第28卷第4期工程熱物理學(xué)報(bào)2007年7月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJul,2007煤基和天然氣基DME聯(lián)產(chǎn)比較陳斌12金紅光(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100080)摘要本文針對(duì)煤基和天然氣基DME分產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行硏究。通過分析發(fā)現(xiàn)煤基DME分產(chǎn)能耗為55.5GJ/t天然氣基DME分產(chǎn)能耗為484GJ/t。煤基 IGCC-DME聯(lián)產(chǎn)方式相對(duì)節(jié)能率達(dá)到15.0%,高于天然氣基 CC-DME聯(lián)產(chǎn)方式的10.2%。通過進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn),不論是煤基還是天然氣基,聯(lián)產(chǎn)方式都同時(shí)遵循化學(xué)擁和物理媚的綜合梯級(jí)利用原理關(guān)鍵詞煤基;天然氣基;多聯(lián)產(chǎn);梯級(jí)利用中圖分類號(hào):TK123文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-231X(2007)040541-04THE COMPARISON OF COAL-BASED AND NATURAL GAS-BASEDDME/POWER POLY GENERATION SYSTEMCHEN Bin 2 JIN Hong-Guang'(1. Institute of Eng. Thermophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)Abstract coal-based and natural gas-based DME individual generation system and polygenerationsystem were studied in this paper. The energy consumption of coal-base DME is 55.5 G/t, and ofnatural gas-based is 48.4 GJ/t. Energy saving ratio of coal-based polygeneration system is 15.0%while of natural gas-based is 10.2%. The further analysis shown that both coal-based polygenerationystem and natural gas-based polygeneration system are followed by cascade utilization rule in thermalenergy and in chemical energyKey words coal-base; natural gas-base; polygeneration system; cascade utilization of energy1引言總量70%7;另一方面西部有豐富的天然氣資源LNG進(jìn)口量也在逐年增加,合理有效地利用好這些近年來二甲醚的良好燃燒性能和低污染排放特天然氣是值得研究的問題。預(yù)計(jì)將來國內(nèi)DME生性使其受到重視。各國相繼開發(fā)新工藝,主要是兩步產(chǎn)是整體來說以煤為主,部分地區(qū)以天然氣為主的法和一步法.一步法工藝在美國、日本和丹麥等國開混和格局,因此對(duì)煤基DME和天然氣基DME生產(chǎn)發(fā)成功,目前已經(jīng)進(jìn)入中試階段~3,國內(nèi)浙江大都必須研究學(xué)、中科院山西煤化所、華東理工大學(xué)、清華大學(xué)、多聯(lián)產(chǎn)以煤、重油、天然氣以及其他碳?xì)浠衔镏锌圃捍筮B物化所等進(jìn)行了這方面的研究,在工藝制取的合成氣為原料,同時(shí)生產(chǎn)電力和化工產(chǎn)品及催化劑等方面取得了一定的成果.液相漿態(tài)床國內(nèi)外研究已證明了多聯(lián)產(chǎn)具有高效、低污染的特LPDME)的實(shí)驗(yàn)也取得了較好的結(jié)果,但離工業(yè)應(yīng)點(diǎn)8~10,但前期研究以煤基為主,而煤基多聯(lián)產(chǎn)和用還很遠(yuǎn),天然氣基多聯(lián)產(chǎn)存在許多不同的特點(diǎn),有必要深入世界上以天然氣為原料的甲醇生產(chǎn)能力占總產(chǎn)研究二者不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性能的90%以上同。