夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的應用

第3期(總第148期)煤化工No.3(Total No. 148)2010年6月Coal Chemical IndustryJun. 2010夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的應用葉鑫丁干紅(惠生工程(中國)有限公司,北京100102)摘要采用夾點(diǎn)技術(shù)對某30萬(wàn)t/ a煤氣化制甲醇項目的換熱網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了分析,明確了渣水處理單元、變換熱回收單元、低溫甲醇洗單元、甲醇合成及精餾單元消耗公用工程的目標值和設計值，揭示了各單元的工藝優(yōu)化方向和節能潛力。夾點(diǎn)分析結果表明:把整個(gè)系統集成起來(lái)作為-一個(gè)有機結合的整體來(lái)看待,優(yōu)化匹配的機會(huì )大大增加,節能潛力巨大。關(guān)鍵詞夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò )節能文章編號: 1005-9598 (2010)-03-0001-06中圈分類(lèi)號 :TQ546文獻標識碼:B絡(luò )中的溫度夾點(diǎn)問(wèn)題,指出夾點(diǎn)限制了換熱網(wǎng)絡(luò )可能引言達到的最大熱回收。所謂夾點(diǎn)技術(shù),即將整個(gè)換熱網(wǎng)煤化工是高能耗、高水耗的行業(yè)。以水煤漿氣化絡(luò )分成熱力學(xué)上相互分離的兩個(gè)子系統:夾點(diǎn)之上的制甲醇為例,t甲醇產(chǎn)品能耗為42GJ,而t甲醇產(chǎn)品子系統是熱阱系統，加熱公用工程向其輸人熱量,而熱值為22. 66GJ,其能量轉化效率僅為54%;另一方?jīng)]有任何熱量流出;夾點(diǎn)之下的子系統是熱源系統,面,由于換熱網(wǎng)絡(luò )不盡合理,大量采用循環(huán)冷卻水,導由冷卻公用工程從系統中帶走熱量,而沒(méi)有任何熱量致實(shí)際生產(chǎn)中噸產(chǎn)品耗水量大幅上升,t甲醇耗水高從外界流人;在夾點(diǎn)處,熱流量為零。換熱網(wǎng)絡(luò )夾點(diǎn)示達10t以上。近年來(lái),人們已經(jīng)深刻地意識到:煤化工意圖如圖1所示。如果發(fā)生跨越夾點(diǎn)的熱量傳遞Q,企業(yè)的發(fā)展要走可持續發(fā)展的道路,必須積極推廣節即夾點(diǎn)之上熱物流與夾點(diǎn)之下冷物流進(jìn)行換熱匹配,能減排技術(shù)叫。則根據夾點(diǎn)上下子系統的熱平衡可知,夾點(diǎn)之上的加要實(shí)現煤化工節能、節水、減排的目標,就必須采熱公用工程量和夾點(diǎn)之下的冷卻公用工程量都會(huì )增用可靠的技術(shù)手段,對現有工藝進(jìn)行分析、改進(jìn)。夾點(diǎn)加Q(23)。因此,為達到最小公用工程用量,夾點(diǎn)方法技術(shù)由于其方法簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用,概念清晰,易于理的設計原則是:解和掌握，并且在設計前即可預測能耗的目標值,因(1)夾點(diǎn)之上不應設置任何公用工程冷卻器;而在全世界的工藝優(yōu)化領(lǐng)域得到迅速推廣。采用夾點(diǎn)(2)夾點(diǎn)之下不應設置任何公用工程加熱器;技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化,可以準確地診斷出能源使用的薄(3)不應有跨越夾點(diǎn)的傳熱。弱環(huán)節,明確地指出能源使用不合理的原因,并且揭采用夾點(diǎn)技術(shù)分析換熱網(wǎng)絡(luò )時(shí),應該注意的是并示出可實(shí)現的節能潛力與改造效果.最終提出可行和夾點(diǎn)之下!夾點(diǎn)之上有效的優(yōu)化方案。