可靠的模擬結(jié)果的關(guān)鍵。Aspen Plus具有最適用于工業(yè)、且最完備的物性系統(tǒng)。其包含1773種有機(jī)物、2450種無(wú)機(jī)物、3314種固體物質(zhì)、900種水溶電解質(zhì)的基本物性參數(shù)。同時(shí)，Aspen Plus還提供了幾十種用于計(jì)算傳遞物性和熱力學(xué)性質(zhì)模型的方法，還提供了靈活的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)，可以使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)求物性參數(shù)。此外，Aspen Plus還具有物性常數(shù)估算系統(tǒng)[12]。

Aspen Plus具有完整的單元操作模型庫(kù)。其包含五十多種單元操作模型，如混合、分割、換熱、閃蒸、精餾、反應(yīng)、固體分離等，通過(guò)這些模型的組合，能模擬所需的工藝流程。Aspen Plus還提供了靈敏度分析及工況分析等模塊。

2 Aspen Plus在煤熱解研究的應(yīng)用進(jìn)展

王偉等[6]將褐煤熱解過(guò)程分成三個(gè)單元，運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)褐煤熱解過(guò)程進(jìn)行模擬。其用化學(xué)滲濾脫揮發(fā)分模型(CPD)預(yù)測(cè)煤熱解的產(chǎn)物分布，化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模型(RStoic)和兩相閃蒸模型(Flash2)模擬干燥過(guò)程，收率反應(yīng)器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)模擬熱解過(guò)程，子物流分流器模型(SSplit)模擬氣固分離過(guò)程。作者對(duì)模擬方法進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證，經(jīng)模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)半焦收率及氣體總質(zhì)量流量誤差分別為1.47%和0.23%，誤差較小，模型可靠。通過(guò)Aspen Plus模擬，可以為煤熱解過(guò)程的工藝開(kāi)發(fā)及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

路丙川等[7]運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)褐煤固體熱載體熱解-氣化耦合過(guò)程進(jìn)行模擬，流程共分為干燥、熱解、氣化和燃燒等四個(gè)單元。其中干燥單元用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模型(RStoic)，熱解單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)，氣化單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)、化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模型(RStoic)和吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)，燃燒單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)。作者對(duì)工藝流程的能流進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)褐煤熱解單元的能耗約占總能耗的70%，認(rèn)為是直接導(dǎo)致固體熱載體用量大、燃燒半焦比例大以及系統(tǒng)輔助能耗大的主要原因。

張彥等[8]在煤熱解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了包含熱解溫度及熱解吸熱影響的熱解模型，運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)固體熱載體下行管熱解反應(yīng)器進(jìn)行分段模擬。該模擬通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行中間插值和向外插值得到不同溫度下熱解產(chǎn)物分布的熱解模型，將熱解模型嵌入Aspen Plus中，模擬不同溫度下的熱解反應(yīng)，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]到煤熱解為吸熱反應(yīng)，在固體熱載體下行管熱解反應(yīng)器中，隨著熱解反應(yīng)的進(jìn)行，沿著下行管溫度將逐漸降低，該研究者使用15個(gè)收率反應(yīng)器模型(RYield)對(duì)煤熱解進(jìn)行模擬，較準(zhǔn)確反映這一反應(yīng)器的特點(diǎn)，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大提高。

李初福等[9]借助Aspen Plus軟件對(duì)固體熱載體回轉(zhuǎn)窯煤熱解工藝進(jìn)行模擬。其工藝流程分為干燥、熱解、半焦加熱、焦油回收、鍋爐燃燒等五個(gè)單元。干燥單元用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模型(RStoic)，熱解單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)，半焦加熱單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)，鍋爐燃燒單元用收率反應(yīng)器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)，焦油回收單元用兩相閃蒸模型(Flash2)模擬氣液分離和液-液傾析器模型(Decanter)模擬油水分離。該研究者以年處理100萬(wàn)噸神東碎煤(<25 mm)的工藝條件進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果顯示，適當(dāng)提高干燥溫度和半焦熱載體溫度，可以有效減少半焦熱載體循環(huán)量和廢水生成量；在干燥溫度200℃、熱解溫度600℃和熱載體溫度800℃條件下，熱載體與干燥煤混合質(zhì)量比為3.3∶1時(shí)，焦油干基收率為7.2%，煤氣干基收率為10%，系統(tǒng)能效達(dá)到85%以上。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了最優(yōu)操作條件，可以對(duì)設(shè)計(jì)及操作起到指導(dǎo)作用。

