CN104987280B - 一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，包括依次连接的德士古气化单元、净化除尘单元、水煤气变换单元、酸性气体脱除单元和甲醇合成及精馏单元，所述酸性气体净化单元连接有硫回收单元和CO2多级压缩单元；还包括有机郎肯余热发电单元和水处理单元，所述水煤气变换单元、有机郎肯余热发电单元、水处理单元和CO2多级压缩单元依次首尾连接。同时，本发明还提供一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法。本发明优化了水煤气变换单元的蒸汽利用方式，减少了废热的排放和额外冷却所需功耗，到达节能降耗的目的。

Description

一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统及方法
技术领域
本发明涉及甲醇制造技术，具体来说是一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统及方法。
背景技术
当今世界能源形势越来越紧迫，我国能源消耗逐年上升。2012年我国CO2排放量为8250Mt，成为世界第一碳排放国。随着节能减排压力日益增加,以及国内污染日益严重所带来的诸多环境问题，节能减排已成为目前中国一项十分重要的议题。余热利用也是当前节能工作的一个热点。我国余热的分布非常广泛,大量产生于各重工业企业和轻工业企业中，然而并未得到充分利用。
甲醇，作为煤化工生产的重要产品之一，在化工、轻工和清洁能源领域具有广阔的前景，被认为是一种重要的有机化工原料和新型能源燃料。2013年我国的甲醇产量已经达到了2800万吨，发展大型制甲醇技术是大势所趋。我国煤炭资源丰富、价格偏低，因此主要以煤制甲醇工艺作为生产甲醇的主要方式。
碳排放量大是大型煤制甲醇技术的主要问题之一。碳捕集技术被认为是煤制甲醇碳减排的重要突破口。带有碳捕集过程的煤制甲醇流程简图如图1：工艺主要由德士古气化单元1、净化除尘单元2、水煤气变换单元3、酸性气体脱除单元4、硫回收单5元、CO2多级压缩单元6和甲醇合成及精馏单元7。粗煤预处理后与水混合成水煤浆，水煤浆与来自空分的氧气在德士古气化单元中的气化室反应生成合成气。此合成气依次经过净化除尘单元2、水煤气变换单元3和酸性气体脱除元4后得到洁净的合成气，此洁净的合成气经甲醇合成及精馏单元7得到精甲醇。而合成气在酸性气体脱除单元中分离出的气态CO2进入CO2多级压缩单元，通过CO2多级压缩单元的作用，气态的CO2变为高压液态CO2，然后将高压液态CO2输送到其他工艺或进行储存，从而完成CO2捕食，以减少碳排放。工程上经优化后的低温甲醇洗工艺，CO2的捕集率大概为60％～70％。
目前，CO2捕集技术在煤制甲醇领域还没能广泛的推广，其中最重要的原因是捕集CO2会增加额外的捕集能耗。而煤制甲醇系统本身就有投资大，能耗高的缺点，若增加碳捕集装置会加大节能压力，使经济效益下降。因此，要推广CO2捕集技术，必须对带有CO2压缩的煤制甲醇系统进行热集成以减少捕集成本。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统。该煤气化制甲醇系统可回收低品位废热，减少冷却系统的负荷，节约能源。同时本发明还提供了一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，包括依次连接的德士古气化单元、净化除尘单元、水煤气变换单元、酸性气体脱除单元和甲醇合成及精馏单元，所述酸性气体脱除单元连接有硫回收单元和CO2多级压缩单元；还包括有机郎肯余热发电单元和水处理单元，所述水煤气变换单元、有机郎肯余热发电单元、水处理单元和CO2多级压缩单元依次首尾连接。
