基于合成气的联供联产系统仿真 基于合成气的联供联产系统仿真

基于合成气的联供联产系统仿真

  • 期刊名字:计算机与应用化学
  • 文件大小:794kb
  • 论文作者:周齐宏,胡山鹰,陈定江,李有润,周丽
  • 作者单位:清华大学化学工程系
  • 更新时间:2020-09-30
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第23卷第2期计算机与友用化学Vol 23. No. 22006年2月28日Computers and Applied ChemistryFebruary, 2006基于合成气的联供联产系统仿真周齐宏,胡山鹰,陈定江,李有润,周丽(清华大学化学工程系,北京,100084)摘要:在分析构成联供联产系统中关键技术的基础上,利用 Aspen Plus软件对系统的单元操作过程进行了建模仿真工作。通过不同技术的组合,得到了二甲醚单产系统、二甲醚与电力的联产系统、煤与天然气联供的二甲醚电力联产系统,并通过模型的仿真计算,计算出各自系统中关键节点的物流和能流数据,为后续的3E研究提供了可靠的数据。关键词:联产联供;模拟;煤;天燃气;二甲醚中图分类号:TQ021.8文献标识码:A文章编号:10014160(2006)02-118-122System simulation of Co-feed and Co-generation system based on the syngasZHOU QiHong, HU Shan Ying, CHEN DingJiang, LI YouRun and ZHOU LiDepartment of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)Abstract: The advanced technologies of coal or NG gasification, the synthesis of DME in the liquid phase and IGCC are key to the in-egration involved in the standalone system for DME, co-generation system for DME and electricity, and the co-feed( from coal andNG)& co-production system for DME and electricity. Several unit process models have been built with the aid of the software Aspen-Plus on the basis of analyzing those key technologies. Through the designs, simulations and calculations of the standalone system, co-generation system and Co-Co system, simulation results concerning material flows and energy flows of the systems are obtained, whichare the base for the subsequent study on energy, economy and environment.Key words: co-feed and co-generation, simulation coal, natural gas, DMEZhou QH, Hu SY, Chen DJ, Li YR and Zhou L. System simulation of Co-feed and Co-generation system based onthe syngas. Computers and applied Chemistry, 2006, 23(2): 118-1221引言干可能的联供联产系统构成,利用 Aspen plus仿真工具对上述可能的系统构成进行建模仿真。根据建我国是一个以煤炭为主要能源的国家,其在国模仿真的数据结果,在本文的下篇中将分析系统的民经济中具有重要的意义:煤炭的清洁利用不但是能量利用情况、经济性能和对环境的影响。国民经济持续高速发展的必要保证,同时也是改善自然生态环境的关键。在四川泸州地区有大量尚未2气化过程开发利用的煤炭资源和已开发使用的天然气资联供联产系统的核心是合成气(主要成分CO源口,在未来20年内这些化石能源的利用不但会促和H1),不同原料通过不同的气化技术路线变为合进地方经济的发展同时也会带动周边地区的发展,成气,继而进行下游产品的生产。并为长江中下游城市提供可靠的能源供给。