Aspen Plus在煤熱解技術中的應用進展

黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學強，劉今乾，么秋香

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

Aspen Plus在煤熱解技術中的應用進展

黨敏輝，鄭化安，張生軍，樊英杰，李學強，劉今乾，么秋香

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工過程模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟評價等的大型化工流程軟件，廣泛應用于石油化工及煤化工過程的模擬優(yōu)化。煤熱解技術作為一種煤炭資源清潔、高效、綜合利用的有效途徑，近年來在理論研究及工程應用等方面受到了研究者的廣泛關注。本文就近年來Aspen Plus軟件在煤熱解方面的應用成果和發(fā)展情況進行了總結和評述，同時也指出了目前研究的不足，并進行了展望。

熱解；Aspen Plus；模擬；煤

煤熱解也稱煤干餾，是指煤在隔絕空氣或惰性氣氛條件下加熱時所發(fā)生的一系列物理變化和化學變化的復雜過程。煤熱解產生熱解氣、焦油和半焦等產物。進而對熱解氣進行分質利用，其中的氫用于煤焦油加氫，進一步分離提氫后的熱解氣得到甲烷，用于生產壓縮或液化天然氣，將熱解氣中的一氧化碳用于生產甲醇、合成氨等產品，或作為工業(yè)燃料。對煤焦油進行精餾生產高附加值的精細化學品，對適合加氫的煤焦油組分加氫生產油品、石腦油等。半焦可以用于生產電石、氣化后生產合成氨、甲醇、天然氣、乙二醇，替代無煙煤作為工業(yè)原料、燃料等[1]。煤熱解相對于煤的直接燃燒可以有效減少環(huán)境污染，是一種清潔、高效、綜合利用煤炭資源的有效途徑。中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，褐煤和低變質煙煤儲量約占煤總儲量的55.1%[2]，在較溫和的條件下，從高揮發(fā)分的煤中提取具有高附加價值的精細化學品及清潔的氣體、液體、固體燃料等，在經(jīng)濟上無疑具有較大吸引力。但煤熱解技術的實驗研發(fā)需要耗費大量費用和時間，阻礙了煤熱解工藝開發(fā)和工業(yè)化推廣。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，化工過程模擬日趨成熟，成為認識化工過程的一種有效工具。借助模擬計算，能夠減少大量中間試驗，獲得某些實驗條件下難以得到的信息；還可以對整個煤熱解過程進行分析，尋找最佳的操作參數(shù)，達到過程優(yōu)化的目的等。Aspen Plus作為最為常用的化工流程模擬軟件之一[2-5]，目前已有一些學者將其應用于煤熱解過程的研究[6-11]，通過流程模擬能更好地分析其過程，為理論研究和生產實踐提供支持和幫助。本文就近年來Aspen Plus軟件在煤熱解方面的應用成果和發(fā)展情況進行總結和評述，同時也指出了目前研究的不足，并進行了展望。

1 Aspen Plus 簡介

Aspen Plus源于美國能源部于二十世紀七十年代后期在麻省理工學院(MIT)組織開發(fā)的流程模擬軟件，于1981年底完成。該軟件經(jīng)過30多年的不斷改進、擴充和提高，已先后推出了三十多個版本，成為公認的標準大型流程模擬軟件，廣泛用于石油化工及煤化工等領域的模擬。Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工過程模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟評價等的大型化工流程軟件。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，用于模擬各種單元操作過程。

物性模型及物性參數(shù)是得到精確可靠的模擬結果的關鍵。Aspen Plus具有最適用于工業(yè)、且最完備的物性系統(tǒng)。其包含1773種有機物、2450種無機物、3314種固體物質、900種水溶電解質的基本物性參數(shù)。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)。此外，Aspen Plus還具有物性常數(shù)估算系統(tǒng)[12]。

Aspen Plus具有完整的單元操作模型庫。其包含五十多種單元操作模型，如混合、分割、換熱、閃蒸、精餾、反應、固體分離等，通過這些模型的組合，能模擬所需的工藝流程。Aspen Plus還提供了靈敏度分析及工況分析等模塊。

