第32卷第20期中國電機工程學(xué)報Vol.32 No.20 Jul. 15, 20122012年7月15日Proceedings of the CSEE02012 Chin.Soc .for Elec.Eng.文章編號: 0258-8013 (2012) 20-0001-07中圖分類號: TK 01文獻標志碼: A學(xué)科分類號: 470.20IGCC-~甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析李召召，代正華，林慧麗，龔欣，王輔臣(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點實驗室，上海市 徐匯區(qū)200237)Analysis of Energy Saving of IGCC-methanol Polygeneration SystemsLI Zhaozhao, DAI Zhenghua, LIN Huili, GONG Xin, WANG Fuchen(Key Laboratory of Coal Gasifcation of Ministry of Education, East China University of Science and Technology,Xuhui District, Shanghai 200237, China)ABSTRACT: In order to evaluate the configurations of the摘要:為評價以氣流床粉煤氣化為基礎(chǔ)的整體煤氣化聯(lián)合循integrated gasification combined cycle(IGCC)-methanol環(huán)(IGCC)-甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)配置方案，采用Aspen Plus軟件polygeneration system based on entrained- bed pulverized coal對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行系統(tǒng)模擬。配置方案中氣化工藝分別采用gasification, the polygeneration systems were simulated by廢鍋流程和激冷流程，IGCC 和甲醇合成組合方式分別采用using Aspen Plus software. Different configurations, including串聯(lián)和并聯(lián)，以相對節(jié)能率作為指標對所建立的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)wasteheat boiler process/quench process and series/parall進行評價。結(jié)果表明:廢鍋流程節(jié)能效果優(yōu)于激冷流程。廢combination of IGCC and methanol synthesis were evaluated鍋并聯(lián)組合通往甲醇側(cè)的合成氣比例增大時,相對節(jié)能率隨by calculating the relative energy saving ratio. The results之增大;廢鍋串聯(lián)組合合成甲醇循環(huán)氣與新鮮氣的比例增加show that the waste heat boiler process is more energy-efficient時，相對節(jié)能率增大。采用分攤算法分別計算了IGCC-甲than the quench process. For the parallel polygeneration醇廢鍋并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電和甲醇合成的煤耗。隨著通往systems with waste heat boiler process, the relative energy甲醇合成側(cè)的合成氣量的增加，供電的煤耗顯著減少,甲醇saving ratio increases when the proportion of the synthesis ga合成的煤耗略有減少。to methanol side increases. For the series polygeneration關(guān)鍵詞:粉煤氣化;整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)-甲醇多聯(lián)產(chǎn);廢熱鍋爐;激冷;相對節(jié)能率saving ratio increases when the proportion of cycle gaincreases in the methanol synthesis process. Based o0引言allocation of energy，coal consumption of methanol synthesisIGCC電站的比投資費用高，經(jīng)濟.上仍然無法and power generation of the IGCC-methanol parallel system與常規(guī)燃煤電站競爭。將整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)with waste heat boiler process were calculated respectively.(integrated gasification combined cycle，IGCC)和多When the proportion of the synthesis gas to methanol synthesis聯(lián)產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，逐步提高對原料的綜合利用度，side increases, coal consumption of power reduces significantly有效地提高經(jīng)濟效益，降低投資和運行成本。IGCCand coal consumption of methanol reduces slightly.