优选的，所述有机郎肯余热发电单元包括蒸发器、回热器、冷凝器、膨胀机和发电机，所述蒸发器的蒸汽入口与水煤气变换单元的蒸汽出口连接，所述蒸发器的凝结水出口与水处理单元的凝结水入口连接；所述蒸发器的工质出口与膨胀机连接，所述膨胀机的工质出口与回热器的热端入口连接的，所述膨胀机驱动轴与发电机连接；所述回热器的热端出口与冷凝器的端入口连接，所述冷凝器的热端出口与通过加压泵与回热器的冷端入口连接，所述回热器的冷端出口与蒸发器的工质入口连接。
优选的，所述水处理单元包括依次连接的凝汽器、冷却塔、蓄水池和排水罐，所述冷凝器凝结水入口与蒸发器的凝结水出口连接，所述排水罐的出水口与CO2多级压缩单元的冷却水入口连接。
优选的，所述水煤气变换单元包括第一变换反应器、第二变换反应器、第一废热锅炉、第二废热锅炉、第一汽包和第二汽包，所述第一变换反应器的进气口与除尘净化单元连接，所述第一变换反应器的出气口与第一废热锅炉的热端进口连接，所述第一废热锅炉的热端出口与第二变换反应器的进气口连接，所述第二变换反应器的出气口与第二废热锅炉的热端进口连接，所述第二废热锅炉的热端出口与酸性气体脱除单元的合成气体进口连接；
所述CO2多级压缩单元的过热水出口与第二废热锅炉的进水口连接，所述第二废热锅炉的过热水出口与第一汽包的过热水入口连接，所述第一汽包的蒸汽出口与发生器的蒸汽入口连接；所述第一汽包的热水出口与第一废热锅炉的进水口连接，所述第一废热锅炉的过热水出口与第二汽包的过热水入口连接，所述第二汽包的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口连接。
优选的，所述CO2多级压缩单元包括多个CO2压缩器和多个压缩冷却器，多个所述CO2压缩器和多个压缩冷却器依次交替连接，位于首位的CO2压缩器与酸性气体脱除单元连接，多个所述压缩冷却器的进水口均与排水罐的出水口连接，多个所述压缩冷却器均的出水口均与第二废热锅炉的进水口连接。
一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法，包括以下步骤：
(1)水煤浆和氧气进入德士古气化单元后形成合成气，所述合成气依次通过净化除尘单元和水煤气变换单元后进入酸性气体脱除单元，酸性气体脱除单元将合成气中的气态CO2分离出来，则分离出来的气态CO2进入CO2多级压缩单元；酸性气体脱除单元产生的洁净合成气自酸性气体脱除单元的合成气出口进入甲醇合成及精馏单元，从而制得精甲醇；
(2)在步骤(1)中，进入CO2多级压缩单元的气态CO2被压缩成液态CO2，CO2多级压缩单元在压缩气态CO2时产生大量过热水，过热水通过第一废热锅炉、第二废热锅炉、第一汽包和第二汽包汽化，从而形成水蒸汽；此水蒸汽进入有机郎肯余热发电器中的蒸发器，则水蒸汽对蒸发器中的有机工质进行加热，从而使有机工质转换成有机蒸汽，而有机蒸汽推动膨胀机，则膨胀机带动发电机产生电力；
(3)推动膨胀机的有机蒸汽自膨胀机出来后，依次经过回热器、冷却器后恢复变为液态的有机工质，液态的有机工质再通过加压泵送回回热器后再重新回到蒸发器；
(4)水蒸汽通过蒸发器后形成凝结水，凝结水进入水处理单元进行降温除杂后形成冷却水，冷却水回到CO2多级压缩单元，从而形成冷却循环水。
优选的，步骤(1)中的德士古气化单元合成水煤浆和氧气时的氧化温度为1200-1400℃。
优选的，步骤(1)中水煤气变换单元对自德士古气化单元出来的合成气进行两段高温耐硫变换工艺，其中第一变换反应器对合成气的加热温度为400-450℃，而第二变换反应器对合成气的加热温度为350-400℃。
