CN102191083B - 一种煤化工串联型多联产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤化工串联型多联产工艺。本发明以煤气化为源头，将化工流程与动力系统串联在一起，使其形成上下游的优化组合。粗煤气经降温净化后直接作为合成反应新气合成化工产品，未反应气被分为循环气和未循环气。在常见的无合成气调整、未反应气适度循环工艺基础上，将循环气进行合成气调整，提高其H2/CO比，然后与合成新气混合，使合成气组分更接近化工反应的化学剂量比要求；未循环气则经过预热、膨胀后送燃气电和蒸汽联合循环发电系统。本发明采用的系统包括：空分单元、合成气制备单元、显热回收单元、净化单元、合成单元、变换单元和动力发电单元。本发明的生产工艺可提高能量利用率，降低投资和成本，显著提高经济效益。

Description

一种煤化工串联型多联产工艺
技术领域：
本发明属于能源动力与化学工程技术领域，涉及一种煤化工串联型多联产工艺，尤其是一种高效利用物质及能量的煤基能源与化工工艺的优化整合，形成化、电、热等多种产品联产的新工艺。
背景技术：
我国能源结构长期以来都是以煤为主体，在未来的几十年也不可能发生根本性的转变，但是煤作为一种不可再生的资源被大量开采，能源危机日益严峻。为了未来减少投资、缓解能源危机以及节能减排而提出的一种非常有效的途径是实行煤化工多联产工艺。现有的煤化工多联产工艺一般采用气化后并联多个产品的工艺，但是并联型联产系统没有打破分产化工流程与动力系统的优化状态。相对于并联型多联产系统，串联型多联产系统的主要特点在于：化工流程与动力系统之间是上游与下游的串联整合关系。动力系统燃料气不是直接由气化炉产生的合成气，而是经历了化工生产流程却未转化为化工产品的组分。但是简单的煤化工串联型多联产工艺存在部分的未反应气，产品合成率相比于独立系统有所降低，从而没有发挥出装置产能最大效益的多联产目的。
发明内容：
本发明提供一种复杂煤化工串联型多联产工艺，以煤为原料通过气化单元制备为粗合成气，粗合成气首先经过潜热回收单元以后全部进入到净化单元然后直接送入化工生产流程，此时不需要对H2/CO比例进行调整，直接合成化工产品，未转化的合成气一部分作为循环气进入到变换单元，重新调整H2/CO比例后作为循环气进入净化单元然后再送入合成单元合成化工产品，另一部分未循环气作为燃料送往蒸汽-燃气轮机联合循环发电系统。
所述述主要含碳原料为煤，
所述述工艺包括：空分单元、合成气制备单元、显热回收单元、净化单元、合成单元、变换单元、动力发电单元；
所述合成气制备单元为煤气化过程；
所述合成单元为甲醇、二甲醚等液体燃料或化工产品的合成过程；
所述化工合成单元与动力发电系统以串联的方式连接。
所述动力发电系统为蒸汽-燃气轮机联合发电系统，燃料为未合成转化的合成气以及合成气气化净化和化工合成中利用反应热产得的蒸汽。
所述工艺以煤为原料，在化工流程与动力系统串联型连接的基础上，将未反应气进行合理分配为循环气和未循环气两部分，循环气经成分调整后提高H2/CO比，然后与合成新气混合，从而使合成气组分更加接近化工产品合成反应的化学剂量比要求。
所述循环气与未循环气直接的分配关系可以通过系统稳定后，循环气流量与合成反应气流量直接的比例进行调整。
所述的化工产品可以为甲醇、二甲醚等液体燃料或化工产品，同时可根据实际需求匹配一种或多种化工生产流程。
所述的动力发电系统是蒸汽-燃气轮机联合循环发电系统，消耗的燃料为未合成转化的合成气以及合成气气化净化和化工合成中利用潜热回收单元回收得到的蒸汽，在满足自身化工生产所需要的公用工程部分，还可以对外输出发电。
本发明的优点是，根据多联产项目的工艺需要，寻找最佳的为反应气循环气分配比，避免了简单煤化工串联型多联产工艺存在部分的未反应气，产品合成率相比于独立系统有所降低的问题，新系统的节能效果可以显著提高，以生产甲醇为例，当循环比达到0.50时，联产系统相对于分产系统节能效率达到12.8％，达到了发挥出装置产能最大效益的多联产目的。
附图说明：
图1为本发明的复杂煤化工串联型多联产的工艺流程图；
图2为本发明的复杂煤化工串联型多联产甲醇的工艺流程图。
具体实施方式：
结合下面实施例以及附图对本发明作进一步说明。
实施例1：采用本发明方法的复杂煤化工串联型多联产工艺，将图1中的化工产品替换为甲醇的项目，即为复杂煤化工串联型甲醇-动力多联产系统流程图，如图2所示。原料煤为山西晋城9号无烟煤，煤的基本组分见表1。
表1山西晋城9号无烟煤成分
Figure BDA0000052512030000041
气化过程：选择Shell气化工艺。根据气化炉反应所需要的温度(＞1000℃以保证液态排渣)，在热效率最优的条件下，选择气化炉进口参数见下表2：
表2气化剂配比
Figure BDA0000052512030000042
净化和水蒸汽变换过程：按照本发明提出的复杂煤化工串联型多联产模型，合成气不经过激冷除尘，而是由废热锅炉和显热回收单元分级回收显热，实现能量的梯级利用。
