CN109054902A - 一种煤制热电甲醇的耦合工艺 - Google Patents

一种煤制热电甲醇的耦合工艺 Download PDF

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Abstract

一种煤制热电甲醇的耦合工艺是将等离子气化炉与火电厂系统相耦合，用等离子气化炉取代传统的气化炉，等离子气化炉所需电能和煤粉均可直接从电厂直接获得，火电厂制氢站为制甲醇系统提供H2，避免使用气水转换装置而引起的耗能耗水问题；而气化后的合成气除用于合成甲醇外，未反应的通入火电厂锅炉中增加产热量，节约煤炭；气化炉出炉气中蕴含有大量显热，部分回收后用于产生高温高压水蒸气提供给气化炉，或预热锅炉给水，减少汽轮机抽气量；气体净化系统回收过程产生的CO2，降低碳排放；本方法取消了气水反应系统，降低了用水量，回收了热量，提高了能量利用率，降低了耗煤量。

Description

一种煤制热电甲醇的耦合工艺
技术领域
本发明涉及一种煤多联产的组合工艺，尤其是一种煤制热/电/甲醇的系统组合工艺方法。
背景技术
甲醇是一种重要的化工原料，也可作为液体燃料的替代品以缓解能源危机，目前甲醇的年产量很大，极大的满足了甲醇下游产品对甲醇的需求量。
目前生产甲醇主要通过天然气、煤、重油等，以天然气为原料制甲醇是制甲醇中污染最小成本最低的一种，但天然气的储量较小，价格高，石油也是同样的问题，相比于这两种资源，煤在我国的储量巨大，而且利用煤化工技术是实现煤高效清洁利用的一个有效方法，所以在我国合成甲醇仍然是以煤为首选。
煤制甲醇的关键步骤是煤的气化，煤气化后产生H2与CO为主要成分的混合气体，经气水变换反应调整H/C后，再进入到气体净化系统，除去大部分的酸性气体后，进入甲醇合成单元，合成的粗甲醇进入精馏单元得到精甲醇。通常情况下，化工生产更加注重原料成分以及高转化率，而过程物理热的有效利用考虑的不够，煤制甲醇工艺过程中也会产生部分物理热，如果不加以利用会造成巨大浪费，对变换过程而言，主要是为了产生H2而调节合成气的H/C，它是一个耗能耗水的过程，还会排放CO2，利用产生H2的各种方法，可以使变换过程的耗能耗水得以避免。
火电厂自带的制氢站用于产生冷却汽轮机的H2，此外还有大量剩余的H2，剩余的这部分H2恰好可为制甲醇过程提供稳定的氢气源，在我国，火电机组装机容量很大，随着节能减排的不断深入，我国的风电、核电等会不断的发展，必然使得很多火电机组处于低负荷运行或备用状态，这样会导致机组发电运行成本不断增加，因此考虑将化工过程与火电厂发电过程相结合，可极大的降低耗能，实现能源互补。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种煤制热电甲醇的耦合工艺，主要目的是为了应对气化后的煤渣，大量显热无法有效利用，火电厂低负荷运行效率低，以及变换过程耗能耗水等问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术措施。
一种煤制热电甲醇的耦合工艺，其特征在于：所述偶合工艺是将等离子气化炉与火电厂系统相耦合，实现煤制热、电、甲醇的多联产，其耦合工艺步骤如下：
（1）向火电厂锅炉输入煤粉，产生水蒸汽发电；等离子气化炉气化煤后的炉渣以及甲醇合成器的驰放气作为火电厂的燃料来源；火电厂制氢站利用火电厂发电电解水产氢与氧，H2用于冷却汽轮机和合成甲醇，余量作为火电厂燃料，氧气作为气化炉的气化剂或通入锅炉实现富氧燃烧。
