德士古煤气化工艺CO2排放分析

化工进展2015年第34卷第4期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●947●8研究开发:德士古煤气化工艺CO2排放分析谭心舜'，程乐斯',贾小平2，毕荣山'(青岛科技大学计算机与化工研究所，山东青岛266042; 2青岛科技大学环境与安全学院，山东青岛266042 )摘要:煤化工是高耗能高CO2 排放的工业，利用热力学分析方法对其工艺过程中能量利用情况进行分析，可以有效地发现工艺的能量利用缺陷和节能潜力，为过程的节能优化改造提供依据。目前热力学分析方法主要包括能量衡算法和拥分析法，本文在对传统热力学方法进行分析和评价的基础上，指出了已有方法的不足，提出了新的熵拥分析相结合的分析方法，并以德士古煤气化工艺为例，分别使用传统的能量衡算法、烟分析法和本文提出的熵炯结合分析法对工艺过程的能量利用情况进行了分析，获得了工艺过程中内各模块的能量、熵增和炯损分布。在此基础上，将拥损与工艺过程中CO2 排放量建立联系，经过计算得到了工艺过程中各个设备对应的CO2排放分布和烟损系数，得出气化炉是工艺过程中主要的节能位置。这种能量与CO2 排放的关联能为工艺过程的节能减排提供理论依据。关键词:煤气化;熵产;拥损; CO2排放量中图分类号: TQ021.2文献标志码: A文章编号: 1000-6613 (2015) 04 - 0947- 05DOI: 10.16085/.issn. 000-6613.2015.04.008Analysis of exergy loss and CO2 emission in Texaco coal gasificationTAN Xinshun'，CHENG Lesi'，JLA Xiaoping2，BI Rongshan'( 'Institute of Computer and Chemical Engineering，Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042,Shandong, China; 2 School of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266042，Shandong, China)Abstract: Coal chemical industry is noted for high energy consumption and significant discharge ofCO2. Using thermodynamic analysis to evaluat utilization of energy in such processes can effctivelyfind defects of energy utilization and energy-saving potential, and can provide the basis for energysaving optimization reconstruction of the process. Thermodynamic analysis includes energy balanceand exergy analysis. This paper presents the method of combining entropy analysis with exergyanalysis after reviewing the traditional analysis methods and pointing out their shortages. TakingTexaco coal gasification as an example，energy utilization was analyzed by using energy balance,exergy analysis and the proposed method. Energy consumption，entropy generation and distribution ofexergy loss of all modules were obtained. Based on this, the relationship between exergy loss and CO2emission was established, and distribution of CO2 emission and exergy