第23卷第2期計(jì)算機(jī)與友用化學(xué)Vol 23. No. 22006年2月28日Computers and Applied ChemistryFebruary, 2006基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真周齊宏,胡山鷹,陳定江,李有潤(rùn),周麗(清華大學(xué)化學(xué)工程系,北京,100084)摘要:在分析構(gòu)成聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用 Aspen Plus軟件對(duì)系統(tǒng)的單元操作過(guò)程進(jìn)行了建模仿真工作。通過(guò)不同技術(shù)的組合,得到了二甲醚單產(chǎn)系統(tǒng)、二甲醚與電力的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、煤與天然氣聯(lián)供的二甲醚電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),并通過(guò)模型的仿真計(jì)算,計(jì)算出各自系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的物流和能流數(shù)據(jù),為后續(xù)的3E研究提供了可靠的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供;模擬;煤;天燃?xì)?二甲醚中圖分類號(hào):TQ021.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10014160(2006)02-118-122System simulation of Co-feed and Co-generation system based on the syngasZHOU QiHong, HU Shan Ying, CHEN DingJiang, LI YouRun and ZHOU LiDepartment of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)Abstract: The advanced technologies of coal or NG gasification, the synthesis of DME in the liquid phase and IGCC are key to the in-egration involved in the standalone system for DME, co-generation system for DME and electricity, and the co-feed( from coal andNG)& co-production system for DME and electricity. Several unit process models have been built with the aid of the software Aspen-Plus on the basis of analyzing those key technologies. Through the designs, simulations and calculations of the standalone system, co-generation system and Co-Co system, simulation results concerning material flows and energy flows of the systems are obtained, whichare the base for the subsequent study on energy, economy and environment.Key words: co-feed and co-generation, simulation coal, natural gas, DMEZhou QH, Hu SY, Chen DJ, Li YR and Zhou L. System simulation of Co-feed and Co-generation system based onthe syngas. Computers and applied Chemistry, 2006, 23(2): 118-1221引言干可能的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成,利用 Aspen plus仿真工具對(duì)上述可能的系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行建模仿真。根據(jù)建我國(guó)是一個(gè)以煤炭為主要能源的國(guó)家,其在國(guó)模仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果,在本文的下篇中將分析系統(tǒng)的民經(jīng)濟(jì)中具有重要的意義:煤炭的清潔利用不但是能量利用情況、經(jīng)濟(jì)性能和對(duì)環(huán)境的影響。國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的必要保證,同時(shí)也是改善自然生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵。