煤基液体燃料-电多联产系统集成与优化研究

作者
于戈文
摘要
作为一种拥有诸多优点的洁净煤综合利用技术,借助系统集成和过程创新,煤基化工-电多联产系统在化工(液体燃料)生产、能源利用与环境保护的领域交叉层面寻求煤炭资源高效洁净利用的有效途径与方法,逐步发展成为能源领域可持续发展的核心技术之一,具有广泛的发展前景。 本论文从多联产系统分析的需求出发,以煤基液体燃料-电联产的系统耦合和优化为重点,以计算机模拟计算为手段,研究构成多联产系统各子系统单元工艺过程,多联产系统整体设计、模拟和优化。以案例分析的形式详细分析FT合成油-电多联产、甲醇-电多联产、二甲醚(DME)-电多联产以及整体煤气化联合循环(IGCC)等4种联产形式的物质转换和能量转移和利用。分析CO2捕集对系统热效率的影响和对环境保护的贡献。获得主要研究结果如下: 子系统模拟:化工生产系统包括气化、净化、水煤气变换、Fisher-Tropsch (FT)合成与油品加工、甲醇合成与精制、甲醇水解生产二甲醚(DME)、以及硫回收等工艺单元。电力生产系统包括燃气轮机、蒸汽轮机以及余热锅炉等工艺单元。应用Aspen Plus对上述单元系统进行建模和计算,取得诸如气化工艺参数、FT合成的烃分布、甲醇合成与水解工艺参数、燃气轮机发电效率等等和生产实际相一致的关键工艺参数,这些数据是正确设计、模拟多联产系统的必要前提。 FT合成油-电多联产系统:设计以不同加压气流床(Shell、GSP、Texaco)气化为气头、化工生产与电力生产不同耦合方式的FT合成油-电多联产系统模型。包括合成气首先进行油品生产,尾气发电的串联型联产系统;合成气分流,分别用来生产油品和电力的并联型联产系统。在串联型联产系统中,重点分析了不同氢碳比对多联产产品产率和系统热效率的影响;在并联型多联产系统中,重点分析了不同的合成气分流比对系统热效率和物质能量转换的影响。另外,为了考察CO2减排对系统热效率的影响,在进行系统设计时增加了深度变换单元,其作用在于分流到联合循环的合成气进入燃气轮机之前首先在该单元将95%的CO转换成CO2,同时生成等体积的H2。CO2经净化单元从合成气中分离出来,富H2气作为燃气轮机用燃气。 结果表明,串联型多联产系统所生产电力不足以满足自身电力消耗,这主要是因为在串联型系统设计时,考虑以生产油品为主, FT合成工段设计采用较高尾气循环比,使得最后作为发电用燃气有效能量低,发电量大为减少的缘故。串联方式下,通过尾气发电,能多回收相当于原料煤热值近2%的能量。并联方式下,随着用于FT合成工段合成气分流比的降低,电力增长明显,其增长率明显高于油品产率的减少,然而热效率是递减的。这是由于化学能向电能转化的能耗要高于化学能向化学能的转化。在合成气分流比相同的情况下,以富CO气作为发电燃料气时,发电量升高10%~16%,热效率较高。而且用于发电的合成气比例越大,富CO相对于富H2的优势就越明显。但是对于CO2的排放,与富CO的方案相比,富H2的方案能够减少CO2排放达6-13倍。进一步研究FT合成不同H2/CO比(H2/CO=1.0、1.5、2.0,mol/mol)对多联产结果的影响,结果表明发电量存在较大差异,H2/CO越高,发电量越多,系统热效率越高。串联型与并联型相比,子系统的能量利用差别较大,主要表现在以下单元:(1)在深度变换单元,当CO 转化率为95%时,低热值(LHV)降低6%左右;(2)在FT合成和联合循环单元,LHV则降低6%~10%。 甲醇/DME-电多联产系统:在系统设计上,主要设计了甲醇合成尾气循环以甲醇/DME生产为主电力生产为辅的方案,以及反应气一次通过甲醇合成反应器以电力生产为主甲醇/DME生产为辅的方案。结果表明,从液体燃料的产率Shell气头尾气循环甲醇-电多联产方案具有最高的热效率53.7%,比该气头一次通过方案提高7%左右。Shell气头一次通过方案具有最高的发电量,而Texaco气头一次通过方案发电量比前者低10%左右。从CO2减排来看,甲醇-电多联产一次通过方案排放的CO2量是尾气循环方案的26-29倍,对DME联产,这一数字是15~19倍。对于能量在系统中的转移和消耗,二者最大的不同在于甲醇合成的能量利用率:尾气循环方案甲醇合成的能量利用率约80%,而一次通过方案大约35%左右。和热效率来看,尾气循环方案远远高于一次通过方案,而生产的电力不足以满足自身电力需求。 IGCC系统:重点研究CO2减排对系统热效率的影响。在系统设计时,重点考虑高热效率和低CO2排放两种工艺路线,高热效率的工艺路线不考虑CO转换(富CO方案),低排放的工艺路线则设计了一个深度变换单元(富H2方案),经变换反应将合成气中95%的CO变换为CO2,同时将水转化为H2,净化单元将CO2、硫化物和其它酸性物质捕获下来,H2成为主要的燃气成分。这将大大减少温室气体的排放。结果表明,Shell富CO方案具有最高的热效率,GSP富H2方案具有最低的热效率。富H2与富CO案例相比,无论采用何种气化工艺,热效率普遍较低,这是由于深度变换耗费了大量能量,粗煤气中95%CO转换使合成气能量下降约9%,而富CO的方案这一变化很小。对采用相同气化工艺的富CO与富H2方案进行比较,Shell的方案热效率二者相差7%,GSP的二者相差4%,Texaco的两个方案相差1.4%,这是由于不同方案蒸汽发电量存在较大差异。从CO2减排的角度来看,富H2的方案优势明显,排放量分别比富CO方案减少93%(Shell)、94%(GSP)和93%(Texaco)。 需要说明的是,高的热效率对节能降耗具有十分重要的意义,然而对于多联产系统,高热效率只是考虑的重要因素之一。显而易见的是生产更高比例液体燃料将获得更高系统热效率,但是这样的系统未必最优,产品生产的侧重点应该根据市场需求灵活配置,达到效率和需求的平衡。
关键词
多联产;模拟;气化;Fisher-Tropsch合成;甲醇;二甲醚;联合循环
页数
134
出版日期
2010-06-01
学位授予单位
中国科学院山西煤炭化学研究所
学位年度
2010
学位
博士
语言
chi
导师
李永旺
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