loss coefficient of all moduleswere obtained by calculation. The gasifier was the main location for energy-saving. This relationshipwe established could provide theoretical basis for energy saving and emission reduction of the coalgasification process.Key words: coal gasification; entropy generation; exergy loss; CO2 emission收稿日期: 2014-09-03; 修改稿日期: 2014-11-04.第一作者:程乐斯(1987- -)，女，硕士研究生，从事化工系统工程基金项目:国家自然科学基金(21136003, 41101570)、 山东省自然科方向。联系人:毕荣山cn@163com.学基金(ZR2011BL010) 及山东省高校科技计划(J11LB65) 项目。中国煤化工MYHCNMH G化I进展2015年第34卷煤炭是我国的主要能源，由煤炭发展起来的煤中的部分煤发生裂解反应，反应后的混合物通过加化工行业是一个需要消耗大量的煤炭资源和水资源压自燃烧喷嘴喷入气化炉内，在来自空分单元的富并排放大量废水废气废渣的大型基础产业出。近几氧气流(其中氧气摩尔分数约为95%)的作用下破年煤化工产业得到了迅速发展，但也伴随着大量浆、雾化喷入气化炉膛。炉膛反应温度为1350~CO2的排放，由此引起的温室效应也日趋严重，工1400C，水煤浆混合物与氧气发生一系列的物理、艺过程中能耗和CO2的大量排放日渐成为人们关注化学过程，如水分蒸发、煤干馏、挥发物裂解燃烧的焦点。因此，实施相应的节能减排措施来减少能以及炭的气化等，最终生成主要成分为CO、H2、源的消耗和废气的排放，是应对全球气候问题、促.CO2、H2O的粗煤气，同时还含有微量的N2、进煤化工绿色发展的重大举措，同时对工艺过程中CH4、H2S、 COS、熔融的灰分以及少量未转化的能量的利用情况与CO2的排放量进行分析是非常有碳0-1。经换热器冷却后，通过旋风分离器进行分必要的2]。传统的能量衡算法以能量平衡方程为基离，熔渣从塔釜排出。塔顶粗煤气经过分流后，分础，只是从量的方面说明能量的利用状况，无法诠别进入换热器换热和洗涤塔洗涤，洗涤产生的废水释系统能量的品质变化，不能正确地指出高能耗的由塔釜排出，塔顶的闪蒸汽经冷凝混合器混合后进部位和节能潜力的大小B1。孙海4利用有效能衡算入煤气净化塔除去coS，得到合成气，进入下一方程把过程内部有效能的不可逆损失进行了量化，工段使用。但未能将能量物质所处的状态考虑在内，因此不能2热力学分析体现装置的用能完善程度。炯分析法根据炯衡算方程确定装置过程的烟损及其分布，但只能分析实际热力学分析方法就是对工艺过程中能量和物质能量系统与理想可逆过程的差距，而无法进行系统的转化、传递、使用和损失情况运用热力学的基本的优化[5-8]。Gouy- Stodola关系式=ToSp将过程中的原理和方法进行分析，从而确定过程中能量或有效熵产与炯损联系起来9。本文提出熵炯结合分析能损耗的多少、原因及其位置，进而找到工艺过程法，通过计算并进-步分析不可逆过程的熵产，使改进的潜力大小，并为制定相应的优化措施提供理熵产成为评价能量的指标，并将建立炯损与CO2排论依据12141。放量的关系。本文以水煤浆进料量193601.35kg/h、 富氧气3638.43kmol/h为基础，分别对该工艺运用能量衡1工艺介绍算法、炯分析法和熵炯结合分析法进行来计算、分德士古水煤浆气化工艺流程如图1所示。煤质析，并评价该工艺过程的能量利用情况，指出节能量分数约为65%的水煤浆先进入裂解塔，使水煤浆的位置，确定节能的潜力,同时评判这3种热力学煤气净化塔冷凝混合器氧气闪蒸汽裂解塔压缩机白气化炉水| 闪蒸汽N合成气洗涤塔1水煤浆洗涤塔20换热器1换热器2换热器30废水混合器=>废水一粗煤气<旋风分离器分流器.熔渣图1德士古煤气化工 艺流程中国煤化工MHCNMH G第4期谭心舜等:德士古煤气化工艺CO2排放分析●949●分析方法的分析实质及各自的优缺点。能量衡算法分析结果表明，总能量中66.09%2.1能量衡算法分析的热量由粗合成气带走进入下一.工段，闪蒸塔釜带能量衡算法是以热力学第一-定律为基础的-一种走的热量占到23.91%，因此节能的重点是尽量回方法，具有普遍的适用性。