加压气流床煤气化制甲醇的过程模拟

1、加压气流床煤气化制甲醇的过程模拟*唐宏青(中国石化集团宁波工程有限公司兰州730060摘要加压气流床气化(GSP工艺技术是一种先进的煤气化技术,笔者概述了该气化技术的开发过程及G SP炉的结构。以G SP炉为例,介绍了中型甲醇装置组合流程的模拟设计数据,装置投资与T exaco工艺相似,技术指标与Shell工艺相似。关键词G SP煤气化甲醇过程模拟Process Si m ulation ofM ethanolM anufacture fro m Coalby GS P ProcessTang H ongqingAbst ract The GSP process is an advanced

2、coal gasificati o n techno l o gy,and the w riter su mm ar-i zes t h e developm ent o f this gasification techno l o gy and the struct u re o f the GSP gasifier.W ith the GSP gasifi e r as an exa m ple,breadboard design data are presented fo r the co m posite fl o w path of the m ed-i um-scale m eth

3、anol uni,t its invest m en t i s si m ilar to that o f the Texaco process,and its qualification is analogous to that of the Shell process.K eyw ords GSP coa l gasificati o n m ethanol process si m u lation1GSP气化炉概述1.1技术来源GSP工艺技术(或称为加压气流床气化技术是20世纪70年代末,由前民主德国燃料研究所(G er m an Fue l I nstitute开发并投入商业化运行

4、的大中型粉煤气化技术,其工艺气化炉结构如图1所示。该技术最初用于高灰分褐煤生产民用煤气,1979年在弗来堡(Frei b ur g建立了3MW和5 MW(冷壁炉Co lli n g screen和冷墙炉Cooling w a ll的中试装置,完成了一系列基础研究和工艺验证工作,试验煤种来自德国、中国、波兰、俄国、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚和捷克等国家。1984年又在黑水泵市(Schw ar Ze Pumpe的劳柏格(Laubag电厂建立了1套130MW冷壁炉的商业化装置,原料处理能力为30t/h,该装置运行10多年而未更换过气化炉烧嘴的主体和水冷壁。1991年东西德合并以后,负责煤气生产

5、工艺的部门被Noe llGm b H公司收购,并入该公司的气化部,1999年N oell Gm b H公司被Babcock Borsi g Po w er GmbH收购,2002年9月成立Future Energy Gm bH公司。同样,在1991年以后,WOLF博士和他以前的合作伙伴成立了Choren公司,共同开发新一代气化炉VARBO-V。该炉与GSP的区别在于气化室内的冷却盘管改成冷却壳和放射空间,生产和保养比较简单,成本比较低且更耐用。这2家公司都声称可以用煤和生物质作原料。1.2技术推广20多年来,GSP技术一直未能得到推广,其主要原因是在德国统一后,人们从心理上不太喜欢前民主德国的

6、技术。拥有GSP技术的是Bab-cock的一家子公司,它是Shell技术的独家生产者和供应者,所以阻碍了GSP技术的推广。2002年*本文作者的联系方式:tanghql d.i co 图1G SP工艺气化炉结构9月后成立了新的公司,该技术随后被介绍至中国。当时开发GSP炉的部分技术人员进入了Choren公司,该公司近期也到中国推广GSP技术,打算建立生物质合成油的生产装置。近年来,国内对于煤气化技术的讨论都集中在Lurqi、Texaco和Shell之间的优缺点的比较。由于这些比较不是在相同条件下进行的,所得出的结论未必有说服力。现在加入GSP炉的讨论,笔者的看法是这四者应该并存。据统计,国内现

