煤制甲醇气化与变换单元的能效优化 煤制甲醇气化与变换单元的能效优化

煤制甲醇气化与变换单元的能效优化

  • 期刊名字:计算机与应用化学
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  • 论文作者:齐少宁,李士雨,李金来
  • 作者单位:天津大学化工学院,新奥科技发展有限公司
  • 更新时间:2020-03-23
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论文简介

第31卷第5期计算机与应用化学Vol.31, No.S2014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% (I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)05-601-604DOL: 10.11719/com.app chem20140519工智能法121以夹点技术法14。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(68]、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。_oWater slurryE0413H1+H3E0629土E05HS .U30901|T0I02Waste waterE10H1C12SyngasA fero17E1102|V03 .H6s1 EO:V04CondensateR01- gasifier; R02- shift converter; T01- -syngas scrubber; T02- ammonia scrubber; V01- -HP flash drum; V02- -LP flash drum; V03- -NO.1vacuum flash drum; V04- NO.2 vacuum flash drum; V05- NO.1 water separator; V06- -NO.1 water separator; Hi- hot stream i; Cj - cold stream jR01-气化炉: RO2- 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: H-第i股热物流; Cj- 第j股冷物流Fig.1 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: shylil26@126.com602计算机与应用化学2014, 31(5)2气化与变换单元物流分析Aspen Energy Analyzer 软件分析得,系统夹点温度(表2)、平衡总组合曲线(图2)、以及各品质公用工程能量2.1背景工艺简介目标(表3)。在此基础上建立现有换热网络(图3),从以60万吨/年煤制甲醇装置为背景,水煤浆气化与而得到现有换热网络各公用工程消耗情况(表3)。变换单元的工艺流程简图如图1所示。表2夹点温度该装置气化单元采用德士古水煤浆气化工艺1314。Table 2 Pinch temperature.水煤浆与氧气混合进入气化炉R01进行氧化反应,出气夹点TI/CT2/C化炉的气体去往洗涤塔T01; 洗涤塔顶水煤气去往变换inch公用工程夹点1单元;气化炉、洗涤塔底排出的黑水进入闪蒸系统。240.8225.8uility pinch 1该装置的变换单元采用的是钴钼催化剂低温耐硫工公用工程夹点2艺。水煤气经冷却、闪蒸进入E0S预热,而后去变换炉utility pinch2206.6191.6R02进行变换反应,反应后的气体H1被反应气体C9冷公用工程夹点50却后,与配料气体H3混合,使H2/CO达到2.05 +0.05utility pinch 3的设计要求"S),送往后续单元回收热量。最后进入洗氨TI - hot stream temperature: 72 - cold stream temperature塔TO2洗去气体中的氨,塔顶得到变换气去往净化工序。T1-热物流温度: T2 -冷物流温度2.2工 艺物流数据只需要冷公用工程或热公用工程的问题,称之为阈气化与变换单元物流提取数据如表1所示,其中有值问题。阈值问题的节能降耗主要在于寻找跨越公用工热物流8股、冷物流4股;公用工程为循环冷却水及0.3、程夹点的不合理换热,并提出相应的优化措施,降低公1.2、2.5 Mpag发生蒸汽。需要特别注意的是,现有换热用工程的品位(降低热公用工程的温度或提高冷公用工网络和改造方案2级联图中的热物流H1+H3 (表1未列程的温度) [16。 气化与变换工艺为只需要冷公用工程的出)。反应后气体H1与反应气体C9换热后,和配料气阈值问题,因此本文的节能降耗主要为提高冷公用工程体H3不等温混合,所得物流为H1+H3。但是,在改造的温度,具体方案为提高高压蒸汽的产量、降低低压蒸方案1中为了能够得到更多的换热机会、副产更多高品汽的产量、减少冷却水的消耗量。质的蒸汽,HI和H3并不混合而是分别冷却到V06的入图2为系统的平衡总组合曲线,图中也标出了现有口温度。换热网络公用工程。可以发现现有换热网络中公用工程表1工艺物流数据匹配不合理,存在多处跨越夹点的换热,浪费了高温热Table1 Process streams.物流编号物流名称Tw/CTow/CAHMW源的品质。对比现有换热网络各公用工程消耗与能量目stream NO. stream name标的具体值(如表3所示),可知现有换热网络具有很大415.2186.323.91的节能潜力。反应后气体157.015.67239.740012水煤气215.093.38350H3配料气体214.40.0295300214.4 .30.85Uility pinch IH4高压闪蒸汽179.5174.924.67[ 200Uility pinch2153.0142.05.666150第二分离器15气体50.024.9710Jility consumption of curet HEN50.0 .40.01.723能量目标公用工程夹点3H6密封泵出水104.02.225Uility pinch3H7第一真空汽71.941.06.1140 20406080100120140160180第二真空汽14.65H/MW反应气体250.03.609Fig.2 Balanced grand composite curve of gasifcation and shftC10灰水11.0176.6C11中压锅炉水145.8图2气化和变换工 艺的平衡总组合曲线C12工艺脱盐水35.03.2 匹配不合理之处3甲醇装置气化与变换单元的用能分析夹点设计规则为17]:夹点之上不应放置公用工程冷却器;夹点之下不应放置公用工程加热器:不应有跨越3.1 节能潜力分析夹点的换热器。