夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用

第3期(总第148期)煤化工No.3(Total No. 148)2010年6月Coal Chemical IndustryJun. 2010夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用叶鑫丁干红(惠生工程(中国)有限公司,北京100102)摘要采用夹点技术对某30万t/ a煤气化制甲醇项目的换热网络进行了分析,明确了渣水处理单元、变换热回收单元、低温甲醇洗单元、甲醇合成及精馏单元消耗公用工程的目标值和设计值，揭示了各单元的工艺优化方向和节能潜力。夹点分析结果表明:把整个系统集成起来作为-一个有机结合的整体来看待,优化匹配的机会大大增加,节能潜力巨大。关键词夹点技术优化换热网络节能文章编号: 1005-9598 (2010)-03-0001-06中圈分类号 :TQ546文献标识码:B络中的温度夹点问题,指出夹点限制了换热网络可能引言达到的最大热回收。所谓夹点技术,即将整个换热网煤化工是高能耗、高水耗的行业。以水煤浆气化络分成热力学上相互分离的两个子系统:夹点之上的制甲醇为例,t甲醇产品能耗为42GJ,而t甲醇产品子系统是热阱系统，加热公用工程向其输人热量,而热值为22. 66GJ,其能量转化效率仅为54%;另一方没有任何热量流出;夹点之下的子系统是热源系统,面,由于换热网络不尽合理,大量采用循环冷却水,导由冷却公用工程从系统中带走热量,而没有任何热量致实际生产中吨产品耗水量大幅上升,t甲醇耗水高从外界流人;在夹点处,热流量为零。换热网络夹点示达10t以上。近年来,人们已经深刻地意识到:煤化工意图如图1所示。如果发生跨越夹点的热量传递Q,企业的发展要走可持续发展的道路,必须积极推广节即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行换热匹配,能减排技术叫。则根据夹点上下子系统的热平衡可知,夹点之上的加要实现煤化工节能、节水、减排的目标,就必须采热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量都会增用可靠的技术手段,对现有工艺进行分析、改进。夹点加Q(23)。因此,为达到最小公用工程用量,夹点方法技术由于其方法简单、灵活、实用,概念清晰,易于理的设计原则是:解和掌握，并且在设计前即可预测能耗的目标值,因(1)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器;而在全世界的工艺优化领域得到迅速推广。采用夹点(2)夹点之下不应设置任何公用工程加热器;技术进行工艺优化,可以准确地诊断出能源使用的薄(3)不应有跨越夹点的传热。弱环节,明确地指出能源使用不合理的原因,并且揭采用夹点技术分析换热网络时,应该注意的是并示出可实现的节能潜力与改造效果.最终提出可行和夹点之下!夹点之上有效的优化方案。温度热平衡1夹点技术简介热物流复1978年Linnhoff和Umeda分别提出了换热器网合曲线文夹点各曲线I中国煤化工收稿日期: 2010-01-28作者简介:叶鑫(1981一 ),男,2002年本科毕业于北京石MHCNMHG焙H°油化工学院, 2005年硕士毕业于北京化工大学化学工程专业,工程师,现从事节能减排技术开发、应用工作。團1 换热网络夹点示意图.2-煤化工2010年第3期非所有的换热网络都存在夹点,只有那些既需要加热公用工程、又需要冷却公用工程的换热网络才存在夹2煤气化制甲醇工艺的夹点分析点。只需要- -种公用工程(如蒸汽或者循环冷却水)的问题,称为阈值问题(见图2)。对于阈值问题,虽然公2.1 煤气化制甲醇工艺概况用工程用量不变，但这并不意昧着没有优化的潜力。甲醇不仅是重要的化工原料,也是洁净燃料。发对只需要加热公用工程的阈值问题,如果使部分加热展大型煤制甲醇,并加工为烯烃和替代燃料,以煤代公用工程的需求温度降低,那么加热公用工程总量不替石油,是国家能源安全的需要,也是化学工业高速变,温度降低,使整个换热过程有效能损失降低,加热发展的需要。典型的煤气化制甲醇的工艺流程包括:公用工程费用降低;对只需要冷却公用工程的阈值问煤气化、渣水处理.变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合题,如果使部分冷却公用工程的需求温度升高,就可成及精馏等工艺单元。以减少较低温度冷量的需求,使整个换热过程有效能本文以某30万t/ a煤气化制甲醇项目为例,以损失降低,冷却公用工程费用降低。该项目的设计参数为基础数据,对渣水处理、变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合成及精馏工艺单元进行夹度↑点分析,该项目的工艺流程示意图见图3。2.2各工艺单 元的夹点分析2.2.1渣水处理单元将气化单元输送过来的黑水进行多级闪蒸处理，冷却水采用真空过滤机使渣和水分离,处理后的灰水循环使焓H用。渣水处理单元的物流数据见下页表1,取最小传(a)只需加热的公用工程(b)只需冷却的公用工程热温差为10C进行分析,可以得到该单元的冷热物图2阈值问题 示意图流复合曲线(见下页图4)。