（2）所述气化炉为等离子气化炉，煤粉采用火电厂制粉系统自制的煤粉，气化炉所用电能由电厂直接供给；高温合成气与激冷水混合吸热吸灰，部分激冷水气化产生水蒸汽，其余吸热吸灰产生高温黑水。气化产生的水蒸汽用于加热锅炉给水，黑水闪蒸汽与制氢站产氧作为气化剂提供给气化炉。
（3）合成气中的CO2、H2S被吸收，甲醇作为吸收剂由本厂直接获得，净化后的合成气经预热后与H2混合进入甲醇合成单元，部分未反应的合成气作为燃料补充给锅炉。
本发明上述所提供的一种煤制热电甲醇的耦合工艺的技术方案，实现了等离子气化煤制甲醇与电厂发电相耦合，所带来的以及直接产生的优点与积极在于：一是等离子气化炉使用的电能直接来源于电厂，与电厂共用一套制粉系统，氧化剂O2可由电厂制氢站直接供给，气化后的煤渣可输送到电厂的制粉系统中；二是无需变换装置，可由制氢站直接获取H2以调整合成气的H/C；三是激冷水吸热吸灰后，产生的水蒸气可用于预热锅炉给水，甲醇合成器的未反应气体通入锅炉中燃烧，降低了用煤量。
本工艺将制甲醇系统与火电厂系统相耦合，得到了新的生产热、电、甲醇的组合方法，简化了制甲醇系统，节约了成本；气化炉煤渣可作为锅炉的燃料，合成器的未反应气体通入锅炉燃烧，实现了能量的多级利用；等离子气化炉利用电能产生等离子体，可以瞬时达到2000K左右的温度，且对煤种几乎没有要求；可以在用电低谷时增加电厂的负荷，提高火电厂效率。
附图说明
图1是本发明热、电、甲醇耦合工艺示意图。
图2是本发明等离子气化炉结构工艺示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种煤制热电甲醇的耦合工艺，是以等离子气化炉为基础的煤制甲醇系统与火电厂相耦合的生产工艺，主要目的是为了应对气化后的煤渣，大量显热无法有效利用，火电厂低负荷运行效率低，以及变换过程耗能耗水等问题；利用等离子可以瞬时达到高温的特性，在这样的高温下，煤可以被快速气化，而产生等离子需要大量的电能，电厂可以为其提供所需电能，这样可以提高机组负荷，从而避免低负荷而造成的低效率，同时电厂的制粉系统可同时为电厂锅炉与等离子气化炉提供煤粉，避免制备水煤浆而造成的耗能耗水；等离子气化炉的高温出炉气经激冷，回收部分热量后产生高温水蒸气用来预热锅炉给水，煤渣可以作为锅炉燃料和煤粉一同进制粉系统，为锅炉提供燃料。
电厂自带的制氢站主要目的是用来制备冷却汽轮机的H2，除此之外还有大量的H2及O2剩余，剩余的这部分H2可以调节合成气的H/C，因此可将变换装置直接取消，这样可以节省一部分能量与水蒸汽；O2可作为气化炉的气化剂，也可以通入锅炉实现富氧燃烧，从而实现热、电、甲醇的多联产；这种煤制热电甲醇的多联产方法，其特点是将等离子气化炉与火电厂相结合，实现煤制热、电、甲醇的多联产；具体工艺步骤如下：
（1）向火电厂制粉系统中输入煤以及气化炉煤渣，制成粒径为1-300μm的煤粉，煤粉作为燃料源供给锅炉与气化炉。
（2）煤粉送入锅炉中燃烧，产生水蒸汽进而发电；所发电能可用于火电厂的制氢站电解水产生H2与O2；制氢站制得的H2取一部分用于冷却汽轮机，余量用于合成甲醇或作为锅炉燃料。
（3）将气化剂O2与水蒸汽通入等离子发生器中，输入电能后产生温度可达2000K的高温等离子弧，将煤粉喷入等离子反应器中，在等离子弧的作用下瞬间气化产生高温合成气，还有部分未被气化的煤粉从气化炉低排出送入锅炉炉膛。
