劉 永 ,蔣云峰 ,鄧蜀平 ,熊志建 ,王敏龍

(中國科學院山西煤炭化學研究所工程咨詢中心 ,山西太原 030001)

基于 Aspen Plus軟件的煤氣化過程模擬評述

劉 永 ,蔣云峰 ,鄧蜀平 ,熊志建 ,王敏龍

(中國科學院山西煤炭化學研究所工程咨詢中心 ,山西太原 030001)

煤氣化技術(shù)是實現(xiàn)煤清潔利用的有效途徑,是煤炭轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。通過利用 Aspen Plus過程模擬軟件建立氣化爐模型,可以低成本、低風險、高效率的研究評估氣化爐的氣化性能和考察各項操作條件對氣化產(chǎn)物的影響,尋找最佳操作點。總結(jié)了國內(nèi)外科研機構(gòu)已報道的各型基于 Aspen Plus軟件開發(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)實踐經(jīng)驗提出了煤氣化過程模擬的發(fā)展方向。

煤氣化 ;Aspen Plus;過程模擬

1 前言

煤氣化工藝是生產(chǎn)煤基化學品、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],是目前實現(xiàn)煤炭清潔、經(jīng)濟利用的有效方法,但各類煤氣化裝置投資均十分巨大。在一個煤化工項目中,煤氣化部分的投資一般要占到項目總投資的 60%以上。煤氣化技術(shù)研發(fā)的巨大時間和費用耗費,使許多相關(guān)科研機構(gòu)望而卻步,嚴重阻礙了煤氣化工藝的研究以及工業(yè)化進程。

利用先進的計算機技術(shù)實現(xiàn)煤氣化工藝的全過程模擬,可減少大量中間試驗,獲得實驗條件下難以得到的性能信息;同時可利用已有的理論成果來低成本、無風險地對煤氣化這個復雜過程進行優(yōu)化研究,尋找最佳操作點,提高整個過程的效率。

自 20世紀 60年代開始,國內(nèi)外研究者做了大量的研究工作,根據(jù)氣化原理、反應動力學開發(fā)出各類型氣化爐的數(shù)學模型,可準確預測氣化爐出口煤氣組成、流率以及溫度,用以進行氣化爐的設(shè)計和優(yōu)化操作。但研究中發(fā)現(xiàn),各數(shù)學模型均由一系列質(zhì)量守恒、能量守恒、動力學、熱力學等方程組成,形式復雜,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,許多學者開始將大型流程模擬軟件Aspen Plus引入煤氣化過程研究。在固體處理方面,Aspen Plus的優(yōu)勢在于其擁有完備的固體性質(zhì)數(shù)據(jù)庫以及一套通用的處理固體的單元操作模型,包括破碎機、旋風分離器、篩分、文杜里洗滌器、靜電沉淀器、過濾洗滌機和傾析器。Aspen Plus[2]中所有的單元操作都適合于處理固體,可針對不同氣化工藝特點,結(jié)合與之相對應的單元模塊,快速構(gòu)建氣化工藝模型;同時可靈活輸入控制語句與計算模塊,使模擬結(jié)果更接近于真實值。此外 Aspen Plus設(shè)計了一系列過程分析工具,可在構(gòu)建的模型上同時進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。本文將國內(nèi)外目前應用Aspen Plus軟件開發(fā)的各型氣流床氣化爐模型進行了初步總結(jié),對比各種模型的聯(lián)系與區(qū)別,同時結(jié)合實踐經(jīng)驗,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應用于煤氣化模擬的原理是通過一系列假設(shè)條件,將煤氣化過程設(shè)定為平衡模型,認為氣化過程一直處于穩(wěn)定運行狀態(tài),所有化學反應均達到平衡;然后通過平衡自由能最小原理,結(jié)合氣化過程質(zhì)量及能量平衡方程,可對出口煤氣組成、產(chǎn)率及平衡溫度進行預測計算。項友謙、汪洋、Watkinson等均已基于此原理建立了氣化過程平衡數(shù)學模型,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,在實際應用中受各種條件限制,模型計算結(jié)果準確性與氣化爐型關(guān)聯(lián)度較大。整體來說,氣流床模型最接近于實際值,流化床次之,而固定床由于反應溫度低,反應產(chǎn)物復雜,難以利用平衡自由能最小原理進行準確計算,致使結(jié)果最差。

2.1 組分規(guī)定

煤氣化是一個高溫、高壓下由多種組分參與反應的復雜反應過程。用 Aspen Plus進行模擬時,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,其物性無法直接從軟件自帶物性數(shù)據(jù)庫中獲得;同時非常規(guī)固體常被假定為一種惰性物質(zhì),不參加相平衡和化學平衡計算,只計算密度和焓。

對于非常規(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算模塊中使用這些數(shù)據(jù)。Aspen Plus軟件中專門開發(fā)有用于計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)來完成計算。數(shù)據(jù)輸入的完整度與準確度直接關(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用的物性方法,同時模擬者為使結(jié)果更加精確,可自行開發(fā)適宜的物性方法。