溫度熱平衡1夾點(diǎn)技術(shù)簡(jiǎn)介熱物流復1978年Linnhoff和Umeda分別提出了換熱器網(wǎng)合曲線(xiàn)文夾點(diǎn)各曲線(xiàn)I中國煤化工收稿日期: 2010-01-28作者簡(jiǎn)介:葉鑫(1981一 ),男,2002年本科畢業(yè)于北京石MHCNMHG焙H°油化工學(xué)院, 2005年碩士畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè),工程師,現從事節能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)、應用工作。團1 換熱網(wǎng)絡(luò )夾點(diǎn)示意圖.2-煤化工2010年第3期非所有的換熱網(wǎng)絡(luò )都存在夾點(diǎn),只有那些既需要加熱公用工程、又需要冷卻公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò )才存在夾2煤氣化制甲醇工藝的夾點(diǎn)分析點(diǎn)。只需要- -種公用工程(如蒸汽或者循環(huán)冷卻水)的問(wèn)題,稱(chēng)為閾值問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。對于閾值問(wèn)題,雖然公2.1 煤氣化制甲醇工藝概況用工程用量不變，但這并不意昧著(zhù)沒(méi)有優(yōu)化的潛力。甲醇不僅是重要的化工原料,也是潔凈燃料。發(fā)對只需要加熱公用工程的閾值問(wèn)題,如果使部分加熱展大型煤制甲醇,并加工為烯烴和替代燃料,以煤代公用工程的需求溫度降低,那么加熱公用工程總量不替石油,是國家能源安全的需要,也是化學(xué)工業(yè)高速變,溫度降低,使整個(gè)換熱過(guò)程有效能損失降低,加熱發(fā)展的需要。典型的煤氣化制甲醇的工藝流程包括:公用工程費用降低;對只需要冷卻公用工程的閾值問(wèn)煤氣化、渣水處理.變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合題,如果使部分冷卻公用工程的需求溫度升高,就可成及精餾等工藝單元。以減少較低溫度冷量的需求,使整個(gè)換熱過(guò)程有效能本文以某30萬(wàn)t/ a煤氣化制甲醇項目為例,以損失降低,冷卻公用工程費用降低。該項目的設計參數為基礎數據,對渣水處理、變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合成及精餾工藝單元進(jìn)行夾度↑點(diǎn)分析,該項目的工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。2.2各工藝單 元的夾點(diǎn)分析2.2.1渣水處理單元將氣化單元輸送過(guò)來(lái)的黑水進(jìn)行多級閃蒸處理，冷卻水采用真空過(guò)濾機使渣和水分離,處理后的灰水循環(huán)使焓H用。渣水處理單元的物流數據見(jiàn)下頁(yè)表1,取最小傳(a)只需加熱的公用工程(b)只需冷卻的公用工程熱溫差為10C進(jìn)行分析,可以得到該單元的冷熱物圖2閾值問(wèn)題 示意圖流復合曲線(xiàn)(見(jiàn)下頁(yè)圖4)。從下頁(yè)圖4中可以看出:低溫甲醇洗分子篩7Co送醋酸裝置空分熱回收脫硫脫碳.| 吸附站→冷箱CO壓縮氧氣氫氣壓縮機循環(huán)氣|壓縮機煤。氣化膜分離L去火矩I循環(huán)壓縮機|變換，低溫甲醇洗，，+甲醇合成一1 +甲醇精餾甲醇，脫硫脫碳| 渣水處理灰- 十CO2尾氣放空+HS濃縮塔一+甲醇再生塔一+克勞斯硫回收硫磺▼渣硫回收尾氣_圍3某30萬(wàn)組煤氣化制甲醇工藝流程示意圖冷熱物流復合曲線(xiàn)沒(méi)有形成夾點(diǎn)，是一個(gè)閾值問(wèn)題,部分水煤氣送人變換爐，伸其中的CO與水蒸氣在催即渣水處理單元只需要冷卻公用工程,其目標值和設化劑中國煤化工成H和co,從而計值都是19. 9MW。調節CNMHG)盡可能地回收水2.2.2變換熱回收單元 .煤氣的熱量，將粗煤氣降溫至40C送至低溫甲醇洗變換熱回收單元有兩個(gè)主要的工藝目的: (1)將單元。