煤气化模拟
新疆准东煤气化过程的模拟优化
新疆准东煤气化过程的模拟优化黄雪莉;刘娜【摘要】基于Aspen Plus流程模拟软件,运用Gibbs自由能最小化方法建立了Shell粉煤气化模拟计算模型,对新疆准东一采区的煤种进行气化过程模拟优化,以(CO+ H2)摩尔分数最高为目标函数,通过单因素研究确立的最佳操作条件为:气化压力2 MPa,氧煤比0.73 kg/kg和蒸汽煤比0.09 kg/kg;而通过虚拟正交实验研究,获得的最佳操作条件为:气化压力2 MPa,氧煤比0.78 kg/kg和蒸汽煤比0.05kg/kg.各因素对气化过程影响大小顺序为:氧煤比和水煤比的交互作用＞氧煤比＞水煤比＞气化压力.%With Aspen Plus software, the model of coal gasifying process for Shell furnace was established, and used for simulation and optimization of coal gasifying process in Xinjiang Zhundong. With the aim of high content of (CO+H2), by single-factor research, the optimum operation conditions are 2 MPa of pressure, 0. 73 kg/kg of O2/coal and 0.09 kg/kg of H2O/coal: by multi-factor research, the optimum operation conditions are 2 MPa of pressure, 0. 78 kg/kg of O2/coal and 0.05 kg/kg of H2O/coal. The sequence of influence of factors is the interaction ofO2/coal and H2O/coal>O2/coal>H2O /coal>pressure.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2012(035)003【总页数】5页(P23-27)【关键词】煤气化;Aspen Plus软件;模拟【作者】黄雪莉;刘娜【作者单位】石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室,新疆大学化学化工学院,830046 乌鲁木齐;石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室,新疆大学化学化工学院,830046 乌鲁木齐【正文语种】中文【中图分类】TQ546.8;TQ018目前，Aspen Plus软件已经广泛应用于煤化工生产的模拟中，取得了较好的研究效果.其中，Sotudeh－Gharebaagh等［1］最早使用Aspen模拟循环流化床中煤的燃烧反应.Mathieu等［2］对生物质气化过程进行了模拟，考察了不同操作参数，并进行了灵敏度分析.汪洋等［3］研究了气化炉的主要操作参数对粉煤气化结果的影响，模型可以推广到一些反应机理复杂的气化工艺的化学和热力学平衡计算中.代正华等［4］对粉煤气化过程进行了热力学平衡分析，发现碳转化率和热损失对气化工艺指标有显著的影响.张宗飞等［5－7］对不同的煤种气化进行模拟优化.本研究基于Aspen Plus软件，建立了粉煤气化炉模拟计算模型（见图1），对新疆准东一采区的煤种进行粉煤气化的模拟计算，以有效气体（CO＋H2）含量为目标函数，进行了单因素研究和虚拟正交实验研究，获得了最佳操作条件，并进行了讨论.煤气化剂主要有空气、氧气及水等，主要产物有H2，CO，CH4及少量CO2和水.煤气化过程可以虚拟分解为两个独立过程［8］：一是煤的热裂解与挥发物的燃烧气化过程，此时将煤中的C，H，O和N全部转为气相，灰分不参加反应；二是气化产物与气化剂、固定碳以及气化产物之间的反应.对第一个过程利用Dcomp模块进行模拟.Dcomp模块功能是将煤分解成单元素的分子（纯元素C，H2，O2，N2，S，Cl2）和灰渣（ash），并将裂解热（Qtransfe）导入反应器模块.其中，Ryield反应器用来计算收率.对于第二个过程，采用Rgibbs模块进行模拟计算.Rgibbs模块是一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，能够在考虑热损失（Qlost）的前提下，求得气化炉的出口温度和出口组成（粗合成气和ash）.同时，Dcomp模块还考虑碳的不完全转化，把裂解后未燃尽碳加到灰中以便于Rgibbs模块的计算.最后，所有产物从Rgibbs反应器出来后进入Separate气固分离设备进行气相和固相的分离.考虑到煤气化是在高温、高压条件下进行的，且气化产生的组分多为轻气体，因此RK－Soave方程适合该工艺过程的计算.使用上述流程分别对文献［5，6］中的神华煤和沾化煤等煤种气化过程进行模拟计算，结果与文献给出的数据基本一致，说明该模拟过程具有一定的可靠性.本实验针对新疆准东一采区的煤样，使用上述流程在一定操作条件下进行Shell炉粉煤气化模拟，通过物料平衡分析和平衡常数计算，进一步验证模拟计算过程的可靠性.煤样的工业分析和元素分析见表1，模拟输入和输出结果见表2.