第23卷第3期針?biāo)銠C與痃用化營Vol 23, No. 32006年3月28日Computers and Applied ChemistryMarch, 2006基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的3E分析周齊宏,胡山鷹,陳定江,李有潤,周麗(清華大學(xué)化學(xué)工程系,北京,100084)摘要:在 Aspen Plus建模的基礎(chǔ)上,計算了二甲醚單產(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)各自的熱效率和娳變化情況,通過分析比較,二甲醚聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率要比單產(chǎn)、單產(chǎn)系統(tǒng)的組合更好;煳分析表明系統(tǒng)中化學(xué)娳轉(zhuǎn)換為物理嫻的過程是造成系統(tǒng)熱效率差異的最重要因素。通過經(jīng)濟和環(huán)境的評價分析,指出投資和原料的價格是決定聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可行性的關(guān)鍵。在以瀘州為背景的分析中,二甲醚與電力聯(lián)產(chǎn)是符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的優(yōu)選實施方案的結(jié)論。通過環(huán)境分析,證明了由于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的耦合作用,使得溫室氣體減排效果有顯著提高。關(guān)鍵詞:聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供;二甲醚;分析;經(jīng)濟;環(huán)境中圖分類號:TQ021.8文獻標(biāo)識碼:A文章編號:10014160(2006)03-193-1973E analysis of co-feed and co-generation system based on the syngasZHOU QiHong, HU ShanYing, CHEN DingJiang, LI YouRun and ZHOU LiDepartment of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)Abstract: On the basis of simulations with Aspen plus, the separate thermal efficiencies and exergy efficiencies of the standalone sys-tem, the co-generation system, the co-feed co-production system are calculated. The comparisons show that the thermal efficiency ofco-generation is higher than that of standalone system to DME production, and the transfer from chemical exergy to physical exergy iscrucial to the system efficiency. Via the evaluation and analysis in economy and environment, it is known that investment capital andraw material prices are pivotal to feasibility of above-mentioned system. Environmental analysis shows that symbiosis couplings in theco-generation system and the co-feed co-production system can obviously reduce the emission of green house gasKey words: co-feed and co-generation, DME, analysis, economy, environmentZhou QH, Hu SY, Chen DJ, Li YR and Zhou L. 3E Analysis of co-feed and co-generation system based on thesyngas. Computers and Applied Chemistry, 2006, 23 (3): 193-1971引言式的能量其品質(zhì)不同。能量平衡方法只能反映能在在系統(tǒng)仿真一文中,已經(jīng)用 Aspen Plus軟件量上的損失,不能反映能在質(zhì)上的損失,即無法反映對聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)等系統(tǒng)進行了建模仿真工具,得到了各能的劣化程度或能的貶值程度,因而無法反映能量自系統(tǒng)的物流、能量數(shù)據(jù)。本文將在此研究基礎(chǔ)上消耗的根本原因,這就需要使用分析法。姐分析對系統(tǒng)的能量利用情況和經(jīng)濟環(huán)境特征進行研究。法的依據(jù)是能量中媚平衡關(guān)系,即熱力學(xué)第一定律和第二定律。通過分析揭示出能量中姐的利用和損2系統(tǒng)的能量分析失的情況,確定出該系統(tǒng)或裝置的煙利用效率。能量分析是為了確定系統(tǒng)能量使用過程中的合2,1系統(tǒng)的熱效率理性問題,一般能量分析的方法可以分為能量平衡通過 Aspen Plus建模與模擬計算,可以確定各法和姍分析法兩種。