煤基和天然氣基DME聯(lián)產(chǎn)比較

第28卷第4期工程熱物理學(xué)報2007年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2007煤基和天然氣基DME聯(lián)產(chǎn)比較陳斌12金紅光(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100080)摘要本文針對煤基和天然氣基DME分產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)系統進(jìn)行硏究。通過(guò)分析發(fā)現煤基DME分產(chǎn)能耗為55.5GJ/t天然氣基DME分產(chǎn)能耗為484GJ/t。煤基 IGCC-DME聯(lián)產(chǎn)方式相對節能率達到15.0%,高于天然氣基 CC-DME聯(lián)產(chǎn)方式的10.2%。通過(guò)進(jìn)一步的分析發(fā)現,不論是煤基還是天然氣基,聯(lián)產(chǎn)方式都同時(shí)遵循化學(xué)擁和物理媚的綜合梯級利用原理關(guān)鍵詞煤基;天然氣基;多聯(lián)產(chǎn);梯級利用中圖分類(lèi)號:TK123文獻標識碼:A文章編號: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引言總量70%7;另一方面西部有豐富的天然氣資源LNG進(jìn)口量也在逐年增加,合理有效地利用好這些近年來(lái)二甲醚的良好燃燒性能和低污染排放特天然氣是值得研究的問(wèn)題。預計將來(lái)國內DME生性使其受到重視。各國相繼開(kāi)發(fā)新工藝,主要是兩步產(chǎn)是整體來(lái)說(shuō)以煤為主,部分地區以天然氣為主的法和一步法.一步法工藝在美國、日本和丹麥等國開(kāi)混和格局,因此對煤基DME和天然氣基DME生產(chǎn)發(fā)成功,目前已經(jīng)進(jìn)入中試階段~3,國內浙江大都必須研究學(xué)、中科院山西煤化所、華東理工大學(xué)、清華大學(xué)、多聯(lián)產(chǎn)以煤、重油、天然氣以及其他碳氫化合物中科院大連物化所等進(jìn)行了這方面的研究,在工藝制取的合成氣為原料,同時(shí)生產(chǎn)電力和化工產(chǎn)品及催化劑等方面取得了一定的成果.液相漿態(tài)床國內外研究已證明了多聯(lián)產(chǎn)具有高效、低污染的特LPDME)的實(shí)驗也取得了較好的結果,但離工業(yè)應點(diǎn)8~10,但前期研究以煤基為主,而煤基多聯(lián)產(chǎn)和用還很遠,天然氣基多聯(lián)產(chǎn)存在許多不同的特點(diǎn),有必要深入世界上以天然氣為原料的甲醇生產(chǎn)能力占總產(chǎn)研究二者不同的系統結構特性能的90%以上同。DME工藝與甲醇類(lèi)似,可預見(jiàn)本文以當前技術(shù)比較成熟,節能潛力比較大的大規模投產(chǎn)后,國際上DME原料將以天然氣為主YH中國煤化工基和天然氣基分產(chǎn)我國情況比較特殊,一方面能源結構以煤為主,占及多CNMHG基和天然氣基多聯(lián)收稿日期:2006-11-29;修訂日期:2007-0426基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(No.90210032);國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目資助(NoG19990202)作者簡(jiǎn)介:陳斌(1977-),男,廣西桂林人,博土研究生,主要從事工程熱力學(xué)等方面的研究28卷產(chǎn)系統性能改善的原因,同時(shí)探討不同原料對多聯(lián)圖2是天然氣基流程。DME分產(chǎn)時(shí)天然氣和產(chǎn)系統性能改善以及系統結構影響的差異,總結出廢鍋來(lái)的蒸汽在重整單元重整后進(jìn)入廢鍋回收熱量有效提高多聯(lián)產(chǎn)系統性能的方法途徑,為進(jìn)一步提并產(chǎn)生蒸汽。降溫后的合成氣直接進(jìn)入DME合成高系統性能的工作奠定基礎單元進(jìn)行反應。