煤热解气化装置系统计算机模拟分析研究

摘 要

通过对煤热解、气化系统装置进行模拟计算分析，对模型建立过程中的基本假设和模块化模拟过程进行分析。在模拟计算分析过程中根据设计参数具体选择适宜的计算模型，利用管道模拟对模块之间的连接管道能量平衡进行分析，对气体输送装置压缩机不同模型模拟进行对比。

【关键词】热解气化计算机模拟

目前，在设备、工艺优化过程中，计算机模拟技术已经得到了广泛的应用。主要应用于化工、石油工业、合成材料、电力和矿物等领域，通过计算机模拟，获得工艺操作条件的对比分析。以此为依据，进行设备设计，可以促进化工设备的开发和设计进程。

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的商业模拟软件。模拟软件中，单元操作模型是否合理是计算模拟结果与工程实际是否一致的关键。反应物质组分、物相数据库、混合物数据库是否满足化学反应模拟需求是精确模拟分析的关键因素。化工设备设计规定、运行工况研究和灵敏度分析等也是影响计算机模拟过程的主要内容。

在化工设备从实验室研究到工程实际应用的放大过程中，对反应过程的研究集中在两个方面，一方面是通过研究装置放大效应，获得实验室规模研究结果与工程实际的对比。另一方面通过建立“桌面工厂”，对微型化反应装置进行研究以实现工业生产。

本文以煤热解、气化反应装置为研究对象，对反应系统进行计算机软件模拟过程的模型建立、模拟方法和设备选型方面分析。通过计算机模拟方法的分析获得煤化工装置的选型设计和优化设计方法。

1 模型建立

在煤热解反应过程模拟中，对化学反应过程做如下基本假设：

（1）气体和物料瞬间完全均匀混合，忽略物料浓度差。

（2）在反应过程中，反应器内部无压力降，气固两相的温度相等，忽略温度梯度。

（3）在反应中，H，O，N，S元素均认为以气相参与反应。

（4）参与反应的气体组分遵循理想气体状态方程。

（5）灰分假设为惰性物质，不参与化学反应。

（6）所有气相反应设定以 Gibbs 最小自由能控制下快速达到化学平衡。

对煤热解和气化反应过程进行模拟时，反应过程中的产物有：CO、CO2、CH4、H2、H2O、N2、H2S、煤、半焦、灰分和焦油等，其中煤，半焦和灰分为非常规组分，认为不参与化学平衡和相平衡，只计算装置系统中的焓值变化。CO，CO2，CH4等气体为常规组分，可以利用化学反应能量和物料平衡方程进行热力学性质分析。焦油是液相混合物，在以化学反应系统能量转化和设备设计模拟过程中，为简化计算分析，可用C6H6表示。

在煤热解和气化化工设备中，将管道部分进行单独模拟，通过研究连接管的长径比、管道弯度对热损失的影响，对系统中各单元连接部件的能量平衡进行分析。利用热交换装置对焦油进行降温收集模拟。同时，各单元操作的能量平衡可通过热交换装置模拟进行对比分析。

煤的化学反应单元可以分为裂解、气化和分离三个模块。加热裂解后的产物经旋风分离器进行气固分离，混合气产物进入分离单元，通过换热装置进行焦油的冷却分离，焦油作为产物输出，固相半焦进入反应器再反应，得到气化产品。从旋风分离器出来的粗煤气在分离单元中进行气固分离，再依次经过废热锅炉、换热器，温度降低到一定程度进入水冷淋洗塔，实施进一步的降温除尘。

2 压缩机的选型

在反应系统中，压缩机的模拟分析是确定气体输送过程是否可行的主要内容。在初期模拟计算中可设定压缩机的效率为100%，驱动机的机械效率为100%，实际应用过程中根据机器效率进行修正。

气体压缩机模拟过程可设定为等熵模型、ASME等熵模型、GPSA等熵模型、ASME 多变模型、GPSA多变模型等。通过对不同模型进行对比分析，所需轴功率和出口流速结果如表1所示。结果表明在相同初始条件下，等熵模型之间差别较小，ASME多变模型和GPSA多变模型差别较大。在针对具体设计参数时，应选择合理的气体压缩机模型进行对比分析。

本文模拟条件中总质量流量为1.356kg/hr，选用ASME多变模型、PENG-ROB物性方法，具体模拟参数见表2。

压缩机选型模拟结果如表3所示，表中分别对两个不同进口压力条件和不同出口压力条件下的压缩机功率进行对比分析，随着进口压力增加，压缩机所需功率减小，当出口压力增大时，压缩机功率随之增大。

3 结论

通过对煤热解和气化过程进行模拟模型建立分析，将热解和气化系统划分为不同模块，利用管道模拟分析可对模块之间的连接能量损失进行分析。进行压缩机模拟时，根据具体的设计参数选择合理的模型，针对压缩机不同进口条件和出口条件，对压缩机的功率进行模拟分析，随着进口压力减小和出口压力增大，压缩机需求功率增大。

参考文献

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作者简介

王会芝（1993-），女，陕西省咸阳市人。现供职于西北大学化工学院。

作者单位

西北大学化工学院 陕西省西安市 710069