秦麗娜等[10]基于Aspen Plus軟件對(duì)低變質(zhì)煤催化熱解-部分氣化耦合工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化研究。模擬分為粉煤干燥、熱解、半焦部分氣化及氣化殘余半焦冷卻等四個(gè)過(guò)程。干燥過(guò)程用RStoic反應(yīng)器，熱解過(guò)程用收率反應(yīng)器模型(RYield)和嵌入的預(yù)測(cè)熱解產(chǎn)物的Fortran模塊，氣化過(guò)程用吉布斯自由能最小的平衡反應(yīng)器模型(RGibbs)。根據(jù)模擬結(jié)果，熱解段得焦油12.23%，半焦收率為65.11%，與一般的低階煤熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。氣化段半焦轉(zhuǎn)化率為70%時(shí)，所得模擬結(jié)果與Shell氣化爐的煤氣組成基本一致，因此，該模型基本上是可靠的。

林東杰等[11]利用Aspen Plus軟件對(duì)褐煤熱解過(guò)程能量綜合利用進(jìn)行了優(yōu)化，提出了間接冷卻和干熄焦兩種改進(jìn)工藝，對(duì)干燥煙氣消耗量和循環(huán)水消耗量進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)模擬結(jié)果，在任何熱解溫度和含水量下，兩種改進(jìn)工藝均能減小干燥煙氣消耗量和循環(huán)水消耗量，減少污水產(chǎn)生量。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，用Aspen Plus對(duì)熱解過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，大部分都把工藝過(guò)程分成干燥、熱解、分離等單元，其中熱解單元都用到了收率反應(yīng)器模型(RYield)，然而RYield模型不能保證元素守恒，因此在給定產(chǎn)物收率時(shí)需要特別注意其真實(shí)性及合理性。

另外，雖然Aspen Plus軟件在煤熱解研究中進(jìn)行了一些應(yīng)用，并取得了一些成果。但是，現(xiàn)有的文獻(xiàn)很多都缺少實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。需要對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的比較，選擇更合適的Aspen Plus模型，或者結(jié)合熱解反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，彌補(bǔ)現(xiàn)有Aspen Plus模型的不足，進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，促進(jìn)Aspen Plus在煤熱解領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。

[1] 尚建選,王立杰,甘建平,等.煤炭資源逐級(jí)分質(zhì)綜合利用的轉(zhuǎn)化路線思考[J].中國(guó)煤炭,2010,36(9):98-101.

[2] 毛節(jié)華,許惠龍.中國(guó)煤炭資源分布現(xiàn)狀和遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1999,27(3):1-4.

[3] 張治山,楊超龍.Aspen Plus在化工中的應(yīng)用[J].廣東化工,2012,39(3):77-78.

[4] 李萌萌,姜 召,李 璐,等.Aspen Plus在超臨界流體技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(S1):19-26.

[5] 靳 皎,姚曉虹,劉曉花,等.Aspen Plus在煤氣化技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].山東化工,2016,45(13):71-73.

[6] 王 偉,商玉坤,武建軍.基于Aspen Plus的褐煤熱解過(guò)程模擬[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2011,28(3):49-73.

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[8] 張 彥,趙月紅,何險(xiǎn)峰.基于Aspen Plus的“煤拔頭”工藝熱解過(guò)程的模擬[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2014,31(7):774-778.

[9] 李初福,門(mén)卓武,翁 力,等.固體熱載體回轉(zhuǎn)窯煤熱解工藝模擬與分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(S1):203-207.

[10] 秦麗娜,李建偉,周安寧.基于Aspen Plus的煤熱解-氣化耦合工藝模擬優(yōu)化研究[J].酒鋼科技,2015(4):14-17.

[11] 林東杰,甘曉雁,彭 書(shū).低階煤熱解過(guò)程中的能量綜合利用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(S1):186-193.

[12] 屈一新.化工過(guò)程數(shù)值模擬及軟件[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

(本文文獻(xiàn)格式：黨敏輝，鄭化安，張生軍，等.Aspen Plus在煤熱解技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].山東化工,2017,46(11):63-64.)

The Application Progress of Aspen Plus in Coal Pyrolysis

DangMinhui,ZhengHua'an,ZhangShengjun,FanYingjie,LiXueqiang,LiuJinqian,YaoQiuxiang

(Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,State Energy Key Laboratory of Clear Coal Grading Conversion, Xi'an 710065,China)

Aspen Plus is a large-scale chemical process software,which based on steady-state chemical engineering simulation,optimization,sensitivity analysis and economic evaluation,and it is widely used in the simulation and optimization of petrochemical and coal chemical process. Coal pyrolysis technology as an effective way to clean,efficient and comprehensive utilization of coal resources,has been widely concerned by the researchers,in theoretical research and engineering applications in recent years. In this paper,the application and development of Aspen Plus software in coal pyrolysis have been summarized and reviewed. At the same time,it points out the shortcomings of the current research,and makes a prospect.

pyrolysis; Aspen Plus; simulation; coal

2017-04-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤熱解共性關(guān)鍵技術(shù)研究及碎煤熱解工程化應(yīng)用”(2016YFB0600403)

黨敏輝(1984—)，男，河南漯河人，博士，工程師，主要從事煤熱解技術(shù)及熱解方面的研究。

TQ523; TQ015.9

A

1008-021X(2017)11-0063-02