煤制天然氣的Aspen Plus過程模擬研究進展

宋曉宇，楊志遠，，孟茁越，趙晶晶，龍江

(1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.國土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

長期以來，煤炭在我國能源結(jié)構上的地位是舉足輕重的。然而由于存在分布不均、煤質(zhì)品階差異較大以及環(huán)境影響方面等因素，煤炭的潔凈高效利用一直是眾多學者關注的熱點[1]。同時，天然氣作為一種清潔能源，近年來的需求量與日俱增，但我國的天然氣儲量較低，需求長期依賴進口，使得我國的能源安全存在極大的隱患。為緩解以上問題，發(fā)展煤制合成天然氣(SNG)被認為是一種增加天然氣資源的有效途徑[2-3]。然而對于大型煤化工項目來說，從前期的研究開發(fā)到后期的放大以及優(yōu)化，大都需要耗費大量的時間以及資源，這成為阻礙其發(fā)展的重要因素。

隨著計算機技術的發(fā)展，化工流程模擬也日趨成熟[4]。通過計算機模擬，不僅能夠減少人力物力的消耗，極大的縮短實驗時間。同時也能獲取一般實驗條件難以獲得的數(shù)據(jù)，短期內(nèi)通過對流程的分析獲取最佳工藝條件，對工藝的開發(fā)以及優(yōu)化起到指導作用。Aspen Plus作為一款大型化工流程模擬軟件，廣泛應用于化工行業(yè)的研發(fā)、優(yōu)化等多個方面[5-7]。

目前，不少學者通過利用Aspen Plus對煤制天然氣技術進行模擬，并分析其過程，為理論研究以及實際應用方面提供了一定的指導和幫助。本文就近年來Aspen Plus在煤制天然氣方面的應用情況進行總結(jié)并加以評述，并對Aspen Plus在煤制天然氣的未來應用進行展望。

1 Aspen Plus簡介

Aspen Plus是美國麻省理工學院(MIT) 開發(fā)出的第三代流程模擬軟件，它開發(fā)于20世紀70年代后期。經(jīng)過長期的擴充與完善，發(fā)展至今，其已成為世界公認的大型標準化化工流程模擬軟件。其囊括幾乎所有的化工過程設備的操作模型，可完成從單個單元操作到整個工藝流程的模擬。并且，其具備工業(yè)上適用且完備的物性系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)庫中包含1 773種有機物、2 450種無機物、3 314種固體物質(zhì)、900種水溶電解質(zhì)的基本物性參數(shù)[8]。同時，Aspen Plus還提供了幾十種用于計算傳遞物性和熱力學性質(zhì)模型的方法，還提供了靈活的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)，可以使用實驗數(shù)據(jù)來求物性參數(shù)[9]。此外，Aspen Plus還可對構建的工藝流程模型進行經(jīng)濟評價，對基建、操作等方面的費用可進行預估。

2 Aspen Plus在煤制天然氣方面的應用

煤制天然氣的過程通常由氣化、變換、凈化和合成氣甲烷化單元構成[10]，如圖1所示。其中氣化，甲烷化作為關鍵單元[11]，常被作為研究重點。在Aspen Plus中，由于Gibbs反應模塊能通過Gibbs自由能最小法實現(xiàn)氣-液-固三相的化學平衡和相平衡，通常被用來作為煤氣化、甲烷化等一系列復雜反應模型的主要反應器。而煤是一種極其復雜的物質(zhì)，一般作為非常規(guī)組分處理，由密度(DCOALIGT)與焓(HCOALGEN)定義。但在Aspen中，Gibbs反應器無法直接計算煤的吉布斯自由能，為模擬煤的反應過程，通常根據(jù)煤的元素分析與工業(yè)分析數(shù)據(jù)，使用Fortran語言嵌入計算模塊來將煤分解成與之近似的元素單質(zhì)等常規(guī)組分，再進入Gibbs反應器進行反應[12]。

