Aspen Plus案例篇 煤气化过程模拟

来源:火狐体育官方网页  作者:火狐体育官方网站  2022-12-04 11:54:04

  煤化工是指以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程,主要包括煤的气化、液化、干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等。

  其中,煤气化是煤化工应用最广的途径。通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气,同时副产蒸汽、焦油(个别气化技术)、灰渣等副产品。煤气化工艺技术分为:固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术三大类,各种气化技术均有其各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程度也有差异。下图显示的是煤气化的应用情况。

  我们在前面给大家分享了一篇石油精馏模拟(可点击查看)的文章,因为石油的组分非常复杂,我们是根据蒸馏曲线来定义原料,并在此基础上进行组分分割。同石油相似的是,煤的组成也很复杂,它是很多种有机物和无机物的混合物,难以直接通过具体的组分一一去定义。那么,煤到底该怎么定义和分析呢?

  工业上通常会从三个方面对煤进行定义,即煤工业分析、元素分析、硫形态分析。煤的工业分析是指包括煤的水分(M)、固定碳(Fc)、挥发分(V)和灰分(A)四个分析项目指标;煤的元素分析是对煤中的元素含量进行检测和分析,包括常规的C、H、O、N、S等元素含量;煤中的硫通常以有机硫和无机硫的形态存在,无机硫又分为硫铁矿硫和硫酸盐硫两种,硫形态分析一般指上述三种硫分的含量。

  在Aspen Plus中也是基于上述三个方面对煤进行定义和分析。这里不再展开描述以上指标的具体含义,感兴趣的同学可以自己查看资料。

  已知煤的工业分析数据:全水9%,干基固定碳53%,干基挥发分36%,干基灰分11%。元素分析数据:全部干基,灰分11%,碳73.3%,氢4.84%,氮1.57%,氯0.06%,硫2.4%,氧6.83%。硫形态分析:有机硫40%,硫化矿硫30%,硫酸盐硫30%。

  因为煤是非常规组分,所以在NC Soild中输入进料条件,这里温度为30℃,压力为50 bar,流量为10000 kg/h,然后分别输入组分属性(PROXANAL工业分析、ULTANAL元素分析、SULFANAL硫形态)。

  本例先通过一个化学计量反应器给定转化率,并将转化的煤里面除了灰分以外的各个元素转化为单质,然后进入Gibbs自由能反应器,使体系达到吉布斯自由能最小的理论平衡。

  新建一个反应,给定反应物和生成物以及转化率,这里转化率设为0.95。需要说明的是,这里的化学计量系数都暂时设为1,但实际的单质转化不可能是按这样的计量系数,后面需要对此进行详细计算。

  产物中有灰分,需要对灰分的性质进行定义。在Component Attr.中分别给定灰分的工业分析、元素分析和硫形态分析数据。

  定义计算变量。这里总共定义了17个变量,包括7个要得到的反应计量系数、3个煤的性质数据和6个单质的摩尔质量。设置过程如下:

  定义完变量之后,可以通过Fortran编辑语句对反应计量系数进行求解。Fortran语句输入和相关说明如下:

  运行Simulation,既可以完成模拟过程。点击吉布斯反应器出口物流可以查看产物生成情况。

  总体来说,本文煤气化过程的模拟包括2个难点:1)通过煤的工业分析、元素分析和硫形态去定义煤的组成;2)通过Fortran语句去计算煤转化成单质的化学反应计量系数。关于这两点,我们都做了非常详细的分析,希望能够对小伙伴们做类似的模拟工作有所帮助。

  [1] 熊杰明 ,李江保. 化工流程模拟Aspen Plus实例教程. 北京:化学工业出版社,2016

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