优选的，在步骤(2)中，置于蒸发器中的有机工质被加热前的温度为50-60℃；而有机工质被水蒸汽加热后得到的有机蒸汽的温度为150-190℃；通过加压泵抽回至蒸发器的有机工质的温度为25-35℃。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明有效回收CO2多级压缩单元产生过热水含有的低品位废热，同时优化了水煤气变换单元的蒸汽利用方式，减少了废热的排放和额外冷却所需功耗，到达节能降耗的目的。
2、本发明回收CO2多级压缩单元产生过热水含有的低品位废热，即通过有机郎肯余热发电单元利用这些低品位废热进行发电，并将产生的电能用于生产工中，这能减少电量的损耗。
3、本发明采用有机郎肯余热发电单元利用这些低品位废热进行发电，这可减少自备电厂的负荷，继而减少发电所排放的CO2。
4、本发明采用采用有机郎肯余热发电单元利用这些低品位废热进行发电，这有效地调节生产过程中的蒸汽和电力负荷。
附图说明
图1为一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的整体结构示意图；其中：1为德士古气化单元，2为除尘净化单元，3为水煤气变换单元，4为酸性气体脱除单元，5为克劳斯单元，6为CO2多级压缩单元，7为甲醇合成及精馏单元，10为水煤浆，11为氧气，12、13和14均为粗合成气，15为H2S气体，16为CO2气体，17为洁净合成气，18为精甲醇，19为硫磺副产品，20为液态CO2。
图2为本发明实施例1的结构示意图；1为德士古气化单元，2为除尘净化单元，3为水煤气变换单元，4为酸性气体脱除单元，5为克劳斯单元，6为CO2多级压缩单元，7为甲醇合成及精馏单元，8为有机郞肯余热发电单元，9为水处理单元，10为水煤浆，11为氧气，12、13和14均为粗合成气，15为H2S气体，16为CO2气体，17为洁净合成气，18为精甲醇，19为硫磺副产品，20为液态CO2，21为过热水，22为低压蒸汽，23为冷却水，24为凝结水，25为输出的电能，26、27分别为水处理单元的进、出口冷却水。
图3为本发明中的水煤气变换单元、CO2多级压缩单元和有机郞肯余热发电单元的连接示意图；其中，13、14、30、32和34均为粗合成气，15为H2S气体，16为CO2气体，17为洁净合成气，28为工艺蒸汽，29为第一变换反应器，31为第一废热锅炉、33为第二变换反应器、35为第二废热锅炉，36～39为CO2压缩器，40～43为压缩冷却器，44为第一汽包，45为第二汽包，46为蒸发器，47为膨胀机，48为发电机，49为回热器、50为冷却器，51为加压泵，52为气态有机工质。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图2和3所示，一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，包括依次连接的德士古气化单元1、净化除尘单元2、水煤气变换单元3、酸性气体脱除单元4和甲醇合成及精馏单元7，所述酸性气体脱除单元4连接有硫回收单元5和CO2多级压缩单元6；还包括有机郎肯余热发电单元8和水处理单元9，所述水煤气变换单元3、有机郎肯余热发电单元8、水处理单元9和CO2多级压缩单元6依次首尾连接。
所述有机郎肯余热发电单元包括蒸发器46、回热器49、冷凝器50、膨胀机47和发电机48，所述蒸发器46的蒸汽入口与水煤气变换单元3的蒸汽出口连接，所述蒸发器46的凝结水出口与水处理单元9的凝结水入口连接；所述蒸发器46的工质出口与膨胀机47连接，所述膨胀机47的工质出口与回热器49的热端入口连接的，所述膨胀机驱动轴与发电机48连接；所述回热器49的热端出口与冷凝器50的端入口连接，所述冷凝器50的热端出口与通过加压泵51与回热器49的冷端入口连接，所述回热器49的冷端出口与蒸发器46的工质入口连接。