在四川瀘州地區(qū)有大量尚未2氣化過(guò)程開(kāi)發(fā)利用的煤炭資源和已開(kāi)發(fā)使用的天然氣資聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的核心是合成氣(主要成分CO源口,在未來(lái)20年內(nèi)這些化石能源的利用不但會(huì)促和H1),不同原料通過(guò)不同的氣化技術(shù)路線變?yōu)楹线M(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)周邊地區(qū)的發(fā)展,成氣,繼而進(jìn)行下游產(chǎn)品的生產(chǎn)。并為長(zhǎng)江中下游城市提供可靠的能源供給。2.1煤氣化以煤、天然氣等化石燃料為原料,通過(guò)氣化技術(shù)在眾多煤氣化技術(shù)中2,噴流床技術(shù)是聯(lián)得到合成氣,并利用合成氣生產(chǎn)多種產(chǎn)品的復(fù)合系供——聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最佳選擇,這主要是因?yàn)?(1)該統(tǒng)稱為基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),這些產(chǎn)品包括:類技術(shù)設(shè)備的單位容積的生產(chǎn)能力高;(2)沒(méi)有焦電、液體燃料(FT液體燃料、二甲醚、甲醇等)、城市油和酚類物質(zhì),后處理過(guò)程較簡(jiǎn)單;(3)產(chǎn)生惰性熔用的有女2之參先支在數(shù)析構(gòu)傲產(chǎn)系碳轉(zhuǎn)化率高(可達(dá)99%)。張斌中國(guó)煤化工對(duì)噴流床氣化爐進(jìn)行統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,將這些技術(shù)進(jìn)行組合,得到若了模CNMH建立了煤氣化模塊收稿日期:200508-16;修回日期:2005-10-24基金資助:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20436040)作者簡(jiǎn)介:周齊宏(1979—),男,北京人,碩士研究生,系統(tǒng)工程專業(yè).聯(lián)系人:胡山鷹2006,23(2)周齊宏等:基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真119(圖1):將煤定義為非常規(guī)物質(zhì)COAL,同時(shí)還定義在模型的燃燒室中進(jìn)行甲烷燃燒反應(yīng), Chris了ASH(灰)和UBC(未燃燼碳)兩種非常規(guī)(NC)物 tensen(6推薦采用亞化學(xué)計(jì)量燃燒反應(yīng)式(式1)來(lái)質(zhì),在 Yield模塊中將COAL分解為指定產(chǎn)量的物簡(jiǎn)化,這可用 Aspen Plus中的反應(yīng)器模塊 SToic實(shí)流Comp,其包括H2、N2、S、O2、C單質(zhì)、ASH和UBC,現(xiàn);氧化完全轉(zhuǎn)化后,過(guò)量的甲烷和生成物一起進(jìn)入由煤的元素分析和指定的碳轉(zhuǎn)化率確定物流Comp催化劑床層進(jìn)行絕熱重整反應(yīng);重整反應(yīng)的主要反的組成,然后再將物流Comp與分解放出的熱量和應(yīng)有強(qiáng)吸熱的蒸汽重整(式2)和弱放熱的水煤氣變氧氣、水等物流一起通入到 RGibbs模塊中,由煤氣換反應(yīng)(式3),通過(guò) Aspen Plus中的反應(yīng)器模塊化過(guò)程化學(xué)反應(yīng)特性的分析來(lái)確定產(chǎn)物(包括CO、 requir實(shí)現(xiàn)。H2、CO2、H2O、CH4、H2S、COS、Ar和N2),并考慮CH,+1.50,→C0+2H,0定的熱量損失Q-los原煤熱值的1%)。CH4+H2O→CO+3H2(2)CO+H2O→CO2+H(3)用文獻(xiàn)提供的自熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的數(shù)據(jù)對(duì)天然氣YIeld氣化模型進(jìn)行驗(yàn)算,將文獻(xiàn)值和模型計(jì)算值列于表2表2天然氣氣化模型的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results for the model of NG gasification.空氣氧化劑Fig. I Flow chart for the simulation of coal gasification文獻(xiàn)值計(jì)算值文獻(xiàn)值計(jì)算值ocess using Aspen Plus.H圖1煤氣化過(guò)程的 Aspen Plus模擬流程圖10.310.2616.0合成氣CO5.489用文獻(xiàn)“提供的噴流床氣化爐的數(shù)據(jù)對(duì)煤氣《體積%)cH10.20.181.04化模型進(jìn)行驗(yàn)算,將文獻(xiàn)值和模型計(jì)算值列于表1。