2.1煤气化以煤、天然气等化石燃料为原料,通过气化技术在众多煤气化技术中2,喷流床技术是联得到合成气,并利用合成气生产多种产品的复合系供——联产系统的最佳选择,这主要是因为:(1)该统称为基于合成气的联供联产系统,这些产品包括:类技术设备的单位容积的生产能力高;(2)没有焦电、液体燃料(FT液体燃料、二甲醚、甲醇等)、城市油和酚类物质,后处理过程较简单;(3)产生惰性熔用的有女2之参先支在数析构傲产系碳转化率高(可达99%)。张斌中国煤化工对喷流床气化炉进行统的关键技术基础上,将这些技术进行组合,得到若了模CNMH建立了煤气化模块收稿日期:200508-16;修回日期:2005-10-24基金资助:国家自然科学基金重点资助项目(20436040)作者简介:周齐宏(1979—),男,北京人,硕士研究生,系统工程专业.联系人:胡山鹰2006,23(2)周齐宏等:基于合成气的联供联产系统仿真119(图1):将煤定义为非常规物质COAL,同时还定义在模型的燃烧室中进行甲烷燃烧反应, Chris了ASH(灰)和UBC(未燃烬碳)两种非常规(NC)物 tensen(6推荐采用亚化学计量燃烧反应式(式1)来质,在 Yield模块中将COAL分解为指定产量的物简化,这可用 Aspen Plus中的反应器模块 SToic实流Comp,其包括H2、N2、S、O2、C单质、ASH和UBC,现;氧化完全转化后,过量的甲烷和生成物一起进入由煤的元素分析和指定的碳转化率确定物流Comp催化剂床层进行绝热重整反应;重整反应的主要反的组成,然后再将物流Comp与分解放出的热量和应有强吸热的蒸汽重整(式2)和弱放热的水煤气变氧气、水等物流一起通入到 RGibbs模块中,由煤气换反应(式3),通过 Aspen Plus中的反应器模块化过程化学反应特性的分析来确定产物(包括CO、 requir实现。H2、CO2、H2O、CH4、H2S、COS、Ar和N2),并考虑CH,+1.50,→C0+2H,0定的热量损失Q-los原煤热值的1%)。CH4+H2O→CO+3H2(2)CO+H2O→CO2+H(3)用文献提供的自热转化反应器的数据对天然气YIeld气化模型进行验算,将文献值和模型计算值列于表2表2天然气气化模型的计算结果Table 2 Calculation results for the model of NG gasification.空气氧化剂Fig. I Flow chart for the simulation of coal gasification文献值计算值文献值计算值ocess using Aspen Plus.H图1煤气化过程的 Aspen Plus模拟流程图10.310.2616.0合成气CO5.489用文献“提供的喷流床气化炉的数据对煤气《体积%)cH10.20.181.04化模型进行验算,将文献值和模型计算值列于表1。H,O21.830.630.8830.55表1煤气化模型的计算结果Table 1 Caleulation result for the model of coal gasification3二甲醚的合成计算值文献值计算值文献值气化炉温度(℃)1279137116771426甲醚的生产目前主要是采用两步法工艺:由质量流率(kg/s)9.3219.4316.36摩尔流率(k·mol/s)0.9500.9530.7650.773合成气制甲醇、再由甲醇水解制二甲醚,但其受甲醇C041.4539.6163.7463.0合成反应的热力学平衡的限制,使得CO的一次转合成气主要组分H2290330.3126.4226.75化率很低;目前,一种新型的二甲醚生产路线已经实(体积%)Co28.9710.790.961.49H2017651647173201现了小规模的工业化”,其主要特征是耦合了合成2.2天然气转化气制甲醇和甲醇水解两个反应,在浆态床反应器中以天然气为原料制合成气的主要工艺流程有蒸实现二甲醚的一步合成。汽转化、非催化部分氧化、催化部分氧化、自热转化有关二甲醚在浆态床中的合成反应的热力学和等4种工艺,由于自热转化反应器结构简单,设备动力学的研究已有一些"1,通过已知的动力学和费用低;合成气中的氢碳比调节范围大等优点,适宜热力学机理可以建立基于 Aspen的反应模型但这用作生产合成气的装置。本文采用张斌提出的样需要大量的建模工作和实验数据作为基础,以确自热转化反应器模型,如图2所示。保模型的可靠性。本文根据二甲醚的反应转化率和部分燃烧进程的特征,建立简化模型,如图3。反应物在进入反应系统前,先通过预热器(用SToicREquil SYngasMHe中国煤化工反应系统(用模块其中:假设二甲醚合成反CNMH通过产生中压蒸汽Fig 2 Flow chart for the simulation of auto-thermaler reaction using Aspen Plus送往余热系统加以回收;反应进料物中碳氢比为1;图2自热重整反应的 Aspen Plus模拟流程图FSplit模块确定反应转化率, requir确定反应平衡态,二甲醚合成反应考虑的反应有式4式5和式6。