煤基和天然气基DME联产比较

第28卷第4期工程热物理学报Vol.28, No.42007年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul, 2007煤基和天然气基DME联产比较陈斌12金红光1( 1. 中国科学院工程热物理研究所， 北京100080; 2.中国科学院研究生院， 北京100080 )摘要本文针对煤基和天然气基DME分产及多联产系统进行研究.通过分析发现煤基DME分产能耗为55.5 GJ/t ,天然气基DME分产能耗为48.4 GJ/t.煤基IGCC-DME联产方式相对节能率达到15.0%，高于天然气基CC-DME联产方式的10.2%。通过进一步的分析发现， 不论是煤基还是天然气基，联产方式都同时遵循化学拥和物理爛的综合梯级利用原理.关键词煤基;天然气基多联产，梯级利用中图分类号: TK123文献标识码: A文章编号: 0253-231X(2007)04- 0541-04THE COMPARISON OF COAL-BASED AND NATURAL GAS-BASEDDME/POWER POLYGENERATION SYSTEMCHEN Binl1,2 JIN Hong-Guang'(1. Institute of Eng. Thermopbysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Bejing 100080, China)Abstract coal-based and natural gas-based DME individual generation system and polygenerationsystem were studied in this paper. The energy consumption of coal-base DME is 55.5 GJ/t, and ofnatural gas-based is 48.4 GJ/t. Energy saving ratio of coal-based polygeneration system is 15.0%，while of natural gas-based is 10.2%. The further analysis shown that both coal-based polygenerationsysterm and natural gas-based polygeneration system are followed by cascade utilization rule in thermalenergy and in chemical energy.Key words coal-base; natural gas-base; polygeneration system; cascade utilization of energy1引言总量70%7];另一方面西部有丰富的天然气资源，LNG进口量也在逐年增加，合理有效地利用好这些近年来二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放特天然气是值得研究的问题。预计将来国内DME生性使其受到重视。各国相继开发新工艺，主要是两步产是整体来说以煤为主，部分地区以天然气为主的法和一步法。一步法工艺在美国、日本和丹麦等国开混和格局，因此对煤基DME和天然气基DME生产发成功，目前已经进入中试阶段[1~3]。国内浙江大都必须研究。学、中科院山西煤化所、华东理工大学、清华大学、多联产以煤、重油、天然气以及其他碳氢化合物中科院大连物化所等进行了这方面的研究，在工艺制取的合成气为原料，同时生产电力和化工产品。及催化剂等方面取得了-定的成果间。液相浆态床国内外研究已证明了多联产具有高效、低污染的特(LPDME)的实验也取得了较好的结果,但离工业应点[8~10]。但前期研究以煤基为主，而煤基多联产和用还很远(5)]。天然气基多联产存在许多不同的特点，有必要深入世界上以天然气为原料的甲醇生产能力占总产研究二者不同的系统结构特性。能的90%以上[间。DME工艺与甲醇类似，可预见本文以当前技术比较成熟，节能潜力比较大的大规模投产后,国际上DME原料将以天然气为主。