考虑到目前Shell气化炉如用于发电则一般用于单机容量为250MW左右的电站［9，10］，而250MW的电站处理量一般为2 000t／d，故本实验选取煤粉进料为23.15kg／s，氧煤比为0.73，蒸汽煤比为0.09，氮气作为煤粉的携带剂进料为2.305 3kg ／s，碳的转化率设置为99.5%，热损失设置为0.5%，气化压力为5.05MPa.根据表2对模拟过程进行物料衡算，以C元素衡算为例说明计算过程如下.进：23.15×74.92×0.995×0.98÷100÷12＝1.409 3kmol／s出：1.386 642 18＋0.003 442 67＋0.000 607 11＋0.017 360 37＝1.4081kmol／s可以看出，C元素保持平衡.H和O元素及ash的衡算类似，均保持平衡.根据表2中的组成，计算压力积如下（这里用压力近似代替逸度），并和文献［11］计算公式计算值比较，以此来判断反应是否达到平衡.甲烷化反应：CO＋3H2＝CH4＋H2O模拟计算值：＝Kpms＝0.974PCO× 10－10／PCH4PH2O＝1.46×106文献计算公式：变换反应：CO＋H2O＝CO2＋H2模拟计算值：＝Kpwgs＝PH2×PCO2／PCOPH2O＝0.305 2文献计算公式：由此可以断定，这两个反应基本达到平衡.3.1 单因素研究煤气化过程的主要影响因素有气化炉内压力、气化温度、氧煤比和蒸汽煤比等.基于上述流程，对新疆准东一采区的煤进行了单因素计算研究.3.1.1 气化压力选取气化压力从2MPa～8.5MPa中间的4个工况，并设定氧煤比为0.73kg／kg和蒸汽煤比为0.09kg／kg.模拟结果见表3.由表3可以看出，气化压力对煤气化产物的影响很小.随着气化压力的升高，H2O，CO2和CH4有所增加，而H2和CO有小幅下降，证实了文献［11］的实验结果.主要是由于气化过程的主反应CmHn＋（m／2）O2＝mCO＋（n／2）H2是体积增大的反应，提高压力不利于反应向右进行.实际生产中，增大气化压力可以提高单位产能.所以气化压力的选择要视情况而定.3.1.2 气化炉热损失的影响选取热损失从0.0～2.0%中间的5个点进行模拟计算，其气化产物的组成和温度的模拟结果见表4.由表4可知，随着热损失的增加，粗煤气出口温度降低，H2和CO的含量下降，CO2的含量增加.3.1.3 氧煤比选取氧煤比为0.65kg／kg～0.80kg／kg之间的10个点进行了模拟计算.其中，保持煤炭进料流率为23.15kg／s不变，通过改变气化剂氧气的进料流率来改变氧煤比，从而考察氧煤比对气化产物组成和出口温度的影响，结果见图2和图3.由图2可知，随着氧煤比的增大，气化温度升高，特别是当氧煤比达到0.73kg／kg以后，升温速度加快，氧煤比每增加0.01，出口温度大约上升40℃.由图2还可看出，随着氧煤比的增大，出口粗合成气的关键组分（CO＋H2）先增加后降低，当氧煤比为0.73kg／kg时达到最高.由图2和图3可知：随着氧煤比的增加，CO 的含量有所下降，氧煤比每增加0.01，CO含量下降0.3左右；H2含量先增加后减小，最大值出现在氧煤比为0.73kg／kg，此时CO＋H2的摩尔分数为93.96%.3.1.4 蒸汽煤比保持煤炭进料流率为23.15kg／s不变，改变气化剂水蒸气的进料流率来改变蒸汽煤比，从而考察对气化产物组成和出口温度的影响.本实验在氧煤比为0.73kg／kg 的条件下，选取水煤比在0.05kg／kg～0.16kg／kg之间的8个工况进行了模拟计算，结果见图4.由图4可知，随着蒸汽煤比的增加，粗煤气出口温度降低，（H2＋CO）的含量先升高后降低，存在一个最高点.这和煤气化过程中主要反应的综合效应有关.就新疆准东一采区的煤气化而言，本实验通过计算获得最佳蒸汽煤比为0.09kg／kg.此时，出口合成气的有效成分（CO＋H2）的摩尔分数高达93.99%.3.2 虚拟正交实验研究上述单因素研究只考察最佳的单因素条件，并没有考虑到各因素之间的交互作用.如果综合到一起，可能不是最好的组合.本研究借助正交实验思路，进行虚拟的正交实验研究.以氧煤比、蒸汽煤比和气化压力作为影响因素，粗煤气中H2，CO和CH4含量作为考察目标，进行了有深度交互作用的三因素三水平虚拟正交实验（每个因素以单因素实验为依据选取3个水平，见表5）.虚拟正交实验，结果见表6.通过正交实验结果分析（过程略），可以看出：当以有效气量为考察目标时，各因素对结果的影响大小顺序为A×B＞A＞B＞C＞B×C＞A×C；因素A和B交互作用具有显著影响；因素A对实验结果也有显著影响，这与单因素实验结论吻合；因素B和因素C的交互作用、因素A和因素C的交互作用的影响并不明显.由于因素C的影响作用大于因素C和其他因素的交互作用，所以不考虑因素C的交互作用.考虑到（CO＋H2）含量越高越好，对于C因素选取C1为最佳水平.由于因素A和因素B交互作用影响显著，不能对因素A和因素B进行单独处理.通过对因素A 和因素B的各种实验组合进行研究（过程略）可以得出，当因素A取第3水平，因素B取第1水平时结果最好.综上所述，选取A3B1C1为最佳操作条件，此时产物中H2为23.737 5%，CO为70.870 8%，CH4为0.012 3%，出口温度为1 614.7℃.模拟结果满足了Shell炉煤气化的气化要求.