CN101024783A - 化工－动力多联产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种化工一动力多联产方法，以富碳原料制得的粗合成气首先全部进入化工生产流程，合成气不经变换反应降低CO/H2的比例(或虽经调整，但调整后CO/H2比远高于标准值)，经降温、净化后直接进行化工合成，经合成反应器后部分合成气转化为化工产品，未转化的合成气一部分重新循环回合成反应器参加反应，一部分作为燃料送往燃气/蒸汽联合循环系统发电。本发明采用的系统包括：合成气制备单元、显热回收单元、合成气净化单元、化工合成单元、联合循环发电系统。

Description

化工-动力多联产系统及方法
技术领域
本发明属于能源与化工技术领域，具体地说涉及一种利用富碳原料同时生产液体燃料(化工产品)和电力的方法。
本发明还涉及实现上述方法所使用的化工-动力多联产系统。
背景技术
目前大部分化工生产流程和动力发电系统是相互独立的，面对可持续发展的背景，分产化工流程与动力发电系统虽然也开始综合考虑降低能耗、提高能源利用率与控制污染等多方面的问题，但分产系统往往片面地追求某个目标，强调以某一个问题为主，其他问题为辅，这一思路是多数分产系统无法满足未来可持续能源系统要求的致命缺陷，使得分产系统很难同时克服能耗高、化学能利用过程损失大以及环境污染严重等问题。
基于领域交叉与融合的思路，化工-动力多联产系统把化工生产流程和动力系统有机地结合在一起，在完成发电、供热的同时，生产甲醇、二甲醚、氢气等合成燃料与氨等化工产品，是同时满足能源、化工以及环境等多功能、多目标综合的能源利用系统。合理集成和整合的多联产系统在使动力系统能源利用率提高和污染排放降低的同时，降低了化工生产过程能耗与初投资，因此成为未来符合可持续发展要求的主要资源利用技术之一。
目前的多联产系统主要分为并联型多联产系统与串联型多联产系统两类。以往国内外研究的多联产系统多为并联型，它是在保持原有化工生产流程和动力发电系统结构基本不变的基础上，粗合成气分别作为原料气与燃料气进入化工流程与动力系统，通过回收化工流程中的弛放气为燃料或采用热集成等措施来实现系统整体性能的提高。并联型联产系统可以视为分产流程的简单叠加，没有体现多联产系统所要求的化工流程与动力系统有机结合的本质特点，其性能是多联产系统中最低的，如并联型甲醇-动力多联产系统相对于分产系统的相对节能率(节能率)通常不超过6％。
除并联型多联产系统之外，目前也存在几种常规的串联型多联产系统。串联型多联产系统的特点在于合成气首先全部进入化工生产流程合成化工产品，动力发电系统的燃料是来自于化工生产流程中的未转化为化工产品的合成气。目前常规串联型多联产系统均采用一次通过合成方式：在化工合成单元取消未反应气循环物流，未反应的合成气全部送往动力发电系统作为燃料。常规串联型多联产系统性能通常高于并联型多联产系统。根据是否调整合成气的CO/H2比，常规串联型多联产系统也可以分为合成气组分全调整(富H2合成)方案与合成气组分无调整(富CO合成)方案两类，后者性能稍高，但这两类常规串联型甲醇-动力多联产系统的相对节能率也难以超过8％。
发明内容
针对当前化工-动力多联产系统节能效果不理想的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用富碳原料同时生产液体燃料(化工产品)和电力的方法。
本发明的又一目的在于提供实现上述方法所用的化工-动力多联产系统。
为实现上述目的，本发明提供的化工-动力多联产方法，以富碳原料制得的粗合成气首先全部进入化工生产流程，经降温、净化后直接进行化工合成，合成气转化为化工产品，未转化的合成气一部分循环重新进行合成，另一部分作为燃料送往燃气/蒸汽联合循环发电系统。
所述的方法，其中富碳原料为煤、焦或重油。
所述的方法，富碳原料制得的粗合成气不调整或小幅调整CO/H2比，保持合成反应新气CO/H2比高于标准值0.5以上。