DME工藝與甲醇類似,可預(yù)見本文以當(dāng)前技術(shù)比較成熟,節(jié)能潛力比較大的大規(guī)模投產(chǎn)后,國際上DME原料將以天然氣為主YH中國煤化工基和天然氣基分產(chǎn)我國情況比較特殊,一方面能源結(jié)構(gòu)以煤為主,占及多CNMHG基和天然氣基多聯(lián)收稿日期:2006-11-29;修訂日期:2007-0426基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.90210032);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目資助(NoG19990202)作者簡介:陳斌(1977-),男,廣西桂林人,博土研究生,主要從事工程熱力學(xué)等方面的研究28卷產(chǎn)系統(tǒng)性能改善的原因,同時(shí)探討不同原料對(duì)多聯(lián)圖2是天然氣基流程。DME分產(chǎn)時(shí)天然氣和產(chǎn)系統(tǒng)性能改善以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響的差異,總結(jié)出廢鍋來的蒸汽在重整單元重整后進(jìn)入廢鍋回收熱量有效提高多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能的方法途徑,為進(jìn)一步提并產(chǎn)生蒸汽。降溫后的合成氣直接進(jìn)入DME合成高系統(tǒng)性能的工作奠定基礎(chǔ)單元進(jìn)行反應(yīng)。后續(xù)分離過程與煤基DME相同,只2流程簡介是由于合成氣成分未調(diào)整,弛放氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤基分產(chǎn),且弛放氣和CO2分離單元分離出的輕組分一圖1是煤基流程,(a)是DME分產(chǎn)流程,(b)是起作為重整單元的燃料.燃燒單元出來的煙氣也在動(dòng)力分產(chǎn)流程,(c)是聯(lián)產(chǎn)流程.DME分產(chǎn)時(shí)煤和廢鍋中回收熱量.(b)是聯(lián)合循環(huán).天然氣進(jìn)入燃空分得到的氧氣在氣化單元?dú)饣筮M(jìn)入變換單元調(diào)氣輪機(jī)和空氣燃燒作功,高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)整碳?xì)浔?然后在凈化單元除去硫和大部分CO生蒸汽發(fā)電。(c)是一步法聯(lián)產(chǎn)流程。重整蒸汽不是凈化合成氣進(jìn)入DME合成單元,在催化劑作用下從蒸汽透平的相應(yīng)壓力處抽出在合成單元和煤基得到DME、甲醇、未反應(yīng)氣體和水的混合物,在氣聯(lián)產(chǎn)不同的是合成氣不是一次通過,而是采用小倍液分離單元分離。氣相中大部分DME和部分CO2率循環(huán)未循環(huán)合成氣作為燃?xì)廨啓C(jī)和重整爐的燃在DME吸收單元吸收,進(jìn)入CO2分離單元;液相料產(chǎn)物直接進(jìn)入CO2分離單元。在CO2分離單元分(a)DME分產(chǎn)流程離出CO2,剩余混合物進(jìn)入DME分離單元,DME弛放氣作為產(chǎn)品采出,其余部分進(jìn)入吸收劑再生單元,再生的吸收劑大部分返回DME吸收單元重復(fù)利用,成小部分分離為水和甲醇,水排放,甲醇循環(huán)回合成分離分離單元。(b)是lGCC系統(tǒng)?？辗值难鯕夂兔?、水蒸汽(b)聯(lián)合循環(huán)分產(chǎn)在氣化單元?dú)饣筮M(jìn)入廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。粗煤氣在凈化單元除硫后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)功。高溫排空氣比輪機(jī)氣在余熱鍋爐產(chǎn)生不同壓力等級(jí)的蒸汽。(c)是c)多聯(lián)產(chǎn)流程步法聯(lián)產(chǎn)流程。與分產(chǎn)不同的是粗煤氣不經(jīng)過變換IE DME單元調(diào)整碳?xì)浔?而是除去硫和CO2后直接進(jìn)入后分離續(xù)單元;反應(yīng)后分離出的未反應(yīng)氣體不循環(huán)而是直蒸接進(jìn)入燃機(jī)單元作為燃料。其余部分和分產(chǎn)相同分離收劑水(a)DME分產(chǎn)流程弛放氣蒸汽硫tco,循環(huán)氣水圖2天然氣基DME合成流程簡圖AE氣液收再生分離分離3分產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析(b)IGCC分產(chǎn)31多聯(lián)產(chǎn)中的化學(xué)能梯級(jí)利用原理蒸汽多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究已經(jīng)有數(shù)十年。