［6，7］1）通过单因素研究，确立了以（CO＋H2）摩尔分数最高为目标的最佳操作条件：气化压力2MPa，氧煤比0.73kg／kg和蒸汽煤比0.09kg／kg.2）通过虚拟正交实验，获得的最佳操作条件为：气化压力2MPa，氧煤比0.78kg ／kg，蒸汽煤比0.05kg／kg，此时（CO＋H2）摩尔分数为94.608 3%，H2为23.737 5%，CO为70.870 8%，CH4为0.012 3%，出口温度为1 614.7℃.3）氧煤比和水煤比的交互作用在气化过程中起到了重要作用，其影响能力甚至超过了氧煤比和水煤比单个因素的影响能力.4）新疆准东一采区煤种的气化结果符合通常煤炭气化出口温度和合成气合成甲烷的百分比例，满足Shell炉煤炭气化对煤炭的要求.【相关文献】［1］ Sotudeh－Gharebaagh R，Legros R，Chaouki J et al.Simulation of Circulating Fluidized Bed Reactors Using Aspen Plus［J］.Fuel，1998，77（4）：327－337.［2］ Mathieu P，Dubuisson R.Performance Analysis of a Biomass Gasifier［J］.Energy Conversion and Management，2004，43（9－12）：1291－1299.［3］汪洋，代正华，于广锁等.运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉［J］.煤炭转化，2004，27（4）：27－33.［4］代正华，龚欣，王辅臣等.气流床粉煤气化的Gibbs自由能最小化模拟［J］.燃料化学学报，2005，33（2）：129－133.［5］张宗飞，汤连英，吕庆元等.基于Aspen Plus的粉煤气化模拟［J］.化肥设计，2008，46（3）：14－18.［6］周俊虎，匡建平，周志军等.粉煤气化炉冷态和热态流场分布特性的数值模拟［J］.中国电机工程学报，2007，27（20）：30－30.［7］王艳玲，马素霞.Texaco气化炉合成气的影响因素及优化［J］.煤炭转化，2011，34（2）：31－35.［8］秦丽娜.低变质煤热解——气化耦合工艺模拟优化研究［D］.西安：西安科技大学，2010：26－30.［9］焦树建.论IGCC电站中气化炉型的选择［J］.燃气轮机技术，2002，15（2）：3－15. ［10］焦树建.干法供煤和水煤浆供煤的气化炉性能之比较［J］.燃气轮机技术，2000，13（2）：2－7.［11］于遵宏.烃类蒸气转化工程［M］.北京：烃加工出版社，1989：13－16.。
煤化工甲醇生产过程中煤气化工段的模拟
煤化工甲醇生产过程中煤气化工段的模拟【摘要】煤气化工段及变换工段流程相对简单，但是在实际生产中，其关键操作参数如气化压力、氧煤比以及变换炉的水蒸汽流量及反应温度等参数的最优值较难确定。
而对于精馏工段，其常压塔的侧线采出位置十分重要，合理的位置可以更加高效地回收甲醇；对于全流程的模拟，有效的使流程收敛比较困难。
本文就煤气化工段进行分析研究。
【关键词】煤化工；操作参数；气化压力；氧煤比；反应速率；生产能力；转化率0 引言煤气化工段主要是将煤通过一系列物理方法制成水煤浆，然后在气化炉中反应生成粗合成气；然后合成气进入下一工段变换工段，经过变换反应将过量的CO 反应生成H2，以调节其碳氢比；而精馏工段则是将来自合成工段的粗甲醇经过四塔流程进行精馏，得到高纯度的甲醇，其对最终产品的质量有着直接的影响。
1 煤气化过程原理煤气化反应是利用气化剂和煤中的可燃物在高温下发生反应，生成CO，H2等可燃气体的过程。
常用的气化剂有空气、氧气、水蒸气等。
在反应中，有别于传统煤燃烧过程中通入过量空气的做法，在煤气化技术中，通入的空气量一般是理论空气量的1/5到1/3。
而产物则以CO和H2为主，过程中只有小部分煤炭参与燃烧反应。
在气化反应过程中，煤经历了一系列复杂的物理及化学变化，其中包括：干燥、热裂解、焦在氧气、水蒸气、二氧化碳、氢气、甲烷、一氧化碳等气体中的气化与燃烧等。
反应速率及程度取决于温度、压力、煤种和由气化炉决定的停留时间、传质传热条件等的影响。
煤气化过程中包括以下主要反应：放热反应：C+O2→CO2C+■O2→CO吸热反应：C+H2O→CO+H2C+CO2→2CO变换反应：CO+H2O→CO2+H2总体来看，煤气化过程是一个强吸热过程，从热力学和动力学角度进行分析，高温有利于气化反应的进行。
而气化反应又是个体积增大的过程，所以增加压力会使化学平衡向相反的方向移动，但是增加压力可以提高反应速率，增加生产能力，因此应该综合分析对各方面的影响。
Aspenplus在煤气化过程模拟中的应用
１．３ 模型建立
煤气化 模 拟 模 型 不 是 单 一 的 单 元 操 作 模 拟，而 是 利 用 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ中的各单元操作模型模拟气化炉中气化经历的各个 过程的组合。一般所采用的模块有 ＲＹｉｅｌｄ、Ｓｅｐ、ＲＳｔｏｉｃ、Ｍｉｘｅｒ、 ＲＧｉｂｂｓ和 Ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ等。将煤的气化过程［２］假定为两个独立过 程：裂解过程和气化过程。主要以 ＲＹｉｅｌｄ（收率反应器）将煤分 解成 Ｃ、Ｈ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｃｌ、Ｓ和 灰 渣，建 立 煤 气 化 的 裂 解 过 程。 ＲＧｉｂｂｓ反应器是以 Ｇｉｂｂｓ自由能最小原理的反应器模型用来 模拟气化炉中发生的各个反应，ＲＳｔｏｉｃ也可用来模拟煤的裂解 过程，采用以反应热力学为基础平衡模型，具有一定的通用性。