-步法 DME为主线，分别对煤基和天然气基分产我国情况比较特殊，- 方面能源结构以煤为主，占及多联产系统进行分析，揭示煤基和天然气基多联收稿日期: 2006-11-29; 修订日期: 2007-04-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.90210032);国家重点基础研究发展规划项目资助(No.G1999022302)作者简介:陈斌(1977-),男， 广西桂林人，博士研究生，主要从事工程热力学等方面的研究。542工程热物理学报28卷产系统性能改善的原因，同时探讨不同原料对多联图2是天然气基流程。DME 分产时天然气和产系统性能改善以及系统结构影响的差异，总结出废锅来的蒸汽在重整单元重整后进入废锅回收热量有效提高多联产系统性能的方法途径，为进一步提并产生蒸汽。降温后的合成气直接进入DME合成高系统性能的工作奠定基础。单元进行反应。后续分离过程与煤基DME相同，只是由于合成气成分未调整，弛放气量远远大于煤基2流程简介分产，且弛放气和CO2分离单元分离出的轻组分--图1是煤基流程，(a) 是DME分产流程，(b) 是起作为重整单元的燃料。燃烧单元出来的烟气也在动力分产流程，(c) 是联产流程。DME 分产时煤和废锅中回收热量. (b) 是联合循环。天然气进入燃空分得到的氧气在气化单元气化后进入变换单元调气轮机和空气燃烧作功，高温烟气进入余热锅炉产整碳氢比，然后在净化单元除去硫和大部分CO2。生蒸汽发电。(c) 是一步法联产流程。重整蒸汽不是净化合成气进入DME合成单元，在催化剂作用下从蒸汽透平的相应压力处抽出。在合成单元和煤基得到DME、甲醇、未反应气体和水的混合物，在气联产不同的是合成气不是一次通过，而是采用小倍液分离单元分离。气相中大部分DME和部分CO2率循环。未循环合成气作为燃气轮机和重整炉的燃在DME吸收单元吸收，进入CO2分离单元;液相料。产物直接进入CO2分离单元。在CO2分离单元分(a) DME分产流程离出CO2，剩余混合物进入DME分离单元，DME蒸汽口弛放气工街环包J吸收再生DME.吸收剂本作为产品采出，其余部分进入吸收剂再生单元，再NG重整废锅DME气波生的吸收剂大部分返回DME吸收单元重复利用,合成分离1.Co2DMEDMECO:下小部分分离为水和甲醇，水排放，甲醇循环回合成单元。(b) 是IGCC系统。空分的氧气和煤、水蒸汽(b)联合循环分产在气化单元气化后进入废热锅炉产生蒸汽。粗煤气NG燃气余热然汽轮机在净化单元除硫后进入燃气轮机燃烧产功。高温排空气电，+烟气+电气在余热锅炉产生不同压力等级的蒸汽。(c) 是- -()多联产流程步法联产流程。与分产不同的是粗煤气不经过变换吸收相NoF化-废锅. (OME DME单元调整碳氢比，而是除去硫和CO2后直接进入后合成吸收二分离续单元;反应后分离出的未反应气体不循环而是直空气的气相发PMEDNE气燃机分离厂接进入燃机单元作为燃料。其余部分和分产相同。理吸收剂李(a)DME分产流程5电蒸汽硫↑o2循环气OME，吸收剂分图2天然气基DME合成流程简图,DMB.气波吸收再生用醇to,分离分离3分产及多联产系统分析(b) IGCC分产↓CO:3.1多联产中的化学 能梯级利用原理↓蒸汽.多联产系统的研究已经有数十年。在早期针对电醇醚生产中产生大量高品位热，消耗大量中低品位02热，IGCC通过抽蒸汽方式可方便获得中低品位热j二 喝炉的特点提出了将IGCC系统与合成氨、甲醇和DME烟气(0)多联产流程为代表的煤基化工产品的生产流程结合的电力-化|蒸汽_CO2↑硫煤CDME DM医收想CO,)co,工多联产系统(1。通过研究也证实了这样的多联气化性的理化合成一份收，分寓中产系统性能有较大提升[9,10]。在后续研究中发现多o:燃机七气相收OMEDME联产中不仅有物理能梯级利用，还有化学能梯级利电电。用(12]。锅炉姻气里一吸收剂李再生厂3.2 系统参数设定煤气化选德士古水煤浆气化工艺，煤发热量为图1煤基DME合成流程简图26710 kJ/kg。天然气基采用温度950°C ，水气比4期陈斌等:煤基和天然气基DME联产比较5433,压力2.322 MPa的水蒸气重整，天然气低位热值制备的佣损失降低一方面是联产的重整燃料量减少49596 kJ/kg.合成流程参照Topsoe工艺，合成温度导致，另一方面是由于重整燃料变化引起。联产时重260°C，压力3.5 MPa.甲醇脱水温度280°C,压力整燃料全部是品位较低的未反应气。