“双气头”甲醇-电多联产系统的设计与优化

第33卷第10期现代化工Oet.20132013年10月Modern (hemical Industry，123●“双气头”甲醇-电多联产系统的设计与优化王明华',刘培’(1.神华科学技术研究院有限责任公司,北京102211; 2.清华大学热能工程系,北京100084)摘要:为使焦炉煤气得到有效利用,设计了基于气化煤气与焦炉煤气的“双气头"多联产工艺流程,建立了系统配置最优化判据,计算发现在分流比为0.802时,低位热值效率具有最大值为48. 7%。借助Aspen Plus 和GT Pro模拟软件设计了年产12-32万I甲醇和274 ~496 MW电力等不同等级规模的多联产系统,并对系统整体性能和单元过程操作参数等方面进行了分析与讨论,通过模拟得到的最佳低位热值效率与系统配置最优化判据得到的数据十分吻合。关键词:双气头;甲醇-电多联产;低位热值效率;最优化判据;分流比中图分类号:TK01文献标志码:A文章编号:0253 - 4320( 2013)10-0123 -05Design and optimization of methanol-power polygeneration basedon coal gas and coke-oven gasWANG Ming-hua' ,LIU Pei2( 1. Shenhua Science and Technology Research Institute Co.，Ltd. ，Beijing 102211, China;2. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beiing 100084, China)Abstract: For full use of the coke-oven gas , a double gas head polygeneration flowsheet is designed based on coalgas and coke- oven gas. An optimization criterion is built and the maximal low heat value fficiency is 48. 7% when thesplit ratio is 0. 802. To help clearly understand the system performance,a 120 - 320 kt methanol and 274 - 496 MWpower polygeneration system is simulated by using the commerially available softwares ASPEN Plus and CT Pro. Themodeling result is compatible with the optimization criterion. The performance of the system and operating parameters ofunits are also analyzed and evaluated. These will be used for building industrial device.Key words: double gas; methanol-power polygeneration; low heat value efciency ; optimization criterion;split ratio以煤气化为核心的多联产系统是针对我国面临量;从而可达到充分利用焦炉煤气实现CO2减排、的能源需求增长、液体燃料短缺、环境污染严重等一降低系统能量损耗的目的。系列问题提出的一条解决我国能源领域可持续发展为了综合考察和优化“双气头”多联产系统的的重要途径。目前,国内外现有的多联产模式均性能,本研究建立了系统配置最优化判据,设计了年是以单- ~煤气化为气头(2),通过水煤气变换反应调产12~32万t甲醇和274~496MW电力等不同等整粗煤气中的碳氢比以满足合成部分的需要,这不级规模的“双气头”多联产系统流程,并对其在技术仅增大了系统的能量损耗,而且增加了CO2排放。