基于Aspen Plus 平臺對混空輕烴燃?xì)庵茪庀到y(tǒng)的研究

康新星，王景剛，柳朋浩，張書元，嚴(yán) 康，耿 金，劉宇騰

（河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

混空輕烴燃?xì)馐峭ㄟ^輕烴燃?xì)獍l(fā)生裝置制取并通過管網(wǎng)輸送到末端用戶的一種新型燃?xì)鈁1]，主要成分是C5[2]，可制取熱值高達(dá)21～42MJ·m-3[3]，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。農(nóng)村地區(qū)由于地理位置偏僻、生活分散等原因，難以實(shí)現(xiàn)集中供熱及天然氣管道的架設(shè)[4]，混空輕烴燃?xì)庾鳛橹匾难a(bǔ)充氣源，有效解決了此問題，對優(yōu)化國家能源布局[5]和推動低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前，國內(nèi)有關(guān)混空輕烴燃?xì)獾难芯恐饕性谖镄詤?shù)計(jì)算[6-9]、制氣工藝結(jié)構(gòu)研究[10-13]與安全性分析[14]、末端燃燒與機(jī)理[15-18]等方面。在制氣系統(tǒng)工藝方面，趙震等人對輕烴油氣化過程進(jìn)行分析并揭示其機(jī)理；閆永超等人通過理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證混空燃?xì)廨p烴含量理論計(jì)算的可行性；熊楚超在制氣配置參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Fluent軟件對制氣混空過程的氣液兩相流動進(jìn)行模擬分析，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效參考。但上述文獻(xiàn)未對混空輕烴燃?xì)庠线x取及制氣系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行結(jié)合分析，缺乏完整性。為此，本文利用Aspen Plus 軟件，基于一定混空比范圍下較低的露點(diǎn)溫度，確定制氣系統(tǒng)的制氣壓力，并分析混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)的影響因素，進(jìn)而確定最佳輕烴油原料種類，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對實(shí)現(xiàn)混空輕烴燃?xì)獾母咝е迫　踩斔秃陀行Ю镁哂兄匾饬x。

1 計(jì)算方法

1.1 混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)溫度的計(jì)算方法

混空輕烴燃?xì)庵袣鈶B(tài)烴組分是由多種烴類構(gòu)成的混合物，計(jì)算其露點(diǎn)溫度可采用相平衡常數(shù)法。根據(jù)混空輕烴燃?xì)飧鹘M分的摩爾分率和系統(tǒng)壓力，依托相平衡關(guān)系以及濃度總和歸一方程，求解混空輕烴燃?xì)庠谝欢▔毫ο碌穆饵c(diǎn)溫度值，計(jì)算方法如下：

式中，ki為相平衡常數(shù)；xi為混空輕烴燃?xì)庵懈鹘M分的液相分率；yi為混空輕烴燃?xì)庵懈鹘M分的氣相分率為某溫度下混空輕烴燃?xì)饽臣兘M分的飽和蒸氣壓，Pa；P為系統(tǒng)壓力，Pa。

由式（1）解得的相平衡常數(shù)ki適用于中壓、液相非理想性不強(qiáng)的烴類系統(tǒng)。本文利用Aspen Plus 軟件模擬計(jì)算混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)溫度，此種方法相較其他計(jì)算方法是最為精確的[19]，可應(yīng)用于混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)溫度值的研究。

1.2 混空輕烴燃?xì)庵休p烴含量的計(jì)算方法

依據(jù)鼓泡塔的制氣原理，輕烴的氣化過程為：大量空氣鼓入輕烴油中，使得液體強(qiáng)烈混合，在氣化罐內(nèi)形成氣液混合物。根據(jù)Higbie 滲透模型，在氣液混合物中選取單個(gè)氣泡作為研究對象，將單位氣泡表面的質(zhì)量擴(kuò)散通量對氣泡總相界面積進(jìn)行積分，得到的單位時(shí)間內(nèi)輕烴總的質(zhì)量擴(kuò)散通量即為輕烴氣化量。

單位時(shí)間內(nèi)輕烴油組分總的質(zhì)量擴(kuò)散量Mi為：

式中，m′為單位時(shí)間單位氣泡表面質(zhì)量擴(kuò)散量，kg·s-1；a為氣液混合物比相表面積，m2·m-3；Vt為兩相混合物體積，m3；Di為各組分的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，cm2·s-1；?為空隙率；U為流動體系特征速度，m·s-1；l為大漩渦特征尺寸，取混合液的高度，m；C0為氣液相界面上各組分的質(zhì)量濃度，g·m-3；vf為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)。