通过能量衡算方程从能收闪蒸塔塔釜物料所携带的热量，但这会导致最终量转化的数量角度衡算能量的变化情况，通过物料粗合成气中品质降低，对后续工段的进行有直接影与能量衡算计算出过程中的各项输入能量、输出能响，也会降低最终产品的质量。因此，该方法不能量，从而指出能量的分布、排出能的分布以及冷煤有效地指出节能的位置。气效率η。2.1.3 冷煤气效率η2.1.1能量衡算方法计算煤气化过程实质上是煤由固态通过气化炉转化能量衡算方程如式(1) 。成气态的煤气，并伴随着能量的转化、迁移和损2+Q2+Q3=24+9s + 26(1)失，因此，煤所能提供的总能量不能完全转移到煤其中Q和Q4指物料带入设备和带出设备的热气中，这种转化关系用冷煤气效率来表示。量，可根据式(2)、式(3)计算。冷煤气效率是衡量气化炉工作性能好坏的重要Q=Smc,(T-T)指标，其定义为生成的气化煤气的热值与所用煤的Q=Sme,(T-T)3)热值之比如式(4) [15-16。式中，m为质量，kg; To 为基准温度，K; CpQgas(4)为物质的定压比热容，kJ/(kg:K); T、T4 分别为Qcoal进、出物料实际温度，K.式中，n为冷煤气效率，% ; Qgas 为气化所得该工艺过程中物料带入设备的热量Q1包括进煤气的热值，kg/h; Qcoal 为所用煤的热值，kg/h。料中煤的热量、水的热量、气体的热量。物料带出经计算，排出气化炉的煤气所带的热值Qgas为设备的热量Q4包括粗合成气带走的热量和闪蒸塔2.758x 10°kg/h，因此该工艺过程中气化炉的冷煤气釜混合物带走的热量。设备热负荷Qz可根据Aspen效率η为73.5%。Plus计算结果中得到。Qs表示的是加热或冷却设备2.2炯分析法所消耗的热量或冷量，由于本工艺是稳态操作，故炯分析法以热力学第二定律为基础，通过有效Qs= 0。设备向环境散失的热量即设备的热损失Q6,能(炯)平衡方程计算过程的各项有效能损失及分按设备总热量的10%计算。根据能量衡算方程，即布，特别是能计算出有效能排出损失的情况，从而找出能力利用的薄弱环节17-1]。可计算出煤气化工艺过程的热效应Q3。2.2.1炯方法计算2.1.2能 量衡算方法分析结果根据上述计算公式对该煤气化工艺能量分布进有效能(拥)衡算方程如式(5)行计算分析，计算结果如表1。SB.=SBw+ZD(5)表1能量衡算法分析结果有效能(煳)即系统从实际状态到基准状态所项目输.入能量输出能量做的理想功，即式(6)。/kJh-1%/kJh11/%B=Wd=(H2-HI)-To(S2 -S)进料中煤的热量3.752x10° 0.0452D即过程的有效能损失，对于不可逆过程来气体的热量1.184x1010 12.60说即不可逆损耗，见式(7)。水的热量4.474x107 0.050设备热负荷-4.999*108 -0.531ZD=T,AS(7)过程的热效应7.885x1010 83.92.2.2炯方法分析结果粗合成气带走热量6.211x1010 66.09炯分析法对整个工艺能量分布进行分析，根据闪蒸塔釜混合物带走热量2.248x10'0 23.91上述计算公式计算出工艺过程中的能量分布，分析向环境散失的热量9.398x109 10结果如表2。合计9.398*1010 100 9.398x1010 100从表2中中国煤化工于工艺中设YHCNM HG●950●化I进展2015年第34卷表2炯分析法分析结果2.3.2炯损 Ir及其与CO2的联系输入爛输出炯由于熵增Sp只能表征过程的不可逆性，无法项目/(kJh-'19AkJ:h-%量度模块能量的损失，因此，利用Gouy- Stodola关理想功4.896*108100系式I=ToSp将熵增转化成模块的炯损，从而使熵输出功1.320x 10%26.96增作为衡量能量损失的--个量度指标。不可逆损耗在煤气化进行的过程中，随着能量的产生、传气化炉1.097*108 22.41递和转化，有大量CO2直接产生，一部分随合成气裂解塔3.946*10706进入后续的变换阶段得以利用，一部分在后续阶段3个换热器1.440x108 29 42进行洗涤吸收。由于能量的变化，会间接导致CO22个闪蒸塔6.416x107 13.10的产生，因此对过程中间接产生的CO2的量进行分混合器2.271x10*05析尤为必要，与能量的联系也将为过程中的节能提小计3.576*108 73.04供理论依据。