Aspen Plus在煤气化技术中的应用进展

第１３期　靳皎，等：Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ在煤气化技术中的应用进展　·７１·　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ在煤气化技术中的应用进展　靳皎，姚晓虹，刘晓花，张健，刘　丹，吴升潇，张晓欠　（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西西安　７１００７５）　

摘要：煤气化技术作为煤化工工艺过程中十分关键的技术之一，能够有效地实现煤炭清洁利用，对提高我国能源利用效率、改善生　态环境等有着重要的意义。对于煤气化过程进行计算机模拟，有助于深人理解其过程本质，能够有效地节省成本、实现优化设计　和优化操作。Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件是在众多工业领域如化工、炼油、节能等广泛应用的大型通用流程模拟软件，其在煤气化中的应用也　逐步受到研究者的重视。本文简介了Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ模拟煤气化方法，综述了近年来该软件在我国煤气化中的应用成果和发展情况，　指出了该软件的应用前景和发展方向，为我国煤化工的研究和技术的应用提供一定的参考。　关键词：Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ；煤气化；模拟　中图分类号：ＴＱ０１５．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—０２１ｘ（２０１６）１３—００７１—０３　

Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｏａｌ　Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｊ／ｎ　Ｊｉａｏ，Ｙａｏ　Ｘｉａｏｈｏｎｇ，Ｌｉｕ　Ｘｉａｏｈｕａ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉａｎ，Ｌｉｕ　Ｄａｎ，Ｗｕ　Ｓｈｅｎｇｘｉａｏ，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏｑｉａｎ　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｙａｎｃｈａｎｇ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ　Ｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｘｉｋｎ　７１００７５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｗａｙ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｌｅａｎ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａ１．Ｉｔ　ｈａｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃａｎ　ｓａｖｅ　ｃｏｓｔ，ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ　ｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｄ　ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　ｉｓ　ａ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｏｉｌ　ｒｅｆｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｍａｙ　ｂｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ；ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

随着煤炭清洁高效综合利用的理念及技术深入发展，煤　气化已成为研究的热点和重点。通过煤气化工艺，不仅能够　得到更高价值的化学产品，更能够降低煤炭直接燃烧带来的　环境污染问题，是实现煤炭高价值利用和绿色环保的有效途　径　Ｊ。对我国这样的煤炭消耗大国来说，大力开发和利用　高效清洁的煤气化技术对提高能源利用效率、改善生态环境　等有着重要的意义。但研发煤气化技术需要耗费大量时间　和费用，阻碍了煤气化工艺开发和工业化推广。　化工过程模拟技术随着计算机技术的快速发展也日趋　成熟，成为一种更好理解化工过程的有用工具。通过模拟计　算，能够分析整个煤气化过程，寻找最佳的操作参数，提高整　个过程的热效率，达到过程优化的目的；能够减少大量中间　试验，获得实验条件下难以得到的性能信息；能够预测某些　流股的组成和污染物的排放，辅助设计；还能够解释实验数　据，对反应原理等进行分析　Ｊ。Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ作为最为常用的　化工流程模拟软件之一，广泛用于化工和石油化学工业过程　模拟。目前已有许多学者将Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ应用于煤气化过程　研究，通过流程模拟更好地分析其过程，为理论研究和生产　实践提供支持和帮助　Ｊ。因此，通过Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ模拟煤气化　具有十分重要的现实意义。本文就近年来Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件　在煤气化上的应用成果和发展情况加以总结和评述，进而指　出该软件在煤化工发展中的应用方向和前景，对煤化工的研　究和技术的应用提供一定的参考。　１　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ模拟煤气化方法　基于Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ强大的模拟功能，已有很多学者将其应　用于煤气化研究中。目前Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ主要利用平衡模型进　行煤气化模拟，同时设定一系列假设条件，比如认为气化过　程一直处于稳定运行状态，所有的化学反应均达到平衡等；　通过Ｇｉｂｂｓ自由能最小的原理，结合气化过程的质量和能量　平衡等手段，从而预测出反应器出口的产品气的组成、产率　及平衡温度　ｊ。　煤气化过程是涉及高温、高压且多种组分反应的复杂过　程。用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ进行模拟时，一般会将所涉及的组分分成　常规组分和非常规组分两大类，其中非常规组分一般指非常　规固体，如煤、飞灰、灰渣等。在模拟中将这些非常规固体视　为惰性物质，不参加相平衡和化学平衡计算，只计算密度和　