圖1 煤制合成天然氣工藝流程

在氣化過程中，根據(jù)煤所處的階段不同，通常將氣化單元分成干燥、熱解、氣化等模塊進行研究。氣化模塊主要采用基于吉布斯能最小原理的吉布斯反應器模型(RGibbs)。而甲烷化過程由于受反應平衡所約束[13]，通常我們假設系統(tǒng)達到平衡并處于穩(wěn)定狀態(tài)，并忽略過程能量損失。因此，反應器的模擬大多數(shù)選擇吉布斯反應模塊(RGibbs)或平衡反應模塊(REquil)表示，但亦有使用動力學反應模塊(RPlug)進行模擬的案例。

物性方法的選擇是決定模擬結(jié)果是否準確的重要因素之一。對于氣化過程，由于其存在非常規(guī)固體組分，且屬于非極性真實物系，常選RK-SOAVE作為物性方法；而甲烷化反應入口氣體主要為合成氣或焦爐氣等氣態(tài)物質(zhì)體系，因此物性方法通常選用PENG-ROB、BWR、PR-BM等。物性方法的選擇通常是根據(jù)不同的原料組分、反應條件以及研究目的所決定，其核心目標就是為了使模型更為可靠(參見表1)。

表1 氣化及甲烷化模型特征

2.1 Aspen Plus在工藝流程模擬方面的應用

東赫等[14]利用Aspen Plus對GSP、GE、以及四噴嘴對置3種煤氣化爐模型進行模擬。其熱解模塊通過Fortran語言嵌入David Merrick計算模型來預測半焦的產(chǎn)率，并使用BEATH模型校正了壓力對熱解過程的影響，模擬結(jié)果經(jīng)過與工業(yè)數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)有效氣含量誤差只有2%，認為所構建的模型較為可靠。薛霏霏等[15]構建了Shell粉煤氣化模型，探討了氣化壓力、氧煤比、蒸汽煤比等操作參數(shù)對氣化效果的影響，通過正交分析得出在壓力3.86 MPa，溫度1 350 ℃，蒸汽煤比0.104，氧煤比0.834時，有效氣總體積為95.328%。高瑞等[16]構建了煤熱解-氣化耦合的兩段爐氣化模型，采用RGibbs反應器與內(nèi)嵌Fortran語言的RPlug反應器分別作為兩段氣化的主反應器，通過與工業(yè)數(shù)據(jù)進行比對，認為模型比較可靠，可為后續(xù)的研究提供基礎。

在甲烷化的模擬研究中，早在2012年，何一夫[17]利用Aspen Plus對煤制天然氣甲烷化過程進行模擬，采用5個串聯(lián)的甲烷化反應器(REquil)模擬甲烷化過程，用兩個分流器(Fsplit)對甲烷化反應器的循環(huán)比與分流率進行控制，探討并得出循環(huán)比與分流率對反應器出口溫度有較大的影響。胡國廣等[18]利用Aspen Plus對托普索甲烷化工藝第一級帶循環(huán)回路的反應系統(tǒng)進行模擬，并考察了等溫和絕熱兩種情況下不同工藝參數(shù)對反應器出口甲烷含量的影響。其采用單因素研究與虛擬正交實驗研究結(jié)合的方法，認為等溫情況下溫度是影響甲烷含量的主要因素，而絕熱情況下循環(huán)率對甲烷的產(chǎn)量影響更大。

蘭榮亮等[19]基于Aspen Plus構建了煤制天然氣甲烷化工藝的全流程模型，其中包含2個甲烷化反應器及補充反應器(REquil)，通過研究不同循環(huán)比和分流率對產(chǎn)品的影響，得出適宜的循環(huán)比(0.76)與分流率(0.58)，可為甲烷化工藝設計提供一定的幫助。

徐艷麗等[20]選用吉布斯反應器(RGibbs)與分離模塊構建煤制氣甲烷化反應模型，對反應過程中的析碳現(xiàn)象進行了熱力學研究，探討了不同氫氧碳比下溫度與壓力對析碳量的影響，得出壓力與析碳量大體為正相關，碳的含量是直接影響析碳量的關鍵因素，氧原子的摩爾較低時，溫度對析碳區(qū)的擴大起促進作用。