１．２ 煤的定义方法
煤是多种有机物 和 无 机 物 的 混 合 物，组 成 极 其 复 杂，无 法 直接定义其组分，一般需要以所模拟气化的实际原料煤进行工 业分析、元素分析、硫 形 态 分 析 为 基 础 将 煤 的 组 分 定 义 为 常 规 组分（在 ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ中能查到的有确定分子式的物质）和非常 规组分（灰渣，飞灰，煤等混合固体）。定义非常规组分时固体 性质模型中的焓模型一般采用 ＨＣＯＡＬＧＥＮ模型，密度模型一 般选用 ＤＣＯＡＬＩＧＴ。
１ 煤气化模型的建立 １．１ 煤气化模拟的前提条件
实际煤气化过程中有多种反应同时发生，多种相态同时存 在，情况复杂，并且其中存在许多不可控与未知因素。因此，为 了能研究煤气化的一般规律和影响因素，在模拟流程建立之前 一般需要先做如下假设［１］：
（１）气化模型处于稳定状态； （２）气流床粉煤与气化剂瞬间均匀混合； （３）模型包含气化炉发生的所有过程：干燥、干馏、氧化和 还原等； （４）气相反应速度时间可忽略不计，瞬间平衡； （５）惰性组分不参与任何反应； （６）以平推流为气固两相的流动模型。 需要指出的是模拟不同类型的气化炉所做的假设有所不 同。
以CO2和H2O为气化剂的煤焦气化模拟
以CO2和H2O为气化剂的煤焦气化模拟余渝;韩敏芳【摘要】基于整体煤气化联合循环和燃料电池发电技术,利用固体氧化物燃料电池产生的高温、高纯度CO2与H2O作为煤焦气化的气化剂,运用Aspen Plus模拟软件平台基于Gibbs自由能最小化方法对煤焦的H2O-CO2共气化反应进行了模拟计算.考察了O2流量、H2O流量、CO2流量、预热温度、操作压力、反应温度对气化反应合成气组成和煤气低位发热量的影响.结果显示:通过调节O2流量,得出O2的最佳流量为2O kg/h,此时反应温度和合成气低位热值处于最高值;分别增加水蒸气流量和CO2流量都使反应温度降低,且使反应活性降低导致合成气低位热值降低,所以合理控制水蒸气和CO2流量至关重要;降低操作压力会降低合成气的低位热值,但相对于物料流量改变,影响较小;CO2预热对煤气低位发热量的影响要小于O2的预热效果.【期刊名称】《洁净煤技术》【年(卷),期】2014(020)001【总页数】6页(P54-58,124)【关键词】H2O;CO2;共气化;Aspen Plus模拟【作者】余渝;韩敏芳【作者单位】中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TQ54;TD8490 引言随着能源消费的高速增长,近年来出现了化石能源供应短缺、原油劣质化和全球气候变暖的趋势。
由于化石燃料的长期大量使用,尤其是CO2排放,引发温室效应,造成了严重的环境问题。
煤炭是世界储量最丰富的化石燃料,近期依然是中国能源的主力,但煤炭的主要利用方式会产生大量CO2,所以CO2减排依旧是燃煤利用需要重点解决的问题[1-3]。
整体气化燃料电池联合循环零排放发电是将整体式煤气化循环技术和先进燃料电池技术有机耦合的先进能源动力系统,比普通洁净煤发电技术提高发电效率10%[4-5],能很好地解决燃煤大量排放CO2产生的环境污染问题。
煤化工甲醇生产过程中煤气化工段的模拟
Science &Technology Vision科技视界0引言煤气化工段主要是将煤通过一系列物理方法制成水煤浆,然后在气化炉中反应生成粗合成气;然后合成气进入下一工段变换工段,经过变换反应将过量的CO 反应生成H 2,以调节其碳氢比;而精馏工段则是将来自合成工段的粗甲醇经过四塔流程进行精馏,得到高纯度的甲醇,其对最终产品的质量有着直接的影响。
1煤气化过程原理煤气化反应是利用气化剂和煤中的可燃物在高温下发生反应,生成CO,H 2等可燃气体的过程。
常用的气化剂有空气、氧气、水蒸气等。
在反应中,有别于传统煤燃烧过程中通入过量空气的做法,在煤气化技术中,通入的空气量一般是理论空气量的1/5到1/3。
而产物则以CO 和H 2为主,过程中只有小部分煤炭参与燃烧反应。
在气化反应过程中,煤经历了一系列复杂的物理及化学变化,其中包括:干燥、热裂解、焦在氧气、水蒸气、二氧化碳、氢气、甲烷、一氧化碳等气体中的气化与燃烧等。
反应速率及程度取决于温度、压力、煤种和由气化炉决定的停留时间、传质传热条件等的影响。
煤气化过程中包括以下主要反应:放热反应:C+O 2→CO 2C+12O 2→CO 吸热反应:C+H 2O→CO+H 2C+CO 2→2CO变换反应:CO+H 2O→CO 2+H 2总体来看,煤气化过程是一个强吸热过程,从热力学和动力学角度进行分析,高温有利于气化反应的进行。
而气化反应又是个体积增大的过程,所以增加压力会使化学平衡向相反的方向移动,但是增加压力可以提高反应速率,增加生产能力,因此应该综合分析对各方面的影响。
2气化炉模拟模型2.1Texaco 气化炉工作原理气化工段采用Texaco 水煤浆气化技术。
Texaco 气化是一种水煤浆进料的加压喷流床气化工艺。
Texaco 水煤浆气化炉在四周装有耐火砖衬以承受高温高压,采用95%的O 2作为气化剂,操作压力很高,属于增压喷流床气化,气化炉由喷嘴、气化室和激冷室等组成。
煤气化制氢系统模拟与过程集成优化
