基于合成气的联供联产系统的3E分析

第23卷第3期针算机与痃用化营Vol 23, No. 32006年3月28日Computers and Applied ChemistryMarch, 2006基于合成气的联供联产系统的3E分析周齐宏,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 Aspen Plus建模的基础上,计算了二甲醚单产系统、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各自的热效率和娳变化情况,通过分析比较,二甲醚联产系统的热效率要比单产、单产系统的组合更好;煳分析表明系统中化学娳转换为物理娴的过程是造成系统热效率差异的最重要因素。通过经济和环境的评价分析,指出投资和原料的价格是决定联供联产系统可行性的关键。在以泸州为背景的分析中,二甲醚与电力联产是符合当地实际情况的优选实施方案的结论。通过环境分析,证明了由于联产系统、联供联产系统内部的耦合作用,使得温室气体减排效果有显著提高。关键词:联产联供;二甲醚;分析;经济;环境中图分类号:TQ021.8文献标识码:A文章编号:10014160(2006)03-193-1973E analysis of co-feed and co-generation system based on the syngasZHOU QiHong, HU ShanYing, CHEN DingJiang, LI YouRun and ZHOU LiDepartment of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)Abstract: On the basis of simulations with Aspen plus, the separate thermal efficiencies and exergy efficiencies of the standalone sys-tem, the co-generation system, the co-feed co-production system are calculated. The comparisons show that the thermal efficiency ofco-generation is higher than that of standalone system to DME production, and the transfer from chemical exergy to physical exergy iscrucial to the system efficiency. Via the evaluation and analysis in economy and environment, it is known that investment capital andraw material prices are pivotal to feasibility of above-mentioned system. Environmental analysis shows that symbiosis couplings in theco-generation system and the co-feed co-production system can obviously reduce the emission of green house gasKey words: co-feed and co-generation, DME, analysis, economy, environmentZhou QH, Hu SY, Chen DJ, Li YR and Zhou L. 3E Analysis of co-feed and co-generation system based on thesyngas. Computers and Applied Chemistry, 2006, 23 (3): 193-1971引言式的能量其品质不同。能量平衡方法只能反映能在在系统仿真一文中,已经用 Aspen Plus软件量上的损失,不能反映能在质上的损失,即无法反映对联供联产等系统进行了建模仿真工具,得到了各能的劣化程度或能的贬值程度,因而无法反映能量自系统的物流、能量数据。本文将在此研究基础上消耗的根本原因,这就需要使用分析法。姐分析对系统的能量利用情况和经济环境特征进行研究。法的依据是能量中媚平衡关系,即热力学第一定律和第二定律。通过分析揭示出能量中姐的利用和损2系统的能量分析失的情况,确定出该系统或装置的烟利用效率。能量分析是为了确定系统能量使用过程中的合2,1系统的热效率理性问题,一般能量分析的方法可以分为能量平衡通过 Aspen Plus建模与模拟计算,可以确定各法和姗分析法两种。能量平衡法的依据是能量的数种流程中物流的状态参数(包括流量、温度、压力和量守恒关系,即热力学第一定律。