具体的，水蒸汽进入有机郎肯循环单元的蒸发器46中作为热源，把3.0-3.5MPa、50-60℃的有机工质加热至完全气化。气化后的有机工质气体温度在150-190℃之间。随后气态的有机工质进入膨胀机47中做功，则膨胀机47带动发电机48产生电力。做功后的有机工质的温度降至90-110℃，压力降至0.15-0.25MPa，并进入回热器49进一步回收热量。接着，有机工质依次进入冷却器50和加压泵51，则此时有机工质的温度和压力分别变为25-35℃和3.0-3.5MPa。在此状态下的有机工质重新进入蒸发器46作为冷物流，完成一次循环发电。
所述水处理单元包括依次连接的凝汽器、冷却塔、蓄水池和排水罐，所述冷凝器凝结水入口与蒸发器的凝结水出口连接，所述排水罐的出水口与CO2多级压缩单元6的冷却水入口连接。其中，进行利用凝汽器和冷却塔中进行预处理工序，令水温下降；再在蓄水池中进行依次进行生化处理、过滤、反渗透、离子交换等工序，以减少冷凝水中的杂质，保障水质满足CO2多级压缩单元的要求；最后通过排水罐将冷凝水输送到CO2多级压缩单元6中作为冷却水用。
所述水煤气变换单元3包括第一变换反应器29、第二变换反应器33、第一废热锅炉31、第二废热锅炉35、第一汽包44和第二汽包45，所述第一变换反应器29的进气口与除尘净化单元2连接，所述第一变换反应器29的出气口与第一废热锅炉31的热端进口连接，所述第一废热锅炉31的热端出口与第二变换反应器33的进气口连接，所述第二变换反应器的33出气口与第二废热锅炉35的热端进口连接，所述第二废热锅炉35的热端出口经冷却器与酸性气体脱除单元4的合成气体进口连接；
所述CO2多级压缩单元6的过热水出口与第二废热锅炉35的进水口连接，所述第二废热锅炉35的过热水出口与第一汽包的过热水入口连接，所述第一汽包的蒸汽出口与发生器的蒸汽入口连接；所述第一汽包的热水出口与第一废热锅炉的进水口连接，所述第一废热锅炉的过热水出口与第二汽包的过热水入口连接，所述第二汽包45的蒸汽出口与蒸发器46的蒸汽入口连接。
具体的，自除尘净化器出来的粗合成气，依次通过第一变换反应器29、第一废热锅炉31、第二变换反应器33和第二废热锅炉35后进入酸性气体脱除单元4，则水煤气变换单元3可对粗合成气进行两段高温耐硫变换工艺；而CO2多级压缩单元6产生的过热水先进入水煤气变换单元3中的第二废热锅炉35，过热水从第二废热锅炉35进入第一汽包44，第一汽包44将过热水转变成低压水蒸汽，而没有完成转变的过热水自第一废热锅炉31进入第二汽包45，第二汽包45将此过热水转变成低压水蒸汽，第一汽包和第二汽包产生的低压水蒸汽被输送至有机郎肯余热发电单元的发生器46中。为了保证充分利用过热水，第二汽包35和第一汽包31之间设有过热水管道，即第二汽包35和第一汽包31通过过热水管道直接连接，这使在第二汽包内还没被转变的过热水可送回第一汽包中，从而保证过热水完全转变成低压蒸汽。
所述CO2多级压缩单元6包括多个CO2压缩器和多个压缩冷却器，多个所述CO2压缩器和多个压缩冷却器依次交替连接，位于首位的CO2压缩器36与酸性气体脱除单元4连接，多个所述压缩冷却器的进水口均与排水罐的出水口连接，多个所述压缩冷却器均的出水口均与第二废热锅炉的进水口连接。
具体的，采用本碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统利用合成气制甲醇的过程为：
水煤浆和氧气进入德士古气化单元后，水煤浆和氧气在德士古气化单元1中的德士古气化炉中以1300℃的温度下进行后成，产生粗合成气，此粗合成气的温度被降至300-400℃左右后，自德士古气化单元1排出而进入除尘净化单元2，除尘净化单元2去除粗合成气中的杂质；
