不同煤气化过程的FT合成油电多联产模拟计算

第9卷第3期过程工程学报Vol.9No.32009年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2009收稿日期：2008−12−26，修回日期：2009−03−11基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：20590361)；国家科技部973计划前期研究专项基金资助项目(编号：2007CB216401)；国家杰出青年科学基金资助项目(编号：20625620)作者简介：于戈文(1971−)，男，内蒙古包头市人，博士研究生，研究方向为煤基液体燃料−电力多联产，E-mail:[e-mail]；徐元源，通讯联系人，Tel:[phone],E-mail:[e-mail].不同煤气化过程的FT合成油−电多联产模拟计算于戈文1,2，徐元源1，郝栩1，李永旺1(1.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室，山西太原030001；2.中国科学院研究生院，北京100049)摘要：设计并模拟了以Shell,GSP,Texaco煤气化为气头的FT合成油−电多联产系统，考察了三者的系统特性.结果表明，在入炉煤量为1000t/h的条件下，其合成油(包括柴油、石脑油和LPG)产量分别为318.56,318.42和285.79t/h，但FT合成96%的CO转化率使其发电量均不足以满足系统自身的用电，尾气发电仅相当于回收了原料煤热值近2%的能量.以Shell技术为气头的多联产系统具有最高的系统热效率(47.65%)，Texaco技术为气头的多联产系统具有最低的系统热效率，比前者低6.5%左右.3种方案捕获的CO2分别相当于回收了进入系统全部碳含量的58.69%,58.65%,59.55%.关键词：煤气化；FT合成；联合循环；多联产；模拟中图分类号：TQ015文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)03−0545−071前言以煤气化为核心的多联产系统是资源、能源和环境一体化的系统，它将多种煤炭转化技术优化集成在一起，进行跨行业、跨部门的联合生产，得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料、氢气，能充分利用工艺过程产生的热并进行发电，不仅有利于实现污染物的集中综合治理，大大降低环保费用，而且易于做到资源和副产品综合利用，从而实现总体效益最优和与环境友好的效果[1,2].目前我国50%以上的石油需求依赖进口，对国家的能源安全构成挑战，而煤转油技术则是缓解这一矛盾的有效措施.FT合成(Fischer−Tropschsynthesis)是煤转油的核心技术之一，它是利用煤、石油焦、生物质等碳质材料经气化生成合成气(有效成分为CO+H2)，经催化生成各种直链烃，再经加氢饱和后精馏分离出汽油、柴油、石脑油等产品.经过多年的技术研究与开发，FT合成技术已经成熟.国外以Sasol公司为代表的企业无论是研发还是工业化运作都已取得成功[3,4]，国内中国科学院山西煤炭化学研究所重点实验室在FT合成的关键技术⎯催化剂和浆态床反应器的自主研发方面已经取得了突破性进展，研发出了两种廉价、高效的Fe系催化剂，并在此基础上进行了拓展性研究[5−10]，为工业化打下了良好基础.目前，年产16万t的示范厂项目即将在内蒙古的鄂尔多斯运行.FT合成的原料气和联合循环发电(IGCC)的燃料气都可取自煤气化，这就为FT合成与IGCC耦合、优化，联产油品和电提供了可能.煤气化技术中的Shell,GSP和Texaco工艺均属气流床气化工艺，是目前世界上较为先进的第二代煤气化技术，可在高温、高压下进行，具有CH4含量少、气化效率高(Shell和GSP在80%∼83%，Texaco在70%以上)的特点[11,12].本工作设计并模拟了以上3种煤气化工艺为气头的FT合成和电的多联产系统，并对系统特性进行了比较.应用AspenPlus对各子系统的工艺过程进行建模和计算，物料平衡和能量衡算则通过构建Excel模型进行计算和评估，有关化学组成的物理、化学参数取自AspenPlus数据库，蒸汽和水的物化参数则取自相关工具书[13].AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部20世纪70年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件.该项目称为“过程工程的先进系统”(AdvancedSystemforProcessEngineering,ASPEN)，具有最适用于工业且最完备的物性系统.AspenPlus提供了单元操作模型及流程模拟，其可靠性和增强功能已经过20多年验证和数以百万计例子证实.2子系统设计和模拟2.1煤种的选择和分析煤种采用山西省潞安煤，其煤质分析结果见表1和2.从表1可见，所选煤样的灰熔点高于1500℃.为满足3种气化炉液态排渣的要求，在原料煤中加入10.07%(ω)的CaCO3作助熔剂，可使煤的灰熔点降至1350℃以下.3种气化炉的进煤量相同，均为1000t/h.546过程工程学报第9卷表1潞安煤的工业分析、低热值和灰熔点Table1Proximateanalysis,lowheatvalue(LHV)andsofteningtemperature(ST)ofLu'ancoalParameterFixedcarbon1)Volatilemember1)Ash1)Moisture2)LHV(kJ/kg)ST(℃)Value(%,ω)72.32311.64716.0291.194287081500Note:1)Drynessbased;2)Airdrynessbased.表2潞安煤的元素分析Table2UltimateanalysisofLu'ancoalComponentCHONSAshContent(%,ω)74.7123.4004.6550.9610.24316.029Note:Drynessbased.2.2煤气化系统2.2.1Shell气化工艺Shell气化炉模拟时气化压力设为4.0MPa，气化温度设为1400.