多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以IGCC發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，可方便地實KEY WORDS: pulverized coal gasification; integrated現(xiàn)電能和液體燃料、化學(xué)品的聯(lián)合生產(chǎn)，將煤的單gasification combined cycle(IGCC)-methanol poly generation;一利用模式發(fā)展為綜合利用模式，從單一能源 企業(yè)waste heat boiler; quench; relative energy saving ratio發(fā)展為綜合能源企業(yè)，達到煤炭高效、潔凈、經(jīng)濟基金項目:國家863 高技術(shù)基金項目(2008AA050301，2009AA的利用。04Z159);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973項目>(2010C227000);目前，開始啟動的多聯(lián)產(chǎn)項目多為甲醇、電的教育部基本科研業(yè)務(wù)費探索研究專項基金(WB1014037)。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過聯(lián)產(chǎn)甲醇進- -步改善IGCC的效The National High Technology Research and Development of China率，并利用甲醇這一-液體燃料實現(xiàn)低谷 蓄能、高峰863 Program (2008AA050301， 2009AA04Z159);The National BasicResearch Program of China (973 Program) (2010C227000; Th發(fā)電。IGCC 與甲醇合成有2種基本的耦合方式":Fundamental Research Funds for the Ministry of Education(WB 1014037).并聯(lián)方式和串聯(lián)方式，如圖1、2所示。在并聯(lián)方第20期李召召等: IGCC- 甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析3時均選擇了目前比較成熟的工藝?？辗謫卧x擇高部分發(fā)電。其中以IGCC單產(chǎn)系統(tǒng)副產(chǎn)的蒸汽最多，.壓空分工藝。變換單元選擇寬溫串低溫耐硫部分變?yōu)?10 422 kg/h。激冷并聯(lián)副產(chǎn)的蒸汽量最少，為換、段間激冷流程，設(shè)定入變換爐合成氣水氣比需27076kg/h。激冷并聯(lián)流程與廢鍋并聯(lián)流程相比，要達到1.1。 脫硫選擇了國產(chǎn)化較好的聚乙二醇二變換單元需求的蒸汽減少了82031 kg/h,但是總的甲醚(new-style and high-effective solvent for副產(chǎn)蒸汽相差150402kg/h。 另外，各個單元的蒸汽desulfuration and decarbonization， NHD)法脫硫工品質(zhì)不- -樣。藝。由于液相甲醇技術(shù)工藝還未成熟!20]，甲醇合成從表5中可以看出，功耗最大的單元是空分單選擇了目前比較成熟的Lurgi 列管式氣相甲醇合成元，占總功耗的60%左右。另外，空分單元生產(chǎn)的技術(shù)，可以副產(chǎn)--部分蒸汽。聯(lián)合循環(huán)單元采用0.6MPa的N2和O2加壓到氣化爐所需要的壓力的M701FI21]型燃氣輪機，余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)及蒸汽壓縮機、氣化單元磨煤機、甲醇合成新鮮氣和循環(huán)輪機均為雙壓再熱式。氣的壓縮機、以及NHD脫硫過程都是功耗較大的單產(chǎn)系統(tǒng)和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)煤(干)的流量均取單元。4000t/天。氧煤比為0.85kg氧/kg粉煤，蒸汽煤比從表6可以看出，相同的產(chǎn)品，IGCC- 甲醇多為200 kg蒸汽/t粉煤，氣化溫度為1380 C。出氣聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比IGCC和甲醇2個單產(chǎn)系統(tǒng)分別生產(chǎn)節(jié)化爐的粗合成氣經(jīng)過廢鍋或者激冷降溫，經(jīng)洗滌除能效果明顯。對于考察的幾種方案，廢鍋流程的相塵后去下游裝置。所用原料煤的性質(zhì)和氣化單元主對節(jié)能率高于激冷流程。這是因為廢鍋流程對顯熱.要流股的物流參數(shù)如表2、3所示。的充分利用，可以副產(chǎn)較多的蒸汽到聯(lián)合循環(huán)發(fā)從表4可以看出，當采用廢鍋流程時，顯熱利電。相對節(jié)能率最大的是廢鍋串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，為用更加合理，可以副產(chǎn)較多的水蒸氣送往聯(lián)合循環(huán)8.64%，其次是廢鍋并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，為7.84%。表1多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)配置方案Tab. 1 Configurations of the polygeneration system名稱配置方案IGCC廢鍋廢鍋流程的IGCC系統(tǒng)。甲醇激冷激冷流程的甲醇 合成系統(tǒng)，合成甲醇循環(huán)比為6.54.廢鍋并聯(lián)廢鍋流程的 IGCC-甲醇并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，合成氣出水洗塔以后通往發(fā)電側(cè)和合成甲醇側(cè)的比例為5:5,合成甲醇循環(huán)比為5.69。激冷并聯(lián)激冷流程的 IGCC-甲醇并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，合成氣出水洗塔以后通往發(fā)電側(cè)和合成甲醇側(cè)的比例為5:s,合成甲醇循環(huán)比為5.69。