變換熱回收單元的物流數據見(jiàn)下頁(yè)表2,取最2010年6月葉鑫等 :夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的應用表1渣水處理 單元的物流數據表2變換熱回收 單元的物流數據設計參數設計參數.物流說(shuō)明起始溫目標溫焓差熱容流率起始溫目標清焓差熱容流率度/C度/C /kW/kW."C-/kW.C-80178 13578.0 6 789.00進(jìn)界區水煤氣3821 28 065.3 1 650.90高壓閃蒸氣78108 4 305.0 61. 50變換氣87168 12 986.759. 30低壓閃蒸氣1211 3 784.0 3784. 00(熱交換以后)16856 1 635.6 136.30第一真空閃蒸氣3941 3 726.8 133. 10156596576.6 67. 80第二真空閃蒸氣446 103.2 2 034. 4059794.241. 80.氣化廢水47218.4 31. 20未變換氣9416820 916.0166. 00灰水08170 11 848.2 191. 10155 2411.5 185. 50557004.0 103. 0000 r10 2 683.7 57. 10180需要冷卻的密封水10440 2037.12 31.83160上140- 熱物流復合曲線(xiàn)低壓發(fā)生蒸汽04158 33 895.8 627. 70只120中壓發(fā)生蒸汽135 1 636.8 52. 80100冷物流復合曲線(xiàn)13520827 287.4 373. 800t230778.835. 4020-至甲醇合成的鍋爐水1502 410.4 52. 401520253035脫鹽水3595 13 566.0 226. 10焓H/MW圄4渣水處理單元的冷熱物流復合曲線(xiàn)400350小傳熱溫差為10C,分析可得該單元的冷熱物流復熱物流復合曲線(xiàn)合曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)。從圖5中可以看出:冷熱物流復合200曲線(xiàn)沒(méi)有形成夾點(diǎn),是-一個(gè)閾值問(wèn)題，即變換熱回收150單元只需要冷卻公用工程，其目標值和設計值都是5.5MW,該單元內部的冷卻公用工程包括:發(fā)生蒸汽和50循環(huán)冷卻水,節能的途徑是盡量回收廢熱,產(chǎn)生更多0102030405060708090的中壓蒸汽和低壓蒸汽,減少循環(huán)水的用量。2.2.3低溫 甲醇洗單元圈5變換熱回收單元的冷熱物流復合曲絨低溫甲醇洗單元的主要任務(wù)是脫除粗煤氣中的HS、COS、CO2等有害的氣體,得到合格的凈化氣,滿(mǎn)足進(jìn)行深入分析。雖然遵循夾點(diǎn)設計的三大原則,可以甲醇合成反應的要求。低溫甲醇洗單元的物流數據見(jiàn)達到最小公用工程的用量,但是完全禁止能量穿越夾表3,該單元低溫物流較多,冷公用工程采用較為昂點(diǎn),會(huì )造成流股分割和換熱器增加,使流程復雜,設備貴的丙烯制冷，權衡設備費用和冷公用工程費用,該投資增加。因此,最優(yōu)化的設計需要結合設備投資、運單元取最小傳熱溫差為5C ,經(jīng)過(guò)夾點(diǎn)分析,可以得行費用操作可靠性等因素來(lái)權衡。例如,甲醇水冷凝到該單元的冷熱物流復合曲線(xiàn)(見(jiàn)下頁(yè)圖6),從下頁(yè)液30-C11的溫度比較低,對于年產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)t的圖6中可以看出:冷熱物流復合曲線(xiàn)的夾點(diǎn)溫度為甲醇裝置可以考慮回收其冷量。102. 5C。2.2.4甲醇合成及精餾單元進(jìn)一步分析夾點(diǎn)的結果表明:原設計的換熱網(wǎng)絡(luò )電醇合成乃精餾單元的主要任務(wù)是將凈化合成中存在跨越夾點(diǎn)傳熱的情況，即30-H13與30-C10、氣送中國煤化工租甲醇,然后通過(guò)30-H15與30-C11,按照夾點(diǎn)設計的原則,跨越夾點(diǎn)的精餾YHCN M H G醇產(chǎn)品。