在早期針對(duì)鍋爐醇醚生產(chǎn)中產(chǎn)生大量高品位熱,消耗大量中低品位熱,IGCC通過抽蒸汽方式可方便獲得中低品位熱的特點(diǎn)提出了將IGCC系統(tǒng)與合成氨、甲醇和DME(c)多聯(lián)產(chǎn)流程因氣為代表的煤基化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程結(jié)合的電力-化CO↑硫COz IcO工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)l1。通過研究也證實(shí)了這樣的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能有較大提升.0,在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)多分離聯(lián)產(chǎn)由不僅有物理能梯級(jí)和用.還有化學(xué)能梯級(jí)利電↓[』余熱吸收劑水用2中國煤化工鍋爐煙3.2CNMHG煤氣化選德士古水煤漿氣化工藝,煤發(fā)熱量為圖1煤基DME合成流程簡圖26710kJ/kg,天然氣基采用溫度950°C,水氣比4期陳斌等:煤基和天然氣基DME聯(lián)產(chǎn)比較5433,壓力2322MPa的水蒸氣重整,天然氣低位熱值制備的傭損失降低一方面是聯(lián)產(chǎn)的重整燃料量減少49596kJ/kg。合成流程參照 Topsoe工藝,合成溫度導(dǎo)致,另一方面是由于重整燃料變化引起聯(lián)產(chǎn)時(shí)重260°C,壓力35MPa。甲醇脫水溫度280°C,壓力整燃料全部是品位較低的未反應(yīng)氣。由于分產(chǎn)DME0.8 MPa cO2分離使用MEA吸收燃?xì)馔钙饺肟谥械托У膿Q熱過程的改進(jìn),傭損失下降29.2%。天溫度1260°℃,使用雙壓再熱余熱鍋爐,高壓蒸汽壓然氣基的合成過程傭損失降低不如煤基明顯,因?yàn)榱?2MPa,溫度535°C,透平效率0.87;再熱蒸汽天然氣基合成氣分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)都沒有經(jīng)過成分調(diào)整壓力3.9MPa,溫度535°℃,透平效率0.89;低壓蒸天然氣基聯(lián)產(chǎn)的燃燒過程傭損失下降19.9%,和煤汽壓力0.5MPa,溫度265°C,透平效率0.85。壓縮基燃燒過程傭損失下降的原因一樣。天然氣基聯(lián)產(chǎn)機(jī)效率0.846,膨脹機(jī)效率0。85。煤基DME分產(chǎn)、分離損失下降56.4%。壓縮機(jī)和透平娳損失略微動(dòng)力分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)都使用煤氣化的粗煤氣作原料,因增加8.6%,(見表2)此模擬時(shí)略過煤氣化部分直接從粗煤氣開始。天然氣基DME分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)使用天然氣重整合成氣作原表2分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)損失分析料,動(dòng)力分產(chǎn)直接用天然氣作為燃料,因此在模擬煤基天然氣基時(shí)以天然氣作為源頭。煤基多聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣一次通分產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)輸入燃料312794268313291941262165過,而天然氣基多聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣采用小循環(huán)倍率循環(huán)。根據(jù)以上參數(shù)和設(shè)定進(jìn)行流程模擬,并對(duì)結(jié)果合成氣制備53330462363712128924進(jìn)行考察成分調(diào)整166867192換熱2449614679278681972533系統(tǒng)性能分析表1為煤基和天然氣基的分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)比較失燃?xì)廨啓C(jī)燃燒24652134542229617864分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)品輸出量相同。