煤气化制氢系统模拟与过程集成优化煤气化制氢是一种重要的能源转化技术，通过将煤炭等碳源进行气化反应，生成氢气作为清洁能源供应。
为了提高煤气化制氢系统的效率和经济性，模拟与过程集成优化是一个重要的研究方向。
本文将介绍煤气化制氢系统模拟与过程集成优化的相关内容。
1. 煤气化制氢系统简介煤气化制氢系统由煤气化、气体净化、气体变换和氢气制备等部分组成。
煤气化过程将煤炭等碳源在高温、高压条件下进行加热分解，生成合成气体。
气体净化过程用于去除合成气体中的杂质物质，提高气质的纯度。
气体变换过程将合成气体中的一氧化碳与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。
氢气制备过程则是将合成气体中的氢气进一步纯化和提纯。
2. 煤气化制氢系统模拟煤气化制氢系统的模拟是通过建立数学模型，利用计算机软件对系统进行仿真与分析。
模拟可以帮助我们了解系统内各个部分的工艺条件、物料流动和能量转化等参数。
常用的模拟软件包括Aspen Plus、Pro/II等。
在进行煤气化制氢系统模拟时，我们需要准确地描述系统各个组成部分的物料平衡、能量平衡和动力学等方面的信息。
通过对反应器、换热器、分离器等设备进行建模，可以计算系统的热力学性质、物料流动速度和反应动力学参数等。
同时，模拟还可以对系统的运行条件进行优化，提高系统的效率和能源利用率。
3. 煤气化制氢系统过程集成优化煤气化制氢系统的过程集成优化是通过对系统内各个部分进行协同设计和操作，以实现整体性能的最优化。
过程集成优化可以通过改变系统的工艺条件、修改设备的结构和参数等方式来改进系统的效率和经济性。
其中，热力学优化是过程集成优化的重要内容之一。
通过对系统内能量平衡进行分析和优化，可以降低能耗，提高能源利用率。
换热网络的设计和优化是煤气化制氢系统中常见的热力学优化方法之一，通过最小化热能的传输损失，实现能量的最佳分配。
另外，设备选型和操作策略的优化也是过程集成优化的关键内容。
合理选择和布置反应器、换热器和分离器等设备，可以提高系统的运行效率。
HTW加压流化床煤气化模拟
HTW加压流化床煤气化模拟赵创; 汪大千; 杨海平; 王贤华; 张世红; 陈汉平【期刊名称】《《发电技术》》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】6页(P419-424)【关键词】HTW加压流化床; AspenPlus; 煤气化【作者】赵创; 汪大千; 杨海平; 王贤华; 张世红; 陈汉平【作者单位】煤燃烧国家重点实验室（华中科技大学）湖北省武汉市430074【正文语种】中文【中图分类】TQ051.130 引言煤气化技术是洁净煤技术中的龙头和关键，而整体煤气化联合循环发电作为国内发展前景巨大的清洁、高效发电技术，便是以煤气化为基础，同时集成了燃气轮机技术[1]。
目前煤气化气化炉主要有固定床(移动床)气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉以及熔渣床气化炉[2]。
其中流化床气化炉通过通入气化剂使煤粉流化，因此其要求煤粉颗粒的粒径不能过高，一般选取0～6 mm的粉煤作为流化床煤气化的原料[3]。
传统流化床为了防止局部过热结渣，一般将其工作温度控制在950℃之内以保证反应器内温度分布均匀[4]。
采用流化床技术可以在气化过程中加入脱硫剂，从而将气体产物中的大部分H2S脱除，减轻了后续合成气净化工艺的负担[5]。
此外，由于煤热解产生的焦油等大分子有机物在炉中剧烈的反应中大部分会被裂解，因此所得气化气中焦油的含量较低[6]。
高温温克勒(high-temperature Winkler，HTW)气化法除具有传统流化床的优点，更进一步提高操作温度至 900～1050 ℃[7]，同时增加操作压力并增加流化床带出细粉循环入炉系统，从而提高了气化炉的气化强度和碳转化率，煤气中CH4含量亦降低[8]。
HTW 加压流化床气化炉在国外有一些示范基地，受限于知识产权的保护，目前针对 HTW加压流化床煤气化研究的文献数量较少。
文献[9]研究了低阶煤在 HTW加压流化床气化炉中的气化过程与气化温度的关系，同时讨论了温度对碳转化率及合成气质量的影响。
基于Aspen+Plus的粉煤气化模拟
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表ｌ选用的关联模型
热力学函数 燃烧热 标准生成焓 热容 关联模型 Ｂｏｉｅ关联 燃烧热基础上的关联 Ｋｉｍｖ关联 ２５×１０５ Ｐａ，２９８．１５
ｐｒｏｐｅｒ哆ｕｎｄｅｒｄｉｆ｝ｂｒｅｎｔ叩ｅ增ｌｉｎｇ
ｃｏｎｄｉｔｉ彻ｓ ｗ鹅８ｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅ８ ｔｌｌａｌ ｉｎｃｒｅ酗ｉＩｌｇ ｔｌＩｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ柚ｄ ｔｈ。ｐ明叫ｌ＿ｅ ｃ粕ｍａｌ【ｅ ｔＩＩｅ ｇ鹪ｍｃａｔｉ咖ｐｒｏｃｅ鹪ｔｏ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．
万方数据
・１６・
化肥设计
２００８年第４６卷
由能最小化原理的反应器，在同时考虑热损失 （Ｑｈ）的前提下求得气化炉的出口组成（粗合成 气、Ａｓｈ）和温度。 煤气化的模拟流程见图ｌ。模拟过程中Ｃｏａｌ、 Ａｓｈ定义为非常规（Ｎｃ）组分，生成的粗合成气包括