甲醇合傳熱會(huì )增加加熱公用工程和冷卻公用工程的消耗(見(jiàn)成及精餾單元的物流數據如第5頁(yè)表5所示,取最小下頁(yè)表4)。所以,有必要對上述4個(gè)物流的換熱方式傳熱溫差為10C進(jìn)行分析，可以得到該單元的冷熱-4-煤化工2010年第3期表3低溫甲醇洗單元的物流數據設計參數序號物流說(shuō)明起始溫度/C .目標溫度/C焓差/kW熱容流率/kW.C130-H1變換氣-9.01 472. 732. 0230-H2未變換氣38. 0-15.02216.941. 8330-H3貧甲醇47.543.0615. 0.136. 6743. 04 251.0123. 228.5-33.04 639. 0111.78-54.0 .2 378.0113. 2430-H4T300冷卻循環(huán)甲醇-21.0-35.01 525.1108. 9430-H5T300不含硫富甲醇-12.5-36.02132. 090. 7230-H6T3001含硫富甲醇-7.0-32.5941.136.91.30-H7T3002冷卻循環(huán)富甲醇-35.51 955. 095.3730-H8T3002半飽和富甲醇-14.0-35. 01 424. 067.8130-H9T3002含硫富甲醇-11.0-24.0568. 043. 6930-H10T3005塔底再生甲醇100. 046.07851.0145. 3930-H11T3005塔頂酸性氣91.02 532. 652. 76.30-H12酸性氣34.5104.31. 5030-H13T3006塔底廢水141. 0342. 43. 6030-H14克勞斯尾氣26.0-30.066. 530-H15T3006回流甲醇82.087.34. 8530-C1凈化變換氣-29.030. 5849. 214. 2730-C2凈化未變換氣-53.030.51 623. 019. 4430-C3V3006底甲醇-41. 5-29. 52 540. 0211. 6730-C4T3003中部抽出甲醇-60.5-38. 04 838.0215.0230-C5T3003塔底甲醇-38. 51.04 639.0117.4434.04 251. 0128. 8230-C6T3003塔頂尾氣-63.02 146. 222. 95.30-C7T3005再沸甲醇101. 02 949. 02 949.0030-C8T3006再沸甲醇141.0142. 02 000. 02 000. 0030-C9T3004塔底甲醇29.587.07 851.0136. 5430-C10 .T3007塔底廢水14.0120. 0342. 030-C11甲醇水冷凝液-12. 081.00. 94150表4低溫甲醇洗單元加熱、冷卻公用工程對比100目標值 設計值設計值與熱物流復合曲線(xiàn)/MW/MW__目標值之比 /%加熱公用工程:4.8101冷卻公用工程5.895. 96' 冷物流復合曲線(xiàn)-50物流復合曲線(xiàn)(見(jiàn)下而困7)從下頁(yè)圖7中可以看051015202530354045出中國煤化工為78.6c。焓H/MWTYHCNMHG精餾系統中存在用圖6低溫甲醇洗單元的冷熱物流復合曲線(xiàn)能不合理的地方:(1)存在跨越夾點(diǎn)的傳熱:甲醇合成塔的人塔合2010年6月葉鑫等:夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的應用-5-表5甲醇合 成及精餾單元的物流數據設計參數號物流說(shuō)明起始溫度/C目標溫度/C焓差/kW熱容流率/kW.C180-H1預塔塔頂氣73. 069. 910 2153295.16.80-H2預塔塔頂不凝氣40. 01 87262. 61.80-H3加壓塔精甲醇產(chǎn)品126.840.01 40816.2280-H4加壓塔塔頂氣127. 2127. (22 897114 485. 0080-H5常壓塔塔頂氣66.623 101868. 4680-H6甲醇精餾廢水104.83335. 1480-H7回收塔塔頂氣66.48554275. 0080-H8雜醇餾分88.0120.2580-H9常壓塔進(jìn)料132.878.31 31924. 