120针算机与应用化学2006,23(2)余热系统一根据文献2-1关于二甲醚分离体系的研究报道,采用如图5的三塔过程模型,塔设备用 Radfrac预热系统反应系统模块实现。CaterFSplit原料 MHeatXNFig 3 Flow chart for the simulation of DMEsynthesis process using Aspen Plus.水图3二甲醛反应的 Aspen Plus模拟流程图吸收塔CO2脱除塔精馏塔CO+H2O→CO2+H2(4)Fig 5 Separation model for DMECO+H2→CH3OH图5DME的分离模型2CH3OH→ CH OCH3+H2O下面考察二甲醚合成反应 Aspen模型中 FSplit5系统的流程模拟参数与反应产物间的关系,其中:模型的输入为:为了比较系统间在能量、经济和环境上的性能21molH2、19 mol co和1 mol Co2(满足氢碳比1:1),反应条件为:260℃、57bar,计算结果如图4所差异,本文使用 Aspen Plus软件设计了3个不同的系统流程,分别是DME单产(ST)系统流程、DME示。由计算结果可以确定合适的 FSplit参数来反映和电的联产(OT)系统流程、煤与天然气联供的联产浆态床反应器的特征。(CC)系统流程。通过对系统流程的模拟计算,可以DME合成反应得到系统中各个物流数据,包括组成、温度、压力、焓值和熵值等。在系统的流程模拟过程中,原料煤和天然气是泸州地区典型的煤种和气种,其组成数据如表3。0.8表3泸州煤和天然气组成20Table 3 Composition of coal and NG in Luzhou(nI095090850.80.750.7065060.550.5045040.35FSplit质量百分数%22643.65天然气Fig 4 Influence on production by the parameter of质量百分数%0.6FSplit in the DME reaction model以二甲醚联产系统为例说明整个系统的流程模图4二甲醚反应模型中 FSplit参数对产物的影响拟(图6)。4粗产品的分离DME.OT过程的进料情况如表4所示。表4DME.OT系统的进料二甲醚合成产物的主要组成是CO,H2,CO2和Table 4 Feed for the DME OT systemDME,并有少量的H2O和MeOH,由于二甲醚易溶压力质量流量于水和甲醇,因此需要复杂的分离系统,以实现二甲煤醚的精制。工业生产中选用水作为反应气体的吸收氧化剂(943%moO2)0.79剂,利用二甲醚在较高压力、较低温度下易溶于水的0.35中国煤化工特点进行物理吸收分离,脱除未反应的尾气;又由于2.553CNMHG水和DME有较大的相对挥发度,从吸收液中脱除溶佚Ⅸ住了,煤、氧化剂和水一起剂水可采用精馏分离的方法,容易获得高纯DME产气化炉进行反应,气化炉的压力为68MPa,出口品,且脱出的水可循环使用,既避免了废水对环境的气体的温度为1160℃;煤气化后产生的合成气经过污染,也可以节约公用工程费用。激冷后,进人水煤气变换装置,约有23%(体积分方数据2006,23(2)周齐宏等:基于合成气的联供联产系统仿真冷凝水MIXERFig 6 Flow chart for the simulation of DME OT system图6DME.OT系统的模拟流程图数)的合成气进行变换反应,未变换的合成气与已0.5),反应热通过中压蒸汽移走,被送往余热锅炉变换的合成气两股物流汇合,达到二甲醚浆态床合用于产生电力;反应器出口的气体经过换热冷却到成反应器对原料气碳氢比1:1的要求;变换后的气60℃,进入二甲醚分离系统,得到93.7%的燃料二体经过换热装置冷却至40℃后进入脱硫脱碳装置,甲醚;尾气与IGCC联产发电。流程中各个节点的冷却移走的热量可产生低压蒸汽,用于全厂的热量热量被送往余热系统产生中压蒸汽和低压蒸汽,在平衡和送往余热锅炉产生电力,经过脱硫脱碳处理,进行全厂热量平衡后通过蒸汽轮机进行热功转换产并使CO2摩尔分数在2%左右;在进入甲醇合成器生电力,在满足厂用电后,整个系统可有大量电力输前气体经过预热装置加热,预热至230℃后进入合出到外部电网,DME.OT系统的用电和产电情况将成反应器,在压力5.7MPa和温度260℃下反应,合在本文的下篇中阐述。DME.OT系统模拟流程中各成反应的CO单程转化率为44%( FSplit参数设为个节点的物流输出数据如表5所示。表5DME.OT过程的计算结果Table 5 Calculation results for the DME OT process.