通过能量分析可组成),此外软件还可以计算出各个单元过程的热以揭示能量在数量上转换、传递、利用和损失的情负荷情况。但在计算系统热效率的时候还需确定:况确定出系统或装置的能量利用或转换效率。但系统输人输出的化学品热值和系统的用电量和电是仅有能量的数量平衡计算是不够的,因为不同形产量中国煤化工(1)CNMHG收稿日期;20050816;修回日期:2005-10-16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:胡山鹰计算机与痃用化营2006,23(3)系统的热效率=该过程的输入为1kg/s,流程为“煤→气化→合成气输出系统的化学品热值+系统的净用电量00(1)净化(脱硫)→燃气轮机→蒸汽轮机输入系统的化学品热值表1DME合成系统的热效率煤的热值可采用式(2)计算21,Q表示热值,CTable 1 Thermal efficiency for the DME synthesis systems.H、O、S、A、M分别表示煤中碳元素、氢元素、氧元系统OTSTCCGCC素、硫元素、灰份和水分的质量百分数。计算得到原输人煤气化23.2923.2923.2923.29料煤的热值为23.3MJ/kg净输出化学品8.55Q=6984+275C+805.7H142.904.78-1.21+60.7S-74.4A-129.2M化学品26.3459.6027.60天然气中甲烷是主要成分,并含有少量其他饱系统效率电20.52-5.2122.6839.6146.8654.4050.27和烃、氢气和一些无机气体如二氧化碳、氮气等,其热值常用天然气中各可燃组分的热值与其体积分数虽然二甲醚的单产过程的热效率更高,但考虑的乘积相加求得。计算得到原料天然气的热值到电和化学品的差异,以相同的产品为基准地进行为48MJkg,可燃气热值的计算同天然气热值的计热效率比较更有实际意义:1kg/s煤经OT系统可以得到6.13MW二甲醚和4.78MW电;而0.4420算。系统用电主要由空分系统、合成系统、循环系统kg/s经ST系统生产二甲醚和0.5914kg/s经ICCC以及全厂厂用电四部分组成,系统的用电量可采用系统发电就可以得到与OT等量的二甲醚和电,即两个单产过程的组合需要煤1.0334kg/s,因此联产式(3)-式(7)对上述各部分进行计算。空分系/94.5%02用电量(MW)=135·02的质量流量(k)(3)系统比单产系统的热效率更好。9.5%02用电量(Mw)=1.5·02的质量流量(kg/)(4)2.2系统的嫻效率合成系统用电量(MW)=0.002·二甲醚热值(MW)(5)能量在转换时具有量的守恒性与质的差异性循环系统 Aspen计算出循环机作功大小(6)通过热力学第一定律的比较,解决了系统变化前后全厂用电用电量(MW)=001·原料的能量(Mw)(7)能量的数量关系,却没有解决系统变化的方向问题,化电联产系统的尾气仍然具有很高的热值。在因此需要用分析方法来阐述能量利用过程中化电联产系统中,这部分尾气先进入燃气轮机燃烧质”的变化情况,解释过程中能量的利用情况后作功发电,作功后的排气温度仍有600℃以上,其计算娳时,考虑了物理娳和化学畑,其中物理畑与来自系统内各部分的热量进入余热系统产生中压包括温度姐(式(8))和压力堋(式(9)),化学采蒸汽和低压蒸汽再经过蒸汽轮机作功发电,整个燃龟山吉田模型的方法;此外煤的娜值根据煤的气一蒸汽系统发电系统可以类比于IGC系统。由元素组成进行估算”,水的娜值通过手册查到°。于化学品单产系统所排的尾气较少,假定其发电系c, dT-Tol edT(8)统由余热系统和蒸汽轮机组成。由于IGCC发电系统十分复杂,参考 Simens、Ex rt In P(9)ABB和GE等公司制造的典型IGCC系统的热功转为了确定系统内能量利用与损失的情况,需要换数据,并计算出各个IGC系统燃机部分和汽对系统进行划分;将整个系统划分为造气系统合成机部分的热功转换效率,经比较发现,燃机系统的热气净化系统、合成系统、分离系统和尾气发电系统功转换效率在0.3-0.35之间,汽机系统的热功转如图1换效率在0.25-0.3之间。本文取燃机系统热功转在造气子系统中,输入的主要是化学和电换率0.33、汽机系统热功转换率0.285来计算系统姍;气化后,合成气具有一定的化学娴与物理外的发电量产出中国煤化工可以得到电烟;合成根据 Aspen Plus计算得到的各个系统的物流和气经CNMHG流失,净化系统将损能流数据,可以计算得到系统的能量利用情况和系失一是重m化学州;仕成气进行合成反应时,合成统的热效率(表1)。OT和ST系统的输入都是以1子系统除了内部化学娴的转换外,产生的中压蒸汽kg/s为基准,CC系统的输入以kg/s煤+匹配的天还可以带来一定的电;在分离系统中,主要进行的然气号为建同时还计算了C系统的热效率,是物理变化过程,这部分的姚损米自物理的变化006,23(3)周齐宏等:基于合成气的联供联产系统的3E分析195装置投资=国产化因子x投资数据装置生产能力原有设备生产能力(10)闷计a投资数据,本文考虑国产化因子为0.65(燃气轮机系统国产化因子为1)。