基于Aspen Plus 平台对混空轻烃燃气制气系统的研究

康新星，王景刚，柳朋浩，张书元，严 康，耿 金，刘宇腾

（河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038）

混空轻烃燃气是通过轻烃燃气发生装置制取并通过管网输送到末端用户的一种新型燃气[1]，主要成分是C5[2]，可制取热值高达21～42MJ·m-3[3]，具有安全可靠、经济环保的优点。农村地区由于地理位置偏僻、生活分散等原因，难以实现集中供热及天然气管道的架设[4]，混空轻烃燃气作为重要的补充气源，有效解决了此问题，对优化国家能源布局[5]和推动低碳经济发展具有重要的战略意义。

目前，国内有关混空轻烃燃气的研究主要集中在物性参数计算[6-9]、制气工艺结构研究[10-13]与安全性分析[14]、末端燃烧与机理[15-18]等方面。在制气系统工艺方面，赵震等人对轻烃油气化过程进行分析并揭示其机理；闫永超等人通过理论计算与试验数据对比，验证混空燃气轻烃含量理论计算的可行性；熊楚超在制气配置参数分析的基础上，运用Fluent软件对制气混空过程的气液两相流动进行模拟分析，为设备的设计和优化提供有效参考。但上述文献未对混空轻烃燃气原料选取及制气系统的影响因素进行结合分析，缺乏完整性。为此，本文利用Aspen Plus 软件，基于一定混空比范围下较低的露点温度，确定制气系统的制气压力，并分析混空轻烃燃气中轻烃油体积分数的影响因素，进而确定最佳轻烃油原料种类，实验结果对实现混空轻烃燃气的高效制取、安全输送和有效利用均具有重要意义。

1 计算方法

1.1 混空轻烃燃气露点温度的计算方法

混空轻烃燃气中气态烃组分是由多种烃类构成的混合物，计算其露点温度可采用相平衡常数法。根据混空轻烃燃气各组分的摩尔分率和系统压力，依托相平衡关系以及浓度总和归一方程，求解混空轻烃燃气在一定压力下的露点温度值，计算方法如下：

式中，ki为相平衡常数；xi为混空轻烃燃气中各组分的液相分率；yi为混空轻烃燃气中各组分的气相分率为某温度下混空轻烃燃气某纯组分的饱和蒸气压，Pa；P为系统压力，Pa。

由式（1）解得的相平衡常数ki适用于中压、液相非理想性不强的烃类系统。本文利用Aspen Plus 软件模拟计算混空轻烃燃气的露点温度，此种方法相较其他计算方法是最为精确的[19]，可应用于混空轻烃燃气露点温度值的研究。

1.2 混空轻烃燃气中轻烃含量的计算方法

依据鼓泡塔的制气原理，轻烃的气化过程为：大量空气鼓入轻烃油中，使得液体强烈混合，在气化罐内形成气液混合物。根据Higbie 渗透模型，在气液混合物中选取单个气泡作为研究对象，将单位气泡表面的质量扩散通量对气泡总相界面积进行积分，得到的单位时间内轻烃总的质量扩散通量即为轻烃气化量。

单位时间内轻烃油组分总的质量扩散量Mi为：

式中，m′为单位时间单位气泡表面质量扩散量，kg·s-1；a为气液混合物比相表面积，m2·m-3；Vt为两相混合物体积，m3；Di为各组分的质量扩散系数，cm2·s-1；�为空隙率；U为流动体系特征速度，m·s-1；l为大漩涡特征尺寸，取混合液的高度，m；C0为气液相界面上各组分的质量浓度，g·m-3；vf为流体的运动黏性系数。

1.3 热值的计算方法

热值分为高热值和低热值，区别在于水蒸气的气化潜热[20]。混空轻烃燃气主要为民用和工业用气，使用时大多为不完全燃烧，因此通常采用低热值进行计算，以保证混空轻烃燃气使用过程中的供气量。计算方法如下[21]：

式中，Hi为混合物的低热值，kJ·m-3或MJ·m-3；ri为组分i的体积分数。

2 Aspen Plus 模拟研究

2.1 建立模型

混空轻烃燃气制气的工作原理是：油泵从储油罐中抽取轻烃油注入制气罐，鼓风机启动，向制气罐中鼓入空气，空气与轻烃油充分混合后，通过鼓泡装置制得混空轻烃燃气，经输气管道输送至末端用户。本文利用Aspen Plus 软件，基于NRTL 物性方法[22]，建立混空轻烃燃气制气系统的工艺流程模型进行模拟。该模型能较好地得到不同工况下混空轻烃燃气的露点温度值并预测轻烃油的体积分数值。图1 为混空轻烃燃气制气装置的模拟流程图。