℃用CO2将经粉碎、烘干(水含量小于2%,ω)的粉煤吹送入气化炉，同时将作为气化介质的5.2MPa水蒸汽以120t/h的速度和来自空分装置的5.2MPa的氧气(99.6%)以835.54t/h的速度一并通入气化炉内.出气化炉的煤气先在气化炉顶部被激冷压缩机送来的冷煤气激冷至900℃，然后经过废热锅炉降至350℃，再经过滤器后分为2股，1股进入激冷压缩机后作为激冷气返回气化炉上的气体返回室；另1股进入文丘里洗涤器和洗涤塔，经高压工艺水除灰并将温度降至154℃左右，再预热至200℃进入水煤气变换工序.在废锅等换热器中产生5.2MPa饱和蒸汽进入蒸汽总管.2.2.2GSP气化工艺模拟时的气化温度和压力、进料(包括O2、水蒸汽和吹送气CO2)与Shell气化炉一致，采用水激冷，将粗合成气温度降至210℃的同时，水蒸汽达到饱和，再经过文丘里洗涤器将合成气中的飞灰除掉，温度降至200℃左右.2.2.3Texaco气化工艺水煤浆进料浓度65.7%(ω)，气化压力5.0MPa，气化温度1360℃，进氧量为958.49t/h.出气化炉的气体经水激冷降至706℃后，再经废热锅炉与水换热降至380℃，同时副产4.0MPa饱和水蒸汽去联合循环单元的余热锅炉过热后通入蒸汽轮机发电.换热后的粗合成气进入碳洗塔进一步被水冷却到200℃左右进入水煤气变换(WGS)单元.3种气化工艺的模拟流程如图1∼3所示，应用所建工艺模型对美国Illinois6#煤和中国淮南煤进行气化模拟并与工厂实际值比较，具有较高的准确性[14].潞安煤的气化结果如表3所示.DecompositionQ-decompSlagQ-lossCompressorSteamCarbondioxideOxygenCoalGasifierQuenchingSyngascoolerWastewaterScrubberSyngasWashingwater图1Shell气化工艺的AspenPlus模拟流程图Fig.1TheAspenPlusimplementationforShellcoalgasificationprocessDecompositionSlagQ-lossQuencherCoalSteamOxygenCarbondioxideSyngasQuenchingwaterWashingwaterWastewaterGasifierRemovalQ-decompQ图2GSP气化工艺的AspenPlus模拟流程图Fig.2TheAspenPlusimplementationforGSPcoalgasificationprocess第3期于戈文等：不同煤气化过程的FT合成油−电多联产模拟计算547QQuenchingwaterQ-decompCoalDecompositionConvectivecoolerSlagWaterOxygenGasifierQ-lossRadiantcoolerWashingwaterSyngasWastewater图3Texaco气化工艺的AspenPlus模拟流程图Fig.3TheAspenPlusimplementationforTexacocoalgasificationprocess表3煤气化工艺结果比较Table3TheresultcomparisonofcoalgasificationprocessesShellGSPTexacoComponentandparameterGasifierWashingtowerGasifierWashingtowerGasifierWashingtowerCO(%,ω)69.0060.8669.0336.7242.431.55H2(%,ω)22.8820.1822.8912.1825.1818.73CO2(%,ω)3.433.023.431.8113.7110.12H2O(%,ω)3.5015.493.549.0316.8739.07CH4(%,ω)0.050.040.040.020.220.16N2(%,ω)0.370.330.370.20.370.27H2S+COS(%,ω)0.080.070.080.040.070.05Else(%,ω)0.690.010.660.001.180.05Averagemolecularweight22.2221.722.1520.2421.7820.84Moleflowrate(kmol/h)9034310242890349169731108838146125Temperature()℃1400153.714002031360200Pressure(MPa)4.03.654.03.655.04.4O2/coal(kg/1000kg)835.54835.62958.49Steam/coal(kg/1000kg)120120−CO2/coal(kg/1000kg)157.18157.18−Coalslurry(%,ω)−65.7Steamoutput(t/h)1244.7−1484.44Coolgasefficiency(%)80.0780.0370.14Shell和GSP气化工艺在气化压力和温度上是一致的，又由于都采用水冷壁使热损失也相同，所以二者气化炉出口的煤气组成、流量及冷煤气效率相近.Texaco气化炉的炉体内壁铺设耐火砖，热损失较小.模拟结果显示，与Shell和GSP干法进料相比，Texaco炉气化产物中含有更多的CO2和H2及更少的CO，这是由于Texaco炉水煤浆进料使气化炉内水蒸汽分压较高，促进了水煤气变换反应；另一方面，煤浆中的水气化需要消耗额外的热量，从而增大了氧耗并使更多的碳变为CO2.由于水激冷的原因，GSP和Texaco炉的合成气中含大量水蒸汽，比Shell炉更有利于后面的水煤气变换反应.2.3水煤气变换和酸性气体脱除因气化后H2/CO1(摩尔比)，为满足FT合成的要求设计了耐硫变换工艺，变换后H2/CO为1.5[3,9]，然后降温至35℃进入低温甲醇洗工段进行硫化物和C