利用Aspen Plus模拟焦炉煤气甲烷化过程及其热集成网络优化

摘 要：焦炉煤气甲烷化制备天然气是一种清洁高效的焦炉煤气利用方式。根据焦炉煤气组成，选择BWRS物性方法及LHHW本征动力学方程，利用Aspen Plus软件模拟3段式固定床甲烷化反应器，结果与试验数据相近。利用夹点技术进行热集成分析，消减了热负荷的消耗，优化余热回收过程，余热利用率从45.85%提高到88.42%。

关键词：焦炉煤气；甲烷化反应分析；集成网络优化

前言

随着经济快速发展，天然气作为一种安全、清洁的优质能源，其消费量持续增长[1]，2014年国内天然气表观消费量达1800亿立方米，增幅9%，而前11月天然气产量只有1112.6亿立方米，增幅6.7%[2]，对外进口依存度逐年增加。焦炉煤气作为焦炭行业的工业副产物，每年产量约为1200亿立方米。因此，焦炉煤气甲烷化合成天然气作为一种利用新技术，能有效减少天然气短缺压力。

Aspen Plus流程模拟软件严格的机理模型使其在科研和生产中被普遍运用。文章以某焦化厂焦炉煤气甲烷化工艺和相关动力学研究为基础，对甲烷化反应流程进行了模拟分析，利用夹点技术完成热集成网络的优化，提高甲烷化余热利用率，为焦炉煤气制天然气工业化提供一定参考。

1 实验部分

1.1 甲烷化反应动力学

甲烷化反应主要涉及以下三个反应：

3H2+CO？葑CH4+H2O

H2O+CO？葑CO2+H2

4H2+CO2？葑CH4+2H2O

CO甲烷化反应和变换反应为独立反应，动力学模型假设碳化物为中间体，模拟采用LHHW型本征动力学方程。

r■=■

r2=■

其中，ki为反应速率常数（i=1，2）；Kj为吸附平衡常数（j=α，C，OH），Keq为反应平衡常数。

1.2 甲烷化流程模拟

文章采用文献中试验数据，原料进气量20619m3（STP）/h，温度30℃，压力2.2MPa，进料组成如下。

表1 焦炉煤气组成

甲烷化采用绝热固定床反应器，不考虑轴向的返混、温度梯度和浓度梯度，采用一维平推流模型，选择BWRS物性方法。甲烷化反应是强放热反应，为避免温度过高造成催化剂的烧结和积碳失活等，采用三段甲烷化反应器串联方案。

2 结果与讨论

2.1 模拟结果验证

调整进气量和入口温度等条件控制反应器温度在550℃以下，模拟结果如表2所示。

与文献中试验数据相差不大，CO和CO2转化率都达到工艺要求，说明动力学方程、工艺参数的选择在焦炉煤气甲烷化模拟中是可行的。三段甲烷化反应器串联方案能有效降低反应终温（单一甲烷化反应器可达904℃），降低了对设备移热性能的要求，避免了催化剂的烧结。

2.2 换热网络优化

从表3物流参数表中可知，需要热负荷2124.83kW，且品位较高，冷负荷9218.18kW，其中高压蒸汽回收4224.85kW，余热利用率45.85%。根据夹点理论可知，当能量通过夹点，其热用工程和冷用工程必然大于所需最小量，造成双重能量损失。由总组合曲线可知，系统热集成网络夹点为530℃左右，而且夹点上方没有热负荷需求，最小冷负荷为7093.36kW。因此换热网络有较大改进空间。

依据夹点匹配的可行性原则，通过流股分割、添加换热器，进行过程物流的热复合，结果如图2所示。

从图2中可以看出，需要增加3个换热单元和9个冷却器。但优化后存在即换热器、工艺流构成的封闭回路，这是由于以运行总年度费用成本最小为综合目标形成的，从而产生多于Euler通用网络理论的最少换热器数目，同时由于存在多余稳定操作参数，影响网络的稳定运行，增加控制难度。因此合并回路上的换热器。

由于热物流2、3换热后温度仍高于高压蒸汽温度，因此可将冷水冷却改为蒸汽锅炉回收热量生产高压蒸汽，同时对新形成的封闭回路进行换热器合并。（如图3所示）

优化后系统总共需要3个换热单元，6个冷却器。所需热负荷为0kW，冷负荷7093.81kW，其中高压蒸汽回收热量5317.27kW，中压蒸汽回收217.47kW，低压蒸汽回收737.29kW，余热利用率88.42%。

3 结束语

利用Aspen Plus完成焦炉煤气甲烷化工艺模拟，采用三段绝热甲烷化反应器串联方案控制反应器温度在550℃以下，有效降低了设备换热要求，避免催化剂烧结。模拟结果与试验数据相不大，验证了建模过程中动力学及工艺参数选择的准确性。

对热集成网络进行分析，采用夹点技术恰当匹配冷热物流之间的换热及冷热公用工程的类型和能级选择。利用余热加热原料气，消减了热负荷的消耗。优化余热回收过程，余热利用率从45.85%提高到88.42%。

参考文献

[1]田春荣.2012年中国石油和天然气进出口状况分析[J].国际石油经济，2013（3）：44-55.

[2]中国石油和化学工业联合会.2014年石油和化工行业经济运行报告[N].中国化工报，2015-1-22.

作者简介：彭胜（1987-），民族：汉族，研究方向或从事的主要专业工作：煤化工方面催化剂制备。