方案、操作参数和系统效率等系统特性方面进行另一个不容忽视的现实是我国的焦炭生产量、消费了分析与评价,以揭示其物质能量的关系和多联量、出口量均居世界第一位3} ,但大量的焦炉煤气.产最佳的耦合配置方式,为建立工业装置提供系(COG)得不到有效利用，直接放空燃烧,不仅浪费统指导。了宝贵的资源,也严重污染了环境。基于上述现状,本文提出了免变换CO2-CH4催1系统方 案及流程介绍化重整“双气头”甲醇-电多联产系统[4),即利用大图1即为甲醇-电“双气头”多联产系统流程框规模煤气化技术,将气化煤气富CO2、焦炉煤气富图,气煤与水蒸汽和氧气混合后送人灰熔聚气化CH4的特点相结合,进行催化重整生成CO和H2,以炉[5] ,反应在3 MPa下生成粗气化煤气,碳转化率满足后续化工合成的氢碳比要求,从而免除了气化约为95%,灰渣团聚以固体形式排出。高温粗煤气煤气需要通过水煤气变换来调整合成气的氢碳比，(约1 084C )进入余热锅炉1,产生14. 2 MPa、538C并通过与焦炉煤气催化重整过程增加了有效气体的的高压过热蒸汽和3.3 MPa的中压饱和蒸汽,用于收稿日期:2013-07 -03作者简介:王明华(1980-) ,男,博士,工程师,主要从事项目咨询和评估工作,010 - 57336009 ,kingwang158@ 163. com。，124●现代化工第33卷第10期蒸汽轮机发电。煤气被冷却到3719C,进人高温净以得到纯的甲醇产品,未反应的气体经膨胀后与经化装置,采用铁酸锌(ZnFe204)作为高温脱硫剂过高温净化后的气化煤气作为燃气轮机的燃料。以脱除气化煤气中的H2S和COS,使其降到直接燃2系统配置最优化判据一 “ 双气头"多联烧所要求的含量。产低位热值效率分析气空气分寓h焦妒煤气-氧气压缩“双气头”系统将原料转化为产品的能量利用煤，CO,-CH“气化护L重整状况,可直接与分流比(即化动比)进行关联,从总余热锅炉1-C脱水]- -高温净化一煤气饱和器+-煤气预热器的系统配置结构展示不同化电产品规模系统的能量利用情况，从而得到最佳的配比规模。“双气头”多气蒸为二動二 余热铜炉2联产系统的能量平衡关系,由于有气化与化工、化工甲壁甲鹏精馆一甲廓合成一合成气压缩-{精脱硫--C脱水与动力和动力与气化之间的耦合,使系统十分复杂，为了达到普遍化比较的作用,将定义多联产系统目图1“双气头”多联产系统流程框图的低位热值效率η:由炼焦过程来的焦炉煤气经压缩至气化煤气的n = (mmeOH●LHVwxOH + Pouer)/压力,进入常温净化"处理,按照--定比例将焦炉(mCoAL . LHVCoAL + mcocLHVcoc)1)煤气与气化煤气混合后,通过煤气饱和器和预热器式中,LHV为低位热值, kJ/kg;m为质量流率,kg/s;至600后进入自热重整反应器,混合气体中的Power为发电量,kW。CH4和CO2在炭的催化下发生重整反应'8,将合成定义直接用于发电的气化煤气占总的气化煤气气中的(H2 -CO2)/(CO +CO2)调至2. 05左右;转的量的比例为分流比x,在固定给煤量的情况下,通化后的产品出口温度约1 0009C ;经与煤气预热器换过改变x来研究不同系统规模组合方式下的最优热后进人余热锅炉2,产生3. 3 MPa的中压饱和蒸配置。汽;并使其进一步冷却降温至60C,再进人中温精由于需要满足重整和合成过程对氢碳比的要脱硫[9)以使合成气中的硫含量符合化工合成的求,系统输人的焦炉煤气的量与分流比是有一一对要求。应关系的,假定如下式:为了满足化工合成过程所需的压力,对净化后mcocLHVcoc = f(x)的合成气升压至6.6 MPa,进人液态甲醇合成反应联合循环发电过程的效率(包括化工与动力过器['0],在250C的等温条件下合成,采用一次通过程之间汽水耦合)也是与分流比具有对应关系的，的形式;反应过程放出的热量,利用管式换热器产生假定如下式:3.3MPa的中压饱和水蒸汽用于蒸汽轮机发电;将Tpowe = g(x)(3)反应后富含甲醇的气体冷却到40C,进人气液分离将各个单元过程的目的低位热值效率及式器,得到的粗甲醇溶液节流后进入三塔精馏"单元(2)、(3)代人式(1)中,有:[Coal.