所述的方法，合成反应后未转化的合成气中，重新进行合成的合成气与合成反应新气的摩尔流量之比在3.5到7.5之间。
本发明提供的用于实现上述方法的化工-动力多联产能源系统，主要包括：合成气制备单元、显热回收单元、合成气净化单元、化工合成单元、动力发电系统；其中
合成气制备单元为气化、拔头、热解、炼焦合成气制备过程；
化工合成单元为甲醇、二甲醚液体燃料或化工产品的合成过程；
动力发电系统以串联方式与化工合成单元连接。
所述的系统，其中动力发电系统为燃气/蒸汽联合循环发电系统；蒸汽透平的工质来源于余热锅炉和化工生产流程中余热回收过程产生的蒸汽，动力发电系统除对外输出电力产品外，也要为化工生产流程提供工艺过程需要的做功用或加热用蒸汽。
根据上述内容可以看出，本发明是将富碳原料制备为粗合成气，粗合成气首先全部进入化工生产流程，不采用传统组分调整方式调整粗合成气组分达到标准值(主要是降低CO/H2的摩尔比以达到合成反应化学计量比)，而是取消成分调整过程(或虽经调整，但调整后CO/H2比高于标准值0.5以上)，粗煤气经降温与净化后直接作为合成反应新气用于合成化工产品，未转化的合成气一部分循环重新进入合成反应器，另一部分作为燃料送往燃气/蒸汽联合循环发电系统。循环的合成气(循环气)的流量与作为燃料的合成气(燃料气)的流量的比例关系可以通过改变循环倍率(循环气流量与合成反应新气流量之间的比例)调整，本发明提出的适度循环所要求的循环倍率在3.5到7.5的范围之间。
本发明在化工流程与动力系统串联型连接的基础上，将合成气组分无调整(或低调整)的合成反应新气制备方式与未反应气适度循环的利用方式独创性地整合在一起：由于采用合成气组分无调整(或低调整)的合成反应新气制备方式，合成反应新气制备过程的能量利用大幅提高；采用未反应气适度循环的利用方式，通过寻找最佳的未反应气循环倍率，新系统在保证合成反应新气的有效组分充分转化为化工产品的前提下，有效利用能量，从而实现组分转化与能量转换利用的耦合与协调。
本发明提出的化工生产流程可以生产多种液体燃料或化工产品，可根据具体需求匹配某一种或多种化工生产流程，得出不同产品联产的化工-动力多联产系统，例如甲醇-动力的多联产系统或二甲醚-动力多联产系统等。
本发明提供的动力发电系统是燃气/蒸汽联合循环发电系统，与常规独立的联合循环发电系统不同的是，在多联产系统中动力发电系统消耗的燃料气为化工生产流程中的未转化为化工产品的组分，动力发电系统也接收来自化工生产流程中显热回收单元产生的蒸汽作为蒸汽循环的作功工质。在对外输出电力的同时，动力发电系统也要为化工生产流程提供所需要的做功用或加热用蒸汽。
本发明的有益效果是，克服了已有的化工-动力多联产系统节能效果不理想的缺陷，与已有节能效果最明显的多联产系统相比，新系统的节能效果可以大幅度提高(从8％提高到15％以上)，与分产系统相比可节约原料达10～20％。
附图说明
图1：以煤为原料同时生产液体燃料(化工产品)和电力的化工-动力多联产能源系统示意图。
图2：甲醇合成单元流程示意图。
图3：二甲醚合成单元流程示意图。
图4：合成气组分调整、未反应气循环对串联型多联产系统节能率的影响图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
请参见附图1，本发明提供的利用富碳原料同时生产液体燃料(化工产品)和电力的化工-动力多联产能源系统，主要由合成气制备单元(1)、显热回收单元(2)、合成气净化单元(3)、化工合成单元(4)、动力发电系统(5)组成。原料(6)在合成气制备单元(1)中的制得粗合成气在显热回收单元(2)中降温回收显热，然后进入合成气净化单元(3)脱除酸性气体得到合成反应新气，合成反应新气(10)与循环气(11)混合进入化工合成单元(4)生产化工产品(13)，从化工合成单元(4)出来的未反应气(9)被分为循环气(11)与燃料气(14)两部分，循环气(11)与合成反应新气(10)混合后再次进入合成反应单元(4)，燃料气送往动力发电系统(5)作为燃气/蒸汽联合循环燃料燃烧发电。显热回收单元(2)和化工合成单元(4)产生的蒸汽送往动力发电系统(5)作为蒸汽循环的工质。合成气净化单元(3)所需的蒸汽来自动力发电系统(5)。