摩尔分数30.4200.2860.3900.4780.3730.4160.0030030.0000.3860.4730.0000.0690.1850.0180.0.9270.0000.4300.0010.0020.0.000CHo0.0000.0000.0000.0000.0030.0000.0.0000.0000.132C2H600.0000.0000.0000.0970.0030.9370.0000.000摩尔流量(mol/s)93.13136.984.37688949.474.324.9815.481.108质量流量(kg/s)1.9452.7301.7841.121.1120.2270.672温度℃22压力bar热值MWl8.2618.0016.180.10通过 Aspen Plus软件的仿真计算同样可以得到上采用联供方式进行,根据需要调节天然气的用量DME.ST系统和DME.CC系统的物流和能流数据,使得合成气不经过变换装置就能达到二甲醚合成气但同DME.OT系统的模拟流程相比,DME.ST系统的要求。由于尾气没有联产电力,而是通过循环装置再次进入合成体系,因此在气化时要选择纯度更高的氧化6中国煤化工CNMH剂,这样可以减少合成气中惰性组分的含量,减轻循以化电厂示坑是未来新能源计划的环系统的负荷,有利于提高系统整体的能量使用效个发展方向。在分析了联供联产系统的关键技术率,在本研究中,DME.ST系统的氧化剂的浓度为的基础上,使用 Aspen Plus软件建立了煤气化、天然9.)系统相比,DME.CC系统在造气环节气气化、二甲醚合成和二甲醚分离等过程的模型,并计算机与应用化2006,23(2)同文献数据进行了比较,验证了这些模型的有效性。(1):4-7通过关键技术的组合设计出不同系统的可能构成,1Wa-a,a, Analysis of chemical equil ibrium in direct吗mhe并计算了整个系统的物流和能流数据,利用这些数s of dimethyl ether from syngas, Petrochemical technology, 2002据,将能够分析出系统的能量( Energy)、经济(Econ-12xieH,etl., Study of process variables on dimethyl etherabsorpomy)和环境( Environment)上的性能,为下文将要进tion. Natural Gas Chemical Industry, 1999,(24): 28-31行的3E研究提供了可靠的数据保证。13 Zheng WJ. Flow dem syngas in one stepand simulation calculation. Science and Technology of LanzhouChemical Industry Co, 1998,(2): 71-75.I Layout of industry circular economy for the city of Luzhou, Research 14 Gong SZ. Progress optimization of dimethyl ether synthesized by gAs-Center for Ecology Industry. Chemical Engineering Department, Tseous methanol-optimization of DME separating column by comput-2 Ouyang ZB, et al. Progress and utilizing scheme of synthetic gaspreparation technology. Modern Chemical Industry,2004,(6):10附中文参考文献1泸州市工业循环经济规划.清华大学化工系生态工业研究中3 Zhang B, et al. Modeling of entrained bed coal gasifiers with Aspen心,2004,12Plus. Joumal of Chemical Industry and Engineering,2003,(8):2欧阳朝斌,等.合成气制备工艺研究进展及其利用技术.现代l779-1182化工,2004,(6):10-134 Simbeck DR,etal. Coal Gasification Guidebook;stus, Applica·3张斌,等,基于 Aspen Plus建立喷流床煤气化炉模型,化工学tions, and Technologies. 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