整个系统的投资除了累加的子系统固定投资外,还要考虑土地、管道设备、建设期贷款利息等费用和一些其他不可预见的费用,本文中取这部分费用是系统投资的20%。Fig. 1 Energy flow of system and division of sub-system表2设备投资数据图1系统的能流及子系统划分Table 2 Data for equipment investment(71在尾气发电过程中,化学要转变成热娴,然后再进基准物规模单位基准投资(M)规模因子行热功转换,因此化学和物理都将有不同程度原煤272.10煤气化炉原料热值7160.67的损失。NG气化炉61分装置纯02量21对二甲醚单产系统、联产系统和联供联产系统WGS装量原料热值1450MW脱除元素S29.3Mo/s44中的各个子系统的输入畑和输出娳进行了计算,得C0S脱除C02吸收量2064.4Ml32.80S收回元素S22,900.67到了系统的娴流图和损分布,以联产系统为例(图余热系统及蒸汽机输出电量20094.700.672)。在气化和发电子系统中,由于化学能转化为热DME.OT合成与分离进料气2910Mdl能带来了巨大的娜损失;在合成子系统中,系统的娴ME.ST合成与分离进料气8680Mol/s87.370.65损很小。因而,提高系统的能量利用效率关键在于分别计算了化学品生产规模分别为5、25、50和强化化学能转变为物理能这类过程的效率。100万吨/年时系统的总投资,结果如图3。由于ST3系统的经济评价系统和OT、CC系统的电产量不同,为了比较它们的总投资,加入了“ST+IGCC”组合投资,其中IGCC由不同原料和不同产品组成的联供联产系统在的规模为OT系统的发电量(在相同化学品输出时,现实中能否被人们接受并在未来工业中实现,需要OT系统的发电量比CC系统小)。对其进行经济评价。在研究中计算了各个系统的投虽然单独ST系统的投资比OT和CC系统要低资和产品的生产成本。很多,但是将发电部分的投资一并考虑的话,ST+3.1系统的投资IGCC组合系统的投资比OT和CC系统高。为了解对设备投资进行初步估算时,往往以过去某一释单产系统的组合投资多这一事实,以化学品产量时刻的数据为依据,利用费用指数和幂系数法进行为5万吨/年的各个系统为例进行说明。图4是各投资建厂的初步投资数据估算,见式(10),规模指个系统的子系统投资情况,其中,气化子系统投资包数n与装置有关,在0.3~0.7间不等。通过多套小括煤预处理、煤气化及天然气气化的投资;合成子系规模装置并行实现的大规模生产,其规模指数一般统投资包括水煤气变换、合成气净化、反应合成及产取0.85~0.90。然后将估算的单独设备的投资费品分离的投资。从中发现:ST+IGCC系统投资多的用累加起来得到系统投资费用。表2为系统的设备原因主要来自气化装置的投资,而CC系统投资较联产系统的火用流图联产系统火用损分布日化口出42.95%中国煤化工CNMHG.23%输入气化净化合成分离输出Fig. 2 Exergy flow sheet of each system and distribution of exergy loss图2各个系统的娳流图和娳损分布针算机为用化2006,23(3)口单产系统ST■联产系统OT10106IGCC发电成本0联供联产系统CC口单产系统组合sT+C042、03840317M0.326DME产能(万吨/年)GCC电厂规模(万KWFig 3 Analysis for system investmentFig 6 Cost of the electricity by IGCC图3系统的投资分析图6不同规模下,DME生产成本产品的成本影响(图7)。目前泸州的天然气资源已经接近枯竭,需要从重庆等地外调,而煤炭资源尚未开发,且资源储量很大,当地的工业电价在0.27元/kwh左右,所以可以看作是一个气贵煤廉的典型代表,而且这种现象在我国相当多的资源产地普遍存WN在,泸州在技术路线选择时,若从纯经济角度考虑,宜选DME.OT路线。联产OT单产组合ST+GCC联供联产CC气化围合成口发电口其他0元Nm3Fig 4 Analysis for system(50kt/a) investmen图4系统(5万吨/年)的投资分析低是因为其省去了变换装置的投资5003.2产品的生产成本除系统的投资外,产品生产成本也是实际项目规划中所关注的问题,成本估算如式(11)燃料产品成本。年投资费用+燃料使把果是维护费用一电力收人(11)0.100.150.200.250.300.35040电价元压wh本文首先计算了不同规模下(原料使用费相Fig7原料对生产成本的影响(25w/a)同),化学品生产成本和1GCC的发电成本(如图E 7 Influence of raw material to producing cost.和图6)。当DME产品规模较小时,单产系统投资少,而规模变大时,联产和联供联产系统逐渐显示出4系统的环境评价优势。石能源与资源的大量使用已造成严重的环境污I 5wva a 25wt/a g S0wt'a Q 100wva染问题,随着工业文明的飞速发展,这一趋势也日益3000加重,但是人们早已意识到这个问题了,并在有意识地降低这种影响。