1.3 熱值的計(jì)算方法

熱值分為高熱值和低熱值，區(qū)別在于水蒸氣的氣化潛熱[20]。混空輕烴燃?xì)庵饕獮槊裼煤凸I(yè)用氣，使用時(shí)大多為不完全燃燒，因此通常采用低熱值進(jìn)行計(jì)算，以保證混空輕烴燃?xì)馐褂眠^程中的供氣量。計(jì)算方法如下[21]：

式中，Hi為混合物的低熱值，kJ·m-3或MJ·m-3；ri為組分i的體積分?jǐn)?shù)。

2 Aspen Plus 模擬研究

2.1 建立模型

混空輕烴燃?xì)庵茪獾墓ぷ髟硎牵河捅脧膬τ凸拗谐槿≥p烴油注入制氣罐，鼓風(fēng)機(jī)啟動，向制氣罐中鼓入空氣，空氣與輕烴油充分混合后，通過鼓泡裝置制得混空輕烴燃?xì)?，?jīng)輸氣管道輸送至末端用戶。本文利用Aspen Plus 軟件，基于NRTL 物性方法[22]，建立混空輕烴燃?xì)庵茪庀到y(tǒng)的工藝流程模型進(jìn)行模擬。該模型能較好地得到不同工況下混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)溫度值并預(yù)測輕烴油的體積分?jǐn)?shù)值。圖1 為混空輕烴燃?xì)庵茪庋b置的模擬流程圖。

圖1 混空輕烴燃?xì)庵茪庀到y(tǒng)的模擬流程圖Fig. 1 Schematic diagram of process flow model of mixed-air light hydrocarbon gas generator

2.2 燃料的選取

混空輕烴燃?xì)獾脑陷p烴油是石油經(jīng)過復(fù)雜的化工工藝直餾、分餾獲得的。本文選取北方典型的2 類輕烴油（Ⅰ、Ⅱ）及課題組測得組分的3 類輕烴油（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）進(jìn)行研究。輕烴油各組分體積分?jǐn)?shù)見表1。

2.3 制氣壓力的確定

本文利用Aspen Plus 軟件中的閃蒸模塊，對不同種類混空輕烴燃?xì)庠诓煌瑝毫突炜毡龋諝馀c輕烴油體積比）工況下的露點(diǎn)溫度值進(jìn)行研究，得到混空比-制氣壓力-露點(diǎn)溫度的關(guān)系圖，基于一定混空比范圍下較低的露點(diǎn)溫度，確定制氣系統(tǒng)的制氣壓力。

設(shè)定輕烴油流量5m3·h-1，溫度20 ℃，壓力0.3MPa；空氣流量20m3·h-1，溫度20℃，壓力0.1MPa；閃蒸罐的氣相分率為1。模擬結(jié)果如圖2 所示，圖中從上到下依次為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅲ類輕烴油制得的混空輕烴燃?xì)狻膱D中可以看出，在一定壓力時(shí)，露點(diǎn)溫度值隨混空比的升高而降低；在一定混空比時(shí)，露點(diǎn)溫度值隨壓力的升高而升高。這說明壓力和混空比是影響混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)溫度的重要因素。

圖2 混空輕烴燃?xì)饣炜毡?壓力-露點(diǎn)溫度關(guān)系圖Fig. 2 Mixed air ratio-pressure-dew point temperature relationship diagram of mixed-air light hydrocarbon gas

綜合考慮：①北方最寒冷季節(jié)室外溫度為-20℃左右，露點(diǎn)溫度值需低于室外氣溫5℃；②輕烴制氣設(shè)備的壓力一般為0.03～0.06MPa；③混空比范圍為3.5～5（燃燒性能、使用安全性）；④NY/T 652-2002《民用輕烴混合燃?xì)夤こ碳夹g(shù)規(guī)范》中規(guī)定，混空輕烴燃?xì)廨斔椭劣脩羰覂?nèi)表前，管道的最高壓力不應(yīng)高于0.095MPa[23]，本文選擇第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類輕烴油，制氣壓力0.055MPa，進(jìn)行后續(xù)的研究。