通过被除尘净化单元2去除杂质的粗合成气进入水煤气变换单元3；水煤气变换单元3对此粗合成气进行两段高温而硫变工艺，即粗合成气进入第一变换反应器29时以350-450℃的温度进行高温耐硫变换工艺，进入第二变换反应器33时以300-400℃的温度进行高温耐硫变换工艺；依次通过水煤气变换单元3中的第一变换反应器29、第一废热锅炉31、第二变换反应器33和第二废热锅炉35的粗合成气进入酸性气体脱除单元4；
粗合成气被酸性气体脱除单元分离成三部分，即气态的H2S 15、气态的CO2 16和洁净合成气，其中气态的H2S15通过出口进入克劳斯单元5，气态的H2S被克劳斯单元7回收制成硫磺副产品19；而气态的CO216进入CO2多级压缩单元6，CO2多级压缩单元6将气态的CO2 16压缩成液态CO2 20后输送至其他工艺或进行储存，从而完成碳捕集；
而洁净合成气通过酸性气体脱除单元的合成气出口进入甲醇合成及精馏单元，甲醇合成及精馏单元将洁净合成气制成精甲醇。
本碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统在制造甲醇的过程中利用有机郞肯余热发电单元进行余热发电工艺，其过程如下所述：
A、进入CO2多级压缩单元6的气态CO2 16被压缩成液态CO2 20，CO2多级压缩单元6在压缩气态CO2时产生大量过热水21，过热水21通过第一废热锅炉31、第二废热锅炉35、第一汽包44和第二汽包45汽化，从而形成水蒸汽24；此水蒸汽进入有机郎肯余热发电单元8中的蒸发器46，则水蒸汽对蒸发器46中的有机工质进行加热，从而使有机工质转换成有机蒸汽，而有机蒸汽推动膨胀机47，则膨胀机47带动发电机48产生电力；
B、推动膨胀机47的有机蒸汽自膨胀机47出来后，依次经过回热器49、冷却器50后恢复变为液态的有机工质，液态的有机工质再通过加压泵51送回回热器49后再重新回到蒸发器46；
C、水蒸汽通过蒸发器46后形成凝结水23，凝结水23进入水处理单元9进行降温除杂后形成冷却水22，冷却水22回到CO2多级压缩单元6，从而形成冷却循环水。
在步骤A中，置于蒸发器46中的有机工质被加热前的温度为50-60℃；而有机工质被水蒸汽加热后得到的有机蒸汽的温度为150-190℃；通过加压泵51抽回至蒸发器46的有机工质的温度为25-35℃。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，包括依次连接的德士古气化单元、净化除尘单元、水煤气变换单元、酸性气体脱除单元和甲醇合成及精馏单元，所述酸性气体脱除单元连接有硫回收单元和CO2多级压缩单元；其特征在于：还包括有机郎肯余热发电单元和水处理单元，所述水煤气变换单元、有机朗肯余热发电单元、水处理单元和CO2多级压缩单元依次首尾连接；
所述有机郎肯余热发电单元包括蒸发器、回热器、冷凝器、膨胀机和发电机，所述蒸发器的蒸汽入口与水煤气变换单元的蒸汽出口连接，所述蒸发器的凝结水出口与水处理单元的凝结水入口连接；所述蒸发器的工质出口与膨胀机连接，所述膨胀机的工质出口与回热器的热端入口连接的，所述膨胀机的驱动轴与发电机连接；所述回热器的热端出口与冷凝器的热端入口连接，所述冷凝器的热端出口与通过加压泵与回热器的冷端入口连接，所述回热器的冷端出口与蒸发器的工质入口连接。
2.根据权利要求1所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，其特征在于：所述水处理单元包括依次连接的凝汽器、冷却塔、蓄水池和排水罐，所述冷凝器凝结水入口与蒸发器的凝结水出口连接，所述排水罐的出水口与CO2多级压缩单元的冷却水入口连接。