H,O21.830.630.8830.55表1煤氣化模型的計(jì)算結(jié)果Table 1 Caleulation result for the model of coal gasification3二甲醚的合成計(jì)算值文獻(xiàn)值計(jì)算值文獻(xiàn)值氣化爐溫度(℃)1279137116771426甲醚的生產(chǎn)目前主要是采用兩步法工藝:由質(zhì)量流率(kg/s)9.3219.4316.36摩爾流率(k·mol/s)0.9500.9530.7650.773合成氣制甲醇、再由甲醇水解制二甲醚,但其受甲醇C041.4539.6163.7463.0合成反應(yīng)的熱力學(xué)平衡的限制,使得CO的一次轉(zhuǎn)合成氣主要組分H2290330.3126.4226.75化率很低;目前,一種新型的二甲醚生產(chǎn)路線已經(jīng)實(shí)(體積%)Co28.9710.790.961.49H2017651647173201現(xiàn)了小規(guī)模的工業(yè)化”,其主要特征是耦合了合成2.2天然氣轉(zhuǎn)化氣制甲醇和甲醇水解兩個(gè)反應(yīng),在漿態(tài)床反應(yīng)器中以天然氣為原料制合成氣的主要工藝流程有蒸實(shí)現(xiàn)二甲醚的一步合成。汽轉(zhuǎn)化、非催化部分氧化、催化部分氧化、自熱轉(zhuǎn)化有關(guān)二甲醚在漿態(tài)床中的合成反應(yīng)的熱力學(xué)和等4種工藝,由于自熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備動(dòng)力學(xué)的研究已有一些"1,通過(guò)已知的動(dòng)力學(xué)和費(fèi)用低;合成氣中的氫碳比調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn),適宜熱力學(xué)機(jī)理可以建立基于 Aspen的反應(yīng)模型但這用作生產(chǎn)合成氣的裝置。本文采用張斌提出的樣需要大量的建模工作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),以確自熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)器模型,如圖2所示。保模型的可靠性。本文根據(jù)二甲醚的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和部分燃燒進(jìn)程的特征,建立簡(jiǎn)化模型,如圖3。反應(yīng)物在進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)前,先通過(guò)預(yù)熱器(用SToicREquil SYngasMHe中國(guó)煤化工反應(yīng)系統(tǒng)(用模塊其中:假設(shè)二甲醚合成反CNMH通過(guò)產(chǎn)生中壓蒸汽Fig 2 Flow chart for the simulation of auto-thermaler reaction using Aspen Plus送往余熱系統(tǒng)加以回收;反應(yīng)進(jìn)料物中碳?xì)浔葹?;圖2自熱重整反應(yīng)的 Aspen Plus模擬流程圖FSplit模塊確定反應(yīng)轉(zhuǎn)化率, requir確定反應(yīng)平衡態(tài),二甲醚合成反應(yīng)考慮的反應(yīng)有式4式5和式6。120針?biāo)銠C(jī)與應(yīng)用化學(xué)2006,23(2)余熱系統(tǒng)一根據(jù)文獻(xiàn)2-1關(guān)于二甲醚分離體系的研究報(bào)道,采用如圖5的三塔過(guò)程模型,塔設(shè)備用 Radfrac預(yù)熱系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)。CaterFSplit原料 MHeatXNFig 3 Flow chart for the simulation of DMEsynthesis process using Aspen Plus.水圖3二甲醛反應(yīng)的 Aspen Plus模擬流程圖吸收塔CO2脫除塔精餾塔CO+H2O→CO2+H2(4)Fig 5 Separation model for DMECO+H2→CH3OH圖5DME的分離模型2CH3OH→ CH OCH3+H2O下面考察二甲醚合成反應(yīng) Aspen模型中 FSplit5系統(tǒng)的流程模擬參數(shù)與反應(yīng)產(chǎn)物間的關(guān)系,其中:模型的輸入為:為了比較系統(tǒng)間在能量、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上的性能21molH2、19 mol co和1 mol Co2(滿足氫碳比1:1),反應(yīng)條件為:260℃、57bar,計(jì)算結(jié)果如圖4所差異,本文使用 Aspen Plus軟件設(shè)計(jì)了3個(gè)不同的系統(tǒng)流程,分別是DME單產(chǎn)(ST)系統(tǒng)流程、DME示。由計(jì)算結(jié)果可以確定合適的 FSplit參數(shù)來(lái)反映和電的聯(lián)產(chǎn)(OT)系統(tǒng)流程、煤與天然氣聯(lián)供的聯(lián)產(chǎn)漿態(tài)床反應(yīng)器的特征。(CC)系統(tǒng)流程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)流程的模擬計(jì)算,可以DME合成反應(yīng)得到系統(tǒng)中各個(gè)物流數(shù)據(jù),包括組成、溫度、壓力、焓值和熵值等。