2080-C1預塔進(jìn)料76. 71 23633. 6880-C2預塔釜液73.675.212 2107 631.2580-C3加壓塔釜液130.622 87610 398. 1880-C4常壓塔釜液104.680-C5回收塔釜液104. e104. 88644 320. 0080-C6加壓塔進(jìn)料75. 6108.739. 85l08. 7132. 1101443. 3380-H10出塔合成氣249. 089. 534946219. 1089.522 349451. 4980-C7人塔合成氣50.2213.834 946213. 61250公用工程、冷卻公用工程的節能潛力分別為33%和200 t19%,所以,有必要結合不同項目的實(shí)際情況,對80-150熱物流復合曲線(xiàn)H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流的換熱方式進(jìn)行深入分析。100-冷物流復合曲線(xiàn)表6甲醇合 成及精餾單元加熱、冷卻公用工程對比50 t目標值設計值設計值與020406080100120140160/MW_/MW_目標值之比/%焓H/MW加熱公用工程28.72.38. 20133冷卻公用T.程50. 6760.1419圍7甲醇合 成及精餾單元冷熱物流復合曲線(xiàn)成氣80-C7與出塔合成氣80-H10之間的換熱。2.2.5多個(gè)工藝單元的整合(2)夾點(diǎn)之上使用了冷卻公用工程:出塔合成氣煤氣化制甲醇的工藝流程中涉及到多個(gè)工藝單80-H10在與人塔合成氣換熱后，溫度仍高于夾點(diǎn)溫元。目前,每個(gè)工段都只考慮本工段內的能量平衡,工度,卻用了循環(huán)冷卻水來(lái)冷卻。雖然溫度差不大,但是段內部可以用于熱交換的物流相對較少,那么對于一由于該流股流量很大，而且有甲醇冷凝的大量潛熱，些需要冷卻的物流不得不采用冷卻公用工程來(lái)吸收因此，應該充分利用這部分熱量;另外,加壓塔的精甲熱量,同樣對于一些需要加熱的物流必須采用加熱公醇產(chǎn)品80-H3、甲醇精餾廢水80-H6和雜醇餾分80-H8用工程來(lái)提供執量在這個(gè)過(guò)程中冷、熱公用工程的均高于夾點(diǎn)溫度,卻直接采用循環(huán)冷卻水冷卻。用量中國煤化工員失。按照夾點(diǎn)設計的原則,跨越夾點(diǎn)的傳熱和夾點(diǎn)之MHCNMHG計能耗最少、水耗上使用冷卻公用工程會(huì )增加冷卻公用工程和加熱公最小和環(huán)境污染最低,就必須把整個(gè)系統集成起來(lái)作用工程的消耗(見(jiàn)表6)。由表6可知,該單元的加熱為一個(gè)有機結合的整體來(lái)看待,系統越復雜,優(yōu)化的一6-煤化工2010年第3期潛力就越大，因為這時(shí)優(yōu)化匹配的機會(huì )大大增加了。冷卻水,節能的途徑是盡量回收廢熱,產(chǎn)生更多的中如果把渣水處理單元、變換熱回收單元、低溫甲醇洗壓蒸汽和低壓蒸汽,減少循環(huán)水的用量。單元和甲醇合成及精餾等單元作為一個(gè)整體來(lái)分析,3.3低溫甲醇洗單元的換熱網(wǎng)絡(luò )匹配比較合理,但取最小傳熱溫差為10C,則加熱公用工程、冷卻公用是還存在一定的優(yōu)化空間，可以對30-H13、30-C10、工程的節能潛力分別為208%和47%(見(jiàn)表7)。30-H15、30-C11這4個(gè)物流的換熱方式進(jìn)行分析并優(yōu)化。例如，甲醇水冷凝液30-C11的溫度比較低,可以表7整合系統的加熱、冷卻公用工程對比考慮將其冷量回收。目標值設計值設計值與3.4甲醇合 成及精餾單元的加熱公用工程、冷卻公/MW_/MW_目標值之比/%用工程的節能潛力較大，分別為33%和19%，所以,加熱公用工程13. 9943. 15308有必要對80-H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流冷卻公用工程62. 3591.51.147的換熱方式進(jìn)行深人分析，并在綜合考慮其設備投資、運行費用、操作可靠性等影響因素的基礎上進(jìn)行3結論與建議優(yōu)化。