图1 混空轻烃燃气制气系统的模拟流程图Fig. 1 Schematic diagram of process flow model of mixed-air light hydrocarbon gas generator

2.2 燃料的选取

混空轻烃燃气的原料轻烃油是石油经过复杂的化工工艺直馏、分馏获得的。本文选取北方典型的2 类轻烃油（Ⅰ、Ⅱ）及课题组测得组分的3 类轻烃油（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）进行研究。轻烃油各组分体积分数见表1。

2.3 制气压力的确定

本文利用Aspen Plus 软件中的闪蒸模块，对不同种类混空轻烃燃气在不同压力和混空比（空气与轻烃油体积比）工况下的露点温度值进行研究，得到混空比-制气压力-露点温度的关系图，基于一定混空比范围下较低的露点温度，确定制气系统的制气压力。

设定轻烃油流量5m3·h-1，温度20 ℃，压力0.3MPa；空气流量20m3·h-1，温度20℃，压力0.1MPa；闪蒸罐的气相分率为1。模拟结果如图2 所示，图中从上到下依次为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅲ类轻烃油制得的混空轻烃燃气。从图中可以看出，在一定压力时，露点温度值随混空比的升高而降低；在一定混空比时，露点温度值随压力的升高而升高。这说明压力和混空比是影响混空轻烃燃气露点温度的重要因素。

图2 混空轻烃燃气混空比-压力-露点温度关系图Fig. 2 Mixed air ratio-pressure-dew point temperature relationship diagram of mixed-air light hydrocarbon gas

综合考虑：①北方最寒冷季节室外温度为-20℃左右，露点温度值需低于室外气温5℃；②轻烃制气设备的压力一般为0.03～0.06MPa；③混空比范围为3.5～5（燃烧性能、使用安全性）；④NY/T 652-2002《民用轻烃混合燃气工程技术规范》中规定，混空轻烃燃气输送至用户室内表前，管道的最高压力不应高于0.095MPa[23]，本文选择第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类轻烃油，制气压力0.055MPa，进行后续的研究。

2.4 轻烃油体积分数值、热值的影响因素分析

2.4.1 空气温度的影响

设定轻烃油流量10m3·h-1，温度20℃，压力0.3MPa；空气流量20m3·h-1，压力0.1MPa，研究轻烃气化罐分别在无输入热量和输入热量2kW 的工况下，空气温度变化对混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值及热值的影响，模拟结果如图3 和图4 所示。从图中可以看出，随空气温度升高，混空轻烃燃气中轻烃油的体积分数值呈上升趋势；随轻烃油体积分数值升高，热值增大。气化罐中无热量输入时，空气温度由20℃升至50℃，3 种轻烃油体积分数值缓慢增长，表明此工况下3 种轻烃油均未完全气化。输入热量为2kW 时，3 种轻烃油体积分数值的增长速度加快。相较于无热量输入工况，有热量输入工况下，在空气温度为20℃时，轻烃油体积分数值分别增长5.8%、5.9%、6.0%；空气温度超过35℃时，第Ⅲ类轻烃油体积分数值稳定于33.3%，热值稳定于44.2MJ·m-3；空气温度超过45℃时，第Ⅳ、Ⅴ类轻烃油体积分数值稳定于33.3%，热值分别稳定于45.4MJ·m-3、45.5MJ·m-3。轻烃油体积分数值保持不变，表明该工况下液态轻烃油已完全气化，轻烃油体积分数值不再受空气温度变化的影响。由模拟结果及分析可知，在无热量输入的工况下，仅改变空气温度，液态轻烃油的气化速度缓慢，需向气化罐输入外加热量，达到目标轻烃油体积分数值，进而得到热值较高的混空轻烃燃气，从而满足用户的需求。

图3 无外加输入热量下空气温度-轻烃油体积分数变化曲线(a)和空气温度-热值变化曲线(b)Fig. 3 Air temperature-volume fraction of light hydrocarbon change curve (no additional heat input) (a) and Air temperature-heating value change curve (no additional heat input) (b)

图4 有外加输入热量下空气温度-轻烃油体积分数变化曲线(a)和空气温度-热值变化曲线(b)Fig. 4 Air temperature-volume fraction of light hydrocarbon change curve (with additional heat input) (a) and Air temperature-heating value change curve (with additional heat input) (b)

经了解，在实际工程中，气站室内温度一般为15～20℃，为使液态轻烃油能最大程度地气化以及为气化过程提供热量，会向气化罐输入一定热量。因此，本文在后续研究中，空气温度设定为20℃，外加输入热量2kW。