ＣＯ、Ｈ２、Ｃ０２、ＣＨ４、Ａｒ、Ｎ２、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、Ｈ２０、０２、ＨＣｌ、
和污染物的排放呤Ｊ。Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ是一种通用的化工 过程模拟、优化和设计软件，在物料和热量平衡、相 平衡、化学平衡及反应动力学基础上，Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ提 供了大量的物性数据、严格的热力学估算模型库和 丰富的过程单元模型库，可用于各种类型的过程工 业流程的模拟。在提供了可靠的热力学数据流程
１煤气化过程分析 从流体特征的角度来说，Ｓｈｅｌｌ煤气化炉可分为 特征各异的５个流动区——射流区、撞击区、撞击
利用Pro II模拟煤气化
用PRO/II模拟煤以及煤气化过程引言：当前煤化工相关行业比较热，很多单位都在从事煤化工装置的设计和开发，众所周知，工艺开发过程离不开流程模拟软件的帮助。
国内很多从事煤化工的同行都希望了解如休在PRO/II中处理煤。
本文较为详细地描述了如何在PRO/II中定义煤以及如何模拟煤气化反应。
当然煤气化反应非常复杂，用通用流程模拟软件比较难以准确模拟气化炉的整个反应，但通过内置的Gibbs反应器，可以初步预测出气化炉出口的合成气组成和温度以及气化反应的反应热。
第1步-确定煤所化学分子式表达要模拟煤气化过程，首先必须在PRO/II中定义煤。
我们可以获得的分析数据主要是煤的元素（C、H、O、N、S元素以及灰分和水含量）组成，但PRO/II中并不直接定义元素。
我们可以初步分析一下，将煤分成可燃部分和灰分两部分（亦可包括水），对灰分部分，由于其基本不参加反应，可以用一些惰性固相物质代替（如SiO2）,而对于可燃部分，可通过拟定一个较为合理的分子量，计算出相应的化学计量比，计算方法如表1-1（其中黄色背景部分为用户提供为数据，其余为计算结果）。
通过该分析，可以得到煤可燃部分的分子式为：C353.706H265.1031N6.153961S1.93544O21.0113。
注意：（1） 可燃部分的分子量设为5000是一个拟定值，该值仅用于确定基于该分子量的mol 化学计量比以及用于定义煤的化学反应，亦可设为其它值，对最终计算结果并无影响。
（2） 本例没有考虑煤中的水分含量，亦可考虑，计算方法类似。
表1-1：煤的元素分析和化学分子式煤的元素分析 wt% 占可燃部分百分比元素分子量化学计量比C 73.93 84.97% 12.011 353.7059576H 4.65 5.34% 1.00795 265.1030958N 1.5 1.72% 14.00675 6.153960687S 1.08 1.24% 32.066 1.935440403O 5.85 6.72% 15.9994 21.01130396Total 87.01灰分Ash 13.01煤可燃部分的分子量5000第2步-确定煤的生成焓由于我们最终要模拟煤的燃烧或转化等反应，而反应热是一个非常关键的参数，而一般情况下（PRO/II的缺省设置）是通过反应产物的生成焓和反应物的生成焓之差来计算反应热，即：Q=△Hf（反应产物）－△Hf（反应物）（2-1）以煤气化反应为例，由于产物为各种气体组分，其生产焓往往是已知的，因而只要确定煤（反应物）的生产焓，即能计算气化反应的反应热。
AspenPlus软件应用于煤气化的模拟
热力学模型主要是通过联立求解化学反应平衡 方程、质量能量平衡方程得到煤气组成的一种方法。 吴学成等从化学动力学的角度， 结合化学平衡， 建立 了气流床的气化动力学模型 ， ［１－２］ 该模型考虑了煤热 解和气化所经历的各反应过程， 模型计算结果与实 验实测数据吻合较好。项友谦根据物料平衡、能量平 衡和化学平衡的原理， 建立了粉煤加压气化的平衡 组成计算模型［３］， 并用 ４ 种方法进行求解， 该模型比 较适用于硫化床和气流床。Ａ．Ｐ．Ｗａｔｋｉｎｓｏｎ 建立了气 化 炉 的 平 衡 模 型［４］， 用 以 预 测 气 化 产 物 组 成 及 气 化 炉的产物分布， 模型主要包括 Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ 元素的 质量平衡， ４ 个主要反应的平衡以及能量平衡。模型 对多个煤种进行模拟计算， 并与多种商业气化炉的 文献值进行比较， 计算结果与气流床尤其是干煤进 料的气流床吻合程度较好， 流化床次之。
５９．４６ １１．３８ ２８．７８ ８．２８×１０－７
５９．４６ １１．３９ ２８．７８ ３．０×１０－６
５９．４４ １１．４ ２８．７９ １．３×１０－５
由表 ４ 中可以看出， 对整个煤气化反应体系而 言， 由于温度比较高， 气化压力对煤气化反应几乎没 有影响， 随着气化压力的升高， 只是甲烷的生成量有 微量提高。但对于实际生产过程， 气化压力提高， 单 位时间可获得的气体量增加， 产能增加。 ５．２ 氧煤比的影响
氧煤比是煤气化的一个重要操作条件， 它对煤 气化性能的影响可见图 １、图 ２。
图 １ 氧煤比对气化温度的影响 图 ２ 氧煤比对有效气体摩尔百分比含量的影响
第８期
林 立：ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ 软件应用于煤气化的模拟
·１３·