能量平衡法的依據(jù)是能量的數(shù)種流程中物流的狀態(tài)參數(shù)(包括流量、溫度、壓力和量守恒關(guān)系,即熱力學(xué)第一定律。通過能量分析可組成),此外軟件還可以計算出各個單元過程的熱以揭示能量在數(shù)量上轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情負荷情況。但在計算系統(tǒng)熱效率的時候還需確定:況確定出系統(tǒng)或裝置的能量利用或轉(zhuǎn)換效率。但系統(tǒng)輸人輸出的化學(xué)品熱值和系統(tǒng)的用電量和電是僅有能量的數(shù)量平衡計算是不夠的,因為不同形產(chǎn)量中國煤化工(1)CNMHG收稿日期;20050816;修回日期:2005-10-16基金資助:國家自然科學(xué)基金重點資助項目(20436040)作者簡介: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:胡山鷹計算機與痃用化營2006,23(3)系統(tǒng)的熱效率=該過程的輸入為1kg/s,流程為“煤→氣化→合成氣輸出系統(tǒng)的化學(xué)品熱值+系統(tǒng)的凈用電量00(1)凈化(脫硫)→燃氣輪機→蒸汽輪機輸入系統(tǒng)的化學(xué)品熱值表1DME合成系統(tǒng)的熱效率煤的熱值可采用式(2)計算21,Q表示熱值,CTable 1 Thermal efficiency for the DME synthesis systems.H、O、S、A、M分別表示煤中碳元素、氫元素、氧元系統(tǒng)OTSTCCGCC素、硫元素、灰份和水分的質(zhì)量百分數(shù)。計算得到原輸人煤氣化23.2923.2923.2923.29料煤的熱值為23.3MJ/kg凈輸出化學(xué)品8.55Q=6984+275C+805.7H142.904.78-1.21+60.7S-74.4A-129.2M化學(xué)品26.3459.6027.60天然氣中甲烷是主要成分,并含有少量其他飽系統(tǒng)效率電20.52-5.2122.6839.6146.8654.4050.27和烴、氫氣和一些無機氣體如二氧化碳、氮氣等,其熱值常用天然氣中各可燃組分的熱值與其體積分數(shù)雖然二甲醚的單產(chǎn)過程的熱效率更高,但考慮的乘積相加求得。計算得到原料天然氣的熱值到電和化學(xué)品的差異,以相同的產(chǎn)品為基準(zhǔn)地進行為48MJkg,可燃氣熱值的計算同天然氣熱值的計熱效率比較更有實際意義:1kg/s煤經(jīng)OT系統(tǒng)可以得到6.13MW二甲醚和4.78MW電;而0.4420算。系統(tǒng)用電主要由空分系統(tǒng)、合成系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)kg/s經(jīng)ST系統(tǒng)生產(chǎn)二甲醚和0.5914kg/s經(jīng)ICCC以及全廠廠用電四部分組成,系統(tǒng)的用電量可采用系統(tǒng)發(fā)電就可以得到與OT等量的二甲醚和電,即兩個單產(chǎn)過程的組合需要煤1.0334kg/s,因此聯(lián)產(chǎn)式(3)-式(7)對上述各部分進行計算?？辗窒?94.5%02用電量(MW)=135·02的質(zhì)量流量(k)(3)系統(tǒng)比單產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率更好。9.5%02用電量(Mw)=1.5·02的質(zhì)量流量(kg/)(4)2.2系統(tǒng)的嫻效率合成系統(tǒng)用電量(MW)=0.002·二甲醚熱值(MW)(5)能量在轉(zhuǎn)換時具有量的守恒性與質(zhì)的差異性循環(huán)系統(tǒng) Aspen計算出循環(huán)機作功大小(6)通過熱力學(xué)第一定律的比較,解決了系統(tǒng)變化前后全廠用電用電量(MW)=001·原料的能量(Mw)(7)能量的數(shù)量關(guān)系,卻沒有解決系統(tǒng)變化的方向問題,化電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的尾氣仍然具有很高的熱值。在因此需要用分析方法來闡述能量利用過程中化電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,這部分尾氣先進入燃氣輪機燃燒質(zhì)”的變化情況,解釋過程中能量的利用情況后作功發(fā)電,作功后的排氣溫度仍有600℃以上,其計算娳時,考慮了物理娳和化學(xué)畑,其中物理畑與來自系統(tǒng)內(nèi)各部分的熱量進入余熱系統(tǒng)產(chǎn)生中壓包括溫度姐(式(8))和壓力堋(式(9)),化學(xué)采蒸汽和低壓蒸汽再經(jīng)過蒸汽輪機作功發(fā)電,整個燃龜山吉田模型的方法;此外煤的娜值根據(jù)煤的氣一蒸汽系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)可以類比于IGC系統(tǒng)。由元素組成進行估算”,水的娜值通過手冊查到°。于化學(xué)品單產(chǎn)系統(tǒng)所排的尾氣較少,假定其發(fā)電系c, dT-Tol edT(8)統(tǒng)由余熱系統(tǒng)和蒸汽輪機組成。