（4）将水与高温合成气在激冷器中混合激冷，吸收合成气中的热量与固体颗粒杂质，产生高温水蒸汽与黑水。将高温水蒸汽用于预热锅炉给水，减少汽轮机抽气量；黑水进入闪蒸器，在闪蒸器中产生水蒸汽，可通入等离子气化炉中作为气化剂；闪蒸浓缩后的黑水（灰水）经固液分离，固相送入锅炉，液相返回激冷器继续参与合成气的换热。
（5）将激冷后的合成气再次换热降温后从净化装置底部通入，与净化装置上部喷入的低温甲醇液混合，充分吸收合成气中的CO2与H2S等酸性气体。净化后的合成气再与制氢站制得的H2混合调整H/C，使其达到2-3的范围内。吸收剂甲醇可从本厂直接获取。
（6）将H/C达到2-3的合成气经换热提高温度后，通入甲醇合成器中，在高温高压与催化剂的作用下合成甲醇，粗甲醇通入精馏装置除去杂质及部分水分后产生精甲醇。将部分未合成甲醇的合成气作为驰放气通入锅炉中燃烧或再循环回合成器中继续合成甲醇。
进一步的具体实施例如下：
如附图1所述，一种煤制热电甲醇的耦合工艺，实现热、电、甲醇多联产的目的，充分利用系统的能量与物质，简化制甲醇系统，降低能耗，实现煤的清洁利用，其具体工艺步骤实施如下：
（1）将950000Kg/h的煤与气化炉的煤渣送入制粉系统中，产生1-300μm的煤粉。一部分送入等离子气化炉中，另一部分送入锅炉炉膛内燃烧，热量将1000000Kg/h锅炉给水加热，产生高温高压水蒸气进入汽轮机做功，汽轮发电机输出250MW电能，汽轮机抽气可提供350000000kcal热量。
（2）在电厂制氢站中输入95Kwh电能与2800Kg/h的水进行电解，将产生的2300Kg/h的O2分两部分，一部分输入到锅炉炉膛实现富氧燃烧，另一部分输入到等离子气化炉中作为氧化剂；产生的氢气取25Kg/h用于冷却汽轮机，其余的用于调节合成气中的H/C。
（3）将制氢站制得的O2，电厂制得的一部分电能与水蒸汽一起输入到等离子发生器中，产生2000K的等离子弧，再将制粉系统制得的煤粉喷向等离子弧，煤粉在高温下与水蒸汽，一起产生以H2与CO为主的近2000K粗合成气，部分未被气化的煤粉从气化炉底部排出送入电厂制粉系统。
（4）随后高温粗合成气直接输入到激冷器中与激冷水混合，激冷水吸收高温合成气中的热量并吸附其中的固体小颗粒杂质后，部分激冷水会气化变为水蒸汽与其余成为高温黑水；气化产生的高温水蒸汽通入给水加热器中预热锅炉给水，吸收热量后的高温黑水送入闪蒸罐中，闪蒸产生的高温水蒸汽作为气化炉的气化剂；闪蒸浓缩后的高温黑水（灰水）沉降后，经固液分离，固相分离物送入锅炉炉膛，液相返回急冷器中。
（5）经降温并除去固体小颗粒杂质的合成气再次换热降温，使温度降低至-20℃后，从净化装置底部通入，与顶部喷洒的低温甲醇液混合，甲醇可从本厂中直接获得。低温甲醇将酸性杂质气体CO2，H2S等成分吸收，吸收酸性气体的低温甲醇经闪蒸释放酸性气体后，循环回净化装置；从净化装置顶部出来的净化合成气与制氢站制取的H2混合调整H/C到2-3内，经换热器预热后进入甲醇合成器。
（6）将预热后的合成气通入到高温高压的甲醇合成器中，并在催化剂作用下合成甲醇，甲醇合成器中有部分未合成甲醇的合成气，其作为驰放气通入锅炉中燃烧或循环回合成器中继续合成甲醇。合成的甲醇纯度较低，需进入精馏装置中除去气体杂质及水蒸气后得到纯度较高的甲醇。
上述实施的组合系统是一种同时生产热、电、甲醇的新组合方法，利用等离子气化炉用电的特点，可增加发电厂的负荷，不会由于负荷低而造成电厂效率下降；由于电厂的制氢站制得的H2有大量剩余，利用剩余的H2作为燃料或合成甲醇的原料，避免了变换过程的耗能耗水；新的生产方法使组合系统更加紧凑，各分系统之间能量互补，实现了能量的梯级利用，降低了煤耗，提高了系统经济性。

