煤制甲醇气化与变换单元的能效优化

第31卷第5期计算机与应用化学Vol.31, No.52014年5月28日.Computers and Applied ChemistryMay 28, 2014煤制甲醇气化与变换单元的能效优化齐少宁'，李士雨'*李金来2(1.天津大学化工学院，天津，300072;2.新奥科技发展有限公司，河北，廊坊，065001)摘要:以某60万吨/年煤制甲醇装置为背景，选取气化与变换单元为研究对象，利用夹点技术对其用能现状进行了分析，找出违背夹点规则的不合理换热匹配并提出2套优化方案，结果如下:方案1:减少副产0.3 Mpag蒸汽53.8% (工厂该品质蒸汽过剩),增产1.2 Mpag蒸汽6.5 %,新增产2.5 Mpag蒸汽18.83 MW;方案2:减少0.3 Mpag蒸汽51.0 %,增产1.2 Mpag蒸汽22.2 %。当1.2与2.5 Mpag蒸汽价格相差不大、设备材料费用较高时，方案2优于方案1.关键词:夹点技术:换热网络;煤炭气化;变换;煤制甲醇中图分类号: TQ546.4文献标识码: A文章编号: 1001-4160(2014)05-601-604DOI: 10.11719/com. app.chem20140519工智能法[23)以夹点技术法141。其中，夹点技术法!"由于1引言其简单、直观、计算量小而得到了广泛的应用。夹点技气化和变换是煤制甲醇工艺的上游单元，系统高温术在炼油16-8、石油化工9-10)及其他化工装置01]等都取得物流的温度高达415 C，而最终要降到40 C左右，因了显著的节能效果，但是在煤炭气化和变换工业的应用此可以通过副产蒸汽回收系统能量用于后续单元。根据报道不多。热力学第二定律可知，能量具有不同的品质。高压蒸汽本文以某厂60 万吨/年煤制甲醇装置为背景，选取具有的能量品质高于低压蒸汽具有的能量品质。故而，处于上游的煤炭气化与变换单元作为1个系统，利用夹可以通过提高高压蒸汽的产量、降低低压蒸汽产量对气点技术法对该系统的用能现状进行了分析，在此基础上化和变换工艺进行能效优化，提高能量回收效益。提出了2套优化方案，显著降低了低压蒸汽的产量、提目前运用的能效优化方法主要有数学规划法"3)、人高了高压蒸汽的产量。Water slurryE0413H1+H3E06E05_HEOWaterE07c114E0901|TO1V0502V0Waste waterE10ECH1H4C12Syngas个C1O17-V01-02|HV035-1 E0ro204|CondensateR01- -gasifier; R02- shift converter; T01 - -syngas scrubber; T02- ammonia scrubber, V01- -HP flash drum;'vacuum flash drum; V04- NO.2 vacuum flash drum; V05- -NO.1 water separator; V06- -NO.1 water separator, Hi- hot stream i; Cj - cold streamjR01-气化炉; R02- 变换炉; T01-洗涤塔; T02- 洗氨塔; V01-高压闪蒸罐; V02- 低压闪蒸罐; V03- 第一 真空闪蒸罐; V04- 第二真空闪蒸罐V05- 第一 -水分离器: V06- 第二水分离器: Hi- 第i股热物流; Cj- 第j股冷物流Fig.1l Process flowchart of coal gasification and shift units.图1煤炭气化 与变换工艺流程图收稿日期: 2013-08-18; 修回日期: 2013-11-14作者简介:齐少宁(1987- -),女河北人，，硕士研究生，E-mail: shaoning19871016@126.com联系人:李士雨(1964- ),男，天津人，博士，教授，E-mail: shyli126@126.com.2014, 31(5)齐少宁，等: 煤制甲醇气化与变换单元的能效优化603冷却器，H1和H1+H3温度均在该夹点以上,却被夹点以下又可以消除E07跨越公用工程夹点换热、提高冷公用工程的C9和CU3冷却。的温度。②公用工程夹点2处: E07 为H1+H3的冷却器，温度②新增冷却器NO2: H3的温度在公用工程夹点1以下，在该夹点以上，却用了CU2冷却。将E06移到H3.上,消除了跨越公用工程夹点的不合理换热。③公用工程夹点3处: EI0 为HS冷却器，温度在该夹H3剩余的能量通过新加冷却器NO2副产0.3 Mpag蒸汽回点以下，却用C12来冷却; E02、 E11 为H6和H7冷却器，收。虽然工厂0.3 Mpag蒸汽是过剩的，但是通过新增冷却温度在夹点以上，却用冷却水冷却。器N01已经降低很多，同时多余的蒸汽除用于工艺外，还4152 E05380.040206.6s0.可以供给办公区应用、用于冬季供暖等，所以这部分的能量回收还是十分必要的。H1+H3240.8 E0421504.2改造方案2179.5 E01 1749H4HSEI0换热网络的改造过程中冷公用工程为循环冷却水、460.3 Mpag发生蒸汽、1.2 Mpag发生蒸汽，不再副产新的H19H82.5 Mpag蒸汽。利用Aspen Energy Analyzer软件分析得，系统夹点为公用工程夹点2和工艺夹点，能量目标如表C1262023所示，对现有换热网络分析发现换热器E05不再跨越CUI夹点，其他跨越夹点的换热器不变。CU2CU3改造后的换热网络如图5所示，节能效果如表3所226示。具体内容如下:X-13SMwW XP-209MwxP-4.SMW新增冷却器N03: H1+H3 初温为306.9 C，位于公用工程夹点2以上，新增冷却器N03回收该物流夹点以XP - energy cossing pinch; CUI - coling water; CU2 -0.3Mpagsteam generation; CU3 - 1.2 Mpag steam generation; CU4 - 2.5上的能量;该物流夹点以下的能量用来预热1.2 Mpag、Mpag generation0.3 Mpag发生蒸汽的锅炉给水。