聯(lián)產(chǎn)時(shí)煤基和天然分離氣基化動(dòng)比不同,只保持化工產(chǎn)品相同。分產(chǎn)DME壓縮機(jī)和透平81386954其他41243969能耗煤基為55.5GJ/t,天然氣基為484GJ/。煤DME32252132238基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能率為15.0%,而天然氣基多聯(lián)產(chǎn)1041292954067240754為10.2%,煤基比天然氣基高出將近50%,說明煤排放物3407033879相對(duì)誤差0.19%061%023%009%基多聯(lián)產(chǎn)充分挖掘潛力,從而達(dá)到高節(jié)能率。另外煤基多聯(lián)產(chǎn)的化動(dòng)比為365,大于天然氣基的304。不同原料聯(lián)產(chǎn)時(shí)合成氣通過反應(yīng)器的方式不這是因?yàn)槊夯铣蓺飧惶?天然氣基合成氣富氫,同.煤基聯(lián)產(chǎn)合成氣一次通過,天然氣基聯(lián)產(chǎn)采用煤基合成氣更適合DME合成,因此煤基多聯(lián)產(chǎn)的小循環(huán)倍率循環(huán).煤基合成氣富碳,有利于DME合化動(dòng)比大于天然氣基。從整體上看,分產(chǎn)時(shí)天然氣成反應(yīng)的進(jìn)行,因此一次通過即可達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化基DME能耗更低,聯(lián)產(chǎn)時(shí)煤基節(jié)能效果更明顯.率,而天然氣基合成氣富氫,一次通過轉(zhuǎn)化率過低,不能實(shí)現(xiàn)組分對(duì)口,分級(jí)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能梯級(jí)利用原表1分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能理,因此需要采用小循環(huán)倍率適當(dāng)提高合成氣的轉(zhuǎn)煤基天然氣基化率。這也證明了化學(xué)能梯級(jí)利用原理在多聯(lián)產(chǎn)中CC DME聯(lián)產(chǎn)的指導(dǎo)性作用和普適性燃料輸入(kg/h)12024303073599652251505618211DME輸出(kg/h)1544215442154215424EUD分析產(chǎn)功(kW)398185939338794067240672DME能耗(GJ/t)以天然氣燃燒過程為例進(jìn)行EUD分析。燃燒發(fā)電效率(%)446過程分為為重整過程提供熱量的燃燒和燃?xì)廨啓C(jī)燃化動(dòng)比節(jié)能率(‰)15.0燒。其中重整燃燒又分為預(yù)熱重整氣和為重整反應(yīng)供熱。從圖中可知,聯(lián)產(chǎn)的改進(jìn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面34系統(tǒng)損失嫻分析方面是燃料量的減少聯(lián)產(chǎn)重整過程的燃料量為98.2天然氣多聯(lián)產(chǎn)合成氣制備過程娳損失降低最MW,產(chǎn)的1083MW.其中由于預(yù)熱段熱大,達(dá)到8197kW,其次是熱匹配過程和分離過程,匹配山中國煤化工料減少M(fèi)w分別達(dá)到8143kW和6581kW,燃燒過程傭損失降由于CNMHG反應(yīng)吸熱增加183低也較明顯,下降4432kW。合成和其他過程傭損Mw。綜合預(yù)熱段和重整段,聯(lián)產(chǎn)重整燃燒所需燃失較小,而壓縮機(jī)和透平的傭損失略有增加。合成氣料量從分產(chǎn)的1079MW下降到991MW.燃?xì)廨?44工程熱物理學(xué)報(bào)28卷機(jī)燃料量在聯(lián)產(chǎn)也從71MW下降到68.3MW。另(1)煤基分產(chǎn)DME能耗為55GJ/t,天然氣方面聯(lián)產(chǎn)的燃料品位比分產(chǎn)有明顯下降,尤其是基分產(chǎn)DME能耗為484GJ/t,天然氣基分產(chǎn)能耗燃?xì)廨啓C(jī)燃燒過程。分產(chǎn)時(shí)重整燃料是弛放氣和天低然氣的混和物,聯(lián)產(chǎn)時(shí)重整燃料全部是未反應(yīng)氣,(2)煤基聯(lián)產(chǎn)節(jié)能率為15.0%,天然氣基聯(lián)產(chǎn)節(jié)因此聯(lián)產(chǎn)時(shí)的重整燃料品位低于分產(chǎn)。