图3显示,现有换热网络存在多处跨越从系统实际操作工况、设备投资费用以及操作费用夹点的不合理换热,具体为:等因素综合考虑,取最小换热温差ATmim=15 C。利用①公用工程夹点1处:EO5和E06分别为HI和HI+H32014, 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0.3Mpag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:。2408 20650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。HI+H32408 E042i504.2改造方案2179.3 E01 1749H4130E08 E09换热网络的改造过程中冷公用工程为循环冷却水、4546光0.3 Mpag发生蒸汽、1.2 Mpag发生蒸汽,不再副产新的H17H82.5 Mpag蒸汽。利用Aspen Energy Analyzer软件分析得,800766系统夹点为公用工程夹点2和工艺夹点,能量目标如表123所示,对现有换热网络分析发现换热器EOS不再跨越CU1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CU4226示。具体内容如下:X-135MW XP-20.9MWXP-4.5MW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 crossing pinch; CUI - cooling 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 generationXP -跨越夹点传递的能量: CU1-循环冷却水: CU2 -0.3 Mpag发0.3 Mpag发生蒸汽的锅炉给水。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Fig3 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00,20509HI+H3售03即1574甲醇装置气化与变换单元的节能改造! H220E04215.079.5 E01__ 174.94工厂副产的0.3 Mpag蒸汽严重过剩,所以节能改造15EI0的主要目标是降低0.3 Mpag的产量、提高1.2与2.5 Mpag400177蒸汽的产量。4.1 改造方案148C9 2902159176C101458240206.6心30.0H1 1203C12cu1为°日H30CU3 19E034222500XP-00MWXP-45MWFig.5 The grid diagram of second optimized HEN,图5改造方案 2的换热网络级联图CUl1424501040表3换热网络各级 公用工程消耗040Table 3 The utilities consumption of HEN,CU4 22公用工程现有换热目标1方案1目标2xFLIMw xXP=0OMwUtility网络targetsolutionl target2 solution2current HEN22.9918.5 22.9918.5Fig.4 Grid diagam of first optimized HEN.图4改造方案1的换热网络级联图48.6626.97 22.48 26.97 23.82U311.9117.8 119.2138.1136.7改造后的换热网络如图4所示,节能效果如表3所20.29 18.83①新增冷却器N01:H1被C9冷却后温度高达380.9 C,5结论新添加冷却器NO1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 gasification process overview. Anhui变换工艺进行能效优化,提高能量回收效益。14Zhang Xudong and Bao Zonghong. Study on GE coal-water slury气化与变换工艺为只需要冷公用工程的阈值问题。gasification 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, ChenGuangqing 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 technology 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 lan 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1 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) :625-628.2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.lZhang 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. 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The results showed that the existing process had a huge energy saving potential because a great amount cross pinch heat transferreducing 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 stcam by 51.0 % and increasing 1.2 Mpag stear by 22.2 %。If the price differencebetween 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 gasification; shift proces; coal to methanol(Reccived: 2013-08-18; Revised: 2013-11-14)

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