Liu J等[21]提出一種新型的兩段式甲烷化工藝，其采用快速流化床為主反應器，并連接尾部固定床反應器。利用Aspen Plus對“雙固定床工藝”、“流化床和固定床工藝”以及“快速流化床和固定床工藝”進行模擬比較，確定“快速流化床和固定床工藝”是一種更為有效的單程甲烷化工藝，其CO轉(zhuǎn)化率達到99.8%。但對催化劑的耐磨性要求較高。

高振等[22]以DAVY甲烷化為主體構建了模型，并考察了汽氣比，分流比，回流比對一段及二段甲烷化工藝的綜合影響。模型使用兩個平行反應器(RGibbs)對原料氣分流，并引入蒸汽至第一甲烷反應器，將第二甲烷反應器的氣體循環(huán)至第一反應器。結(jié)果表明，汽氣比，分流比，回流比皆可有效控制甲烷化反應，而在控溫方面，氣體循環(huán)優(yōu)于導入蒸汽。侯建國[23]借助Aspen Plus對自主搭建的天然氣甲烷化工藝模型進行模擬，通過軟件研究了項目開停車時可能遇到的波動工況(負荷波動與原料氣組分波動)對設備的影響，并提出了一些應對方案，可為實際生產(chǎn)應用提供一定的支持幫助。

姚輝超等[24]基于Aspen Plus根據(jù)某煤制天然氣項目技術參數(shù)，搭建了3種不同循環(huán)方式的甲烷化簡化模型。通過比較討論3種工藝在操作、能耗、設備利用方面的差異，認為增加反應器及循環(huán)回路在控制與壓縮機能耗方面具有一定優(yōu)勢。

胡亮華等[25]基于Aspen Plus構建了焦爐氣甲烷化流程，選用平推流反應器模型(RPlug)模擬甲烷化反應器，針對不同工況進行模擬，所得數(shù)據(jù)與實際工況數(shù)據(jù)吻合，為模擬焦爐氣甲烷化提供了一種可行的思路。范峻銘[26]針對焦爐氣甲烷化過程中的反應壓力、汽氣質(zhì)量比對反應器出口溫度和甲烷產(chǎn)量的影響進行了研究，最終認為反應壓力可以調(diào)節(jié)反應器出口溫度，但同時對甲烷產(chǎn)量的產(chǎn)生較大影響，而采用導入過熱蒸汽的方式對產(chǎn)量的影響很小，但可調(diào)節(jié)甲烷化反應器的溫度。但小東[27]對某廠的絕熱式三段固定床焦爐煤氣甲烷化工藝進行模擬，其使用平推流反應模塊(RPlug)模擬絕熱固定床反應器，研究了分流率、循環(huán)率以及水蒸氣含量對反應器溫度的影響，得出循環(huán)率和分流率對溫控起關鍵作用的結(jié)論。黃志偉等[28]搭建了焦爐煤氣絕熱多段甲烷化流程模型，考量了溫度、壓力、循環(huán)比等工藝參數(shù)對甲烷流量的影響，進而加以優(yōu)化，使甲烷的質(zhì)量分數(shù)由35.87%提高到63.63%。

在當前，將煤制合成天然氣中的氣化和甲烷化分別進行研究的同時，亦有不少研究人員提出一些將煤制合成天然氣各單元進行耦合的新工藝，用以提高能源利用效率。程曉磊等[29]在煤制甲烷的過程中引入Ca基吸收劑，利用Aspen Plus中的Gibbs反應模塊構建了煤直接制甲烷的反應體系，考察不同條件下的產(chǎn)物的產(chǎn)率，預測到最優(yōu)反應條件，為實驗提供了依據(jù)。該方法將煤的熱解氣化甲烷化合并在一個反應器內(nèi)，可有效地利用甲烷化釋放的能量，減少設備投資。Wang[30]提出一種新型煤制SNG流程，其將傳統(tǒng)的變換單元與甲烷化單元進行合并，并采用三個串聯(lián)的Gibbs反應器對其進行模擬。模擬結(jié)果認為，在能耗方面，新工藝具有一定的優(yōu)勢。