分產(chǎn)時(shí)燃?xì)饽苈蕿?0.2%,煤基聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能效果明顯輪機(jī)直接燃燒天然氣,聯(lián)產(chǎn)時(shí)也使用未反應(yīng)氣作為(3)煤基和天然氣基分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)的差異是由原料燃料,因此燃?xì)廨啓C(jī)燃料品位下降更明顯。從燃燒不同所引起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致過程EUD分析可以看出,聯(lián)產(chǎn)燃燒過程的改善同(4)煤基和天然氣基聯(lián)產(chǎn)中不僅有物理能的梯時(shí)達(dá)到了物理能梯級(jí)利用和化學(xué)能梯級(jí)利用.而在級(jí)利用,也存在以往中沒有注意到的化學(xué)能梯級(jí)利以往的多聯(lián)產(chǎn)研究中并沒有注意到合成氣化學(xué)能的用梯級(jí)利用對(duì)燃燒過程的娳損失降低作出貢獻(xiàn)這一點(diǎn)在溫度對(duì)口,梯級(jí)利用的物理能梯級(jí)利用原則參見圖3)指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)取得了較好的節(jié)能率,但隨著物理能利用水平的提高,進(jìn)一步的系統(tǒng)性能提升比較困難。組分對(duì)口,分級(jí)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能梯級(jí)利重整燃燒T燃燒用原則為多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能提升開辟了新途徑,在今后的多聯(lián)產(chǎn)研究中應(yīng)遵循化學(xué)能和物理能綜合梯級(jí)利用的原則0參考文獻(xiàn)重整預(yù)熱重整反應(yīng)[1] Paul N D, Edward C H, James C S, et al. Air Prod-ucts New Technology Programs in Syngas Generation andConversion. In: GPA[EJ Annual Conference. Barcelonath~29th2000.2893012日本鋼管株式會(huì)社,二甲醚制造用催化劑及其制造方法以△H/Mw及二甲醚的制造方法.CN116988A,19983 Haldor Topsoe. Preparation of Fuel Grade Dimethyl圖3(a)天然氣基分產(chǎn)燃燒過程Ether.WO,9623755.19964]李選志,高俊文.合成氣一步法制二甲醚催化劑的研究重整燃燒GT燃燒化肥工業(yè),2006,33(1):23-25[5] Gogate M R, Vijayaraghavan P, Lee S, et al. Single-Stage, Liquid-Phase Dimethyl Ether Synthesis Processfrom Syngas IV. Thermodynamic Analysis of the LPDMEProcess System. Fuel Science Technology Interna-0.6tional,1992,10(3):281-311釋放側(cè)6]陳賡良,王開岳.天然氣綜合利用.北京:石油工業(yè)出版04重整預(yù)重整反應(yīng)接收側(cè)社,2004團(tuán)7張海濤.21世紀(jì)的清潔燃料一二甲醚,上?；?2000(14):46S] Jackson R G,劉祟微.煤氣化生產(chǎn)甲醇和電力煤炭轉(zhuǎn)化1989,(3):6064△H/MW9金紅光,高林,鄭丹星.煤基化工與動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)開拓研究.工程熱物理學(xué)報(bào),2001,22(4):397-400圖3(b)天然氣基聯(lián)產(chǎn)燃燒過程EUD10陳斌,高林,金紅光二甲醚/動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)初步研究工程熱物理學(xué)報(bào),2004,25(5):741-744(11 Mednick R L, Design Evaluation of Liquid Phase5結(jié)論Methanol Synthesis Technology. In: US DOE/FE Indi-rect Liquefaction Contractor's Review Meeting Proceed通過對(duì)煤基和天然氣基分產(chǎn)和多聯(lián)產(chǎn)的分析比ngs.1988.15-17綜合梯級(jí)利用原理.中國較,發(fā)現(xiàn):中國煤化工CNMHG