煤基和天然气基DME联产比较

第28卷第4期工程热物理学报2007年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2007煤基和天然气基DME联产比较陈斌12金红光(1.中国科学院工程热物理研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100080)摘要本文针对煤基和天然气基DME分产及多联产系统进行硏究。通过分析发现煤基DME分产能耗为55.5GJ/t天然气基DME分产能耗为484GJ/t。煤基 IGCC-DME联产方式相对节能率达到15.0%,高于天然气基 CC-DME联产方式的10.2%。通过进一步的分析发现,不论是煤基还是天然气基,联产方式都同时遵循化学拥和物理媚的综合梯级利用原理关键词煤基;天然气基;多联产;梯级利用中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号:0253-231X(2007)040541-04THE COMPARISON OF COAL-BASED AND NATURAL GAS-BASEDDME/POWER POLY GENERATION SYSTEMCHEN Bin 2 JIN Hong-Guang'(1. Institute of Eng. Thermophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)Abstract coal-based and natural gas-based DME individual generation system and polygenerationsystem were studied in this paper. The energy consumption of coal-base DME is 55.5 G/t, and ofnatural gas-based is 48.4 GJ/t. Energy saving ratio of coal-based polygeneration system is 15.0%while of natural gas-based is 10.2%. The further analysis shown that both coal-based polygenerationystem and natural gas-based polygeneration system are followed by cascade utilization rule in thermalenergy and in chemical energyKey words coal-base; natural gas-base; polygeneration system; cascade utilization of energy1引言总量70%7;另一方面西部有丰富的天然气资源LNG进口量也在逐年增加,合理有效地利用好这些近年来二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放特天然气是值得研究的问题。预计将来国内DME生性使其受到重视。各国相继开发新工艺,主要是两步产是整体来说以煤为主,部分地区以天然气为主的法和一步法.一步法工艺在美国、日本和丹麦等国开混和格局,因此对煤基DME和天然气基DME生产发成功,目前已经进入中试阶段~3,国内浙江大都必须研究学、中科院山西煤化所、华东理工大学、清华大学、多联产以煤、重油、天然气以及其他碳氢化合物中科院大连物化所等进行了这方面的研究,在工艺制取的合成气为原料,同时生产电力和化工产品及催化剂等方面取得了一定的成果.液相浆态床国内外研究已证明了多联产具有高效、低污染的特LPDME)的实验也取得了较好的结果,但离工业应点8~10,但前期研究以煤基为主,而煤基多联产和用还很远,天然气基多联产存在许多不同的特点,有必要深入世界上以天然气为原料的甲醇生产能力占总产研究二者不同的系统结构特性能的90%以上同。DME工艺与甲醇类似,可预见本文以当前技术比较成熟,节能潜力比较大的大规模投产后,国际上DME原料将以天然气为主YH中国煤化工基和天然气基分产我国情况比较特殊,一方面能源结构以煤为主,占及多CNMHG基和天然气基多联收稿日期:2006-11-29;修订日期:2007-0426基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.90210032);国家重点基础研究发展规划项目资助(NoG19990202)作者简介:陈斌(1977-),男,广西桂林人,博土研究生,主要从事工程热力学等方面的研究28卷产系统性能改善的原因,同时探讨不同原料对多联图2是天然气基流程。DME分产时天然气和产系统性能改善以及系统结构影响的差异,总结出废锅来的蒸汽在重整单元重整后进入废锅回收热量有效提高多联产系统性能的方法途径,为进一步提并产生蒸汽。降温后的合成气直接进入DME合成高系统性能的工作奠定基础单元进行反应。后续分离过程与煤基DME相同,只2流程简介是由于合成气成分未调整,弛放气量远远大于煤基分产,且弛放气和CO2分离单元分离出的轻组分一图1是煤基流程,(a)是DME分产流程,(b)是起作为重整单元的燃料.