3.5如果把渣水處 理單元、變換熱回收單元、低溫甲采用夾點(diǎn)技術(shù)對煤氣化制甲醇工藝進(jìn)行分析,是醇洗單元和甲醇合成及精餾等單元作為一個(gè)整體來(lái)一種簡(jiǎn)便、有效的技術(shù)手段,不僅可以確定能量使用分析,系統節能的潛力將大大增加,加熱公用工程和不合理的原因,還能揭示出可實(shí)現的節能潛力,為工冷卻公用工程的節能潛力分別為208%和47%。藝改進(jìn)提供明確的方向。本文對某30萬(wàn)t/a煤氣化制甲醇項目的主要操作單元進(jìn)行了夾點(diǎn)分析,得出以參考文獻:下結論:3.1渣水處理單元的換熱網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題屬于閾值問(wèn)題,[1]唐宏青科學(xué)發(fā)展煤化工是我們的希望[A]. 2008年國內外煤氣化技術(shù)經(jīng)濟研討會(huì )論文集[C].北京:中國化即在這個(gè)單元內部只需要冷卻公用工程,節能潛有工信息中心，2008:20-35.限,但是,渣水處理單元的閃蒸氣可以考慮作為其他[2]郝繼輝.利用夾點(diǎn)技術(shù)提升VCM裝置用能水平的研究工藝單元的熱源，以達到節能的目的。[D].浙江:浙江大學(xué), 2005:17-27.3.2變換熱回收 單元的換熱網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題屬于闕值問(wèn)[3]馮宵. 化工節能原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出題,單元內部的冷卻公用工程包括:發(fā)生蒸汽和循環(huán)版社, 2004: 145-150.Application of Pinch Technology in the Coal-to- Methanol ProcesYe Xin and Ding Ganhong(Wison Engineering Co., Ltd., Bejing 100102)Abstract This paper gave an analysis on the heat exchange network of the 3000/ coal -to-methanol plant us-ing the pinch technology. The utilities consumption value and their design value of the slag water treatment unit, the shift/heat recovery unit, the low temperature methanol wash unit, the methanol synthesis unit and the distillation unit werespeified. Besides, the orientation of the process optimization and the potential of energy conservatin were suggested. Thepinch analysis showed that if we take the system as an integral whole, the opportunity for optimization and energy conser-vation can be greatly increased. .Key words pinch technology, optimization, heat exchanger network, energy conservation●簡(jiǎn)訊●煤焦油制備清潔燃料項目中國煤化工2010年5月23日,國家科技支撐計劃一20 萬(wàn)t/a煤焦油制備MYHC NM H G阜康市奠基。該項目由中科院山西煤化所與新疆愛(ài)迪新能源科技有限公司合作建設,總投資2.7億元,預計2011年10月底建成投產(chǎn)。投產(chǎn)后年加工煤焦油20萬(wàn)t,生產(chǎn)汽油2.38萬(wàn)t,柴油9.9萬(wàn)t,瀝青5.94萬(wàn)t。