利用Aspen Plus模擬焦爐煤氣甲烷化過程及其熱集成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

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

關(guān)鍵詞：焦爐煤氣；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，其消費量持續(xù)增長[1]，2014年國內(nèi)天然氣表觀消費量達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]，對外進口依存度逐年增加。焦爐煤氣作為焦炭行業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)物，每年產(chǎn)量約為1200億立方米。因此，焦爐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流程模擬軟件嚴格的機理模型使其在科研和生產(chǎn)中被普遍運用。文章以某焦化廠焦爐煤氣甲烷化工藝和相關(guān)動力學研究為基礎(chǔ)，對甲烷化反應(yīng)流程進行了模擬分析，利用夾點技術(shù)完成熱集成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，提高甲烷化余熱利用率，為焦爐煤氣制天然氣工業(yè)化提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 甲烷化反應(yīng)動力學

甲烷化反應(yīng)主要涉及以下三個反應(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)為獨立反應(yīng)，動力學模型假設(shè)碳化物為中間體，模擬采用LHHW型本征動力學方程。

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

文章采用文獻中試驗數(shù)據(jù)，原料進氣量20619m3（STP）/h，溫度30℃，壓力2.2MPa，進料組成如下。

表1 焦爐煤氣組成

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)是強放熱反應(yīng)，為避免溫度過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)果驗證

調(diào)整進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。

與文獻中試驗數(shù)據(jù)相差不大，CO和CO2轉(zhuǎn)化率都達到工藝要求，說明動力學方程、工藝參數(shù)的選擇在焦爐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904℃），降低了對設(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，需要熱負荷2124.83kW，且品位較高，冷負荷9218.18kW，其中高壓蒸汽回收4224.85kW，余熱利用率45.85%。根據(jù)夾點理論可知，當能量通過夾點，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)夾點為530℃左右，而且夾點上方?jīng)]有熱負荷需求，最小冷負荷為7093.36kW。因此換熱網(wǎng)絡(luò)有較大改進空間。

依據(jù)夾點匹配的可行性原則，通過流股分割、添加換熱器，進行過程物流的熱復合，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，需要增加3個換熱單元和9個冷卻器。但優(yōu)化后存在即換熱器、工藝流構(gòu)成的封閉回路，這是由于以運行總年度費用成本最小為綜合目標形成的，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，同時對新形成的封閉回路進行換熱器合并。（如圖3所示）

優(yōu)化后系統(tǒng)總共需要3個換熱單元，6個冷卻器。所需熱負荷為0kW，冷負荷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

利用Aspen Plus完成焦爐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)果與試驗數(shù)據(jù)相不大，驗證了建模過程中動力學及工藝參數(shù)選擇的準確性。

對熱集成網(wǎng)絡(luò)進行分析，采用夾點技術(shù)恰當匹配冷熱物流之間的換熱及冷熱公用工程的類型和能級選擇。利用余熱加熱原料氣，消減了熱負荷的消耗。優(yōu)化余熱回收過程，余熱利用率從45.85%提高到88.42%。

參考文獻

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

[2]中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會.2014年石油和化工行業(yè)經(jīng)濟運行報告[N].中國化工報，2015-1-22.

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