2 Aspen Plus在煤熱解研究的應用進展

王偉等[6]將褐煤熱解過程分成三個單元，運用Aspen Plus軟件對褐煤熱解過程進行模擬。其用化學滲濾脫揮發(fā)分模型(CPD)預測煤熱解的產物分布，化學計量反應器模型(RStoic)和兩相閃蒸模型(Flash2)模擬干燥過程，收率反應器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)模擬熱解過程，子物流分流器模型(SSplit)模擬氣固分離過程。作者對模擬方法進行了可靠性驗證，經(jīng)模擬值與實驗值進行比較，發(fā)現(xiàn)半焦收率及氣體總質量流量誤差分別為1.47%和0.23%，誤差較小，模型可靠。通過Aspen Plus模擬，可以為煤熱解過程的工藝開發(fā)及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

路丙川等[7]運用Aspen Plus軟件對褐煤固體熱載體熱解-氣化耦合過程進行模擬，流程共分為干燥、熱解、氣化和燃燒等四個單元。其中干燥單元用化學計量反應器模型(RStoic)，熱解單元用收率反應器模型(RYield)，氣化單元用收率反應器模型(RYield)、化學計量反應器模型(RStoic)和吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)，燃燒單元用收率反應器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)。作者對工藝流程的能流進行計算分析，發(fā)現(xiàn)褐煤熱解單元的能耗約占總能耗的70%，認為是直接導致固體熱載體用量大、燃燒半焦比例大以及系統(tǒng)輔助能耗大的主要原因。

張彥等[8]在煤熱解實驗數(shù)據(jù)的基礎上，建立了包含熱解溫度及熱解吸熱影響的熱解模型，運用Aspen Plus軟件對固體熱載體下行管熱解反應器進行分段模擬。該模擬通過對實驗數(shù)據(jù)進行中間插值和向外插值得到不同溫度下熱解產物分布的熱解模型，將熱解模型嵌入Aspen Plus中，模擬不同溫度下的熱解反應，提高了模擬結果的準確性。考慮到煤熱解為吸熱反應，在固體熱載體下行管熱解反應器中，隨著熱解反應的進行，沿著下行管溫度將逐漸降低，該研究者使用15個收率反應器模型(RYield)對煤熱解進行模擬，較準確反映這一反應器的特點，模擬結果的準確性有較大提高。

李初福等[9]借助Aspen Plus軟件對固體熱載體回轉窯煤熱解工藝進行模擬。其工藝流程分為干燥、熱解、半焦加熱、焦油回收、鍋爐燃燒等五個單元。干燥單元用化學計量反應器模型(RStoic)，熱解單元用收率反應器模型(RYield)，半焦加熱單元用收率反應器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)，鍋爐燃燒單元用收率反應器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)，焦油回收單元用兩相閃蒸模型(Flash2)模擬氣液分離和液-液傾析器模型(Decanter)模擬油水分離。該研究者以年處理100萬噸神東碎煤(<25 mm)的工藝條件進行模擬計算，模擬結果顯示，適當提高干燥溫度和半焦熱載體溫度，可以有效減少半焦熱載體循環(huán)量和廢水生成量；在干燥溫度200℃、熱解溫度600℃和熱載體溫度800℃條件下，熱載體與干燥煤混合質量比為3.3∶1時，焦油干基收率為7.2%，煤氣干基收率為10%，系統(tǒng)能效達到85%以上。通過模擬計算，得到了最優(yōu)操作條件，可以對設計及操作起到指導作用。

秦麗娜等[10]基于Aspen Plus軟件對低變質煤催化熱解-部分氣化耦合工藝進行模擬優(yōu)化研究。模擬分為粉煤干燥、熱解、半焦部分氣化及氣化殘余半焦冷卻等四個過程。干燥過程用RStoic反應器，熱解過程用收率反應器模型(RYield)和嵌入的預測熱解產物的Fortran模塊，氣化過程用吉布斯自由能最小的平衡反應器模型(RGibbs)。根據(jù)模擬結果，熱解段得焦油12.23%，半焦收率為65.11%，與一般的低階煤熱解實驗結果基本符合。氣化段半焦轉化率為70%時，所得模擬結果與Shell氣化爐的煤氣組成基本一致，因此，該模型基本上是可靠的。

林東杰等[11]利用Aspen Plus軟件對褐煤熱解過程能量綜合利用進行了優(yōu)化，提出了間接冷卻和干熄焦兩種改進工藝，對干燥煙氣消耗量和循環(huán)水消耗量進行了模擬計算。根據(jù)模擬結果，在任何熱解溫度和含水量下，兩種改進工藝均能減小干燥煙氣消耗量和循環(huán)水消耗量，減少污水產生量。