后續分離過(guò)程與煤基DME相同,只2流程簡(jiǎn)介是由于合成氣成分未調整,弛放氣量遠遠大于煤基分產(chǎn),且弛放氣和CO2分離單元分離出的輕組分一圖1是煤基流程,(a)是DME分產(chǎn)流程,(b)是起作為重整單元的燃料.燃燒單元出來(lái)的煙氣也在動(dòng)力分產(chǎn)流程,(c)是聯(lián)產(chǎn)流程.DME分產(chǎn)時(shí)煤和廢鍋中回收熱量.(b)是聯(lián)合循環(huán).天然氣進(jìn)入燃空分得到的氧氣在氣化單元氣化后進(jìn)入變換單元調氣輪機和空氣燃燒作功,高溫煙氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)整碳氫比,然后在凈化單元除去硫和大部分CO生蒸汽發(fā)電。(c)是一步法聯(lián)產(chǎn)流程。重整蒸汽不是凈化合成氣進(jìn)入DME合成單元,在催化劑作用下從蒸汽透平的相應壓力處抽出在合成單元和煤基得到DME、甲醇、未反應氣體和水的混合物,在氣聯(lián)產(chǎn)不同的是合成氣不是一次通過(guò),而是采用小倍液分離單元分離。氣相中大部分DME和部分CO2率循環(huán)未循環(huán)合成氣作為燃氣輪機和重整爐的燃在DME吸收單元吸收,進(jìn)入CO2分離單元;液相料產(chǎn)物直接進(jìn)入CO2分離單元。在CO2分離單元分(a)DME分產(chǎn)流程離出CO2,剩余混合物進(jìn)入DME分離單元,DME弛放氣作為產(chǎn)品采出,其余部分進(jìn)入吸收劑再生單元,再生的吸收劑大部分返回DME吸收單元重復利用,成小部分分離為水和甲醇,水排放,甲醇循環(huán)回合成分離分離單元。(b)是lGCC系統?？辗值难鯕夂兔?、水蒸汽(b)聯(lián)合循環(huán)分產(chǎn)在氣化單元氣化后進(jìn)入廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。粗煤氣在凈化單元除硫后進(jìn)入燃氣輪機燃燒產(chǎn)功。高溫排空氣比輪機氣在余熱鍋爐產(chǎn)生不同壓力等級的蒸汽。(c)是c)多聯(lián)產(chǎn)流程步法聯(lián)產(chǎn)流程。與分產(chǎn)不同的是粗煤氣不經(jīng)過(guò)變換IE DME單元調整碳氫比,而是除去硫和CO2后直接進(jìn)入后分離續單元;反應后分離出的未反應氣體不循環(huán)而是直蒸接進(jìn)入燃機單元作為燃料。其余部分和分產(chǎn)相同分離收劑水(a)DME分產(chǎn)流程弛放氣蒸汽硫tco,循環(huán)氣水圖2天然氣基DME合成流程簡(jiǎn)圖AE氣液收再生分離分離3分產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)系統分析(b)IGCC分產(chǎn)31多聯(lián)產(chǎn)中的化學(xué)能梯級利用原理蒸汽多聯(lián)產(chǎn)系統的研究已經(jīng)有數十年。在早期針對鍋爐醇醚生產(chǎn)中產(chǎn)生大量高品位熱,消耗大量中低品位熱,IGCC通過(guò)抽蒸汽方式可方便獲得中低品位熱的特點(diǎn)提出了將IGCC系統與合成氨、甲醇和DME(c)多聯(lián)產(chǎn)流程因氣為代表的煤基化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程結合的電力-化CO↑硫COz IcO工多聯(lián)產(chǎn)系統l1。通過(guò)研究也證實(shí)了這樣的多聯(lián)產(chǎn)系統性能有較大提升.0,在后續研究中發(fā)現多分離聯(lián)產(chǎn)由不僅有物理能梯級和用.還有化學(xué)能梯級利電↓[』余熱吸收劑水用2中國煤化工鍋爐煙3.2CNMHG煤氣化選德士古水煤漿氣化工藝,煤發(fā)熱量為圖1煤基DME合成流程簡(jiǎn)圖26710kJ/kg,天然氣基采用溫度950°C,水氣比4期陳斌等:煤基和天然氣基DME聯(lián)產(chǎn)比較5433,壓力2322MPa的水蒸氣重整,天然氣低位熱值制備的傭損失降低一方面是聯(lián)產(chǎn)的重整燃料量減少49596kJ/kg。合成流程參照 Topsoe工藝,合成溫度導致,另一方面是由于重整燃料變化引起聯(lián)產(chǎn)時(shí)重260°C,壓力35MPa。