在系統(tǒng)的流程模擬過(guò)程中,原料煤和天然氣是瀘州地區(qū)典型的煤種和氣種,其組成數(shù)據(jù)如表3。0.8表3瀘州煤和天然氣組成20Table 3 Composition of coal and NG in Luzhou(nI095090850.80.750.7065060.550.5045040.35FSplit質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%22643.65天然氣Fig 4 Influence on production by the parameter of質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%0.6FSplit in the DME reaction model以二甲醚聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為例說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的流程模圖4二甲醚反應(yīng)模型中 FSplit參數(shù)對(duì)產(chǎn)物的影響擬(圖6)。4粗產(chǎn)品的分離DME.OT過(guò)程的進(jìn)料情況如表4所示。表4DME.OT系統(tǒng)的進(jìn)料二甲醚合成產(chǎn)物的主要組成是CO,H2,CO2和Table 4 Feed for the DME OT systemDME,并有少量的H2O和MeOH,由于二甲醚易溶壓力質(zhì)量流量于水和甲醇,因此需要復(fù)雜的分離系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)二甲煤醚的精制。工業(yè)生產(chǎn)中選用水作為反應(yīng)氣體的吸收氧化劑(943%moO2)0.79劑,利用二甲醚在較高壓力、較低溫度下易溶于水的0.35中國(guó)煤化工特點(diǎn)進(jìn)行物理吸收分離,脫除未反應(yīng)的尾氣;又由于2.553CNMHG水和DME有較大的相對(duì)揮發(fā)度,從吸收液中脫除溶佚Ⅸ住了,煤、氧化劑和水一起劑水可采用精餾分離的方法,容易獲得高純DME產(chǎn)氣化爐進(jìn)行反應(yīng),氣化爐的壓力為68MPa,出口品,且脫出的水可循環(huán)使用,既避免了廢水對(duì)環(huán)境的氣體的溫度為1160℃;煤氣化后產(chǎn)生的合成氣經(jīng)過(guò)污染,也可以節(jié)約公用工程費(fèi)用。激冷后,進(jìn)人水煤氣變換裝置,約有23%(體積分方數(shù)據(jù)2006,23(2)周齊宏等:基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真冷凝水MIXERFig 6 Flow chart for the simulation of DME OT system圖6DME.OT系統(tǒng)的模擬流程圖數(shù))的合成氣進(jìn)行變換反應(yīng),未變換的合成氣與已0.5),反應(yīng)熱通過(guò)中壓蒸汽移走,被送往余熱鍋爐變換的合成氣兩股物流匯合,達(dá)到二甲醚漿態(tài)床合用于產(chǎn)生電力;反應(yīng)器出口的氣體經(jīng)過(guò)換熱冷卻到成反應(yīng)器對(duì)原料氣碳?xì)浔?:1的要求;變換后的氣60℃,進(jìn)入二甲醚分離系統(tǒng),得到93.7%的燃料二體經(jīng)過(guò)換熱裝置冷卻至40℃后進(jìn)入脫硫脫碳裝置,甲醚;尾氣與IGCC聯(lián)產(chǎn)發(fā)電。流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的冷卻移走的熱量可產(chǎn)生低壓蒸汽,用于全廠的熱量熱量被送往余熱系統(tǒng)產(chǎn)生中壓蒸汽和低壓蒸汽,在平衡和送往余熱鍋爐產(chǎn)生電力,經(jīng)過(guò)脫硫脫碳處理,進(jìn)行全廠熱量平衡后通過(guò)蒸汽輪機(jī)進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換產(chǎn)并使CO2摩爾分?jǐn)?shù)在2%左右;在進(jìn)入甲醇合成器生電力,在滿足廠用電后,整個(gè)系統(tǒng)可有大量電力輸前氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱裝置加熱,預(yù)熱至230℃后進(jìn)入合出到外部電網(wǎng),DME.OT系統(tǒng)的用電和產(chǎn)電情況將成反應(yīng)器,在壓力5.7MPa和溫度260℃下反應(yīng),合在本文的下篇中闡述。DME.OT系統(tǒng)模擬流程中各成反應(yīng)的CO單程轉(zhuǎn)化率為44%( FSplit參數(shù)設(shè)為個(gè)節(jié)點(diǎn)的物流輸出數(shù)據(jù)如表5所示。表5DME.OT過(guò)程的計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results for the DME OT process.