Aspen Plus在煤热解技术中的应用进展

党敏辉，郑化安，张生军，樊英杰，李学强，刘今乾，么秋香

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

Aspen Plus在煤热解技术中的应用进展

党敏辉，郑化安，张生军，樊英杰，李学强，刘今乾，么秋香

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

Aspen Plus是基于稳态化工过程模拟、优化、灵敏度分析和经济评价等的大型化工流程软件，广泛应用于石油化工及煤化工过程的模拟优化。煤热解技术作为一种煤炭资源清洁、高效、综合利用的有效途径，近年来在理论研究及工程应用等方面受到了研究者的广泛关注。本文就近年来Aspen Plus软件在煤热解方面的应用成果和发展情况进行了总结和评述，同时也指出了目前研究的不足，并进行了展望。

热解；Aspen Plus；模拟；煤

煤热解也称煤干馏，是指煤在隔绝空气或惰性气氛条件下加热时所发生的一系列物理变化和化学变化的复杂过程。煤热解产生热解气、焦油和半焦等产物。进而对热解气进行分质利用，其中的氢用于煤焦油加氢，进一步分离提氢后的热解气得到甲烷，用于生产压缩或液化天然气，将热解气中的一氧化碳用于生产甲醇、合成氨等产品，或作为工业燃料。对煤焦油进行精馏生产高附加值的精细化学品，对适合加氢的煤焦油组分加氢生产油品、石脑油等。半焦可以用于生产电石、气化后生产合成氨、甲醇、天然气、乙二醇，替代无烟煤作为工业原料、燃料等[1]。煤热解相对于煤的直接燃烧可以有效减少环境污染，是一种清洁、高效、综合利用煤炭资源的有效途径。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，褐煤和低变质烟煤储量约占煤总储量的55.1%[2]，在较温和的条件下，从高挥发分的煤中提取具有高附加价值的精细化学品及清洁的气体、液体、固体燃料等，在经济上无疑具有较大吸引力。但煤热解技术的实验研发需要耗费大量费用和时间，阻碍了煤热解工艺开发和工业化推广。

随着计算机技术的迅速发展，化工过程模拟日趋成熟，成为认识化工过程的一种有效工具。借助模拟计算，能够减少大量中间试验，获得某些实验条件下难以得到的信息；还可以对整个煤热解过程进行分析，寻找最佳的操作参数，达到过程优化的目的等。Aspen Plus作为最为常用的化工流程模拟软件之一[2-5]，目前已有一些学者将其应用于煤热解过程的研究[6-11]，通过流程模拟能更好地分析其过程，为理论研究和生产实践提供支持和帮助。本文就近年来Aspen Plus软件在煤热解方面的应用成果和发展情况进行总结和评述，同时也指出了目前研究的不足，并进行了展望。

1 Aspen Plus 简介

Aspen Plus源于美国能源部于二十世纪七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织开发的流程模拟软件，于1981年底完成。该软件经过30多年的不断改进、扩充和提高，已先后推出了三十多个版本，成为公认的标准大型流程模拟软件，广泛用于石油化工及煤化工等领域的模拟。Aspen Plus是基于稳态化工过程模拟、优化、灵敏度分析和经济评价等的大型化工流程软件。它为用户提供了一套完整的单元操作模型，用于模拟各种单元操作过程。

物性模型及物性参数是得到精确可靠的模拟结果的关键。Aspen Plus具有最适用于工业、且最完备的物性系统。其包含1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物质、900种水溶电解质的基本物性参数。同时，Aspen Plus还提供了几十种用于计算传递物性和热力学性质模型的方法，还提供了灵活的数据回归系统，可以使用实验数据来求物性参数。此外，Aspen Plus还具有物性常数估算系统[12]。

Aspen Plus具有完整的单元操作模型库。其包含五十多种单元操作模型，如混合、分割、换热、闪蒸、精馏、反应、固体分离等，通过这些模型的组合，能模拟所需的工艺流程。Aspen Plus还提供了灵敏度分析及工况分析等模块。

2 Aspen Plus在煤热解研究的应用进展

王伟等[6]将褐煤热解过程分成三个单元，运用Aspen Plus软件对褐煤热解过程进行模拟。其用化学渗滤脱挥发分模型(CPD)预测煤热解的产物分布，化学计量反应器模型(RStoic)和两相闪蒸模型(Flash2)模拟干燥过程，收率反应器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)模拟热解过程，子物流分流器模型(SSplit)模拟气固分离过程。作者对模拟方法进行了可靠性验证，经模拟值与实验值进行比较，发现半焦收率及气体总质量流量误差分别为1.47%和0.23%，误差较小，模型可靠。通过Aspen Plus模拟，可以为煤热解过程的工艺开发及优化提供参考依据。

路丙川等[7]运用Aspen Plus软件对褐煤固体热载体热解-气化耦合过程进行模拟，流程共分为干燥、热解、气化和燃烧等四个单元。其中干燥单元用化学计量反应器模型(RStoic)，热解单元用收率反应器模型(RYield)，气化单元用收率反应器模型(RYield)、化学计量反应器模型(RStoic)和吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)，燃烧单元用收率反应器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)。作者对工艺流程的能流进行计算分析，发现褐煤热解单元的能耗约占总能耗的70%，认为是直接导致固体热载体用量大、燃烧半焦比例大以及系统辅助能耗大的主要原因。