由于IGCC發(fā)電系統(tǒng)十分復(fù)雜,參考 Simens、Ex rt In P(9)ABB和GE等公司制造的典型IGCC系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)為了確定系統(tǒng)內(nèi)能量利用與損失的情況,需要換數(shù)據(jù),并計算出各個IGC系統(tǒng)燃機部分和汽對系統(tǒng)進行劃分;將整個系統(tǒng)劃分為造氣系統(tǒng)合成機部分的熱功轉(zhuǎn)換效率,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),燃機系統(tǒng)的熱氣凈化系統(tǒng)、合成系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和尾氣發(fā)電系統(tǒng)功轉(zhuǎn)換效率在0.3-0.35之間,汽機系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)如圖1換效率在0.25-0.3之間。本文取燃機系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)在造氣子系統(tǒng)中,輸入的主要是化學(xué)和電換率0.33、汽機系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換率0.285來計算系統(tǒng)姍;氣化后,合成氣具有一定的化學(xué)嫻與物理外的發(fā)電量產(chǎn)出中國煤化工可以得到電煙;合成根據(jù) Aspen Plus計算得到的各個系統(tǒng)的物流和氣經(jīng)CNMHG流失,凈化系統(tǒng)將損能流數(shù)據(jù),可以計算得到系統(tǒng)的能量利用情況和系失一是重m化學(xué)州;仕成氣進行合成反應(yīng)時,合成統(tǒng)的熱效率(表1)。OT和ST系統(tǒng)的輸入都是以1子系統(tǒng)除了內(nèi)部化學(xué)嫻的轉(zhuǎn)換外,產(chǎn)生的中壓蒸汽kg/s為基準(zhǔn),CC系統(tǒng)的輸入以kg/s煤+匹配的天還可以帶來一定的電;在分離系統(tǒng)中,主要進行的然氣號為建同時還計算了C系統(tǒng)的熱效率,是物理變化過程,這部分的姚損米自物理的變化006,23(3)周齊宏等:基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的3E分析195裝置投資=國產(chǎn)化因子x投資數(shù)據(jù)裝置生產(chǎn)能力原有設(shè)備生產(chǎn)能力(10)悶計a投資數(shù)據(jù),本文考慮國產(chǎn)化因子為0.65(燃氣輪機系統(tǒng)國產(chǎn)化因子為1)。整個系統(tǒng)的投資除了累加的子系統(tǒng)固定投資外,還要考慮土地、管道設(shè)備、建設(shè)期貸款利息等費用和一些其他不可預(yù)見的費用,本文中取這部分費用是系統(tǒng)投資的20%。Fig. 1 Energy flow of system and division of sub-system表2設(shè)備投資數(shù)據(jù)圖1系統(tǒng)的能流及子系統(tǒng)劃分Table 2 Data for equipment investment(71在尾氣發(fā)電過程中,化學(xué)要轉(zhuǎn)變成熱嫻,然后再進基準(zhǔn)物規(guī)模單位基準(zhǔn)投資(M)規(guī)模因子行熱功轉(zhuǎn)換,因此化學(xué)和物理都將有不同程度原煤272.10煤氣化爐原料熱值7160.67的損失。NG氣化爐61分裝置純02量21對二甲醚單產(chǎn)系統(tǒng)、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)WGS裝量原料熱值1450MW脫除元素S29.3Mo/s44中的各個子系統(tǒng)的輸入畑和輸出娳進行了計算,得C0S脫除C02吸收量2064.4Ml32.80S收回元素S22,900.67到了系統(tǒng)的嫻流圖和損分布,以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為例(圖余熱系統(tǒng)及蒸汽機輸出電量20094.700.672)。在氣化和發(fā)電子系統(tǒng)中,由于化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱DME.OT合成與分離進料氣2910Mdl能帶來了巨大的娜損失;在合成子系統(tǒng)中,系統(tǒng)的嫻ME.ST合成與分離進料氣8680Mol/s87.370.65損很小。因而,提高系統(tǒng)的能量利用效率關(guān)鍵在于分別計算了化學(xué)品生產(chǎn)規(guī)模分別為5、25、50和強化化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟苓@類過程的效率。100萬噸/年時系統(tǒng)的總投資,結(jié)果如圖3。由于ST3系統(tǒng)的經(jīng)濟評價系統(tǒng)和OT、CC系統(tǒng)的電產(chǎn)量不同,為了比較它們的總投資,加入了“ST+IGCC”組合投資,其中IGCC由不同原料和不同產(chǎn)品組成的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在的規(guī)模為OT系統(tǒng)的發(fā)電量(在相同化學(xué)品輸出時,現(xiàn)實中能否被人們接受并在未來工業(yè)中實現(xiàn),需要OT系統(tǒng)的發(fā)電量比CC系統(tǒng)小)。對其進行經(jīng)濟評價。在研究中計算了各個系統(tǒng)的投雖然單獨ST系統(tǒng)的投資比OT和CC系統(tǒng)要低資和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。很多,但是將發(fā)電部分的投資一并考慮的話,ST+3.1系統(tǒng)的投資IGCC組合系統(tǒng)的投資比OT和CC系統(tǒng)高。