廢鍋串聯(lián)廢鍋流程的 IGCC-甲醇串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，合成甲醇循環(huán)比為1.68,大量未反應(yīng)氣體送往聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。激冷串聯(lián)激冷流程的 IGcc-甲醇串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，合成甲醇循環(huán)比為1.68，大量未反應(yīng)氣體送往聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。表2粉煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)Tab.2 Properties of pulverized coal工業(yè)分析1%元素分析1%高位熱值灰熔點/C水份Md固定碳FCJ 揮發(fā)分 VMd_灰份 As_C H_NSa_ ASH_ Qgv(kJ/kg)1.1972.3211.6516.034.6628 70表3氣化單元主要流股的物流參數(shù)Tab.3 Parameters of the main stream of the gasification unit摩爾分數(shù)1%單元項目溫度/C壓 力/MPaG流 量/(kmolh)H2ONH:ocO654.804 5000.99.6入氣化爐804.20560100305.5000出廢鍋3.9015 6894.264.0526.20 62.253.16廢鍋流程出水洗塔543.7017 65323.29 55.32激冷流程出激冷室1433 69355.421.8912.20 28.981.472083.7629 85949.702.1313.77 32 .701.664中國電機工程學(xué)報第32卷表4各單元副產(chǎn)蒸汽與消耗蒸汽Tab.4 Production and consumption of steam of each unit流量/(kghl)單元IGCC廢鍋甲醇激冷 廢鍋并聯(lián)廢鍋串聯(lián)激冷并聯(lián)澈冷串 聯(lián)氣化爐副產(chǎn)(5.5x10"Pa，270 C)45 92345923氣化單元廢鍋副產(chǎn)蒸汽(5.5x10"Pa，394 C)232 434氣化需要(5.5x10'Pa，330 C)-33648-33 648-33648. -33 648甲醇合成副產(chǎn)(3.5x10°Pa，242 °C)-139 29068 45297 04668 45497 044變換副產(chǎn)(2x10°Pa，212 C)44 34288 682甲醇合成221精餾需蒸汽(6x10'Pa, 159 C)-117723-57853-82 020-57855- -82 018變換需要(4x10°Pa，280 C)-11 706-87 884-175769脫硫脫硫需要(8x10'Pa，170 C)-34 287-34287 -34 287凈蒸汽產(chǎn)量21042276 531177 478138 36127 07669 990表5各單元功耗Tab.5 Power consumption of each unitW項目IGCC廢鍋甲醇激冷廢鍋并聯(lián)激冷并聯(lián)激冷串聯(lián)空分電耗49471 .4947149 471(化單元氧、氮壓縮機10 12110 12激冷氣循環(huán)1 380磨煤1 681 687687新鮮氣壓縮機5 0352589517772 5885 229甲醇合成.循環(huán)氣壓縮機0803 1701 8753 1731 894聯(lián)合循環(huán)氮氣壓縮機31221 18717741144.202810224 .1022410 224其他56081總功耗76 56484 39980 38882 26979 18881 434表6分產(chǎn)系統(tǒng) 與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜合比較Tab. 6 Comprehensive comparison of polygeneration systems and single production systems參數(shù)功耗/kW81434產(chǎn)功/kW639 904.369 595242 962357 128235 059凈功輸出kW563 340289 207160 693277 940153 625甲醇產(chǎn)量/(kg/h)129 38063 58290 14163 58390 139熱轉(zhuǎn)功效率n/%642.39合成能耗n/(GJ)42.52相對節(jié)能率//%7.84.645.857.38注:功耗是指系統(tǒng)各單元的總功耗，IGCC 廢鍋、甲醇激冷和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的功耗分別表示為Wp、WeE、 Wpe;產(chǎn)功是指聯(lián)合循環(huán)部分燃氣輪機和蒸汽輪機的做功之和:凈功輸出=產(chǎn)功-功耗, IGCC廢鍋和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的凈功輸出分別表示為W和Wp:甲醇激冷和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的甲醇產(chǎn)量分別為Fc和Fp.2.2多聯(lián)產(chǎn) 系統(tǒng)發(fā)電和甲醇改變負荷的影響5:5，4:6， 3:7。 對于廢鍋串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，通過調(diào)節(jié)甲通過.上面的分析發(fā)現(xiàn)，所選的方案中，廢鍋流醇合成塔循環(huán)氣與新鮮氣的比例來調(diào)節(jié)負荷，循環(huán)程優(yōu)于激冷流程。以下將進一步分析廢鍋流程調(diào)節(jié)比分別為1.16，1.39， 1.68， 2.10, 2.26。負荷時的性能。