张彦等[8]在煤热解实验数据的基础上，建立了包含热解温度及热解吸热影响的热解模型，运用Aspen Plus软件对固体热载体下行管热解反应器进行分段模拟。该模拟通过对实验数据进行中间插值和向外插值得到不同温度下热解产物分布的热解模型，将热解模型嵌入Aspen Plus中，模拟不同温度下的热解反应，提高了模拟结果的准确性。考虑到煤热解为吸热反应，在固体热载体下行管热解反应器中，随着热解反应的进行，沿着下行管温度将逐渐降低，该研究者使用15个收率反应器模型(RYield)对煤热解进行模拟，较准确反映这一反应器的特点，模拟结果的准确性有较大提高。

李初福等[9]借助Aspen Plus软件对固体热载体回转窑煤热解工艺进行模拟。其工艺流程分为干燥、热解、半焦加热、焦油回收、锅炉燃烧等五个单元。干燥单元用化学计量反应器模型(RStoic)，热解单元用收率反应器模型(RYield)，半焦加热单元用收率反应器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)，锅炉燃烧单元用收率反应器模型(RYield)和吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)，焦油回收单元用两相闪蒸模型(Flash2)模拟气液分离和液-液倾析器模型(Decanter)模拟油水分离。该研究者以年处理100万吨神东碎煤(<25 mm)的工艺条件进行模拟计算，模拟结果显示，适当提高干燥温度和半焦热载体温度，可以有效减少半焦热载体循环量和废水生成量；在干燥温度200℃、热解温度600℃和热载体温度800℃条件下，热载体与干燥煤混合质量比为3.3∶1时，焦油干基收率为7.2%，煤气干基收率为10%，系统能效达到85%以上。通过模拟计算，得到了最优操作条件，可以对设计及操作起到指导作用。

秦丽娜等[10]基于Aspen Plus软件对低变质煤催化热解-部分气化耦合工艺进行模拟优化研究。模拟分为粉煤干燥、热解、半焦部分气化及气化残余半焦冷却等四个过程。干燥过程用RStoic反应器，热解过程用收率反应器模型(RYield)和嵌入的预测热解产物的Fortran模块，气化过程用吉布斯自由能最小的平衡反应器模型(RGibbs)。根据模拟结果，热解段得焦油12.23%，半焦收率为65.11%，与一般的低阶煤热解实验结果基本符合。气化段半焦转化率为70%时，所得模拟结果与Shell气化炉的煤气组成基本一致，因此，该模型基本上是可靠的。

林东杰等[11]利用Aspen Plus软件对褐煤热解过程能量综合利用进行了优化，提出了间接冷却和干熄焦两种改进工艺，对干燥烟气消耗量和循环水消耗量进行了模拟计算。根据模拟结果，在任何热解温度和含水量下，两种改进工艺均能减小干燥烟气消耗量和循环水消耗量，减少污水产生量。

3 结论与展望

综上所述，用Aspen Plus对热解过程进行模拟时，大部分都把工艺过程分成干燥、热解、分离等单元，其中热解单元都用到了收率反应器模型(RYield)，然而RYield模型不能保证元素守恒，因此在给定产物收率时需要特别注意其真实性及合理性。

另外，虽然Aspen Plus软件在煤热解研究中进行了一些应用，并取得了一些成果。但是，现有的文献很多都缺少实验的验证。需要对模拟计算结果与实验结果进行详细的比较，选择更合适的Aspen Plus模型，或者结合热解反应的热力学和动力学模型，弥补现有Aspen Plus模型的不足，进一步提高模拟结果的准确性，促进Aspen Plus在煤热解领域的更广泛应用。

[1] 尚建选,王立杰,甘建平,等.煤炭资源逐级分质综合利用的转化路线思考[J].中国煤炭,2010,36(9):98-101.

[2] 毛节华,许惠龙.中国煤炭资源分布现状和远景预测[J].煤田地质与勘探,1999,27(3):1-4.

[3] 张治山,杨超龙.Aspen Plus在化工中的应用[J].广东化工,2012,39(3):77-78.

[4] 李萌萌,姜 召,李 璐,等.Aspen Plus在超临界流体技术中的应用研究进展[J].化工进展,2014,33(S1):19-26.

[5] 靳 皎,姚晓虹,刘晓花,等.Aspen Plus在煤气化技术中的应用进展[J].山东化工,2016,45(13):71-73.

[6] 王 伟,商玉坤,武建军.基于Aspen Plus的褐煤热解过程模拟[J].化学工业与工程,2011,28(3):49-73.

[7] 路丙川,易 群,吴彦丽,等.褐煤固体热载体热解-气化耦合工艺流程模拟[J].武汉大学学报(工学版),2012,45(6):736-739.

[8] 张 彦,赵月红,何险峰.基于Aspen Plus的“煤拔头”工艺热解过程的模拟[J].计算机与应用化学,2014,31(7):774-778.

[9] 李初福,门卓武,翁 力,等.固体热载体回转窑煤热解工艺模拟与分析[J].煤炭学报,2015,40(S1):203-207.

[10] 秦丽娜,李建伟,周安宁.基于Aspen Plus的煤热解-气化耦合工艺模拟优化研究[J].酒钢科技,2015(4):14-17.

[11] 林东杰,甘晓雁,彭 书.低阶煤热解过程中的能量综合利用[J].煤炭科学技术,2016,44(S1):186-193.

[12] 屈一新.化工过程数值模拟及软件[M].北京:化学工业出版社,2006.

(本文文献格式：党敏辉，郑化安，张生军，等.Aspen Plus在煤热解技术中的应用进展[J].山东化工,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

国家重点研发计划“煤热解共性关键技术研究及碎煤热解工程化应用”(2016YFB0600403)

党敏辉(1984—)，男，河南漯河人，博士，工程师，主要从事煤热解技术及热解方面的研究。

TQ523; TQ015.9

A

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