图2为本发明甲醇生产单元工艺流程图。由图1所示来源于合成气净化单元(3)的合成反应新气(10)经过压缩机(17)升压并与循环气(11)混合后，再经过压缩机(18)进一步压缩到甲醇合成压力。高压原料气经过回热器(21)预热，进入甲醇合成塔(19)，进行甲醇合成。合成后的混合物在回热器(21)放热后进入气液分离单元(22)将粗甲醇(16)与未反应气(9)分离。粗甲醇(16)被送往精馏单元精制得到产品甲醇，未反应气体一部分作为循环气(11)继续参加合成反应，另一部分作为燃料气(14)送往动力发电系统(5)。
图3为本发明二甲醚生产单元工艺流程图。由图1所示由来源于合成气净化单元(3)的合成反应新气(10)经压缩机(23)后预热(25)再进入二甲醚合成反应器(24)，反应产物通过膨胀机(26)回收压力能后冷却(27)，再进入分离单元(29)，得到一定纯度的二甲醚(30)。分离单元(29)出来的尾气净化后含大量未反应合成气，一部分(11)循环与压缩后的合成反应新气(10)混合，另一部分作为燃料气(14)送往动力发电系统(5)。
图4所示为串联型甲醇-动力多联产系统中不同合成气组分调整方式(从a点全调整方式到b点无调整方式)和不同未反应气循环倍率(从b点无循环方式到部分循环方式，循环倍率逐渐提高)情况下系统节能率的变化情况。图中的曲线a-b代表从合成气组分全调整方式变化到无调整方式时，多联产系统节能率的变化情况，曲线b-c代表从一次通过(无循环方式)到最佳循环倍率以及循环倍率持续上升情况下，多联产系统节能率的变化情况。从图中可以发现，针对循环倍率的变化存在最佳循环倍率区域，这一区域内的循环倍率可以保证此时多联产系统节能效果最佳。
本发明是利用富碳原料的多联产能源系统，与现有的多联产系统相比具有以下特点：在化工流程与动力系统以串联型方式连接的基础上，把合成气组分无调整(或低调整)和未反应气适度循环有机结合起来，在降低合成反应新气制备能耗的同时，改善了合成反应新气有效组分的利用。
综上所述，本多联产系统能够明显提高化工流程与动力系统的能量利用与组分利用水平，有利于能源的综合利用和节约能源。
实施例1：为采用本方法的煤基串联型无调整、适度循环甲醇-动力多联产系统，将图2的甲醇生产单元替换图1中化工生产单元即为煤基串联型无调整、适度循环甲醇-动力多联产系统流程图。从煤气化炉出来的粗合成气组分和状态参数如表1和表2所示。表3为串联型多联产系统性能对比数据，以相同的原料消耗量(267 10kJ)为前提，比较了分产系统、新型串联型无调整适度循环系统(NA/PC)、常规串联型无调整一次通过系统(NA/OTM)和常规串联型全调整一次通过系统(FA/OTM)的性能。从表中可见，三种多联产系统净功输出分别为5824kJ、6422kJ与8561kJ，同时分别生产甲醇0.3978kg、0.2974kg与0.2095kg。由于NA/PC采用了合成气组分无调整、未反应气适度循环方式(对应循环倍率为4.4)，合成反应新气制备能耗低，甲醇合成单元的全程转化率较高；FA/OTM系统由于采用了合成气组分全调整方式，合成反应新气制备能耗较高，而采用一次通过甲醇合成流程使得其合成反应新气的有效成分并未得到充分利用；NA/OTM采用了合成气组分无调整与一次通过甲醇合成方式，虽然合成反应新气制备能耗较低，但由于采用了一次通过甲醇合成方式，最终仅有少部分合成反应新气转化为化工产品，合成反应新气有效成分利用不够充分。
对比三种类型的多联产系统的节能效果，NA/PC系统节能率为15％；FA/OTM系统的节能率最低，仅为5.3％；NA/OTM系统的节能率介于其他两个系统之间，为8.1％。显然，新型串联型甲醇动力多联产系统具有最佳的节能效果。
