利用Aspen Plus模擬焦?fàn)t煤氣甲烷化過(guò)程及其熱集成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

摘 要：焦?fàn)t煤氣甲烷化制備天然氣是一種清潔高效的焦?fàn)t煤氣利用方式。根據(jù)焦?fàn)t煤氣組成，選擇BWRS物性方法及LHHW本征動(dòng)力學(xué)方程，利用Aspen Plus軟件模擬3段式固定床甲烷化反應(yīng)器，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近。利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行熱集成分析，消減了熱負(fù)荷的消耗，優(yōu)化余熱回收過(guò)程，余熱利用率從45.85%提高到88.42%。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；甲烷化反應(yīng)分析；集成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

前言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，天然氣作為一種安全、清潔的優(yōu)質(zhì)能源，其消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)[1]，2014年國(guó)內(nèi)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)1800億立方米，增幅9%，而前11月天然氣產(chǎn)量只有1112.6億立方米，增幅6.7%[2]，對(duì)外進(jìn)口依存度逐年增加。焦?fàn)t煤氣作為焦炭行業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)物，每年產(chǎn)量約為1200億立方米。因此，焦?fàn)t煤氣甲烷化合成天然氣作為一種利用新技術(shù)，能有效減少天然氣短缺壓力。

Aspen Plus流程模擬軟件嚴(yán)格的機(jī)理模型使其在科研和生產(chǎn)中被普遍運(yùn)用。文章以某焦化廠焦?fàn)t煤氣甲烷化工藝和相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究為基礎(chǔ)，對(duì)甲烷化反應(yīng)流程進(jìn)行了模擬分析，利用夾點(diǎn)技術(shù)完成熱集成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，提高甲烷化余熱利用率，為焦?fàn)t煤氣制天然氣工業(yè)化提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 甲烷化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

甲烷化反應(yīng)主要涉及以下三個(gè)反應(yīng)：

3H2+CO？葑CH4+H2O

H2O+CO？葑CO2+H2

4H2+CO2？葑CH4+2H2O

CO甲烷化反應(yīng)和變換反應(yīng)為獨(dú)立反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)碳化物為中間體，模擬采用LHHW型本征動(dòng)力學(xué)方程。

r■=■

r2=■

其中，ki為反應(yīng)速率常數(shù)（i=1，2）；Kj為吸附平衡常數(shù)（j=α，C，OH），Keq為反應(yīng)平衡常數(shù)。

1.2 甲烷化流程模擬

文章采用文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，原料進(jìn)氣量20619m3（STP）/h，溫度30℃，壓力2.2MPa，進(jìn)料組成如下。

表1 焦?fàn)t煤氣組成

甲烷化采用絕熱固定床反應(yīng)器，不考慮軸向的返混、溫度梯度和濃度梯度，采用一維平推流模型，選擇BWRS物性方法。甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，為避免溫度過(guò)高造成催化劑的燒結(jié)和積碳失活等，采用三段甲烷化反應(yīng)器串聯(lián)方案。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

調(diào)整進(jìn)氣量和入口溫度等條件控制反應(yīng)器溫度在550℃以下，模擬結(jié)果如表2所示。

與文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，CO和CO2轉(zhuǎn)化率都達(dá)到工藝要求，說(shuō)明動(dòng)力學(xué)方程、工藝參數(shù)的選擇在焦?fàn)t煤氣甲烷化模擬中是可行的。三段甲烷化反應(yīng)器串聯(lián)方案能有效降低反應(yīng)終溫（單一甲烷化反應(yīng)器可達(dá)904℃），降低了對(duì)設(shè)備移熱性能的要求，避免了催化劑的燒結(jié)。

2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

從表3物流參數(shù)表中可知，需要熱負(fù)荷2124.83kW，且品位較高，冷負(fù)荷9218.18kW，其中高壓蒸汽回收4224.85kW，余熱利用率45.85%。根據(jù)夾點(diǎn)理論可知，當(dāng)能量通過(guò)夾點(diǎn)，其熱用工程和冷用工程必然大于所需最小量，造成雙重能量損失。由總組合曲線可知，系統(tǒng)熱集成網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)為530℃左右，而且?jiàn)A點(diǎn)上方?jīng)]有熱負(fù)荷需求，最小冷負(fù)荷為7093.36kW。因此換熱網(wǎng)絡(luò)有較大改進(jìn)空間。

依據(jù)夾點(diǎn)匹配的可行性原則，通過(guò)流股分割、添加換熱器，進(jìn)行過(guò)程物流的熱復(fù)合，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，需要增加3個(gè)換熱單元和9個(gè)冷卻器。但優(yōu)化后存在即換熱器、工藝流構(gòu)成的封閉回路，這是由于以運(yùn)行總年度費(fèi)用成本最小為綜合目標(biāo)形成的，從而產(chǎn)生多于Euler通用網(wǎng)絡(luò)理論的最少換熱器數(shù)目，同時(shí)由于存在多余穩(wěn)定操作參數(shù)，影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，增加控制難度。因此合并回路上的換熱器。

由于熱物流2、3換熱后溫度仍高于高壓蒸汽溫度，因此可將冷水冷卻改為蒸汽鍋爐回收熱量生產(chǎn)高壓蒸汽，同時(shí)對(duì)新形成的封閉回路進(jìn)行換熱器合并。（如圖3所示）

優(yōu)化后系統(tǒng)總共需要3個(gè)換熱單元，6個(gè)冷卻器。所需熱負(fù)荷為0kW，冷負(fù)荷7093.81kW，其中高壓蒸汽回收熱量5317.27kW，中壓蒸汽回收217.47kW，低壓蒸汽回收737.29kW，余熱利用率88.42%。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用Aspen Plus完成焦?fàn)t煤氣甲烷化工藝模擬，采用三段絕熱甲烷化反應(yīng)器串聯(lián)方案控制反應(yīng)器溫度在550℃以下，有效降低了設(shè)備換熱要求，避免催化劑燒結(jié)。模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相不大，驗(yàn)證了建模過(guò)程中動(dòng)力學(xué)及工藝參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性。

對(duì)熱集成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，采用夾點(diǎn)技術(shù)恰當(dāng)匹配冷熱物流之間的換熱及冷熱公用工程的類(lèi)型和能級(jí)選擇。利用余熱加熱原料氣，消減了熱負(fù)荷的消耗。優(yōu)化余熱回收過(guò)程，余熱利用率從45.85%提高到88.42%。

參考文獻(xiàn)

[1]田春榮.2012年中國(guó)石油和天然氣進(jìn)出口狀況分析[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2013（3）：44-55.

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作者簡(jiǎn)介：彭勝（1987-），民族：漢族，研究方向或從事的主要專(zhuān)業(yè)工作：煤化工方面催化劑制備。