為了解對設(shè)備投資進行初步估算時,往往以過去某一釋單產(chǎn)系統(tǒng)的組合投資多這一事實,以化學(xué)品產(chǎn)量時刻的數(shù)據(jù)為依據(jù),利用費用指數(shù)和冪系數(shù)法進行為5萬噸/年的各個系統(tǒng)為例進行說明。圖4是各投資建廠的初步投資數(shù)據(jù)估算,見式(10),規(guī)模指個系統(tǒng)的子系統(tǒng)投資情況,其中,氣化子系統(tǒng)投資包數(shù)n與裝置有關(guān),在0.3~0.7間不等。通過多套小括煤預(yù)處理、煤氣化及天然氣氣化的投資;合成子系規(guī)模裝置并行實現(xiàn)的大規(guī)模生產(chǎn),其規(guī)模指數(shù)一般統(tǒng)投資包括水煤氣變換、合成氣凈化、反應(yīng)合成及產(chǎn)取0.85~0.90。然后將估算的單獨設(shè)備的投資費品分離的投資。從中發(fā)現(xiàn):ST+IGCC系統(tǒng)投資多的用累加起來得到系統(tǒng)投資費用。表2為系統(tǒng)的設(shè)備原因主要來自氣化裝置的投資,而CC系統(tǒng)投資較聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用流圖聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)火用損分布日化口出42.95%中國煤化工CNMHG.23%輸入氣化凈化合成分離輸出Fig. 2 Exergy flow sheet of each system and distribution of exergy loss圖2各個系統(tǒng)的娳流圖和娳損分布針?biāo)銠C為用化2006,23(3)口單產(chǎn)系統(tǒng)ST■聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)OT10106IGCC發(fā)電成本0聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CC口單產(chǎn)系統(tǒng)組合sT+C042、03840317M0.326DME產(chǎn)能(萬噸/年)GCC電廠規(guī)模(萬KWFig 3 Analysis for system investmentFig 6 Cost of the electricity by IGCC圖3系統(tǒng)的投資分析圖6不同規(guī)模下,DME生產(chǎn)成本產(chǎn)品的成本影響(圖7)。目前瀘州的天然氣資源已經(jīng)接近枯竭,需要從重慶等地外調(diào),而煤炭資源尚未開發(fā),且資源儲量很大,當(dāng)?shù)氐墓I(yè)電價在0.27元/kwh左右,所以可以看作是一個氣貴煤廉的典型代表,而且這種現(xiàn)象在我國相當(dāng)多的資源產(chǎn)地普遍存WN在,瀘州在技術(shù)路線選擇時,若從純經(jīng)濟角度考慮,宜選DME.OT路線。聯(lián)產(chǎn)OT單產(chǎn)組合ST+GCC聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)CC氣化圍合成口發(fā)電口其他0元Nm3Fig 4 Analysis for system(50kt/a) investmen圖4系統(tǒng)(5萬噸/年)的投資分析低是因為其省去了變換裝置的投資5003.2產(chǎn)品的生產(chǎn)成本除系統(tǒng)的投資外,產(chǎn)品生產(chǎn)成本也是實際項目規(guī)劃中所關(guān)注的問題,成本估算如式(11)燃料產(chǎn)品成本。年投資費用+燃料使把果是維護費用一電力收人(11)0.100.150.200.250.300.35040電價元壓wh本文首先計算了不同規(guī)模下(原料使用費相Fig7原料對生產(chǎn)成本的影響(25w/a)同),化學(xué)品生產(chǎn)成本和1GCC的發(fā)電成本(如圖E 7 Influence of raw material to producing cost.和圖6)。當(dāng)DME產(chǎn)品規(guī)模較小時,單產(chǎn)系統(tǒng)投資少,而規(guī)模變大時,聯(lián)產(chǎn)和聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)逐漸顯示出4系統(tǒng)的環(huán)境評價優(yōu)勢。石能源與資源的大量使用已造成嚴重的環(huán)境污I 5wva a 25wt/a g S0wt'a Q 100wva染問題,隨著工業(yè)文明的飛速發(fā)展,這一趨勢也日益3000加重,但是人們早已意識到這個問題了,并在有意識地降低這種影響。以合成氣為核心的化石能源利用技術(shù)是十分清潔的技術(shù),如IGCC技術(shù)已經(jīng)能夠很好地控制S、N和顆粒物的排放,但是對于溫室氣體CO2的排放,只能在能源使用效率上實現(xiàn)減排的意義聯(lián)產(chǎn)OT聯(lián)產(chǎn)組合ST+GCC聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)CC生產(chǎn)方式中國煤化工+GCC和C過程CO,CNMHG系統(tǒng)減排CO2的效Fig 5 Cost for the DME production.圖5不同規(guī)模下,DME生產(chǎn)成本果。由于系統(tǒng)的原料不同,采用CO2排放率(式本文還計算了25萬噸/年DME產(chǎn)量下,原料價(12))進行比較。格對產(chǎn)品成本的影響。