對于廢鍋并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，甲醇合成側(cè)從表7中可知，對于并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，隨著合成甲循環(huán)比不變的情況下，直接調(diào)節(jié)出氣化單元的合成醇側(cè)所占的比例的上升，相對節(jié)能率明顯上升，3:7氣通往發(fā)電側(cè)和甲醇側(cè)的比例，分別為7:3, 6:4,時相對節(jié)能率為10.84%。這是因為并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)的集第20期李召召等: IGCC- 甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析5表7發(fā)電和合成甲醇調(diào)負荷的影響Tab.7 Effect of proportion of power generation and methanol synthesis廢鍋串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)(甲醇合成循環(huán)比)廢鍋并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)(合成氣通往發(fā)電側(cè)和合成甲醇側(cè)的比例)參數(shù)1.161.391.682.102.267:36:446功耗/W82 31982 2352 26982 38282 42178 92379 72780388 81 19981 894產(chǎn)功/kW291 302 268 916 24 2 962 212 535 201 577481413 .424 352369 595 315 139260 690凈功輸出W/kW208 983 186 68160 693130 154119157402 490344 625289 207233 940 178 795甲醇產(chǎn)量F/(kg/h)77 87983 53690 14198 028100 72138 14550 86263 58276 29789 010相對節(jié)能率p/%5.046.108.648.919.345.356.387.849.3310.84成主要是甲醇合成未反應(yīng)氣到聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，聯(lián)合循環(huán)向甲醇側(cè)提供動力，合成甲醇側(cè)的比例越大，集成效果越明顯。說明在設(shè)計并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)時，可以考慮較大的甲醇合成負荷，改善多聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能效果。對于串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，隨著甲醇合成氣循環(huán)比的增加，相對節(jié)能率也隨著增加。說明對于串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)，在兼顧發(fā)電負荷的同時，還要保持適當?shù)难h(huán)0.:7 IGCC比，使甲醇合成處于較高的負荷才更為經(jīng)濟。比例2.3并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電和合成甲醇煤耗的計算(b)供電煤耗在計算多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟性時常采用分攤算法1217,圖3合成甲醇和供電的煤耗與 “比例”的關(guān)系本文采用分攤算法的思想進--步分析廢鍋并聯(lián)多Fig.3 Relationship between coal consumption of聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電煤耗和合成甲醇的煤耗。將IGCC-甲methanol and power and“the ratio”醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分成氣化單元、甲醇合成和發(fā)電3部電煤耗為0.296 kg煤(干)(kW.h)，并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分，煤經(jīng)過氣化單元氣化后轉(zhuǎn)化為合成氣，假設(shè)送合成氣通往甲醇合成側(cè)和發(fā)電側(cè)的比例為3:7時,往甲醇側(cè)的合成氣和送往發(fā)電側(cè)的合成氣熱值完供電的煤耗為0.210kg煤(干)/(kW-h), 7:3時，為全等價，根據(jù)兩側(cè)的合成氣消耗量，將多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)0.273 kg煤(千)/(kW:h)。隨著通往甲醇合成側(cè)的合氣化單元的能耗以煤耗的形式分攤到甲醇側(cè)和發(fā)成氣量的增加，供電的煤耗顯著減少，甲醇合成的電側(cè)。圖3為單產(chǎn)系統(tǒng)和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)合成甲醇和供煤耗略有減少，系統(tǒng)能量利用率增大，這與相對節(jié)電的煤耗與合成氣通往甲醇側(cè)和發(fā)電側(cè)的比例的能率分析的結(jié)論一致。關(guān)系。IGCC-甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，一方 面甲醇合成馳放從圖3(a)可以看出，甲醇單產(chǎn)系統(tǒng)合成甲醇的氣送往聯(lián)合循環(huán)單元發(fā)電，提高IGCC側(cè)的發(fā)電效煤耗為1.481t 煤(干)t甲醇。并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)合成率;另一方面IGCC側(cè)向甲醇合成側(cè)提供動力，氣通往甲醇合成側(cè)和發(fā)電側(cè)的比例為3:7時，合成IGCC效率的提高又進--步降低了甲醇合成的能甲醇的煤耗為1.451t 煤(干)/t甲醇，而7:3時，為耗。另外，聯(lián)合循環(huán)單元高壓、中壓和低壓蒸汽輪1.493t煤(干)/t甲醇。