根据多联产系统中上下游流程对温度的控制要求，水煤气变换反应选择在较低的温度(200～250℃)下进行。为了省去合成气压缩机环节的功耗，多联产系统中转化反应进行的压力应同甲醇合成单元保持一致，约为5Mpa。然后粗煤气进入净化单元，完成除尘、脱硫和两道工序。循环气经过成分调整后，进入净化单元脱碳(由于水煤气变换会产生大量的CO2)。
甲醇合成过程：在温度250℃，5Mpa下采用内部换热，无液浆外循环方式，空速11000L/h情况下，出口甲醇的浓度为7％～8％，每小时每公斤催化剂的甲醇产率为0.96kg。
联合循环发电系统：本发明采用简化办法：考虑所有的换热器热效率均为95％，全部可回收的热能把热量传给水蒸汽。根据余热锅炉的结点温差，汽轮机选择双压或者三压中高参数机组。目前燃气轮机的效率能够达到34％以上(如GE-F型燃气轮机或Siemens-V94系列燃气轮机)，而中高参数的汽轮机热效率也能够达到44％以上，联合循环发电效率能够达到55％左右。
计算结果：气化过程压力取5Mpa，对研究对象表1所示的煤种优化得到表2的气化剂配比，根据化学平衡计算出的粗煤气成分、摩尔数和气体的温度见表3：
表3相煤气成分
Figure BDA0000052512030000051
计算得到的气化炉能量平衡如表4所示：
表4气化炉能量平衡热
Figure BDA0000052512030000052
Figure BDA0000052512030000061
由此可知气化炉的低位热效率(气化炉出口的前两项之和)为92.9％，气化炉热效率高于锅炉的原因是不完全燃烧热损失小，且在锅炉中占较大比重的排烟损失在气化炉中不会出现。高温煤气的显热由后续的废热锅炉和显热回收单元回收。假设显热回收前后煤气成分不变。表5显示了高温煤气显热回收前后的温度和显热。
表5显热回收过程中煤气显热的变化
Figure BDA0000052512030000062
经显热回收后的低温煤气进入净化单元除尘、脱硫、干燥。脱硫H2S带走显热4.5kJ，和其本身的热值326kJ；干燥H2O带走显热和潜热共8.8kJ经过上述净化工艺后，清洁煤气的成分见表6：
表6清洁煤气成分
Figure BDA0000052512030000063
通过计算，对比复杂流程(即本发明提出的复杂煤化工串联型甲醇-动力多联产工艺)与简单流程(采用一次甲醇合成工艺无循环气的流程)系统的节能效果。表7是复杂流程与简单流程多联产系统能量分布情况，表8是复杂流程与简单流程多联产系统的产品比较。
表7复杂流程与简单流程多联产系统能量分布情况
Figure BDA0000052512030000071
表8复杂流程与简单流程多联产系统的产品比较
Figure BDA0000052512030000072
由此可以得到本发明提出的复杂流程多联产系统总的热效率为63.2％，比简单流程的多联产总的热效率高12.4％。分别与分产进行比较，按照本发明实例所选取的设备参数的IGCC供电效率能够达到42％(燃气轮机和汽轮机组参数不高，较目前世界上最高水平略低，煤化工甲醇合成的热效率多低于58％(相当于综合能耗39.1GJ·t-1)。按照此分产效率计算，甲醇的产量为19.27mol·kg-1coal，生产这些甲醇按照58％的热效率需要消耗0.997kg煤，生产上述电能需要消耗0.131kg煤，分产耗煤相加等于1.128kg，多联产系统通过1kg煤生产的甲醇和电能，比分产降低12.8％的耗煤量，并且可以满足更高的尾气排放标准。达到了节能、减排、降耗的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种煤化工串联型多联产工艺，其特征在于：
将空气送入空分单元分解为氮气和氧气，将氧气和含碳原料送入气化单元制备粗煤气，粗煤气输入废热锅炉；废热锅炉中一部分粗煤气分成两股，分别进入显热回收单元和燃机单元；废热锅炉中另一部分粗煤气进入余热锅炉；显热回收单元中的煤气依次顺序通过净化单元、合成单元、气液分离单元进入精馏单元，气液分离单元中的未反应气分成循环气和未循环气，循环气通过变换单元后进入净化单元，未循环气进入显热回收单元，合成单元中的煤气一部分进入变换单元、另一部分进入余热锅炉；燃机单元中的煤气进入余热锅炉；精馏单元分别产生化工产品和精馏单元排放；余热锅炉发电和排烟；
所述的未循环气送往动力系统作为燃料气燃烧，循环气经成分调整后提高H2/CO比；
所述含碳原料是煤。
2.如权利要求1所述一种煤化工串联型多联产工艺，其特征在于：所述化工产品为甲醇或二甲醚。
3.如权利要求1所述一种煤化工串联型多联产工艺，其特征在于：所述合成单元用于合成甲醇或二甲醚。
4.如权利要求1所述一种煤化工串联型多联产工艺，其特征在于：所述多联产工艺中化工流程与动力发电系统以串联的方式连接。
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