3.根据权利要求2所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，其特征在于：所述水煤气变换单元包括第一变换反应器、第二变换反应器、第一废热锅炉、第二废热锅炉、第一汽包和第二汽包，所述第一变换反应器的进气口与除尘净化单元连接，所述第一变换反应器的出气口与第一废热锅炉的热端进口连接，所述第一废热锅炉的热端出口与第二变换反应器的进气口连接，所述第二变换反应器的出气口与第二废热锅炉的热端进口连接，所述第二废热锅炉的热端出口与酸性气体脱除单元的合成气体进口连接；
所述CO2多级压缩单元的过热水出口与第二废热锅炉的进水口连接，所述第二废热锅炉的过热水出口与第一汽包的过热水入口连接，所述第一汽包的蒸汽出口与发生器的蒸汽入口连接；所述第一汽包的热水出口与第一废热锅炉的进水口连接，所述第一废热锅炉的过热水出口与第二汽包的过热水入口连接，所述第二汽包的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口连接。
4.根据权利要求3所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统，其特征在于：所述CO2多级压缩单元包括多个CO2压缩器和多个压缩冷却器，多个所述CO2压缩器和多个压缩冷却器依次交替连接，位于首位的CO2压缩器与酸性气体脱除单元连接，多个所述压缩冷却器的进水口均与排水罐的出水口连接，多个所述压缩冷却器均的出水口均与第二废热锅炉的进水口连接。
5.一种基于权利要求3或4所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水煤浆和氧气进入德士古气化单元后形成合成气，所述合成气依次通过净化除尘单元和水煤气变换单元后进入酸性气体脱除单元，酸性气体脱除单元将合成气中的气态CO2分离出来，则分离出来的气态CO2进入CO2多级压缩单元；酸性气体脱除单元产生的洁净合成气自酸性气体脱除单元的合成气出口进入甲醇合成及精馏单元，从而制得精甲醇；
(2)在步骤(1)中，进入CO2多级压缩单元的气态CO2被压缩成液态CO2，CO2多级压缩单元在压缩气态CO2时产生大量过热水，过热水通过第一废热锅炉、第二废热锅炉、第一汽包和第二汽包汽化，从而形成水蒸汽；此水蒸汽进入有机郎肯余热发电器中的蒸发器，则水蒸汽对蒸发器中的有机工质进行加热，从而使有机工质转换成有机蒸汽，而有机蒸汽推动膨胀机，则膨胀机带动发电机产生电力；
(3)推动膨胀机的有机蒸汽自膨胀机出来后，依次经过回热器、冷却器后恢复变为液态的有机工质，液态的有机工质再通过加压泵送回回热器后再重新回到蒸发器；
(4)水蒸汽通过蒸发器后形成凝结水，凝结水进入水处理单元进行降温除杂后形成冷却水，冷却水回到CO2多级压缩单元，从而形成冷却循环水。
6.根据权利要求5所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法，其特征在于：步骤(1)中的德士古气化单元合成水煤浆和氧气时的氧化温度为1200-1400℃。
7.根据权利要求5所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法，其特征在于：步骤(1)中水煤气变换单元对自德士古气化单元出来的合成气进行两段高温耐硫变换工艺，即其中第一变换反应器对合成气的加热温度为400-450℃，而第二变换反应器对合成气的加热温度为350-400℃。
8.根据权利要求5所述的碳捕集和余热发电耦合的煤气化制甲醇系统的制甲醇方法，其特征在于：在步骤(2)中，置于蒸发器中的有机工质被加热前的温度为50-60℃；而有机工质被水蒸汽加热后得到的有机蒸汽的温度为150-190℃；通过加压泵抽回至蒸发器的有机工质的温度为25-35℃。
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