从下页图4中可以看出:低温甲醇洗分子筛7Co送醋酸装置空分热回收脱硫脱碳.| 吸附站→冷箱CO压缩氧气氢气压缩机循环气|压缩机煤。气化膜分离L去火矩I循环压缩机|变换，低温甲醇洗，，+甲醇合成一1 +甲醇精馏甲醇，脱硫脱碳| 渣水处理灰- 十CO2尾气放空+HS浓缩塔一+甲醇再生塔一+克劳斯硫回收硫磺▼渣硫回收尾气_围3某30万组煤气化制甲醇工艺流程示意图冷热物流复合曲线没有形成夹点，是一个阈值问题,部分水煤气送人变换炉，伸其中的CO与水蒸气在催即渣水处理单元只需要冷却公用工程,其目标值和设化剂中国煤化工成H和co,从而计值都是19. 9MW。调节CNMHG)尽可能地回收水2.2.2变换热回收单元 .煤气的热量，将粗煤气降温至40C送至低温甲醇洗变换热回收单元有两个主要的工艺目的: (1)将单元。变换热回收单元的物流数据见下页表2,取最2010年6月叶鑫等 :夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用表1渣水处理 单元的物流数据表2变换热回收 单元的物流数据设计参数设计参数.物流说明起始温目标温焓差热容流率起始温目标清焓差热容流率度/C度/C /kW/kW."C-/kW.C-80178 13578.0 6 789.00进界区水煤气3821 28 065.3 1 650.90高压闪蒸气78108 4 305.0 61. 50变换气87168 12 986.759. 30低压闪蒸气1211 3 784.0 3784. 00(热交换以后)16856 1 635.6 136.30第一真空闪蒸气3941 3 726.8 133. 10156596576.6 67. 80第二真空闪蒸气446 103.2 2 034. 4059794.241. 80.气化废水47218.4 31. 20未变换气9416820 916.0166. 00灰水08170 11 848.2 191. 10155 2411.5 185. 50557004.0 103. 0000 r10 2 683.7 57. 10180需要冷却的密封水10440 2037.12 31.83160上140- 热物流复合曲线低压发生蒸汽04158 33 895.8 627. 70只120中压发生蒸汽135 1 636.8 52. 80100冷物流复合曲线13520827 287.4 373. 800t230778.835. 4020-至甲醇合成的锅炉水1502 410.4 52. 401520253035脱盐水3595 13 566.0 226. 10焓H/MW圄4渣水处理单元的冷热物流复合曲线400350小传热温差为10C,分析可得该单元的冷热物流复热物流复合曲线合曲线(见图5)。从图5中可以看出:冷热物流复合200曲线没有形成夹点,是-一个阈值问题，即变换热回收150单元只需要冷却公用工程，其目标值和设计值都是5.5MW,该单元内部的冷却公用工程包括:发生蒸汽和50循环冷却水,节能的途径是尽量回收废热,产生更多0102030405060708090的中压蒸汽和低压蒸汽,减少循环水的用量。2.2.3低温 甲醇洗单元圈5变换热回收单元的冷热物流复合曲绒低温甲醇洗单元的主要任务是脱除粗煤气中的HS、COS、CO2等有害的气体,得到合格的净化气,满足进行深入分析。虽然遵循夹点设计的三大原则,可以甲醇合成反应的要求。低温甲醇洗单元的物流数据见达到最小公用工程的用量,但是完全禁止能量穿越夹表3,该单元低温物流较多,冷公用工程采用较为昂点,会造成流股分割和换热器增加,使流程复杂,设备贵的丙烯制冷，权衡设备费用和冷公用工程费用,该投资增加。因此,最优化的设计需要结合设备投资、运单元取最小传热温差为5C ,经过夹点分析,可以得行费用操作可靠性等因素来权衡。例如,甲醇水冷凝到该单元的冷热物流复合曲线(见下页图6),从下页液30-C11的温度比较低,对于年产量超过30万t的图6中可以看出:冷热物流复合曲线的夹点温度为甲醇装置可以考虑回收其冷量。102. 5C。2.2.4甲醇合成及精馏单元进一步分析夹点的结果表明:原设计的换热网络电醇合成乃精馏单元的主要任务是将净化合成中存在跨越夹点传热的情况，即30-H13与30-C10、气送中国煤化工租甲醇,然后通过30-H15与30-C11,按照夹点设计的原则,跨越夹点的精馏YHCN M H G醇产品。甲醇合传热会增加加热公用工程和冷却公用工程的消耗(见成及精馏单元的物流数据如第5页表5所示,取最小下页表4)。所以,有必要对上述4个物流的换热方式传热温差为10C进行分析，可以得到该单元的冷热-4-煤化工2010年第3期表3低温甲醇洗单元的物流数据设计参数序号物流说明起始温度/C .目标温度/C焓差/kW热容流率/kW.C130-H1变换气-9.01 472. 732. 0230-H2未变换气38. 0-15.02216.941. 8330-H3贫甲醇47.543.0615. 0.136. 6743. 04 251.0123. 228.5-33.04 639. 0111.78-54.0 .2 378.0113. 2430-H4T300冷却循环甲醇-21.0-35.01 525.1108. 9430-H5T300不含硫富甲醇-12.5-36.02132. 