以合成气为核心的化石能源利用技术是十分清洁的技术,如IGCC技术已经能够很好地控制S、N和颗粒物的排放,但是对于温室气体CO2的排放,只能在能源使用效率上实现减排的意义联产OT联产组合ST+GCC联供联产CC生产方式中国煤化工+GCC和C过程CO,CNMHG系统减排CO2的效Fig 5 Cost for the DME production.图5不同规模下,DME生产成本果。由于系统的原料不同,采用CO2排放率(式本文还计算了25万吨/年DME产量下,原料价(12))进行比较。格对产品成本的影响。以泸州8为例,讨论电价对所排放CO2中C元素的量CO2排放率=原料中C元素的量2006,23(3)周齐宏等:基于合成气的联供联产系统的3E分析OT、ST过程由于能够在进入反应器前吸收比较当地实际情况的优选实施方案的结论。通过环境分多的CO2,使得其相对于CC过程能够减少CO2的析,证明了由于联产系统、联供联产系统内部的耦合排放,但是如果考虑ST+IGCC单产系统组合与OT作用,使得温室气体减排效果有显著提高。和CC两种联产系统的比较,会发现由于IGCC系统 Ref没有脱CO2过程,有较多的温室气体将会排放,使1 Zhou QH,etl. System simulation of co-feed and co-generation s联产过程相比要差一些,如图8所示:有54.4%的C(2):1812mnga. Computers and Applied Chemist.0023得整个ST+IGCC系统的CO2排放性能与OT和CC元素以CO2的形式排放到大气,而OT和CC过程分2 Chen WM. Heat value of coal and its calcution. (2nd Version). Beijing China Coal industry Publishing House, 1982: 246-246别为45.9%和52.8%。3 Cornelissen R L, et al. Exergy analysis of cryogenic air separationCO2排放率Energy Convers Manage, 1998,(39): 1821-1826联产OT■单产组合ST+GCc日联供联产Cc4 Jiao SJ. Gas and steam combined cycle power generation. Beijin5 Zhu MS. Exergy analysis of energy system. Beijing: Tsinghua Univer-sity Pulishing House, 1988,4.6 Zhong SM, et al. Parameter handbook of water and steam with the pa-rameter of Exergy. Beijing: Hydro-Electricity Publishing H7 Paolo Chiesa, et al. Co-production of hydrogen, electricity and CO,from coal using commereially-ready technology. Second Annual Con-规模万吨/年ference on Carbon Sequestration Washington, 2003, 5: 5-88 Chemical Engineering Department, Tsinghua University. Layout ofFig.8 Emission ratio of CO, during the synthesis of DMEindustry circular economy for the city of Luzhou, Research center forEcology Industry, 2004, 12图8二甲醚合成过程的CO2排放率附中文参考文献5结论1周齐宏,等,基于合成气的联供联产系统仿真.计算机与应用化学,2006,23(2):18-122使用能量分析的方法,比较了单产系统联产系2陈文敏.煤的发热量和计算公式(修订二版).北京:煤炭工业统的热效率,二甲醚电力联产系统的热效率比单产出版社,1982,245-246组合的系统要高;通过对系统的划分,研究各个子系焦树建,燃气蒸汽联合循环发电,北京:机械工业出阪社焦树建统的及娳损,表明了在由化学畑转变为物理娳的5朱明善,能量系统的姐分析北京:清华大学出版社,1988,4过程中,能质损失很大,而这正是决定系统性能的关6钟史明,等,具有参数的水和水蒸汽性质参数手册,北京:水键因素。通过经济和环境的评价分析,指出投资和利电力出版社8清华大学化工系,生态工业研究中心,泸州市工业循环经济规原料的价格是决定联供联产系统可行性的关键。在划,2004,12以泸州为背景的分析中,二甲醚与电力联产是符合中国煤化工CNMHG