在工藝流程方面，Aspen Plus的作用主要集中在構建反映實際工況的模型以及利用靈敏度分析對現(xiàn)有工藝的優(yōu)化方面，同時還能對所提出的新工藝進行分析比對，為后期的推廣奠定基礎。

2.2 Aspen Plus在反應器研究方面的應用

Jang等[31]對1978年由Exxon所開發(fā)催化煤氣化工藝中的固定床型反應器進行了模擬。通過使用從文獻中的實驗結(jié)果所推導出動力學參數(shù)，構建了動力學反應器模型(RPlug)，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，有效成分基本吻合，但模型的普適性較差。劉忠慧等[32]基于Gibbs自由能最小原理對循環(huán)流化床氣化爐進行建模，通過與工業(yè)數(shù)據(jù)對比認為比較可靠，并對操條件進行單因素以及正交因素分析，得出最優(yōu)操作參數(shù)，為后期優(yōu)化提供指導依據(jù)。

Errbib H[33]使用Aspen Plus中的平推流模型(RPlug)對甲烷化過程中的等溫固定床反應器進行建模，研究了溫度(520～600 K)，壓力(0.1～1.5 MPa)和CO2添加量對甲烷產(chǎn)量的影響。通過與實驗數(shù)據(jù)對比，認為所構建的模型能有效地預測甲烷化反應器的性能。蔣鵬等[34]采用Aspen Plus對流化床甲烷化反應進行模擬，甲烷化反應器使用平推流反應模塊(RPlug)，并嵌入Fortran編寫的動力學子程序。研究了不同工況下甲烷產(chǎn)率的變化，實驗值同模擬值較好吻合，所構建模型可靠。并得出低溫高壓以及適宜的氫碳比(2.7～3.0)有利于甲烷的生成的結(jié)論。

王秀林等[35]通過Aspen Plus建立了以化學平衡反應模塊(REquil)為甲烷化反應器的絕熱甲烷化反應模型，研究了不同組分氣體對甲烷化溫度和總碳轉(zhuǎn)化率的影響，認為出口溫度與甲烷和水的含量正相關，總碳轉(zhuǎn)化率隨氫氣含量的增多而上升。彭淑靜等[36]以錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應器為基礎，利用Aspen Plus分別建立了以化學平衡模塊(REquil)和平推流模塊(RPlug)為反應器的模型。經(jīng)分析比較，認為平推流模型與實際數(shù)據(jù)更為接近。

在反應器研究方面，主要通過選用不同模型來對反應器進行更為匹配的模擬。而通過模擬分析，相較其他模型，動力學的模型能較好的反映實際環(huán)境下的反應器性能。

2.3 Aspen Plus在能量分析方面的應用

Li等[37]基于Aspen Plus對煤制天然氣全流程進行模擬，并將所得模擬結(jié)果與美國能源部公布數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果證明該模型可精確模擬煤制天然氣過程?；谠撃Ｐ停芯苛嗣褐铺烊粴馀c熱電聯(lián)產(chǎn)的耦合，并通過分析過程中能量利用情況，得出耦合工藝的能量利用率提高了七個百分點，為改進煤制天然氣體系的能量集成利用提供了幫助。Chao等[38]提出并基于Aspen Plus研究了一種夾帶流煤氣化和熱解一體化系統(tǒng)，分析了操作條件對氣化性能的影響，得到了優(yōu)化的操作參數(shù)，并通過對比發(fā)現(xiàn)集成系統(tǒng)的性能與熱解階段焦油和CH4的產(chǎn)率高度相關。相較傳統(tǒng)系統(tǒng)，其效率提高了2.2%。