燃烧单元出来的烟气也在动力分产流程,(c)是联产流程.DME分产时煤和废锅中回收热量.(b)是联合循环.天然气进入燃空分得到的氧气在气化单元气化后进入变换单元调气轮机和空气燃烧作功,高温烟气进入余热锅炉产整碳氢比,然后在净化单元除去硫和大部分CO生蒸汽发电。(c)是一步法联产流程。重整蒸汽不是净化合成气进入DME合成单元,在催化剂作用下从蒸汽透平的相应压力处抽出在合成单元和煤基得到DME、甲醇、未反应气体和水的混合物,在气联产不同的是合成气不是一次通过,而是采用小倍液分离单元分离。气相中大部分DME和部分CO2率循环未循环合成气作为燃气轮机和重整炉的燃在DME吸收单元吸收,进入CO2分离单元;液相料产物直接进入CO2分离单元。在CO2分离单元分(a)DME分产流程离出CO2,剩余混合物进入DME分离单元,DME弛放气作为产品采出,其余部分进入吸收剂再生单元,再生的吸收剂大部分返回DME吸收单元重复利用,成小部分分离为水和甲醇,水排放,甲醇循环回合成分离分离单元。(b)是lGCC系统。空分的氧气和煤、水蒸汽(b)联合循环分产在气化单元气化后进入废热锅炉产生蒸汽。粗煤气在净化单元除硫后进入燃气轮机燃烧产功。高温排空气比轮机气在余热锅炉产生不同压力等级的蒸汽。(c)是c)多联产流程步法联产流程。与分产不同的是粗煤气不经过变换IE DME单元调整碳氢比,而是除去硫和CO2后直接进入后分离续单元;反应后分离出的未反应气体不循环而是直蒸接进入燃机单元作为燃料。其余部分和分产相同分离收剂水(a)DME分产流程弛放气蒸汽硫tco,循环气水图2天然气基DME合成流程简图AE气液收再生分离分离3分产及多联产系统分析(b)IGCC分产31多联产中的化学能梯级利用原理蒸汽多联产系统的研究已经有数十年。在早期针对锅炉醇醚生产中产生大量高品位热,消耗大量中低品位热,IGCC通过抽蒸汽方式可方便获得中低品位热的特点提出了将IGCC系统与合成氨、甲醇和DME(c)多联产流程因气为代表的煤基化工产品的生产流程结合的电力-化CO↑硫COz IcO工多联产系统l1。通过研究也证实了这样的多联产系统性能有较大提升.0,在后续研究中发现多分离联产由不仅有物理能梯级和用.还有化学能梯级利电↓[』余热吸收剂水用2中国煤化工锅炉烟3.2CNMHG煤气化选德士古水煤浆气化工艺,煤发热量为图1煤基DME合成流程简图26710kJ/kg,天然气基采用温度950°C,水气比4期陈斌等:煤基和天然气基DME联产比较5433,压力2322MPa的水蒸气重整,天然气低位热值制备的佣损失降低一方面是联产的重整燃料量减少49596kJ/kg。合成流程参照 Topsoe工艺,合成温度导致,另一方面是由于重整燃料变化引起联产时重260°C,压力35MPa。甲醇脱水温度280°C,压力整燃料全部是品位较低的未反应气。由于分产DME0.8 MPa cO2分离使用MEA吸收燃气透平入口中低效的换热过程的改进,佣损失下降29.2%。天温度1260°℃,使用双压再热余热锅炉,高压蒸汽压然气基的合成过程佣损失降低不如煤基明显,因为力12MPa,温度535°C,透平效率0.87;再热蒸汽天然气基合成气分产和联产都没有经过成分调整压力3.9MPa,温度535°℃,透平效率0.89;低压蒸天然气基联产的燃烧过程佣损失下降19.9%,和煤汽压力0.5MPa,温度265°C,透平效率0.85。压缩基燃烧过程佣损失下降的原因一样。天然气基联产机效率0.846,膨胀机效率0。85。煤基DME分产、分离损失下降56.4%。压缩机和透平娳损失略微动力分产和联产都使用煤气化的粗煤气作原料,因增加8.6%,(见表2)此模拟时略过煤气化部分直接从粗煤气开始。天然气基DME分产和联产使用天然气重整合成气作原表2分产和多联产系统损失分析料,动力分产直接用天然气作为燃料,因此在模拟煤基天然气基时以天然气作为源头。煤基多联产时合成气一次通分产联产输入燃料312794268313291941262165过,而天然气基多联产时合成气采用小循环倍率循环。根据以上参数和设定进行流程模拟,并对结果合成气制备53330462363712128924进行考察成分调整166867192换热2449614679278681972533系统性能分析表1为煤基和天然气基的分产和多联产比较失燃气轮机燃烧24652134542229617864分产和联产的产品输出量相同。联产时煤基和天然分离气基化动比不同,只保持化工产品相同。分产DME压缩机和透平81386954其他41243969能耗煤基为55.5GJ/t,天然气基为484GJ/。煤DME32252132238基多联产系统节能率为15.0%,而天然气基多联产1041292954067240754为10.2%,煤基比天然气基高出将近50%,说明煤排放物3407033879相对误差0.19%061%023%009%基多联产充分挖掘潜力,从而达到高节能率。另外煤基多联产的化动比为365,大于天然气基的304。不同原料联产时合成气通过反应器的方式不这是因为煤基合成气富碳,天然气基合成气富氢,同.煤基联产合成气一次通过,天然气基联产采用煤基合成气更适合DME合成,因此煤基多联产的小循环倍率循环.煤基合成气富碳,有利于DME合化动比大于天然气基。从整体上看,分产时天然气成反应的进行,因此一次通过即可达到较高的转化基DME能耗更低,联产时煤基节能效果更明显.