2.4 輕烴油體積分?jǐn)?shù)值、熱值的影響因素分析

2.4.1 空氣溫度的影響

設(shè)定輕烴油流量10m3·h-1，溫度20℃，壓力0.3MPa；空氣流量20m3·h-1，壓力0.1MPa，研究輕烴氣化罐分別在無輸入熱量和輸入熱量2kW 的工況下，空氣溫度變化對混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值及熱值的影響，模擬結(jié)果如圖3 和圖4 所示。從圖中可以看出，隨空氣溫度升高，混空輕烴燃?xì)庵休p烴油的體積分?jǐn)?shù)值呈上升趨勢；隨輕烴油體積分?jǐn)?shù)值升高，熱值增大。氣化罐中無熱量輸入時(shí)，空氣溫度由20℃升至50℃，3 種輕烴油體積分?jǐn)?shù)值緩慢增長，表明此工況下3 種輕烴油均未完全氣化。輸入熱量為2kW 時(shí)，3 種輕烴油體積分?jǐn)?shù)值的增長速度加快。相較于無熱量輸入工況，有熱量輸入工況下，在空氣溫度為20℃時(shí)，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值分別增長5.8%、5.9%、6.0%；空氣溫度超過35℃時(shí)，第Ⅲ類輕烴油體積分?jǐn)?shù)值穩(wěn)定于33.3%，熱值穩(wěn)定于44.2MJ·m-3；空氣溫度超過45℃時(shí)，第Ⅳ、Ⅴ類輕烴油體積分?jǐn)?shù)值穩(wěn)定于33.3%，熱值分別穩(wěn)定于45.4MJ·m-3、45.5MJ·m-3。輕烴油體積分?jǐn)?shù)值保持不變，表明該工況下液態(tài)輕烴油已完全氣化，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值不再受空氣溫度變化的影響。由模擬結(jié)果及分析可知，在無熱量輸入的工況下，僅改變空氣溫度，液態(tài)輕烴油的氣化速度緩慢，需向氣化罐輸入外加熱量，達(dá)到目標(biāo)輕烴油體積分?jǐn)?shù)值，進(jìn)而得到熱值較高的混空輕烴燃?xì)猓瑥亩鴿M足用戶的需求。

圖3 無外加輸入熱量下空氣溫度-輕烴油體積分?jǐn)?shù)變化曲線(a)和空氣溫度-熱值變化曲線(b)Fig. 3 Air temperature-volume fraction of light hydrocarbon change curve (no additional heat input) (a) and Air temperature-heating value change curve (no additional heat input) (b)

圖4 有外加輸入熱量下空氣溫度-輕烴油體積分?jǐn)?shù)變化曲線(a)和空氣溫度-熱值變化曲線(b)Fig. 4 Air temperature-volume fraction of light hydrocarbon change curve (with additional heat input) (a) and Air temperature-heating value change curve (with additional heat input) (b)

經(jīng)了解，在實(shí)際工程中，氣站室內(nèi)溫度一般為15～20℃，為使液態(tài)輕烴油能最大程度地氣化以及為氣化過程提供熱量，會向氣化罐輸入一定熱量。因此，本文在后續(xù)研究中，空氣溫度設(shè)定為20℃，外加輸入熱量2kW。

2.4.2 輕烴油流量的影響

設(shè)定輕烴油溫度20℃，壓力0.3MPa；空氣流量20m3·h-1，溫度20℃，壓力0.1MPa；外加輸入熱量2kW，研究輕烴油流量變化對混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值及熱值的影響，模擬結(jié)果如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出，隨輕烴油流量增加，混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值、熱值呈上升趨勢。當(dāng)輕烴油流量在5～10m3·h-1時(shí)，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值及熱值顯著增加，3 種輕烴油體積分?jǐn)?shù)值分別增長11.9%、10.1%、10.3%，熱值分別增長15.7MJ·m-3、13.5MJ·m-3、13.9MJ·m-3；當(dāng)輕烴油流量在10～50m3·h-1時(shí)，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值的增加趨勢變緩，輕烴油流量平均每增長5m3·h-1，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值增長2%，熱值增長2%。因此，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加輕烴油流量，可有效提高混空輕烴燃?xì)庵休p烴油的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而增大其熱值；超過該范圍后，增加輕烴油流量，對混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)的影響較小。

圖5 輕烴油流量-輕烴油體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig. 5 Light hydrocarbon flow rate- volume fraction of light hydrocarbon change curve