XP -跨越夹点传递的能量: CU1- 循环冷却水: CU2 -0.3 Mpag发生蒸汽: CU3- 1.2 Mpag发生蒸汽; CU4 - 2.5 Mpag发生蒸汽与方案1相比，方案2只需新增1个换热器，设备Fig.3 The grid diagram of current HEN.投资低; 1.2 Mpag蒸汽产量大幅提高。图3现有换热网络级联图4152 EO503即71574甲醇装置气化与变换单元的节能改造HI+H3品E04215.09.5 E01 1749工厂副产的0.3 Mpag蒸汽严重过剩，所以节能改造400H5的主要目标是降低0.3Mpag的产量、提高1.2与2.5Mpag17蒸汽的产量。E03 427c9 200。4.1 改造方案1188Cil415.2 EOSE07 1572408 EO4 2150N02157CU1H|142730CU3 19￥EO3 427250.0xP-0.0MWxP-4.5MW176Fig.5 The grid diagram of second optimized HEN.86图5 改造方案2的换热网络级联图142550表3换热网络 各级公用工程消耗0Table 3 The uiltis consumption of HEN.CU4 2.110 |公用工程现有换热目标1方案1目标2 方案2UtilityxMw xIF0wwxp-23Mwsolution1 target2solution2MWcurent HEN↓Fig.4 Grid diagram of first optimized HEN.22.9918.5 22.9918.5图4改造方案 1的换热网络级联图U248.6626.9722.4823.82111.9117.8 119.2 138.1136.7改造后的换热网络如图4所示，节能效果如表3所CU420.29 18.83①新增冷却器NO1:HI被C9冷却后温度高达380.9 C，5结论新添加冷却器N01副产2.5 Mpag 蒸汽18.83 MW，剩余部分热量由E07回收。这样既可以副产2.5 Mpag高压蒸汽，气化和变换单元是煤制甲醇工艺的上游单元，可以604什算机与应用化学2014, 31(5)通过提高高压蒸汽的产量、降低低压蒸汽产量对气化和13 Li Jun. GE coal-water slurry gasifcation process overview. AnhuiChemical Industry, 2001, 01:46-49.变换工艺进行能效优化，提高能量回收效益。14 Zhang Xudong and Bao Zonghong. Study on GE coal-water slurry气化与变换工艺为只需要冷公用工程的阈值问题。gasifcation equipment design. Journal of Chemical Industry and本文利用夹点技术法找到了跨越工艺和公用工程夹点的15 Xiao Jiefei, Chen Guangqing and Zong Qiuyun. QDB-03不合用能之处。并针对上述问题提出了2套优化方案。application at high pressure sulfur tolerant shift unit in GEpressurized coal water gasification process. Chemical Engineering方案1:使得工厂严重过剩的0.3 Mpag低压蒸汽量Design Communications, 2011, 37(2):75-77.降低了53.8 %，工厂有用的1.2 Mpag蒸汽量提高了16 Ye Xin and Ding Ganhong. Application of pinch tchnology in thecoal-to-methanol process. Coal Chemical Industry, 2010, (3):1-6.6.5 %，另外副产了新的2.5 Mpag高压蒸汽18.83 MW;17 Kemp Ian C. Pinch analysis and process integration.2nd ed. USA:Elsevier Ltd, 2007.方案2: 0.3 Mpag蒸汽产量降低了51.0 %, 1.2 Mpag蒸汽产量提高了22.2 %。中文参考文献当1.2与2.5 Mpag蒸汽价格相差不大、设备材料费张俊峰，罗雄麟.换热网络设计方法的研究进展[].化工进展,用较高时，方案2优于方案1.2005，6(24) :625-628.? 李志红,华贲,尹清华,等.人工智能与数学规划的集成用于References:换热网络最优合成设计的研究[]石油化工, 1998, 09:36-44.Zhang Junfeng andLuo Xionglin. Recent advances in optimal3 赵辉,丁晓明，陈宏刚，等.换热网络综合方法的研究进展[].synthesis of heat exchanger networks. Chemical Industry andEngineering Process, 2005, 6(24):625-628.计算机与应用化学, 2009, 26(10):1315-1318.?Li Zhihong, Hua Ben and Yin Huaqing, The study design of heat;刘智勇，李志伟,霍磊.夹点理论及其在换热网络中的优化分exchanger networks synthesis with integrated artificial intelligence析[J]. 节能技术, 2012, 30(17):273-277.and mathematical programming method. PetrochemicalTechnology, 1998, 09:36-44.5 王成运.过程集成节能工艺夹点分析[D].中国石油大学, 2011.3 Zhao Hui, Ding Xiaoming and Chen Honggang. Research7王瑞,付峰,高晓明，等利用夹点技术优化设计换热网络[].progress in synthesis of heat exchanger network. Computers and节能技术, 2009, 02:149-153.Applied Chemistry, 2009, 26(10):1315-1318.