Yang等[39]對煤制天然氣過程的BGL氣化工藝進行模擬，并對過程的關鍵參數(shù)進行了靈敏度分析?；诜抡娼Y(jié)果，利用分析和經(jīng)濟性分析對該過程進行評估，為實際生產(chǎn)和后期過程改進提供了理論支持和參考。此外，Yang等[40]還通過對比Lurgi和BGL工藝中煤氣化單元與變換單元的能量利用情況與經(jīng)濟性，認為Lurgi氣化過程的有效能損失要大于BGL過程，而BGL工藝在總損失，資金投入和生產(chǎn)成本方面均優(yōu)于Lurgi工藝，總體而言，相較于Lurgi工藝，BGL工藝更適合煤制合成天然氣。Kun等[41]將化學循環(huán)氣化與煤熱解相耦合的系統(tǒng)，并通過Aspen建模分析，認為新工藝在能量利用方面以及廢水減排方面具有優(yōu)勢。同時，提出的耦合系統(tǒng)的仿真結(jié)果有利于操作條件的選擇和進一步的放大設計。

穆雪剛等[42]基于Aspen Plus 構建了甲烷化模型，對系統(tǒng)有效能和綜合能耗進行分析。結(jié)果顯示，隨溫度升高，有效能效率提升的同時伴隨著綜合能耗的提高，并通過研究不同反應段數(shù)甲烷化工藝所能提供的有效能水平，認為反應段數(shù)越多的工藝單位產(chǎn)出甲烷所釋放的有效能越多。王思遠等[43]利用Aspen Plus構建了可靠的絕熱甲烷化模型，對過程中的進行分析計算，通過靈敏度分析，提出將原料預熱提前的優(yōu)化方案，并考察了操作條件對損失的影響，結(jié)果表明優(yōu)化方案有利于高壓蒸汽的產(chǎn)出，增加冷流體的溫度及壓力皆有利于降低損失。孫麗萍等[44]利用Aspen Plus對托普索甲烷化工藝中裝置進行焓差和物流焓以及有效能進行計算，并通過與不同計算方法的結(jié)果進行對比，可以比選焓與有效能的計算方法，其中對物流焓的計算Aspen Plus較為準確快捷。

Huang等[45]對煤制合成天然氣全過程進行了建模和模擬。在此基礎上，分析了流程中的碳元素的走向和整體的有效能，為后期提出節(jié)能與碳減排方案提供了幫助。趙冬等[46]構建了簡化的煤制天然氣全流程模擬模型，并對主要過程單元進行分析，其中氣化單元的效率最低，為58.99%，損失約占全系統(tǒng)的72%，是煤制天然氣流程中最主要的能量損失模塊。

利用Aspen Plus研究探討流程中的能量走勢，可以更有針對性的對過程的優(yōu)化提出優(yōu)質(zhì)方案，亦可通過能量利用率的計算，來比選方案。

3 結(jié)語與展望

作為一款功能強大的模擬軟件，Aspen Plus在模擬煤制天然氣方面取得了越來越多的成果。利用其本身所擁有的完備數(shù)據(jù)庫，強大的分析功能，在流程的模擬，結(jié)構優(yōu)化，能量分析等方面均可提供一定的幫助。但建立模擬模型通常是基于對實際情況的假設和簡化，與復雜的實際過程相比，由于缺少對實際反應狀況的較為完整的反映，模擬結(jié)果與真實情況還存在著一定的差距。

在煤制天然氣過程中，如何利用甲烷化產(chǎn)生的熱量是一個研究的熱點，利用Aspen Plus在可以探討其在理論上反應平衡時的最佳操作條件。但同時，我們也要認識到單一熱力學模型的局限性，反應過程中動力學因素影響同樣不可忽視。為使模型更加可靠，適用范圍更廣，我們可通過編寫計算模塊嵌入模型當中，也可結(jié)合流體動力學模擬軟件，對反應過程中的流場分布、溫度分布等熱力學和動力學因素進行研究，從而使模型更為可靠，模擬結(jié)果更為準確，以促使Aspen Plus模擬軟件在煤制天然氣的研究中有更為廣泛的應用。