以瀘州8為例,討論電價對所排放CO2中C元素的量CO2排放率=原料中C元素的量2006,23(3)周齊宏等:基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的3E分析OT、ST過程由于能夠在進入反應(yīng)器前吸收比較當(dāng)?shù)貙嶋H情況的優(yōu)選實施方案的結(jié)論。通過環(huán)境分多的CO2,使得其相對于CC過程能夠減少CO2的析,證明了由于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的耦合排放,但是如果考慮ST+IGCC單產(chǎn)系統(tǒng)組合與OT作用,使得溫室氣體減排效果有顯著提高。和CC兩種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較,會發(fā)現(xiàn)由于IGCC系統(tǒng) Ref沒有脫CO2過程,有較多的溫室氣體將會排放,使1 Zhou QH,etl. System simulation of co-feed and co-generation s聯(lián)產(chǎn)過程相比要差一些,如圖8所示:有54.4%的C(2):1812mnga. Computers and Applied Chemist.0023得整個ST+IGCC系統(tǒng)的CO2排放性能與OT和CC元素以CO2的形式排放到大氣,而OT和CC過程分2 Chen WM. Heat value of coal and its calcution. (2nd Version). Beijing China Coal industry Publishing House, 1982: 246-246別為45.9%和52.8%。3 Cornelissen R L, et al. Exergy analysis of cryogenic air separationCO2排放率Energy Convers Manage, 1998,(39): 1821-1826聯(lián)產(chǎn)OT■單產(chǎn)組合ST+GCc日聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)Cc4 Jiao SJ. Gas and steam combined cycle power generation. Beijin5 Zhu MS. Exergy analysis of energy system. Beijing: Tsinghua Univer-sity Pulishing House, 1988,4.6 Zhong SM, et al. Parameter handbook of water and steam with the pa-rameter of Exergy. Beijing: Hydro-Electricity Publishing H7 Paolo Chiesa, et al. Co-production of hydrogen, electricity and CO,from coal using commereially-ready technology. Second Annual Con-規(guī)模萬噸/年ference on Carbon Sequestration Washington, 2003, 5: 5-88 Chemical Engineering Department, Tsinghua University. Layout ofFig.8 Emission ratio of CO, during the synthesis of DMEindustry circular economy for the city of Luzhou, Research center forEcology Industry, 2004, 12圖8二甲醚合成過程的CO2排放率附中文參考文獻5結(jié)論1周齊宏,等,基于合成氣的聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真.計算機與應(yīng)用化學(xué),2006,23(2):18-122使用能量分析的方法,比較了單產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)產(chǎn)系2陳文敏.煤的發(fā)熱量和計算公式(修訂二版).北京:煤炭工業(yè)統(tǒng)的熱效率,二甲醚電力聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率比單產(chǎn)出版社,1982,245-246組合的系統(tǒng)要高;通過對系統(tǒng)的劃分,研究各個子系焦樹建,燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,北京:機械工業(yè)出阪社焦樹建統(tǒng)的及娳損,表明了在由化學(xué)畑轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢韸诘?朱明善,能量系統(tǒng)的姐分析北京:清華大學(xué)出版社,1988,4過程中,能質(zhì)損失很大,而這正是決定系統(tǒng)性能的關(guān)6鐘史明,等,具有參數(shù)的水和水蒸汽性質(zhì)參數(shù)手冊,北京:水鍵因素。通過經(jīng)濟和環(huán)境的評價分析,指出投資和利電力出版社8清華大學(xué)化工系,生態(tài)工業(yè)研究中心,瀘州市工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟規(guī)原料的價格是決定聯(lián)供聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可行性的關(guān)鍵。在劃,2004,12以瀘州為背景的分析中,二甲醚與電力聯(lián)產(chǎn)是符合中國煤化工CNMHG