}Linnhoff B and Eastwood(Member) A R. Overall site optimisation3 王志彬.炼油厂蒸馏装置换热网络的综合、调优及其评价[D].by Pinch Technology. Chemical Engineering Research and Design,郑州大学, 2007.1997, 75:138-144.) 高峰.夹点技术在苯乙烯装置上的研究及应用[D].天津大学,3 Liu Zhiyong, Li Zhiwei and Huo Lei. Pinch point theory and its2009.application in analysis of optimization of heat exchanger network.Energy Conservation Technology, 2012, 30(17):273-277.10宋昌奇. 夹点技术在石油化工中的应用[D].西北工业大学,Wang Chengyun. Process integration for energy saving and2005process pinch analysis. China University of petroleum, 2011.11韩佳宝. 采用夹点技术对玉米加工工艺换热网络优化[D].哈7 Wang Rui, Fu Feng and Gao Xiaoming. Optimization design of尔滨工业大学, 2009.heat transfer network by pinch technology. Energy ConservationTechnology, 2009, 02:149-153.12许刚. VCM装置的热能夹点分析与优化[D].浙江大学, 2005.3 Wang Zhibin. Synthesis and evaluation of heat exchanger13黎军.德士古水煤浆气化工艺概况[].安徽化工, 200, .networks for crude oil discuss plants. Zhenzhou University, 2007.(01):46- 49.Gao Feng. Pinch technology research and application in styreneequipment. Tianjin University, 2009.14张旭东, 包宗宏.德士古水煤浆气化装置I程设计问题探讨[D].10 Song Changqi. Pinch technology application in petrochemical化学工业与工程技术, 2005, (04):37-41, 58.works. Northwestem Polytechnical University, 200511 Han Jiabao. Using pinch technology com processing of network15肖杰飞, 陈广庆,纵秋云. QDB-03催化剂在德士古水煤浆加压for heat exchange optimize.Harbin Institute of technology, 2009.气化高压耐硫变换装置上的应用[].化工设计通讯, 2011,12 Xu Gang. Pinch analysis and optimization of VCM devices.372)75-77.Zhejiang University, 2005.Energy efficiency optimization of gasifcation and shift process in coal tomethanolQi Shaoning', Li Shiyu1* and Li Jinlai2(1. School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)(2. ENN Research and Development Co Ltd, Langfang 065001, Hebei Province, China)Abstract: The energy eficiency of coal gasification and CO shit process of a 600 kt/a coal to methanol device was studied through pinchtechnology. The results showed that the existing process had a huge energy saving potential because a great amount cross pinch heat transferexisted there. In order to recover high grade energy from this process, two suggested solutions were published in this paper. Solution 1:reducing 0.3 Mpag steam by 53.8 % which is overproduction in current factory; increasing 1.2 Mpag steam by 6.5 % and newly producing 2.5Mpag steam 18.83 MW. Solution 2: reducing 0.3 Mpag steam by 51.0 % and increasing 1.2 Mpag steam by 22.2 %. If the price dfferencebetween the 1.2 and 2.5 MPag steams is small and the equipment material is expensive, the solution 2 is better.Keywords: pinch technology; heat exchanger network(HEN); coal gasifcation; shft process; coal to methanol(Received: 2013-08-18; Revised: 2013-11-14).