090. 7230-H6T3001含硫富甲醇-7.0-32.5941.136.91.30-H7T3002冷却循环富甲醇-35.51 955. 095.3730-H8T3002半饱和富甲醇-14.0-35. 01 424. 067.8130-H9T3002含硫富甲醇-11.0-24.0568. 043. 6930-H10T3005塔底再生甲醇100. 046.07851.0145. 3930-H11T3005塔顶酸性气91.02 532. 652. 76.30-H12酸性气34.5104.31. 5030-H13T3006塔底废水141. 0342. 43. 6030-H14克劳斯尾气26.0-30.066. 530-H15T3006回流甲醇82.087.34. 8530-C1净化变换气-29.030. 5849. 214. 2730-C2净化未变换气-53.030.51 623. 019. 4430-C3V3006底甲醇-41. 5-29. 52 540. 0211. 6730-C4T3003中部抽出甲醇-60.5-38. 04 838.0215.0230-C5T3003塔底甲醇-38. 51.04 639.0117.4434.04 251. 0128. 8230-C6T3003塔顶尾气-63.02 146. 222. 95.30-C7T3005再沸甲醇101. 02 949. 02 949.0030-C8T3006再沸甲醇141.0142. 02 000. 02 000. 0030-C9T3004塔底甲醇29.587.07 851.0136. 5430-C10 .T3007塔底废水14.0120. 0342. 030-C11甲醇水冷凝液-12. 081.00. 94150表4低温甲醇洗单元加热、冷却公用工程对比100目标值 设计值设计值与热物流复合曲线/MW/MW__目标值之比 /%加热公用工程:4.8101冷却公用工程5.895. 96' 冷物流复合曲线-50物流复合曲线(见下而困7)从下页图7中可以看051015202530354045出中国煤化工为78.6c。焓H/MWTYHCNMHG精馏系统中存在用图6低温甲醇洗单元的冷热物流复合曲线能不合理的地方:(1)存在跨越夹点的传热:甲醇合成塔的人塔合2010年6月叶鑫等:夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用-5-表5甲醇合 成及精馏单元的物流数据设计参数号物流说明起始温度/C目标温度/C焓差/kW热容流率/kW.C180-H1预塔塔顶气73. 069. 910 2153295.16.80-H2预塔塔顶不凝气40. 01 87262. 61.80-H3加压塔精甲醇产品126.840.01 40816.2280-H4加压塔塔顶气127. 2127. (22 897114 485. 0080-H5常压塔塔顶气66.623 101868. 4680-H6甲醇精馏废水104.83335. 1480-H7回收塔塔顶气66.48554275. 0080-H8杂醇馏分88.0120.2580-H9常压塔进料132.878.31 31924. 2080-C1预塔进料76. 71 23633. 6880-C2预塔釜液73.675.212 2107 631.2580-C3加压塔釜液130.622 87610 398. 1880-C4常压塔釜液104.680-C5回收塔釜液104. e104. 88644 320. 0080-C6加压塔进料75. 6108.739. 85l08. 7132. 1101443. 3380-H10出塔合成气249. 089. 534946219. 1089.522 349451. 4980-C7人塔合成气50.2213.834 946213. 61250公用工程、冷却公用工程的节能潜力分别为33%和200 t19%,所以,有必要结合不同项目的实际情况,对80-150热物流复合曲线H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流的换热方式进行深入分析。100-冷物流复合曲线表6甲醇合 成及精馏单元加热、冷却公用工程对比50 t目标值设计值设计值与020406080100120140160/MW_/MW_目标值之比/%焓H/MW加热公用工程28.72.38. 20133冷却公用T.程50. 6760.1419围7甲醇合 成及精馏单元冷热物流复合曲线成气80-C7与出塔合成气80-H10之间的换热。2.2.5多个工艺单元的整合(2)夹点之上使用了冷却公用工程:出塔合成气煤气化制甲醇的工艺流程中涉及到多个工艺单80-H10在与人塔合成气换热后，温度仍高于夹点温元。目前,每个工段都只考虑本工段内的能量平衡,工度,却用了循环冷却水来冷却。虽然温度差不大,但是段内部可以用于热交换的物流相对较少,那么对于一由于该流股流量很大，而且有甲醇冷凝的大量潜热，些需要冷却的物流不得不采用冷却公用工程来吸收因此，应该充分利用这部分热量;另外,加压塔的精甲热量,同样对于一些需要加热的物流必须采用加热公醇产品80-H3、甲醇精馏废水80-H6和杂醇馏分80-H8用工程来提供执量在这个过程中冷、热公用工程的均高于夹点温度,却直接采用循环冷却水冷却。