Claims (2)

1.一种煤制热电甲醇的耦合工艺，其特征在于：所述偶合工艺是将等离子气化炉与火电厂系统相偶合，实现煤制热、电、甲醇的多联产，其耦合工艺步骤如下：
（1）向火电厂锅炉输入煤粉，产生水蒸汽发电；等离子气化炉气化煤后的炉渣以及甲醇合成器的驰放气作为火电厂的燃料来源；火电厂制氢站利用火电厂发电电解水产氢与氧，H2用于冷却汽轮机和合成甲醇，余量作为火电厂燃料，氧气作为气化炉的气化剂或通入锅炉实现富氧燃烧；
（2）所述气化炉为等离子气化炉，煤粉采用火电厂制粉系统自制的煤粉，气化炉所用电能由电厂直接供给；高温合成气与激冷水混合回收热量与灰，部分激冷水气化变为水蒸汽；其余激冷水吸热吸灰成为高温黑水；气化产生的水蒸汽可预热锅炉给水，黑水闪蒸产生的水蒸汽与制氢站产氧作为气化剂提供给气化炉；
（3）合成气中的CO2、H2S被吸收，甲醇作为吸收剂由本厂直接获得，净化后的合成气经预热后与H2混合进入甲醇合成单元，部分未反应的合成气作为燃料补充给锅炉。
2.如权利要求1所述的煤制热电甲醇的偶合工艺，其特征在于：所述偶合工艺的具体工艺步骤如下：
（1）将950000Kg/h的煤与气化炉的煤渣送入制粉系统中，产生1-300μm的煤粉，一部分送入等离子气化炉中，另一部分送入锅炉炉膛内燃烧，热量将1000000Kg/h锅炉给水加热，产生高温高压水蒸气进入汽轮机做功，汽轮发电机输出250MW电能，汽轮机抽气提供350000000kcal热量；
（2）在电厂制氢站中输入95Kwh电能与2800Kg/h的水进行电解，将产生的2300Kg/h的O2分两部分，一部分输入到锅炉炉膛实现富氧燃烧，另一部分作为氧化剂输入到等离子气化炉中，产生的氢气取25Kg/h用于冷却汽轮机，其余的用于调节合成气中的H/C；
（3）将制氢站制得的O2，电厂制得的一部分电能与水蒸汽一起输入到等离子发生器中，产生2000K的等离子弧，再将制粉系统制得的煤粉喷向等离子弧，煤粉在高温与水蒸汽作用下，产生以H2与CO为主的近2000K粗合成气，部分未被气化的煤粉从气化炉底部排出送入电厂制粉系统；
（4）随后高温粗合成气直接输入到激冷器中与激冷水混合，激冷水吸收高温合成气中的热量并吸附其中的固体小颗粒杂质后，部分激冷水气化变为水蒸汽与其余成为高温黑水；气化产生的水蒸汽可预热锅炉给水，高温黑水送入闪蒸罐中，闪蒸产生的水蒸汽作为气化炉的气化剂，闪蒸浓缩后的高温黑水沉降后，经固液分离，固相分离物送入锅炉炉膛，液相返回激冷器中；
（5）经降温并除去固体小颗粒杂质的合成气再次换热降温，使温度降低至-20℃后，从净化装置底部通入，与顶部喷洒的低温甲醇液混合，甲醇从本厂中直接获得，低温甲醇将酸性杂质气体CO2和H2S吸收，吸收酸性气体的低温甲醇经闪蒸释放酸性气体后，循环回净化装置；从净化装置顶部出来的净化合成气与制氢站制取的H2混合调整H/C到2-3范围内，经换热器预热后进入甲醇合成器；
（6）将预热后H/C为2-3的合成气通入到高温高压的甲醇合成器中，并在催化剂作用下合成甲醇，甲醇合成器中有部分未合成甲醇的合成气，其作为驰放气通入锅炉中燃烧或循环回合成器中继续合成甲醇，合成的甲醇纯度较低，需进入精馏装置中除去气体杂质及水蒸气后得到纯度较高的甲醇。
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