化.η高海净化:(1-x) +f(x) :η常越净化] .7 : 7赫驳械●刀合感 .刀精馆，Coal +f(x){Coal.n化.η高净化●x+ [Coal.力化:η卉温净化.(1-x) +f(x) η温净化] .η能7精脱健.7*反座气:g(x)_Wsu + Woac(f(x)) + wa2(Uo,(x)) + Wsc(sc(x))(4)式中,Coal为单位时间输人的煤的热值, kJ/s; W为过程功耗, kW。令A = Coal.η化. 7离温净化(5)A2 = η盘净化(6)As=刀重整°η桃脱械"刀合成.7精霜(7)As =刀重垫7精驳恍●刀7未反应气(8)As = Coal(9)W(x) = Wsu + Woc((x)) + Wo2(a2(x)) + Wsc(sc(x))(10)2013年10月王明华等:“双气头"甲醇-电多联产系统的设计与优化●125则A .A3.(1 -x) +A2.Aj .f(x) +A.●x.g(x) .A. .A4●x.g(x) +A2 .A4●f(x) .g(x) - W(x)(11)As +f(x)pI[-A,A,As + A2AsAsf'(x) - A,W(x) -AA5F"(x)] +f(x)[-A,A, +A2A,g'(x) - w'(x)]} +η'= {g(x)[AAs +AAAs + A2A.AJ"(x)] +x[A.Asg'(x) +A,AsAsg'(x) +AAsf"'(x)] + W(x)f"(x)} +l1-Af"(x)xg(x) -Af"(x)>xg(x) + AJ(x)g(x) + A.x(x)g'(x) + Af(x)g(x) + A,Aag'(x)x(x) + A,Ag(x)f"(x)}(As +f(x)令B =-A,AsAs +A2AAsf"(x) -AsW(x) - A,A.sf'(x)(13)B2 =-AAs +A2A4Asg'(x) - Ww'(x)(14)B3 = A.As +A.A2As + A2AAsf'(x)(15)B. = A[Asg'(x) + A,A.Asg'(x) +A,A_f'(x)(16)n” =j|[As +f(x)][Bf"(x) +Bg'(x) +B. +f"(x)W"(x) + 2Ang'(x)(x) +24.A.g'(x)(x) + 24,A.g'(x)"(x)(x)]| -1l{2f(x)[Bf'(x) +Bg'(x) +B. +f"(x)W"(x) + 2A,g'(x)f(x) + 2A,Aag'(x)f(x) + 2A2A4g'(x)f"(x)f(x)]}}(As +f(x))'(17)C = Bf'(x) +Bsg'(x) +B。+f(x)W"(x)s(x)[c, +2A,g'(x) +2A.Asg'(x) +2Ag'()"(x>)][A,C -2CJ'(*)]+.n”={f(x)[2A.Asg'(x) + 2A,A.Asg'(x) + 2A.Asg'(x)f"(x) - 4A,g'(x)f"(x) - y(As +f(x))'4A,A.g'(x)f"(x) -4A,Aag'(x)f*(x)]}D、= C, +2A.g'(x) + 2A,A.g'(x) + 2A2A.g'(x)f"(x)(20)D2 = 24A.Asg'(x) + 2A,AlA.g'(x) + 2A2A.Asg'(x)f'(x) - 4Ang'(x)f'(x) - 4A,A4g"(x)f"(x) - 4A,A4g"(x)f"2(x) (21)D3 =AsC -2CJ"(x)(22)则化简后为:η"= [Df2(x) + Df(x) +D,]/(A, +f(x)' .(23)通过对各个单元过程和系统的模拟，建立f(x)使用AspenPlus模拟化工生产过程,液相甲醇合成和g(x)的关系式，以及各个单元过程的目的热值效采用空气产品公司的动力学方程进行Fortran编译,率,并代人上述各式中。