3 結論與展望

綜上所述，用Aspen Plus對熱解過程進行模擬時，大部分都把工藝過程分成干燥、熱解、分離等單元，其中熱解單元都用到了收率反應器模型(RYield)，然而RYield模型不能保證元素守恒，因此在給定產物收率時需要特別注意其真實性及合理性。

另外，雖然Aspen Plus軟件在煤熱解研究中進行了一些應用，并取得了一些成果。但是，現(xiàn)有的文獻很多都缺少實驗的驗證。需要對模擬計算結果與實驗結果進行詳細的比較，選擇更合適的Aspen Plus模型，或者結合熱解反應的熱力學和動力學模型，彌補現(xiàn)有Aspen Plus模型的不足，進一步提高模擬結果的準確性，促進Aspen Plus在煤熱解領域的更廣泛應用。

[1] 尚建選,王立杰,甘建平,等.煤炭資源逐級分質綜合利用的轉化路線思考[J].中國煤炭,2010,36(9):98-101.

[2] 毛節(jié)華,許惠龍.中國煤炭資源分布現(xiàn)狀和遠景預測[J].煤田地質與勘探,1999,27(3):1-4.

[3] 張治山,楊超龍.Aspen Plus在化工中的應用[J].廣東化工,2012,39(3):77-78.

[4] 李萌萌,姜 召,李 璐,等.Aspen Plus在超臨界流體技術中的應用研究進展[J].化工進展,2014,33(S1):19-26.

[5] 靳 皎,姚曉虹,劉曉花,等.Aspen Plus在煤氣化技術中的應用進展[J].山東化工,2016,45(13):71-73.

[6] 王 偉,商玉坤,武建軍.基于Aspen Plus的褐煤熱解過程模擬[J].化學工業(yè)與工程,2011,28(3):49-73.

[7] 路丙川,易 群,吳彥麗,等.褐煤固體熱載體熱解-氣化耦合工藝流程模擬[J].武漢大學學報(工學版),2012,45(6):736-739.

[8] 張 彥,趙月紅,何險峰.基于Aspen Plus的“煤拔頭”工藝熱解過程的模擬[J].計算機與應用化學,2014,31(7):774-778.

[9] 李初福,門卓武,翁 力,等.固體熱載體回轉窯煤熱解工藝模擬與分析[J].煤炭學報,2015,40(S1):203-207.

[10] 秦麗娜,李建偉,周安寧.基于Aspen Plus的煤熱解-氣化耦合工藝模擬優(yōu)化研究[J].酒鋼科技,2015(4):14-17.

[11] 林東杰,甘曉雁,彭 書.低階煤熱解過程中的能量綜合利用[J].煤炭科學技術,2016,44(S1):186-193.

[12] 屈一新.化工過程數(shù)值模擬及軟件[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

(本文文獻格式：黨敏輝，鄭化安，張生軍，等.Aspen Plus在煤熱解技術中的應用進展[J].山東化工,2017,46(11):63-64.)

The Application Progress of Aspen Plus in Coal Pyrolysis

DangMinhui,ZhengHua'an,ZhangShengjun,FanYingjie,LiXueqiang,LiuJinqian,YaoQiuxiang

(Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,State Energy Key Laboratory of Clear Coal Grading Conversion, Xi'an 710065,China)

Aspen Plus is a large-scale chemical process software,which based on steady-state chemical engineering simulation,optimization,sensitivity analysis and economic evaluation,and it is widely used in the simulation and optimization of petrochemical and coal chemical process. Coal pyrolysis technology as an effective way to clean,efficient and comprehensive utilization of coal resources,has been widely concerned by the researchers,in theoretical research and engineering applications in recent years. In this paper,the application and development of Aspen Plus software in coal pyrolysis have been summarized and reviewed. At the same time,it points out the shortcomings of the current research,and makes a prospect.

pyrolysis; Aspen Plus; simulation; coal

2017-04-11

國家重點研發(fā)計劃“煤熱解共性關鍵技術研究及碎煤熱解工程化應用”(2016YFB0600403)

黨敏輝(1984—)，男，河南漯河人，博士，工程師，主要從事煤熱解技術及熱解方面的研究。

TQ523; TQ015.9

A

1008-021X(2017)11-0063-02