实施例2：为采用采用本方法的煤基串联型合成气组分无调整、未反应气适度循环的二甲醚-动力多联产系统。将图3二甲醚合成单元替换图1中化工生产单元，即为煤基串联型合成气组分无调整、未反应气适度循环的二甲醚-动力多联产系统流程图。合成气的制备过程与实施例1相似，见表4和表5。以输入煤量27.264kg/s为基准，对比动力分产系统(IGCC)、化工分产流程和多联产系统，结果如表6所示。由表6可知，联产系统的净功输出和二甲醚的产量明显多于分产系统的综合，相对节能率可达17.10％，具有明显优势。
表1合成气状态参数
    物流序号 压力(MPa)     温度(℃)   流量(kmol/h)
    8合成气 6.8     1346   9947
表2气化反应器出口合成气组分
项目 H2  CO  CO2  H2O  N2   H2S
摩尔流(kmol/h) 3031  4380.9  1161.7  1251  89.7   30.4
摩尔百分比(％) 30.5  44  11.7  12.6  0.9   0.3
表3串联型多联产系统性能对比分析
项目   分产   NA/PC   FA/OTM  NA/OTM
耗煤量(kJ)   31415   26710   26710  26710
甲醇产量(kg)   0.3978   0.3978   6422  8561
净功输出(kJ)   5824   5824   0.2974  0.2095
相对节能率(％)   15.0   5.3  8.1
表4合成气状态参数
物流序号   压力(MPa)   温度(℃)   流量(kmol/h)
8合成气   4.0   220   2772.8
表5气化反应器出口合成气组分
项目   H2     CO     CO2     N2
摩尔流量(kmol/h) 1111.9 1606.7 21.3 32.9
摩尔百分比(％)   40.1     57.9     0.8     1.2
表6二甲醚合成与动力多联产性能分析
  煤耗kg/s 净功输出kW  DME产量kmol/h 相对节能率(％)
IGCC+DME分产   27.264 78706  780.1
新型联产系统   27.264 92146  913.3 17.10

Claims (6)

1.一种化工—动力多联产方法，以富碳原料制得的粗合成气首先全部进入化工生产流程，经降温、净化后直接进行化工合成，合成气转化为化工产品，未转化的合成气一部分循环重新进行合成，另一部分作为燃料送往燃气/蒸汽联合循环发电系统。
2.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述富碳原料为煤、焦或重油。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，富碳原料制得的粗合成气不调整或小幅调整CO/H2比，保持合成反应新气CO/H2比高于标准值0.5以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，合成反应后未转化的合成气中，重新进行合成的合成气与合成反应新气摩尔流量之比在3.5到7.5之间。
5.用于实现权利要求1所述方法的化工—动力多联产能源系统，主要包括：合成气制备单元、显热回收单元、合成气净化单元、化工合成单元、动力发电系统；其中
合成气制备单元为气化、拔头、热解、炼焦合成气制备过程；
化工合成单元为甲醇、二甲醚液体燃料或化工产品的合成过程；
动力发电系统以串联方式与化工合成单元连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，动力发电系统为燃气/蒸汽联合循环发电系统；蒸汽透平的工质来源于余热锅炉和化工生产流程中余热回收过程产生的蒸汽，动力发电系统除对外输出电力产品外，也要为化工生产流程提供工艺过程需要的做功用或加热用蒸汽。
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