從圖3(b)可以看出，多聯(lián)產(chǎn)發(fā)機可以與系統(tǒng)充分集成，實現(xiàn)不同品味蒸汽能量的電側(cè)的煤耗低于IGCC發(fā)電系統(tǒng)，其中IGCC的供梯級利用也是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能的重要原因。1.3結(jié)論i 1.1)IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比IGCC和甲醇單產(chǎn)0.9系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。0.62)對于本文考察的4個多聯(lián)產(chǎn)方案，以相對節(jié)能率為指標，進行了分析評價，氣化工藝采用廢0.0鍋流程節(jié)能效果優(yōu)于激冷流程。比較了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)7:36:45:54:63:7甲醇單產(chǎn)合成甲醇和發(fā)電取不同比例的情況，甲醇側(cè)所占的(a)合成甲醇的煤耗比值越大，系統(tǒng)的相對節(jié)能率越大。對于廢鍋并聯(lián)6中國電機工程學(xué)報第32卷多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當通往發(fā)電側(cè)與通往合成甲醇側(cè)的的energy system producing coking heat ，methanol and合成氣比例達到3:7時相對節(jié)能率達到10.84%;對electricity[J]. Fuel, 2010， 89(7): 1353- 1360.于廢鍋串聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當合成甲醇循環(huán)比為2.268] KimJ， Park M，Kim C. Performance improvement ofintegrated coal gasification combined cycle by a new時，相對節(jié)能率達到9.34%。approach in exergy analysis[J] . Korean Journal of3)用分攤算法計算了廢鍋并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單Chemical Engineering，2001， 18(1): 94-100.位甲醇和電的煤耗，并聯(lián)多聯(lián)產(chǎn)合成氣通往甲醇合9] Duan Y Y, Zhang J，Shi L，et al. Exergy analysis of成側(cè)和發(fā)電側(cè)的比例為3:7時，甲醇合成的煤耗從methanol-IGCC polygeneration technology based on coal甲醇合成單產(chǎn)系統(tǒng)的1.481t 煤(干)/t甲醇降低到gasification[J]. Tsinghua Science and Technology, 2002,1.451t煤(干)/t甲醇，供電煤耗從IGCC單產(chǎn)系統(tǒng)的7(2): 190-193.0.296 kg煤(干)(kW.h)降低到0.210kg 煤(干)/1[10] WangZF, ZhengD X，JinH G. Energy inegration ofacetylene and power polygeneration by flowrate-exergy(kW.h)。diagram[J]. Applied Energy，2009， 86(3): 372-379.該文僅從能量的角度分析了IGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)[11] Tsatsaronis G ，Kapanke K ，Marigorta A M系統(tǒng)的配置方案，在以后的工作中還要從經(jīng)濟性、B. Exergoeconomic estimates for a novel zero-emission裝置規(guī)模和CO2減排的優(yōu)勢等角度來進一步考察process generating hydrogen and electric powerIGCC甲醇多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的配置方案。[J]. Energy, 2008， 33(2): 321-330.[12] ZhouL, HuS Y，Li YR，et al. Study on co-feed and參考文獻co-production system based on coal and natural gas for[1] 王遜，肖云漢.串并聯(lián)與并聯(lián)形式的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率比較producing DME and eletricity[J]. Chemical Engineering[].中國電機工程學(xué)報，2005， 25(2): 144-149.Jourmal, 2008，136(1): 31-40.Wang Xun, Xiao Yunhan. Efficiency comparison of series-[13]金紅光，林汝謀.能的綜合梯級利用與燃氣輪機總能系parallel co-production system and parallel co-production統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2008: 196- 201.system[J]. Proceedings of the CSEE， 2005， 25(2):Jin Hongguang，Lin Rumou. The comprehensive and144- 149(in Chinese).cascade utilization of energy and the total energy system[2] 麻林巍，倪維斗，李政，等.以煤氣化為核心的甲醇、of gas turbine[M]. 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