由图 １、２ 可见， 随着氧煤比的增加， 煤的气化温 度升高， 煤气中有效气体（ＣＯ＋Ｈ２）量降低， 导致冷煤 气效率降低。 ５．３ 蒸汽煤比的影响
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ASPEN PLUS的优势
可以模拟电解质系统
许多公司已经用Aspen Plus模拟电解质过程，如酸水汽提、苛性 盐水结晶与蒸发、硝酸生产、湿法冶金、胺净化气体和盐酸回收 等。 Aspen Plus提供Pitzer活度系数模型和陈氏模型计算物质的活度系 数，包括强弱电解质、盐类和含有机化合物的电解质系统。这些 模型已广泛地在工业中应用，计算结果准确可靠。 电解质系统有三个电解质物性参数数据库：水数据库包括纯物质 的各种离子和分子溶质的性质；固体和Barin数据库包括盐类组分 性质； 模拟电解质过程的功能在整套Aspen Plus都可以应用。用户可以 用数据回归系统（DRS）确定电解质物性模型参数。所有Aspen P lus的单元操作模型均可处理电解质系统 。例如，Aspen Plus闪蒸 和分馏模型可以处理有化学反应过程的电解质系统。
Aspentech系列软件
生命周期
按功能分类 稳态、动态模拟和优化 计划 /研发 概念设计 工艺设计 详细设计 施工 /开车 操作 / 资产管理
物性数据和模型
工艺合成和分析 经济评价/投资估算/进 度管理 工艺知识和数据管理
Hysys/Aspen Plus/Optimizer/Dynamics/Custom Modeler/Aspen WebModels COMThermo/Aspen Properties/Aspen OLI/DETHERM Concept ( DISTIL/HX-Net)/Aspen Split/Pinch/Water/Utilities Pinch/Water/Utilities
单元操作模型（Block） 物性方法（Property Method）
单元操作模型及其主要功能
热交换器 分离器 •HEATER 通用加热 器 •HEATX 热交换器 •MHEATX多股物流 的热交换器 •HETRAN管壳式换 热器 •AEROTRAN空冷式 换热器 •HxFlux热传递计算 •HTRIXIST 与HTRI 的接口
混合器和分流器
•MIXER 通用混合
•SEP 组分分割
•SEP2 两产品分离
•FLASH2 两相闪蒸 •FLASH3三相闪蒸 •DECANTER 液－ 液倾析器
•SPLIT 分流 •FSPLIT 子物流分流
单元操作模型及其主要功能
压力改变 反应器
•PUMP 泵/料浆泵
固体处理
•RADFRAC 严格法精馏
PRWS,RKSWS,PRMHV2,,RKSMHV2,PSRK,SR-POL AR
物性方法选择指南
ASPEN PLUS模拟的流程
建立模型
建立流程图 组分数据 物性方法
热力 学方 程
已知条件
物流数据 单元操作模型数据 其它数据
单元 操作 方程
求解方程组
数学 方程
ASPEN PLUS的优势
具有最完备的物性系统
主要内容
ASPEN PLUS简介 ASPEN PLUS 安装方法及界面介绍 通过实例介绍如何建立模拟模型
模型分析工具的使用
ASPEN PLUS 2006 安装方法
一．运行虚拟光驱DAEMON TOOLS，载入ASPEN 2006的ISO文件 （2.61G那个）
二．运行虚拟盘上的Setup，到添加license这一步 三．将文件夹“[化工流程模拟系统]TLF-SOFT-ASPENTECH ASPEN PIMS FAMILY V2006-MAGNiTUDE”下的文件夹中的license generator和那个数据库dat文件，一起拷到软件将要安装的目的文 件夹下 四．运行license generator，出现一DOS窗口，耐心再耐心，直到窗口 提示Press any key，产生lic文件；
ASPEN PLUS的优势
具有快速可靠的流程模拟功能
Aspen Plus提供流程模拟所需的多种功能，可帮助用户方便地编 写输入文件，快速而可靠地收敛流程，以及进行流程优化计算。 这些功能包括：
可按流程模拟需要使用在线FORTRAN语句和子程序。 可以使用Aspen Plus的插入模块（Insert）功能，重复使用流程 模型的某一部分，例如一个酸性气体净化模型，一组物性输入 数据。也可以建立用户自已的Inserts， 并存入用户插入模块库 （Library）来应用。 可以利用设计规定（Design Specification）来达到对任何模块计 算的参数所规定的目标值。
ASPEN PLUS的优势
具有完整的单元操作模型库
Aspen Plus有一套完整的单元操作模型，可以模拟各种操作过程,由单 个原油蒸馏塔的计算到整个合成氨厂的模拟。 由于Aspen Plus系统采用了先进的PLEX数据结构，对于组分数、进出 口物流数、塔的理论板数以及反应数目均无限制，这是Aspen Plus的 一项独特优点，非其它过程模拟软件所能比拟。 此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由50种 单元操作模型构成。 用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USER MODEL）加入 到Aspen Plus系统之中，这为用户提供了极大的方便性和灵活性。
•MULTILFRAC 严格法多 塔精馏
•EXTRAC 严格法萃取