甲醇脫水溫度280°C,壓力整燃料全部是品位較低的未反應氣。由于分產(chǎn)DME0.8 MPa cO2分離使用MEA吸收燃氣透平入口中低效的換熱過(guò)程的改進(jìn),傭損失下降29.2%。天溫度1260°℃,使用雙壓再熱余熱鍋爐,高壓蒸汽壓然氣基的合成過(guò)程傭損失降低不如煤基明顯,因為力12MPa,溫度535°C,透平效率0.87;再熱蒸汽天然氣基合成氣分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)都沒(méi)有經(jīng)過(guò)成分調整壓力3.9MPa,溫度535°℃,透平效率0.89;低壓蒸天然氣基聯(lián)產(chǎn)的燃燒過(guò)程傭損失下降19.9%,和煤汽壓力0.5MPa,溫度265°C,透平效率0.85。壓縮基燃燒過(guò)程傭損失下降的原因一樣。天然氣基聯(lián)產(chǎn)機效率0.846,膨脹機效率0。85。煤基DME分產(chǎn)、分離損失下降56.4%。壓縮機和透平娳損失略微動(dòng)力分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)都使用煤氣化的粗煤氣作原料,因增加8.6%,(見(jiàn)表2)此模擬時(shí)略過(guò)煤氣化部分直接從粗煤氣開(kāi)始。天然氣基DME分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)使用天然氣重整合成氣作原表2分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)系統損失分析料,動(dòng)力分產(chǎn)直接用天然氣作為燃料,因此在模擬煤基天然氣基時(shí)以天然氣作為源頭。煤基多聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣一次通分產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)輸入燃料312794268313291941262165過(guò),而天然氣基多聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣采用小循環(huán)倍率循環(huán)。根據以上參數和設定進(jìn)行流程模擬,并對結果合成氣制備53330462363712128924進(jìn)行考察成分調整166867192換熱2449614679278681972533系統性能分析表1為煤基和天然氣基的分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)比較失燃氣輪機燃燒24652134542229617864分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)品輸出量相同。聯(lián)產(chǎn)時(shí)煤基和天然分離氣基化動(dòng)比不同,只保持化工產(chǎn)品相同。分產(chǎn)DME壓縮機和透平81386954其他41243969能耗煤基為55.5GJ/t,天然氣基為484GJ/。煤DME32252132238基多聯(lián)產(chǎn)系統節能率為15.0%,而天然氣基多聯(lián)產(chǎn)1041292954067240754為10.2%,煤基比天然氣基高出將近50%,說(shuō)明煤排放物3407033879相對誤差0.19%061%023%009%基多聯(lián)產(chǎn)充分挖掘潛力,從而達到高節能率。另外煤基多聯(lián)產(chǎn)的化動(dòng)比為365,大于天然氣基的304。不同原料聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣通過(guò)反應器的方式不這是因為煤基合成氣富碳,天然氣基合成氣富氫,同.煤基聯(lián)產(chǎn)合成氣一次通過(guò),天然氣基聯(lián)產(chǎn)采用煤基合成氣更適合DME合成,因此煤基多聯(lián)產(chǎn)的小循環(huán)倍率循環(huán).煤基合成氣富碳,有利于DME合化動(dòng)比大于天然氣基。