煤制氢工艺简介及过程模拟系列（四）

大家好，此前我们已经将煤制氢过程的背景以及核心模块的气化炉单元进行了介绍。本期将对煤制氢后续流程的搭建进行简述，主要考量的单元为合成气变换与酸性气脱除单元。

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变换单元 

上期我们了解到在气化室，水煤浆与氧气进行高温气化反应后生成了粗合成气（CO+H2）。粗合成气进入变换单元后会在耐硫催化剂的作用下进行多次中低温变换，在水气环境下将CO转化为CO2与H2。此变换反应在不同催化剂、温度及湿度下均已有了较为详尽的动力学研究，因此在Aspen Plus中一般采用动力学反应器进行模拟，在此不再赘述。

在此工段值得注意的是，由气化室送来的物料是高温高压的合成气（气化室出口温度可达1000℃以上，激冷后气相温度可保持在200-400℃左右，压力则能达到3-5MPa），是典型的换热原料流股，在实际工业中也会对此类流股余热进行充分回收，此类物流常用余热回收装置为废热锅炉。

废热锅炉典型结构

合成气显热的利用分为高温段、中温段、低温段三部分，对应回收利用余热的装置为辐射式废热锅炉、对流式废热锅炉以及回热加热器。

（PS：余热回收是化工行业中重要的节能工艺，点击蓝字跳转往期相关内容：化工节能技术之余热回收利用）

合成气变换单元示意图

在Aspen Plus中，对废热锅炉一般可使用HeatX、FSplit与Flash组合模块进行简化模拟，以达到换热与实际水气分离要求。在此工段值得注意的模拟重点在于对应等级中低压蒸汽的选择以及换热量的一致性，需要根据实际厂区公用工程需求进行废热锅炉的换热调节。

废热锅炉组合模拟示意

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酸性气脱除单元

酸性气脱除单元则是常规气相脱硫脱碳工艺，此前介绍到煤化工行业比较常用的酸性气脱除技术有物理吸收法（低温甲醇洗浴Rectisol、聚乙二醇二甲醚法NHD等）、化学吸收法（醇胺法MDEA等）。煤化工气源酸性气含量较高，处理量较大，相对而言物理吸收法更加经济、成熟，也更广泛地应用于工业生产中。

（PS：化学吸收法所需的醇胺数据包在Aspen Plus案例库中可以直接调取，点击蓝字跳转往期相关内容：好东西可不能浪费！Aspen Plus内置综合过程和电解质过程数据包、模拟好助手--Aspen Plus自带案例模板库）

以本流程的物理吸收法NHD溶液为例，其主要性质见下表。

利用NHD溶液进行酸性气脱除时，也是常规的“吸收-解吸”两大模块：酸性气在吸收塔内被物理吸收溶解于液相内，经过解吸塔升温解吸富集后集中处理。在Aspen Plus模拟时，则需要注意以下几点：

1.吸收-解吸过程是连续操作，因此模拟过程中不可避免需要涉及到循环流股，如何正确处理物流循环问题是一大难题。（PS：点击蓝字跳转往期相关内容：Aspen模拟收敛小技巧、为什么Aspen Plus中的Reconcile这么强？--浅谈收敛过程、打循环——计算器模块使用教程）。

2.溶剂在蒸馏过程中存在耗损，注意模拟时需设置溶剂补充流股。

3.酸性气中碳与硫在不同含量及配比的溶液下脱除度有显著差异，因此脱碳与脱硫两步骤一般需要分塔模拟。

通过酸性气脱除单元后，脱除绝大部分酸性气的粗氢气将通过甲烷化反应完成最终的氢气提纯，得到符合下游使用纯度的氢气产品。

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写在最后

煤制氢简介及模拟过程系列的介绍到此就结束了，推送所介绍到的模拟工艺是目前较为常见的德士古气化制氢流程。期间也收到小伙伴们对煤化工流程的讨论与反馈，例如煤炭间接液化合成油模拟、煤气化其他工艺模拟等。

目前利用Aspen Plus在煤化工方向进行建模的参考资料较少，主要集中在工程研究领域的文献中，很多参数设计的来源并不清晰，建议有兴趣的同学可以参考案例库中的“Coal Gasification”文件，其中对煤气化的气流床与移动床工艺、煤气化联合循环发电系统、煤制管道煤气工艺有着非常详尽的解释。

Aspen Plus模板库案例：气流床气化工艺

Aspen Plus模板库案例：移动床气化工艺

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