•DSTWU 简算法精馏，设 计型 •DISTL 简算法精馏，核算 型
•PYIELD 收率反应器 • RSTOIC 化学计量反应 器 •RCSTR 连续搅拌釜式 反应器 •RPLUG 活塞流反应器 •REQUIL两相化学平衡 反应器 •RGIBBS 通用相平衡和 化学平衡反应器 •RBATCH 间歇式反应器
流控制器
•USER 有限进出流股
•MULT 乘法器 •DUPL复制器 •CLCHNG 流股复类器 •SELECT 物流选择器 •USER2 无限进出流股
•HIERARCHY 分层结构
•ANALYZER 物流分析器
•QTVEC 热负荷控制器
•MEASUREMENT测量器
物性方法和模型描述
热力学性质 传递性质 焓、熵、吉布斯自由能、逸度系数、体积等 粘度பைடு நூலகம்热导率、表面张力、扩散系数等 用户可以修改现有的物性方法或建立新的物性方法
ASPEN PLUS的优势
具有最先进的计算方法
Aspen Plus具有最先进的流程收敛方法 Aspen Plus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅 速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant) 、拟牛顿法、Broyden法等。这些方法均经AspenTech进行了修正。例如 ，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus可以同时收敛 多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物 流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。 Aspen Plus可以进行过程优化计算 应用Aspen Plus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达 到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可 以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在 选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus的一大特点 是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。
•COMPR 单级压缩/膨胀 机 •MCOMPR多级压缩/膨 胀机
•PIPELINE多段管线压 降 •PIPE 单段管线压降 •VALVE 阀压降
•SCFRAC 简算法多塔精馏
•PETROFRAC 石油炼制分 馏塔
单元操作模型及其主要功能
固体处理器 用户模型
•CYCLONE 旋风分离器 •RSP静电除尘器 •FABFL纤维过滤器 •VSCRUB文丘里涤气器 •CRUSH破碎机 •SCREEN筛选机 •HYCYC水力旋风分离器 •FILTER转鼓过滤器 •CFUGE离心过滤器 •SWASH 固体洗涤器 •CCD 逆流倾析器 •CRYSTALLIZER 结晶器 •DRYER 干燥器
ASPEN PLUS 能做什么
进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算 预测物流的流率、组成和性质
功 能
预测操作条件和设备尺寸
减少装置的设计时间、进行设计方案比较 回答“如果…那会怎么样”的问题 帮助改进当前工艺
在给定的限制内优化工艺条件
辅助确定一个工艺约束部位
ASPEN PLUS 基本概念
流程图（Flowsheet） 模型库（Model Library）
主要内容
ASPEN PLUS简介 ASPEN PLUS 安装方法及界面介绍 通过实例介绍如何建立模拟模型
模型分析工具使用的基础
ASPEN PLUS 简介
流程模拟——使用计算机程序定量模拟一个化学过程的 特性方程。
基于序贯模块法的大型通用稳态过程模拟软件。 Advanced System for Process Engineering（ASPEN） 1976~1981年由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司 参与开发。 1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公 司，并称之为Aspen Plus。 经过20多年不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十多 个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件。
数据浏览器（Data Browser） 流股（Stream） 直观形象地表示所模拟系统的流程
存放可用单元操作模型的库 页面和表页查看图。具有已经定义的可用 的模拟输入、结果和对象的树状层次视图
表示模拟中所用的物质流、热量流或功流 表示实际装置所用的各个设备 一批方法和模型。用来计算热力学性质 和迁移性质，决定模拟精确性的关键
状态方程物性方法
与煤相关应用
方法分类
理想物性方法
逸度系数物性方法
专用系统物性方法
常用推荐方法
推荐的物性方法
煤的粉碎，研磨
分离和清洗过滤,旋风分离,沉降，洗涤 煤燃烧 煤气化 煤液化