从而判断式(23)中是否满并在ASPEN用户动力学子模块RCSTR计算[10);联足如下要求:合循环过程采用GT Pro 模拟,两者之间使用ExcelD,≤0链接数据13-14]吃-4D,D3≥0(24)3.1系统模拟结果 与分析式(24)即为判据表达式,若满足条件,则说明通过以上的最优化计算,在1 822 Vd的气化规方程式(1)能取得极大值,令式(12)为零,即可求出模上,当气化煤气80.2%用于发电,19.8%与焦炉取得系统效率最大值处的分流比x。煤气调氢碳比和浆态床-次通过醇醚合成技术,未本研究所用的气化煤种采用陕西彬县烟煤,其反应的合成气用于发电,得到本文研究的“双气头”工业分析、元素分析及高位热值参考文献[12]。通多联产的规模是年产21.64万t甲醇,净输出电量过计算,系统效率在分流比为0.802时,低位热值效表1“双气头” 多联产系统总的消耗与产品产量率具有最大值为48. 7%。消耗产品气化用煤/(t.d-I)1822甲醇(万tra-1)21. 643系统性能分析及关键参数对系统效率影焦炉煤气/(m'.d~I) 2698330 总发电量/MW437.75响讨论纯氧耗量/(m2'.d-') 1342727净输出电量/MW359. 33为了更加全面地考察整个系统的物质能量平衡厂用耗电/MW78.42磽磺/(t.a~I)2391. 3情况,以及不同分流比情况下系统性能变化曲线,将注:年工作日按300 d计。.现代化工第33卷第10期为359.33MW,其中厂用耗电如图1中的虚线所示，未反应气体膨胀功/MW3. 70包括空分、重整氧气压缩、焦炉煤气压缩、合成气压精馏甲醇收率/%99.1缩、气化氧气压缩、回注氮气压缩及其他辅机等,总精馏热负荷/MW18.96的原材料消耗及副产品如表1。燃气-蒸汽联合循环3.2单元过程模拟结果与分析燃料流量(kg.s-')55.73各单元过程的关键设备参数和操作参数的结果燃料低位热值/(MJ-kg-')12. 25如表2所示,灰熔聚气化炉的冷媒气效率较低,主要回注氮气压缩耗电/MW7.81是因为有20%左右的CO2生成以便与焦炉煤气中燃气轮机发电量/MW278. 91的CH,发生重整反应;空分单元采用外压缩流程,汽轮机发电量/MW155. 14耗电量仅指空气压缩机的功耗,产品氧气体积分数为99. 7% ,压力为0.135 MPa,产品氮气主要用于输3.3气化煤气分流 比对系统效率的影响送干煤粉和回注燃气轮机。通过模型,本文研究了分流比在0.6-0.9区间表2各关键单 元过程模拟结果对系统效率的影响关系,其结果如图2所示。从项目数值图2可以看出,随着分流比的增大,气化用煤与焦炉灰熔聚气化煤气的质量比(简称“煤焦比”)是逐步增大的。系压力/MPa统效率是先增加后减少,在分流比为0.8左右时具温度/C1084有最大值0. 486,与前面得到的最优化值十分吻合,氧煤比(质量比)0. 68此时对应的“煤焦比”为1.53,甲醇与电力2种产品蒸汽煤比(质量比).7的热值比(简称“化动比”)0.495;这是因为随着煤气化氧气压缩耗电/MW7.23焦比的增加,厂用电耗的增加速率越来越大,而甲醇气化氮气压缩耗电/MW2.83产量和发电量增加的速率却越来越小,两者综合的碳转化率(质量分数)/%效果使得“双气头”多联产系统在分流比为0.8的有效气体体积分数/%71. 6时候系统效率最高。“化动比”也是先增加后减少，比氧耗/[m3.(1000 m3)-']93在分流比为0.65时具有最大值0.516,此时对应的比煤耗/[kg(1000m)门"]05“煤焦比”为0.87,这主要是因为随着“煤焦比”的冷煤气效率/%74. 1增加,甲醇产量和发电量变化的速率不一样造成的。热煤气效率/%81.6由此可见,“双气头”多联产系统在固定给煤量空气分离的情况下,随着分流比的变化,系统存在一个效率最氧提取率/%92. 8佳的点,与前面得到的最优化判据结论-样,从而可纯氧耗量/(m'.d-)1342727以得到相应的焦炉煤气的量,进--步可以确定甲醇气化耗氧量/(m3.d"")474533和电的规模。重整耗氧量/(m'd~I)868194mcosx/mc回注氮气量/(m'.d-1)13312653.0空分耗电/MW23. 730.48甲醇合成与精馏40.45 0.4712.0反应温度/心250。