合计4.896x 10*104.896x10*00将佣损折算成标煤产生的热量，再将标煤产生热量折算成CO2的排放量，从而将拥损与CO2排放备内部不可逆过程导致的不可逆损耗占全部有效能量联系起来了，见式(9)的73.04%， 因此工艺内部的不可逆损耗是有效能(9)分配变化的主要原因;其中3个换热器和气化炉的Qx.co不可逆损耗分别占有效能损耗的29.42%和式中，mco2为实际工艺中CO2的排放量，kg;22.41%，但是单个换热器的不可逆损耗占有效能Qscal为lkg 标煤产生的热量2.9307x 10kJ/h;损耗的比例较小，可以不作为节能对象。因此，气mco2.st为1kg标煤生成的CO2量2.67 kgo化炉是节能的主攻方向。2.3.3炯损系数2;2.3熵炯结合分析炯损系数表示的是在一一个大体系中某-一子体系本方法从系统的熵增炯减出发，根据模拟结果的炯耗损与大体系总消费拥的比值。见式(10)中的模块进出口的熵值计算出模块的熵增，由关系[16]。式I=ToSp计算出模块的烟损，并根据工艺的总消费拥得到各个模块的炯损系数，找到工艺过程的节能(10)位置和潜力所在。式中，Ecal-in 为输入煤的炯，kJ/h; Eecal-uncov.该分析方法把系统中的所有设备都视为黑箱，为未转化煤的煳，kJ/h; Egas-in 为入口气体的煳，以熵流为纽带将设备之间连接起来。利用黑箱模型，主要考虑系统整体的用能情况，从而识别系统kJ/h。各个模块的拥损系数揭示了每个设备在总炯耗中能耗最多的环节19。损中的相对地位，从而表明了工艺中损失的分布情2.3.1熵增 Sp及熵方程不可逆过程中，由不可逆因素引起的熵变成为况，为工艺节能提供了理论依据。其中，输入煤的熵产，以符号dSg 表示，并且dS>0。 根据引起熵炯和未转化煤的炯可按式(11)计算。变化的物理原因将闭口体系中熵的变化(dSp) 分为Ecoal = Ss,coal x(l - Xcoalsh )x mcoal(11)两部分，即熵流(dSp=d2)和熵产(dSg) ，前者式中，olh为煤中灰分质量分数，%。是由体系与外界的热交换引起的，后者是过程的不经计算，气化工艺的总消费炯(即Ecal.in-可逆造成的。对于开口体系的稳定流动体系，其不Ecoal-umcomv+ Egasin)为1.5048x 10l0 kJ/h。可逆过程的熵增符合式(8)。2.3.4熵佣分 析结果s,=Z二+s。=ZSm -2Sm8)根据上述公式可对德士古煤气化工艺进行分析计算，分析结果如表3。即不可逆过程的熵增(熵流和熵产)等于进出根据表3中的分析结果，可得到气化炉的炯炯物流所带熵之差。损、熵产和炯中国煤化工气化炉是节YHCNMHG第4期谭心舜等:德士古煤气化工艺CO2排放分析●951●表3熵拥结合分 析法分析结果参考文献设备嫡产炯损mco,1] 金涌，周禹成，胡山鹰低碳理念指导的煤化工产业发展探讨[J].名称/kJh'K-/kJh 12/%/k化工学报，2012，63 (1): 4-5.裂解塔- 1.323x10 - 3.946x 107-0.263.595x102] 刘永健，何畅，冯霄，等煤制合成天然气装置能耗分析与节能气化炉1.850*105.515x10*3.665.025x10*途径探讨[J].化工进展，2013, 32 (1): 48-49.换热器- 4.831x10 -1.440x 108-0.91.312x10* .3] 李璟.能源化工系统的烟分析与生命周期评价[D]. 广州:华南理工大学，2011.闪蒸塔. -2.152x10* -6.416x 107-0.435.846x103[4]孙海. 热电厂工艺过程的能量分析与研究[]新疆石油学院学报，分流器-9.755x 10+-0.291-1.88x109 2.650x10~32004，16 (2): 54-55.混合器- 7.616*102- 2.271x10' -1.47*10-3[5]曾庆华. 基于熵分析的火电厂热力系统热经济性矩阵方程[D].北京:华北电力大学，2008.6] 崔国星，盛新，张丽华。Shell粉煤气化系统的烟热力学分析[D].洁能的重要环节。从折算出的CO2的排放量看，气化净煤技术，2010，16 (3): 48-50.炉的炯损对应产生的量是最多的，因此对气化炉的[7]汪洋， 于广锁，代正华,等气流床煤气化系统的热力学分析[].化学工程，2007, 35 (2): 75-78.优化是工艺过程CO2减排的关键。.8] Tsatsaronis G Thermoconomic analysis and optimization ofenergy system凹. 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