圖6 輕烴油流量-熱值變化曲線Fig. 6 Light hydrocarbon flow rate-heating value change curve

綜上，在實(shí)際工程中，維持液態(tài)輕烴油的液位在一定高度，有利于輸入空氣和氣態(tài)輕烴的充分混合；當(dāng)制氣裝置結(jié)構(gòu)尺寸確定后，其產(chǎn)氣量對應(yīng)的最大輕烴油體積分?jǐn)?shù)、熱值已基本確定，若仍需提高輕烴油體積分?jǐn)?shù)，需改變制氣裝置的結(jié)構(gòu)尺寸以滿足實(shí)際需求。

2.4.3 空氣流量的影響

設(shè)定輕烴油流量10m3·h-1，溫度20℃，壓力0.3MPa；空氣溫度20℃，壓力0.1MPa；外加輸入熱量2kW，研究空氣流量變化對混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值及熱值的影響，模擬結(jié)果如圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出，隨空氣流量增加，混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值、熱值呈下降趨勢。當(dāng)空氣流量在5～10m3·h-1時(shí)，輕烴油體積分?jǐn)?shù)值及其熱值顯著減小，3 種輕烴油體積分?jǐn)?shù)值分別減小12.5%、12.4%、12.3%，熱值分別減小21.5MJ·m-3、16.6MJ·m-3、16.7MJ·m-3；當(dāng)空氣流量在30～50m3·h-1時(shí)，3 種輕烴油體積分?jǐn)?shù)值與空氣體積分?jǐn)?shù)之比，等于輸入的輕烴油流量與空氣流量之比，說明此工況下輕烴油已完全氣化。

圖7 空氣流量-輕烴油體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig. 7 Air flow rate-volume fraction of light hydrocarbon change curve

圖8 空氣流量-熱值變化曲線Fig. 8 Air flow rate-heating value change curve

由模擬結(jié)果及上述分析可知，空氣流量對混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值和熱值的影響很大，若管網(wǎng)末端用氣量發(fā)生改變，為保證燃?xì)獾墓饬亢腿紵阅埽瑧?yīng)通過增加外加輸入熱量的方式來增加輕烴油的氣化量。

綜合考慮：①相同工況下，由于第Ⅲ類輕烴油中含有異戊烷，其沸點(diǎn)低于正戊烷，較第Ⅳ、Ⅴ類輕烴油更易揮發(fā)，第Ⅲ類輕烴油較第Ⅳ、Ⅴ類輕烴油揮發(fā)快；②外加輸入熱量的大??；③混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值相同時(shí)，3 種輕烴油的熱值相差很小，我們在實(shí)際工程中選用第Ⅲ類輕烴油（組分為C413.45%、正戊烷48.32%、異戊烷38.17%、C60.06%）。

3 結(jié)論

本文采用Aspen Plus 對混空輕烴燃?xì)獾闹茪庀到y(tǒng)進(jìn)行模擬，首先確定制氣壓力，其次分析混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值的影響因素，最終確定最佳種類的輕烴油原料。主要結(jié)論如下：

1）露點(diǎn)溫度值隨制氣壓力的增加而升高，隨混空比的增加而降低。5 種輕烴油原料中，在混空比范圍3.5～5、較低露點(diǎn)溫度值的工況下，最佳混空輕烴燃?xì)庵茪鈮毫?.055MPa，最佳輕烴油原料為第Ⅲ類（組分為C413.45%、正戊烷48.32%、異戊烷38.17%、C60.06%）。

2）輕烴油流量、空氣流量、有無外加輸入熱量是影響混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值的重要影響因素。輕烴油體積分?jǐn)?shù)值隨輕烴油流量、外加輸入熱量的增加而升高，隨空氣流量的增加而降低。實(shí)際工程運(yùn)行中，若用氣量發(fā)生改變，可通過混空輕烴燃?xì)庵休p烴油體積分?jǐn)?shù)值的理論計(jì)算，推導(dǎo)出混空輕烴燃?xì)猱a(chǎn)氣中輕烴油的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步計(jì)算其熱值來調(diào)整產(chǎn)氣量。

3）利用Aspen Plus 進(jìn)行模擬分析，對實(shí)際工程中輕烴油燃料的選取、制氣壓力及混空比的合理設(shè)定具有指導(dǎo)意義。

4）本文只對軟件模擬計(jì)算的露點(diǎn)溫度值、輕烴油體積分?jǐn)?shù)值、熱值等進(jìn)行研究，實(shí)際工程中混空比、壓力的確定，需綜合考慮混空輕烴燃?xì)獾臏囟群捅O限。