率,而天然气基合成气富氢,一次通过转化率过低,不能实现组分对口,分级转化的化学能梯级利用原表1分产和多联产系统性能理,因此需要采用小循环倍率适当提高合成气的转煤基天然气基化率。这也证明了化学能梯级利用原理在多联产中CC DME联产的指导性作用和普适性燃料输入(kg/h)12024303073599652251505618211DME输出(kg/h)1544215442154215424EUD分析产功(kW)398185939338794067240672DME能耗(GJ/t)以天然气燃烧过程为例进行EUD分析。燃烧发电效率(%)446过程分为为重整过程提供热量的燃烧和燃气轮机燃化动比节能率(‰)15.0烧。其中重整燃烧又分为预热重整气和为重整反应供热。从图中可知,联产的改进体现在两个方面34系统损失嫻分析方面是燃料量的减少联产重整过程的燃料量为98.2天然气多联产合成气制备过程娳损失降低最MW,产的1083MW.其中由于预热段热大,达到8197kW,其次是热匹配过程和分离过程,匹配山中国煤化工料减少Mw分别达到8143kW和6581kW,燃烧过程佣损失降由于CNMHG反应吸热增加183低也较明显,下降4432kW。合成和其他过程佣损Mw。综合预热段和重整段,联产重整燃烧所需燃失较小,而压缩机和透平的佣损失略有增加。合成气料量从分产的1079MW下降到991MW.燃气轮544工程热物理学报28卷机燃料量在联产也从71MW下降到68.3MW。另(1)煤基分产DME能耗为55GJ/t,天然气方面联产的燃料品位比分产有明显下降,尤其是基分产DME能耗为484GJ/t,天然气基分产能耗燃气轮机燃烧过程。分产时重整燃料是弛放气和天低然气的混和物,联产时重整燃料全部是未反应气,(2)煤基联产节能率为15.0%,天然气基联产节因此联产时的重整燃料品位低于分产。分产时燃气能率为10.2%,煤基联产的节能效果明显轮机直接燃烧天然气,联产时也使用未反应气作为(3)煤基和天然气基分产和联产的差异是由原料燃料,因此燃气轮机燃料品位下降更明显。从燃烧不同所引起的系统结构差异导致过程EUD分析可以看出,联产燃烧过程的改善同(4)煤基和天然气基联产中不仅有物理能的梯时达到了物理能梯级利用和化学能梯级利用.而在级利用,也存在以往中没有注意到的化学能梯级利以往的多联产研究中并没有注意到合成气化学能的用梯级利用对燃烧过程的娳损失降低作出贡献这一点在温度对口,梯级利用的物理能梯级利用原则参见图3)指导下设计的多联产系统取得了较好的节能率,但随着物理能利用水平的提高,进一步的系统性能提升比较困难。组分对口,分级转化的化学能梯级利重整燃烧T燃烧用原则为多联产系统性能提升开辟了新途径,在今后的多联产研究中应遵循化学能和物理能综合梯级利用的原则0参考文献重整预热重整反应[1] Paul N D, Edward C H, James C S, et al. Air Prod-ucts New Technology Programs in Syngas Generation andConversion. In: GPA[EJ Annual Conference. Barcelonath~29th2000.2893012日本钢管株式会社,二甲醚制造用催化剂及其制造方法以△H/Mw及二甲醚的制造方法.CN116988A,19983 Haldor Topsoe. Preparation of Fuel Grade Dimethyl图3(a)天然气基分产燃烧过程Ether.WO,9623755.19964]李选志,高俊文.合成气一步法制二甲醚催化剂的研究重整燃烧GT燃烧化肥工业,2006,33(1):23-25[5] Gogate M R, Vijayaraghavan P, Lee S, et al. Single-Stage, Liquid-Phase Dimethyl Ether Synthesis Processfrom Syngas IV. Thermodynamic Analysis of the LPDMEProcess System. Fuel Science Technology Interna-0.6tional,1992,10(3):281-311释放側6]陈赓良,王开岳.天然气综合利用.北京:石油工业出版04重整预重整反应接收侧社,2004团7张海涛.21世纪的清洁燃料一二甲醚,上海化工,2000(14):46S] Jackson R G,刘祟微.煤气化生产甲醇和电力煤炭转化1989,(3):6064△H/MW9金红光,高林,郑丹星.煤基化工与动力多联产系统开拓研究.工程热物理学报,2001,22(4):397-400图3(b)天然气基联产燃烧过程EUD10陈斌,高林,金红光二甲醚/动力多联产系统初步研究工程热物理学报,2004,25(5):741-744(11 Mednick R L, Design Evaluation of Liquid Phase5结论Methanol Synthesis Technology. In: US DOE/FE Indi-rect Liquefaction Contractor's Review Meeting Proceed通过对煤基和天然气基分产和多联产的分析比ngs.1988.15-17综合梯级利用原理.中国较,发现:中国煤化工CNMHG