2.4.2 轻烃油流量的影响

设定轻烃油温度20℃，压力0.3MPa；空气流量20m3·h-1，温度20℃，压力0.1MPa；外加输入热量2kW，研究轻烃油流量变化对混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值及热值的影响，模拟结果如图5 和图6 所示。从图中可以看出，随轻烃油流量增加，混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值、热值呈上升趋势。当轻烃油流量在5～10m3·h-1时，轻烃油体积分数值及热值显著增加，3 种轻烃油体积分数值分别增长11.9%、10.1%、10.3%，热值分别增长15.7MJ·m-3、13.5MJ·m-3、13.9MJ·m-3；当轻烃油流量在10～50m3·h-1时，轻烃油体积分数值的增加趋势变缓，轻烃油流量平均每增长5m3·h-1，轻烃油体积分数值增长2%，热值增长2%。因此，当其他参数一定时，在一定范围内增加轻烃油流量，可有效提高混空轻烃燃气中轻烃油的体积分数，进而增大其热值；超过该范围后，增加轻烃油流量，对混空轻烃燃气中轻烃油体积分数的影响较小。

图5 轻烃油流量-轻烃油体积分数变化曲线Fig. 5 Light hydrocarbon flow rate- volume fraction of light hydrocarbon change curve

图6 轻烃油流量-热值变化曲线Fig. 6 Light hydrocarbon flow rate-heating value change curve

综上，在实际工程中，维持液态轻烃油的液位在一定高度，有利于输入空气和气态轻烃的充分混合；当制气装置结构尺寸确定后，其产气量对应的最大轻烃油体积分数、热值已基本确定，若仍需提高轻烃油体积分数，需改变制气装置的结构尺寸以满足实际需求。

2.4.3 空气流量的影响

设定轻烃油流量10m3·h-1，温度20℃，压力0.3MPa；空气温度20℃，压力0.1MPa；外加输入热量2kW，研究空气流量变化对混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值及热值的影响，模拟结果如图7 和图8 所示。从图中可以看出，随空气流量增加，混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值、热值呈下降趋势。当空气流量在5～10m3·h-1时，轻烃油体积分数值及其热值显著减小，3 种轻烃油体积分数值分别减小12.5%、12.4%、12.3%，热值分别减小21.5MJ·m-3、16.6MJ·m-3、16.7MJ·m-3；当空气流量在30～50m3·h-1时，3 种轻烃油体积分数值与空气体积分数之比，等于输入的轻烃油流量与空气流量之比，说明此工况下轻烃油已完全气化。

图7 空气流量-轻烃油体积分数变化曲线Fig. 7 Air flow rate-volume fraction of light hydrocarbon change curve

图8 空气流量-热值变化曲线Fig. 8 Air flow rate-heating value change curve

由模拟结果及上述分析可知，空气流量对混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值和热值的影响很大，若管网末端用气量发生改变，为保证燃气的供气量和燃烧性能，应通过增加外加输入热量的方式来增加轻烃油的气化量。

综合考虑：①相同工况下，由于第Ⅲ类轻烃油中含有异戊烷，其沸点低于正戊烷，较第Ⅳ、Ⅴ类轻烃油更易挥发，第Ⅲ类轻烃油较第Ⅳ、Ⅴ类轻烃油挥发快；②外加输入热量的大小；③混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值相同时，3 种轻烃油的热值相差很小，我们在实际工程中选用第Ⅲ类轻烃油（组分为C413.45%、正戊烷48.32%、异戊烷38.17%、C60.06%）。

3 结论

本文采用Aspen Plus 对混空轻烃燃气的制气系统进行模拟，首先确定制气压力，其次分析混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值的影响因素，最终确定最佳种类的轻烃油原料。主要结论如下：

1）露点温度值随制气压力的增加而升高，随混空比的增加而降低。5 种轻烃油原料中，在混空比范围3.5～5、较低露点温度值的工况下，最佳混空轻烃燃气制气压力为0.055MPa，最佳轻烃油原料为第Ⅲ类（组分为C413.45%、正戊烷48.32%、异戊烷38.17%、C60.06%）。

2）轻烃油流量、空气流量、有无外加输入热量是影响混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值的重要影响因素。轻烃油体积分数值随轻烃油流量、外加输入热量的增加而升高，随空气流量的增加而降低。实际工程运行中，若用气量发生改变，可通过混空轻烃燃气中轻烃油体积分数值的理论计算，推导出混空轻烃燃气产气中轻烃油的体积分数，进一步计算其热值来调整产气量。

3）利用Aspen Plus 进行模拟分析，对实际工程中轻烃油燃料的选取、制气压力及混空比的合理设定具有指导意义。

4）本文只对软件模拟计算的露点温度值、轻烃油体积分数值、热值等进行研究，实际工程中混空比、压力的确定，需综合考虑混空轻烃燃气的温度和爆炸极限。