煤氣化一般是在高溫、高壓下進行的,同時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、石化等工藝過程的計算,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。在實際應用中,在同一種模型上使用這兩種方程分別計算,計算結(jié)果并無大差別。

3 氣流床模型

目前國內(nèi)外新建大型煤化工項目的煤氣化技術(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)果較接近于實際結(jié)果,尤其是干粉進料的氣流床氣化爐。國外一些部門如DOE、普林斯頓大學等在進行 IGCC、FT合成、化學鏈燃燒等煤炭清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)的概念設(shè)計、能效研究以及可行性研究的過程中,開發(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。但從報道文獻上來看,由于技術(shù)保密的要求,大多數(shù)文獻僅僅只是一些模型的總體介紹、大體思路,缺乏對具體的構(gòu)建方法、使用的計算模塊尤其是控制模塊的詳細描述。國內(nèi)也存在這樣的問題,涉及到模型建立的文獻相當少,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算結(jié)果

表 2 計算結(jié)果與實際值%

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獨立的過程。一是煤的熱裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化過程,此時煤中的 H、O、S、N全部轉(zhuǎn)入氣相,灰分不參加反應,二是裂解產(chǎn)物與氣化劑、裂解產(chǎn)物之間的反應過程。這兩個過程用煤裂解單元(DComp)與反應單元 (Gasifier)來進行模擬,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氫和其他化合物、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元素,然后再通到反應單元中,通過化學反應平衡和相平衡計算出口氣體組成。這種做法的缺點是模擬前需要規(guī)定裂解單元的產(chǎn)物分布,由于物料平衡不嚴格,導致計算的煤氣組成和實際情況偏差較大。

圖 1 基于Aspen Plus的通用煤氣化模型示意圖

徐越、林立等人分別對常規(guī)氣化模型分別進行了不同改進,用以研究氣流床氣化爐的氣化性能和操作條件對氣化產(chǎn)物的影響。林立在煤裂解單元引入了由 Fletcher教授開發(fā)的化學滲濾脫揮發(fā)分模型(CFD)進行計算裂解產(chǎn)物分布,該模型可使用實測的煤特性數(shù)據(jù)來精確模擬裂解氣化過程,對于第二過程,利用軟件中 RGibbs反應器模塊計算化學反應平衡和相平衡。徐越[11]建立的全過程氣化模型用Ryield模塊模擬煤裂解單元,同時加入了裂解產(chǎn)物產(chǎn)率函數(shù) Fortran語句塊以及相應的收斂條件DS1、DS2,可根據(jù)用戶設(shè)定的反應動力學來進行裂解產(chǎn)物計算。結(jié)果顯示,除微量組分外,大部分組分計算值與文獻值符合較好。

張斌、AspenTech公司開發(fā)的模型也將氣化爐分解為煤裂解單元 (DComp)與反應單元 (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表達裂解反應過程,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,同時將裂解熱傳遞給反應單元,然后裂解組分被輸入到反應單元與氣化劑O2、H2O發(fā)生化學反應,然后通過 RGibbs反應器模型以自由能最小為判據(jù)來確定產(chǎn)品化學反應平衡時的組成。同時這兩個模型在裂解單元部分的構(gòu)建方面有所不同,張斌利用 Ryield反應器模塊來模擬,而 Aspen-Tech公司則利用 Rstoic反應器模塊。后者在反應器計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),通過計算改變反應系數(shù),從而得出較為精確的產(chǎn)物分布,同時該模型對不同煤種有較強的適用性。

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

張斌等人還應用 Aspen Plus自定義功能,用Fortran語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)計算驗證,模型計算值與文獻值符合較好,可用以預測和模擬氣流床氣化爐的性能。

4 目前存在問題及發(fā)展方向

綜上所述,用 Aspen Plus軟件開發(fā)模擬氣流床氣化爐的模型是可行的。模型能夠合理預測出口煤氣中關(guān)鍵組分的濃度,同時可充分利用軟件的工況分析和靈敏度分析工具,評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許多反應條件都進行了簡化處理,假設(shè)條件設(shè)定過于理想,無法表現(xiàn)真實氣化過程,所以存在許多問題,這需要在以后工作中改進完善。

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

為了更準確地對氣化以及燃燒過程進行過程模擬,同時克服上述種種不足,根據(jù)實踐應用經(jīng)驗,筆者認為基于Aspen Plus軟件建立的氣化爐模型的發(fā)展方向應該是在目前平衡模型基礎(chǔ)上,增加依據(jù)快速熱解過程以及氣化反應過程的熱力學、動力學編制的計算控制模塊或數(shù)據(jù)包,并應充分考慮粒徑分布、碳沉積、氣化爐內(nèi)氣固相運動行為等因素,這樣計算結(jié)果才有可能更接近于實際值,同時開發(fā)的模型的應用領(lǐng)域?qū)羞M一步的拓展。

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TQ541

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：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。