由于分产DME0.8 MPa. CO2分离使用MEA吸收。燃气透平入口中低效的换热过程的改进，拥损失下降29.2%。天温度1260°C,使用双压再热余热锅炉，高压蒸汽压然气基的合成过程炯损失降低不如煤基明显，因为力12 MPa,温度535°C,透平效率0.87;再热蒸汽天然气基合成气分产和联产都没有经过成分调整。压力3.9 MPa,温度535°C,透平效率0.89;低压蒸天然气基联产的燃烧过程佣损失下降19.9%，和煤汽压力0.5 MPa,温度265°C,透平效率0.85.压缩基燃烧过程炯损失下降的原因-样。天然气基联产机效率0.846,膨胀机效率0.85。煤基DME分产、分离炯损失下降56.4%。压缩机和透平拥损失略微动力分产和联产都使用煤气化的粗煤气作原料，因增加8.6%，(见表 2).此模拟时略过煤气化部分直接从粗煤气开始。天然气基DME分产和联产使用天然气重整合成气作原表2分产和多联产系统拥损失分析料，动力分产直接用天然气作为燃料,因此在模拟煤基天然气基分产联产分产联产时以天然气作为源头。煤基多联产时合成气- -次通输输入燃料312794 268313 291941 262165过，而天然气基多联产时合成气采用小循环倍率循入输入空气64345375环。根据以上参数和设定进行流程模拟，并对结果合成气制备53330/ 4623637121 28924进行考察。成分调整166867192烟换热24496 1467927868 197253.3系统性能分析合成4663 20824567 3366表1为煤基和天然气基的分产和多联产比较。失燃气轮机燃烧 24652 1345422296 17864分产和联产的产品输出量相同。联产时煤基和天然344611662 5082压缩机和透平8138 69547625 8279气基化动比不同，只保持化工产品相同。分产DME其他18823514124 3969能耗煤基为55.5 GJ/t，天然气基为48.4 GJ/t.煤DME130504 132240132252 132238基多联产系统节能率为15.0%，而天然气基多联产出动力10412 929540672 40754排放物34070 338794479 1885为10.2%，煤基比天然气基高出将近50%，说明煤相对误差-0.19% 0.61%0.23%_ -0.09%基多联产充分挖掘潜力,从而达到高节能率。另外煤基多联产的化动比为3.65，大于天然气基的3.04。不同原料联产时合成气通过反应器的方式不这是因为煤基合成气富碳，天然气基合成气富氢,同。煤基联产合成气-次通过，天然气基联产采用煤基合成气更适合DME合成，因此煤基多联产的小循环倍率循环。煤基合成气富碳,有利于DME合化动比大于天然气基。从整体上看，分产时天然气成反应的进行，因此--次通过即可达到较高的转化基DME能耗更低，联产时煤基节能效果更明显。率，而天然气基合成气富氢，一次通过转化率过低，不能实现组分对口,分级转化的化学能梯级利用原表1分产和多联产系统性能理，因此需要采用小循环倍率适当提高合成气的转化率。这也证明了化学能梯级利用原理在多联产中IGCCDME联产CC DME联产的指导性作用和普适性。燃料输入(kg/b) 12024 30307 35996 5225 15056 18211DME输出(kg/h)15442 154424 EUD分析产功(kW) 39818 -5939 33879 4067240672DME能耗(GJ/t)55.5 ;48.4以天然气燃烧过程为例进行EUD分析。燃烧发电效率(%) 44.656.5过程分为为重整过程提供热量的燃烧和燃气轮机燃化动比3.653.04烧。其中重整燃烧又分为预热重整气和为重整反应节能率(%)15.010.2供热。从图中可知，联产的改进体现在两个方面。一3.4系统损失 拥分析方面是燃料量的减少。联产重整过程的燃料量为98.2天然气多联产合成气制备过程拥损失降低最MW,小于分产的108.3 MW，其中由于预热段热大,达到8197 kW ,其次是热匹配过程和分离过程,匹配的改善，因此预热段所需燃料减少27.1 MW ;分别达到8143kW和6581kW,燃烧过程拥损失降由于重整气量增加，因此重整段反应吸热增加18.3低也较明显，下降 4432 kW。合成和其他过程炯损MW。综合预热段和重整段，联产重整燃烧所需燃失较小，而压缩机和透平的炯损失略有增加。