從整體上看,分產(chǎn)時(shí)天然氣成反應的進(jìn)行,因此一次通過(guò)即可達到較高的轉化基DME能耗更低,聯(lián)產(chǎn)時(shí)煤基節能效果更明顯.率,而天然氣基合成氣富氫,一次通過(guò)轉化率過(guò)低,不能實(shí)現組分對口,分級轉化的化學(xué)能梯級利用原表1分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)系統性能理,因此需要采用小循環(huán)倍率適當提高合成氣的轉煤基天然氣基化率。這也證明了化學(xué)能梯級利用原理在多聯(lián)產(chǎn)中CC DME聯(lián)產(chǎn)的指導性作用和普適性燃料輸入(kg/h)12024303073599652251505618211DME輸出(kg/h)1544215442154215424EUD分析產(chǎn)功(kW)398185939338794067240672DME能耗(GJ/t)以天然氣燃燒過(guò)程為例進(jìn)行EUD分析。燃燒發(fā)電效率(%)446過(guò)程分為為重整過(guò)程提供熱量的燃燒和燃氣輪機燃化動(dòng)比節能率(‰)15.0燒。其中重整燃燒又分為預熱重整氣和為重整反應供熱。從圖中可知,聯(lián)產(chǎn)的改進(jìn)體現在兩個(gè)方面34系統損失嫻分析方面是燃料量的減少聯(lián)產(chǎn)重整過(guò)程的燃料量為98.2天然氣多聯(lián)產(chǎn)合成氣制備過(guò)程娳損失降低最MW,產(chǎn)的1083MW.其中由于預熱段熱大,達到8197kW,其次是熱匹配過(guò)程和分離過(guò)程,匹配山中國煤化工料減少Mw分別達到8143kW和6581kW,燃燒過(guò)程傭損失降由于CNMHG反應吸熱增加183低也較明顯,下降4432kW。合成和其他過(guò)程傭損Mw。綜合預熱段和重整段,聯(lián)產(chǎn)重整燃燒所需燃失較小,而壓縮機和透平的傭損失略有增加。合成氣料量從分產(chǎn)的1079MW下降到991MW.燃氣輪544工程熱物理學(xué)報28卷機燃料量在聯(lián)產(chǎn)也從71MW下降到68.3MW。另(1)煤基分產(chǎn)DME能耗為55GJ/t,天然氣方面聯(lián)產(chǎn)的燃料品位比分產(chǎn)有明顯下降,尤其是基分產(chǎn)DME能耗為484GJ/t,天然氣基分產(chǎn)能耗燃氣輪機燃燒過(guò)程。分產(chǎn)時(shí)重整燃料是弛放氣和天低然氣的混和物,聯(lián)產(chǎn)時(shí)重整燃料全部是未反應氣,(2)煤基聯(lián)產(chǎn)節能率為15.0%,天然氣基聯(lián)產(chǎn)節因此聯(lián)產(chǎn)時(shí)的重整燃料品位低于分產(chǎn)。分產(chǎn)時(shí)燃氣能率為10.2%,煤基聯(lián)產(chǎn)的節能效果明顯輪機直接燃燒天然氣,聯(lián)產(chǎn)時(shí)也使用未反應氣作為(3)煤基和天然氣基分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)的差異是由原料燃料,因此燃氣輪機燃料品位下降更明顯。從燃燒不同所引起的系統結構差異導致過(guò)程EUD分析可以看出,聯(lián)產(chǎn)燃燒過(guò)程的改善同(4)煤基和天然氣基聯(lián)產(chǎn)中不僅有物理能的梯時(shí)達到了物理能梯級利用和化學(xué)能梯級利用.而在級利用,也存在以往中沒(méi)有注意到的化學(xué)能梯級利以往的多聯(lián)產(chǎn)研究中并沒(méi)有注意到合成氣化學(xué)能的用梯級利用對燃燒過(guò)程的娳損失降低作出貢獻這一點(diǎn)在溫度對口,梯級利用的物理能梯級利用原則參見(jiàn)圖3)指導下設計的多聯(lián)產(chǎn)系統取得了較好的節能率,但隨著(zhù)物理能利用水平的提高,進(jìn)一步的系統性能提升比較困難。組分對口,分級轉化的化學(xué)能梯級利重整燃燒T燃燒用原則為多聯(lián)產(chǎn)系統性能提升開(kāi)辟了新途徑,在今后的多聯(lián)產(chǎn)研究中應遵循化學(xué)能和物理能綜合梯級利用的原則0參考文獻重整預熱重整反應[1] 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