0.466.61.0L0.35 0.44重整氧气压缩耗电/MW4.190.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90合成气压缩耗电/MW6.67(C0 + H2 )转化率(摩尔分数)/%38.71-系统效率;2-媒焦比;3- 化动比甲醇产率(摩尔分数)/%15.2图2分流比与系统效率 、化动比和煤焦比的关系粗甲醇产量/(t-h少)30.33为了进一步简化,可以将多联产系统划分为气3. 3 MPa中压饱和水蒸汽量/(t.h-1)29. 1化岛、化工岛和动力岛,由于在化工岛中热值的损失.2013年10月王明华等:“双气头”甲醇-电多联产系统的设计与优化.127●仅是由于合成甲醇引起的,而在动力岛中热值的损头”多联产系统的流程模拟,并研究了通过最优判失仅是发电导致的,为了更直接地描述生产甲醇和据得到的最佳配置情况下的系统整体性能(年产电力的热效率,根据以上的推导,得到如下两个有效21.64万t甲醇,净输出电量为359.33MW)和单元效率:过程关键参数。7.M.H = (mmou●LHVwoH)/(4)通过模型研究,在固定给煤量的情况下,讨[mcoAL . LHVcoAL + mcocLHVcoc - Power/n/ηp] (25)论了分流比在0.6~0.9对系统效率的影响关系,发= Power/[ mconL . LHVcoAL + mcocLHVcoc -现效率最佳点与由系统配置最优判据得到的数据十mm.on ● LHVxcom/(ηe + nxcou)/n,](26)分吻合,此时对应的“煤焦比”为1.53,“化动比”通过对各个单元过程效率的分析,有为0.495。η = η。°nycOH +ηg°η.●ηp(27)式中,ng为气化岛低位热值效率;η。为化工岛低位参考文献热值效率;np为动力岛低位热值效率;nMeOH为甲醇[1]倪维斗,李政,薛元.以煤气化为核心的多联产能源系统-资源/低位热值转化效率。能境/环境整体优化与可持续发展[J].中国工程科学,2000,进一步计算系统效率、甲醇合成有效效率和发(8):59 -68.电有效效率,结果如表3所示。从表3不难发现,随[2]麻林巍.以煤气化为核心的甲醇、电的多联产系统研究[ D].北着分流比的增加,各个效率都是先增后减的趋势,在京:清华大学热能工程系,2003.[3]杨力,董跃，张永发,等.中国焦炉煤气利用现状及发展前景分流比为0.8的时候,各个效率达到最佳值。[J].山西能源与节能,2006,(1):1 -4.表3分流比对 系统系能的影响[4]谢克昌,张永发,赵炜.“双气头"多联产系统基础研究-- 焦项目分流比x 系统效率 甲醇合成有效效率发电有效效率炉煤气制备合成气[J].山西能源与节能,2008 ,(2):10-12.0.900. 4490. 518160. 39383[5]王洋.加压灰熔聚流化床粉煤气化技术的研究与开发[J].山西化工2002 ,22(3):4-7.0.80. 477080.685620. 42176[6] NETL. Process engineering division - ' Shell gasifer ICC base ca0. 800. 486630. 721740. 42718ses' [R]. 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' I(3)建立了基于Aspen Plus与GT Pro对“双气拜耳材料科技将扩大其在中国的MDI产能拜耳材料科技于2013年9月10日宣布,其位于漕泾聚氨酯硬质泡沫塑料的- -种重要原材料。聚氨脂是用于的拜耳上海-一体化基地( BISS)的二异氰酸酯和冰箱的种性能优良的保温材科。产能的提升( MDI)生产装置进人去瓶颈阶段。到2014年年中,现有将使拜耳材料科技能够在中国进-一步扩大其业务,而中产能将从35万Va增至50万Va。拜耳材料科技中国区国也正是拜耳材料科技在全球范围内最大的市场之一。”总裁苗伯乐( Wolfgang Miebach)表示:“MDI是用于生产(苏珊).