合成气料 量从分产的107.9 MW下降到99.1 MW.燃气轮544工程热物理学报28卷机燃料量在联产也从71 MW下降到68.3 MW.另(1)煤基分产DME能耗为55.5 GJ/t，天然气一方面联产的燃料品位比分产有明显下降，尤其是基分产DME能耗为48.4 GJ/t,天然气基分产能耗燃气轮机燃烧过程。分产时重整燃料是弛放气和天然气的混和物，联产时重整燃料全部是未反应气,(2)煤基联产节能率为15.0%,天然气基联产节因此联产时的重整燃料品位低于分产。分产时燃气能率为10.2%，煤基联产的节能效果明显。轮机直接燃烧天然气，联产时也使用未反应气作为(3)煤基和天然气基分产和联产的差异是由原料燃料，因此燃气轮机燃料品位下降更明显。从燃烧不同所引起的系统结构差异导致。过程EUD分析可以看出，联产燃烧过程的改善同(4)煤基和天然气基联产中不仅有物理能的梯时达到了物理能梯级利用和化学能梯级利用。而在级利用，也存在以往中没有注意到的化学能梯级利以往的多联产研究中并没有注意到合成气化学能的用。梯级利用对燃烧过程的爛损失降低作出贡献这一-点在温度对口，梯级利用的物理能梯级利用原则(参见图3) .指导下设计的多联产系统取得了较好的节能率，但随着物理能利用水平的提高，进一步的系统性能提升比较困难。组分对口，分级转化的化学能梯级利重整燃烧GT燃烧用原则为多联产系统性能提升开辟了新途径，在今1.0-后的多联产研究中应遵循化学能和物理能综合梯级0.8利用的原则。0.6参考文献e一-释放侧0.4 重整预热 重整反成接收侧国PaulN D, Edward C H, James CS,et al. Air Prod-ucts New Technology Programs in Syngas Generation and0.2Conversion. In: GPAE] Annual Conference. Barcelona,27th~ 29th 2000. 289 301100150200[2] 日本钢管株式会社.二甲醚制造用催化剂及其制造方法以0H/MW及二甲醚的制造方法. CN 1169888A, 1998[3] Haldor Topsoe. Preparation of Fuel Grade Dimethy!图3(x)天然气基分产燃烧过程 EUDEther. wO, 9623755. 1996[4李选志，高俊文.合成气-步法制二甲醚催化剂的研究.化肥工业，2006, 33(1): 23- 251.0+[同] Gogate M R, Vijayaraghavan P, Lee s, et al. Single-Stage, Liquid-Phase Dimethyl Ether Synthesis Process0.8 :from Syngas IV. Thermodynamic Analysis of the LPDMEProcess System. Fuel Science & Technology Interna-tional, 1992, 10(3): 281-311:--释放侧[同陈賡良，王开岳，天然气综合利用、北京:石油工业出版0.4重整预热重整反应社，2004[7] 张海涛，21 世纪的清洁燃料一二甲醚，上海化工，2000,(14): 4-68] Jackson R G,刘崇微煤气化生产甲醇和电力.煤炭转化，501989, (3): 60 640H/ MW[9] 金红光，高林，郑丹星.煤基化工与动力多联产系统开拓研究，工程热物理学报，2001, 22(4): 397 -400图3(b)天然气基联产燃烧过程 EUD[10]陈斌，高林，金红光.二甲醚/动力多联产系统初步研究工程热物理学报，2004, 25(5): 741-744[11] Mednick R L, Design & Evaluation of Liquid Phase5结论Methanol Synthesis Technology. In: US DOE/FE Indi-rect Liquefaction Contractor's Review Meeting Proceed-ings. 1988. 15-17通过对煤基和天然气基分产和多联产的分析比[12] 金红光，洪慧.化学能与物理能综合梯级利用原理，中国较，发现:科学， 2005, 35(3): 299 313