用量中国煤化工员失。按照夹点设计的原则,跨越夹点的传热和夹点之MHCNMHG计能耗最少、水耗上使用冷却公用工程会增加冷却公用工程和加热公最小和环境污染最低,就必须把整个系统集成起来作用工程的消耗(见表6)。由表6可知,该单元的加热为一个有机结合的整体来看待,系统越复杂,优化的一6-煤化工2010年第3期潜力就越大，因为这时优化匹配的机会大大增加了。冷却水,节能的途径是尽量回收废热,产生更多的中如果把渣水处理单元、变换热回收单元、低温甲醇洗压蒸汽和低压蒸汽,减少循环水的用量。单元和甲醇合成及精馏等单元作为一个整体来分析,3.3低温甲醇洗单元的换热网络匹配比较合理,但取最小传热温差为10C,则加热公用工程、冷却公用是还存在一定的优化空间，可以对30-H13、30-C10、工程的节能潜力分别为208%和47%(见表7)。30-H15、30-C11这4个物流的换热方式进行分析并优化。例如，甲醇水冷凝液30-C11的温度比较低,可以表7整合系统的加热、冷却公用工程对比考虑将其冷量回收。目标值设计值设计值与3.4甲醇合 成及精馏单元的加热公用工程、冷却公/MW_/MW_目标值之比/%用工程的节能潜力较大，分别为33%和19%，所以,加热公用工程13. 9943. 15308有必要对80-H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流冷却公用工程62. 3591.51.147的换热方式进行深人分析，并在综合考虑其设备投资、运行费用、操作可靠性等影响因素的基础上进行3结论与建议优化。3.5如果把渣水处 理单元、变换热回收单元、低温甲采用夹点技术对煤气化制甲醇工艺进行分析,是醇洗单元和甲醇合成及精馏等单元作为一个整体来一种简便、有效的技术手段,不仅可以确定能量使用分析,系统节能的潜力将大大增加,加热公用工程和不合理的原因,还能揭示出可实现的节能潜力,为工冷却公用工程的节能潜力分别为208%和47%。艺改进提供明确的方向。本文对某30万t/a煤气化制甲醇项目的主要操作单元进行了夹点分析,得出以参考文献:下结论:3.1渣水处理单元的换热网络问题属于阈值问题,[1]唐宏青科学发展煤化工是我们的希望[A]. 2008年国内外煤气化技术经济研讨会论文集[C].北京:中国化即在这个单元内部只需要冷却公用工程,节能潜有工信息中心，2008:20-35.限,但是,渣水处理单元的闪蒸气可以考虑作为其他[2]郝继辉.利用夹点技术提升VCM装置用能水平的研究工艺单元的热源，以达到节能的目的。[D].浙江:浙江大学, 2005:17-27.3.2变换热回收 单元的换热网络问题属于阙值问[3]冯宵. 化工节能原理与技术[M].北京:化学工业出题,单元内部的冷却公用工程包括:发生蒸汽和循环版社, 2004: 145-150.Application of Pinch Technology in the Coal-to- Methanol ProcesYe Xin and Ding Ganhong(Wison Engineering Co., Ltd., Bejing 100102)Abstract This paper gave an analysis on the heat exchange network of the 3000/ coal -to-methanol plant us-ing the pinch technology. The utilities consumption value and their design value of the slag water treatment unit, the shift/heat recovery unit, the low temperature methanol wash unit, the methanol synthesis unit and the distillation unit werespeified. Besides, the orientation of the process optimization and the potential of energy conservatin were suggested. Thepinch analysis showed that if we take the system as an integral whole, the opportunity for optimization and energy conser-vation can be greatly increased. .Key words pinch technology, optimization, heat exchanger network, energy conservation●简讯●煤焦油制备清洁燃料项目中国煤化工2010年5月23日,国家科技支撑计划一20 万t/a煤焦油制备MYHC NM H G阜康市奠基。该项目由中科院山西煤化所与新疆爱迪新能源科技有限公司合作建设,总投资2.7亿元,预计2011年10月底建成投产。投产后年加工煤焦油20万t,生产汽油2.38万t,柴油9.9万t,沥青5.94万t。