摩爾分?jǐn)?shù)30.4200.2860.3900.4780.3730.4160.0030030.0000.3860.4730.0000.0690.1850.0180.0.9270.0000.4300.0010.0020.0.000CHo0.0000.0000.0000.0000.0030.0000.0.0000.0000.132C2H600.0000.0000.0000.0970.0030.9370.0000.000摩爾流量(mol/s)93.13136.984.37688949.474.324.9815.481.108質(zhì)量流量(kg/s)1.9452.7301.7841.121.1120.2270.672溫度℃22壓力bar熱值MWl8.2618.0016.180.10通過(guò) Aspen Plus軟件的仿真計(jì)算同樣可以得到上采用聯(lián)供方式進(jìn)行,根據(jù)需要調(diào)節(jié)天然氣的用量DME.ST系統(tǒng)和DME.CC系統(tǒng)的物流和能流數(shù)據(jù),使得合成氣不經(jīng)過(guò)變換裝置就能達(dá)到二甲醚合成氣但同DME.OT系統(tǒng)的模擬流程相比,DME.ST系統(tǒng)的要求。由于尾氣沒(méi)有聯(lián)產(chǎn)電力,而是通過(guò)循環(huán)裝置再次進(jìn)入合成體系,因此在氣化時(shí)要選擇純度更高的氧化6中國(guó)煤化工CNMH劑,這樣可以減少合成氣中惰性組分的含量,減輕循以化電廠示坑是未來(lái)新能源計(jì)劃的環(huán)系統(tǒng)的負(fù)荷,有利于提高系統(tǒng)整體的能量使用效個(gè)發(fā)展方向。在分析了聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)率,在本研究中,DME.ST系統(tǒng)的氧化劑的濃度為的基礎(chǔ)上,使用 Aspen Plus軟件建立了煤氣化、天然9.)系統(tǒng)相比,DME.CC系統(tǒng)在造氣環(huán)節(jié)氣氣化、二甲醚合成和二甲醚分離等過(guò)程的模型,并計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化2006,23(2)同文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了這些模型的有效性。(1):4-7通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的組合設(shè)計(jì)出不同系統(tǒng)的可能構(gòu)成,1Wa-a,a, Analysis of chemical equil ibrium in direct嗎mhe并計(jì)算了整個(gè)系統(tǒng)的物流和能流數(shù)據(jù),利用這些數(shù)s of dimethyl ether from syngas, Petrochemical technology, 2002據(jù),將能夠分析出系統(tǒng)的能量( Energy)、經(jīng)濟(jì)(Econ-12xieH,etl., Study of process variables on dimethyl etherabsorpomy)和環(huán)境( Environment)上的性能,為下文將要進(jìn)tion. Natural Gas Chemical Industry, 1999,(24): 28-31行的3E研究提供了可靠的數(shù)據(jù)保證。13 Zheng WJ. Flow dem syngas in one stepand simulation calculation. Science and Technology of LanzhouChemical Industry Co, 1998,(2): 71-75.I Layout of industry circular economy for the city of Luzhou, Research 14 Gong SZ. Progress optimization of dimethyl ether synthesized by gAs-Center for Ecology Industry. Chemical Engineering Department, Tseous methanol-optimization of DME separating column by comput-2 Ouyang ZB, et al. Progress and utilizing scheme of synthetic gaspreparation technology. Modern Chemical Industry,2004,(6):10附中文參考文獻(xiàn)1瀘州市工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃.清華大學(xué)化工系生態(tài)工業(yè)研究中3 Zhang B, et al. Modeling of entrained bed coal gasifiers with Aspen心,2004,12Plus. Joumal of Chemical Industry and Engineering,2003,(8):2歐陽(yáng)朝斌,等.合成氣制備工藝研究進(jìn)展及其利用技術(shù).現(xiàn)代l779-1182化工,2004,(6):10-134 Simbeck DR,etal. 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