收稿日期：２０１６—０５—２５　作者简介：靳皎（１９８８一），女，陕西延安人，助理工程师，主要从事煤化工研究。　·７２·　山东化工　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　２０１６年第４５卷　

焓。Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ一般用ＤＣＯＡＬＩＧＴ和ＨＣＯＡＬＧＥＮ模型来计　算其密度和焓值，需要输入各项的工业分析数据、元素分析　数据和硫分析数据来完成计算　ｊ。　物性方法是用于模拟计算中所需性质的模型和方程的　集合。由于煤气化通常在高温高压下进行，且气体组分多为　轻气体，如ＣＯ、Ｈ：、ＣＯ　、Ｏ：等，因此模拟时常选择ＲＫ—　Ｓｏａｖｅ方程来计算常规组分。ＲＫ—Ｓｏａｖｅ方程常用于计算气　体加工、炼油等工艺过程，适用于非极性或弱极性的组分混　合物体系，如烃类、ＣＯ、Ｈ：、ＣＯ　等轻气体　Ｊ。　模拟煤气化流程最主要的是建立气化炉模型。通常是　将气化炉假定分解为两个独立的过程：热裂解过程和气化过　程。热裂解过程采用煤裂解单元（ＤＣｏｍｐ）模拟，将煤分解为　含有Ｃ、Ｈ：、Ｎ２、Ｏ　、Ｃ１　、Ｓ、Ｈ２Ｏ和灰等组分的物流，将灰视为　具有特定物性的纯物质，且不参加反应，Ｑ—Ｃｏｍｐ为裂解产　生的热量；气化过程采用反应单元（Ｇａｓｉｆｉｅｒ）进行模拟，通过　化学反应平衡和相平衡计算出ＬＩ气体组成和温度，Ｑ—Ｌｏｓｓ　为气化炉热损失，如图１所示　。但该模拟方法需要提前规　定裂解单元的产物分布，会产生物料平衡不严格的现象，进　而造成模拟的煤气组成与实际值有一定的偏差。目前已有　部分研究者对常规气化模型进行了不同的改进，使得模拟结　果较为满意　。　

Ｑ－Ｃｏｍｐ　ｌ…………………：　Ｉ　Ｉ　

Ｉ　Ｉ一…Ｑ－Ｌ．ｏ—ｓｓ．．　

图１　基于Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ的常规煤气化模型示意图　２　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ在煤气化中的应用进展　朱有健等　运用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ建立了固定床煤气化炉的　数学模型，模拟计算了固定床煤气化炉的运行过程，并基于　该模型对空气和蒸汽通量及预热温度对评价指标的影响进　行了研究，结果表明该模型与实际生产运行数据较为符合。　陈世豪等　将固定床煤气化流程分为干燥区、裂解区　和气化燃烧区，用Ｒｙｉｅｌｄ模块模拟煤的干燥和裂解，用Ｒｓｔｏｉｃ　模块将半焦转化成单质，用带ＦＯＲＴＲＡＮ动力学子程序的６　个ＲＣＳＴＲ串联来模拟逆流的管式气化炉，该模拟方法能够　更好地反应气化炉内的实际情况，结果也表明该模型具有较　好的预测效果。　原满等　对气化剂为高温空气的逆流式固定床煤气化　做了模拟计算，并基于该模型对不同空煤比及不同空气预热　温度对煤气化指标的影响进行了研究，结果表明该模型能够　较好地模拟煤气化过程，模拟数据与试验数据吻合较好，同　时得出在相同空煤比与气煤比的工况下提高空气的预热温　度可以使气化过程得到强化的结论。陈倩等　模拟了６０　万ｔ／ａ煤制甲醇装置中的水煤浆气化过程，用现场装置的数　据验证了模型的可靠性，模型计算结果与现场数据吻合良　好，并分析了水煤浆浓度、氧煤比、气化温度、气化压力这些　主要操作条件对气化过程的影响。　肖祥等　对气化剂为纯氧的Ｔｅｘａｃｏ气化炉进行模拟计　算，其模拟结果与文献数据相符，同时基于该模型对氧煤比　和水煤浆浓度对煤气化指标的影响进行了研究，并据此提出　了提高出口煤气中有效气（ＣＯ十Ｈ　）的措施。　刘娜等　建立了Ｓｈｅｌｌ粉煤气化炉的数学模型，选用新　疆伊犁地区３个煤种，基于该模型用单因素和虚拟正交试验　研究了气化压力、氧煤比、蒸汽煤比对有效气（ＣＯ＋Ｈ：）含量　的影响。　华宇瑞等　对流化床煤部分气化过程建立数学模型，　考虑半焦会携带部分挥发分、水及未反应的碳，基于Ｇｉｂｂｓ自　由能最小化原理，通过“限制平衡反应法”设定非均相反应的　趋近平衡温度，对气化热力学模型进行了修正，模拟结果可　用于产物预测。　东赫等　利用Ｇｉｂｂｓ自由能最小化原理对ＧＳＰ煤粉气　化和ＧＥ水煤浆气化进行模拟，并对这两种气化炉的产气量　及合成气组成、氢碳比及煤气热值受氧煤比和蒸汽煤比双因　素的影响进行分析对比，验证了模型的可靠性和准确性，并　得到了蒸汽煤比、氧煤比对气化炉的影响规律。　贾靖华等　对Ｓｈｅｌｌ粉煤气化模型进行了气化反应平　衡限制并考虑了气化炉热损失，模拟结果与实际值差别较　小，基于该模型分析研究不同参数对气化性能的影响，如碳　转化率、不同煤粉输送载气、氧煤比等，同时优化了不同操作　负荷条件下的氧煤比。　褚宏达等　模拟灰熔聚流化床粉煤气化过程，并选用　ＳＳｐｌｉｔ模块分离煤气中的灰分，模拟得到的合成气中Ｈ　、ＣＯ、　Ｎ　、Ｈ　Ｓ及水的含量与实际值较为接近，但ＣＨ　的偏差较大。　张志刚等　建立气流床气化模型并进行修正和验证，　模拟结果表明热解焦粉气化比粉煤气化效率更高，同时研究　了气化压力、氧焦比和蒸汽焦比对焦粉气化的影响。　此外，也有研究人员用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ对煤干燥和煤热解过　程进行模拟计算。　刘娜等　建立煤干燥过程模型，研究了热空气温度、热　空气中水汽含量及干燥介质对干煤出口温度的影响。周春　平等　通过Ｒｓｔｏｉｃ反应模块定义煤中水分干燥过程，并通　过模块内部Ｆｏａｒａｎ语言计算煤中的含水量，模拟所得煤干　燥过程的结果与文献值较为符合。　王伟等　对煤热解过程进行了模拟计算和分析，结果　与实际值较为吻合。张彦等　对“煤拔头”工艺热解过程进　行模拟分析，将热解反应器分段，并考虑热解温度及热解吸　热影响，得到不同温度下热解产物的产率，使得结果更精确，　也更便于优化。　３　目前存在问题及发展方向　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ软件模拟煤气化的可行性得到越来越多学者　的认可，并在固定床、流化床和气流床上得到一定程度的应　用。利用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ模拟，能够较为合理地预测出口煤气的　基本组分的浓度，研究不同条件对煤气化的影响，也能够进　行工况分析和灵敏度分析，并且可以评估气化炉的性能，寻　找气化炉最佳操作条件。一般而言，气流床模型结果与实际　最吻合，其次是流化床，固定床最差，这是因为固定床反应温　度较低而且生成物较为复杂，难以利用平衡自由能最小原理　进行准确计算。同时，因为Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ在模拟时需对许多条