7、有约35台Lurqi炉、12台Texaco气化炉,近期内与She ll公司签订了十几台Shell炉。国内不是不知道GSP炉,而是对它的关注比较少,国内只有1篇文献进行过推荐1。在这个60多台气化炉面前,再回头研究GSP炉技术,是值得仔细回味的。总的来说,GSP技术是以煤为原料发电、燃料与制备化工产品及化学残渣的气化和生物质液化为主要目的的煤化工技术,与其它同类气化技术相比,由于采用气化炉顶干粉加料与反应室周围水冷壁结构,因而在气化炉结构以及工艺流程上有其先进之处。2GSP炉制甲醇的模拟尽管目前尚无GSP炉用于甲醇生产的实例,仅有Future Energy Gm b H公司的甲醇设计实例和Cho

8、ren公司的甲醇小试数据,但作为设计方案来说,它仍然是没有新单元的流程组合问题。只要组合的单元是可行的,该组合也是可行的,这是碳一装置模拟的基本原理。现以GSP炉为例,中型甲醇装置组合流程包括GSP炉、激冷、部分等温变换、脱碳、甲醇合成、甲醇精馏等单元(每一个单元都是成熟工艺,流程信息图见图2,原料和系统的投入见表1、表2。设计数据采用PRO/II流程模拟软件模拟,结果说明该流程具有良好的经济指标,是值得企业考虑 的技术。图2中型甲醇装置组合流程信息图表1原料煤数据项目含量/%C75.0H 5.0O10.0N 1.0S0.1灰分 6.9水分 2.0热值/(kJ#kg-130637 表2全流程原

9、料投入量项目数值煤/(t#h-130.0输送煤用的CO2/(m3#h-12280燃料液化气C4H10/(kg#h-1777.7氧气/(m3#h-118580水蒸气/(t#h-13.376激冷水/(t#h-163合成新鲜气压缩功/kW3125循环气压缩功/k W810甲醇精馏能量消耗/(G J#h-174.33计算中的约定和计算结果(1气化炉的压力决定了全流程的压力。目前GSP气化炉的压力为2.54.0M Pa,本系统按3.0MPa计算。气化温度在14001600e,采用1500e。由于GSP炉属冷壁炉,因此气化工艺中的热损是比较大的,约在5560GJ,当然其中大部分热量是可以回收的。在合成氨或

10、制氢装置中用N2输送煤,而在甲醇装置中用CO2输送煤。为了避免粉煤进炉后熄火,要用一定量的气体燃料,所有粉煤气化装置都一样。厂商曾宣称可以不要,但从连续生产出发,这个备用手段还是保留为好。这里选择液化气,甲烷也可以。(2在3.0M Pa气化条件下,激冷后的气体温度较低(约200e,进入等温变换前要进行加热,因此在等温变换前要有一段绝热变换,用其出口的高温气体与进变换的工艺气体进行热交换。绝热变换要求低水碳比的催化剂(H2O/C O=1.5左右,等温变换催化剂的水碳比也要求在 1.8左右,否则就要补充水蒸气,能量利用效果稍差些。(3部分变换抽取的量由脱碳出口气体中的H2、CO、CO2的相对量决定

11、,其中保持适当的CO2含量是根据合成催化剂的要求来设定的。根据合成甲醇对新鲜气的要求为(H2-C O2/(CO+ CO2=2.05,GSP工艺的部分变换抽取率为60% 70%,即约有1/3的激冷后气体不参与变换。(4由于GSP气化炉出口气体中C H4和N2含量很低,使脱碳后的新鲜合成气的组成比较好,惰性气体很少。采用常规的甲醇合成流程,得到的弛放气的热值较高,这部分气体除用作燃料外,不能返回流程中去,因此这是一股不可忽视的能量。(5计算中采用双塔精馏,但这并不意味三塔流程不好,而是作为方案计算已经足够了。(6一个系统的能量平衡方案,与其环境(指工厂的其它生产装置和用能装置有关,因此本流程计算中

12、没有作一个单独封闭装置来考虑。真正作为设计数据,能量利用上还需细化。全流程的产出见表3,物料平衡见表4。表3单位小时内全流程的产出项目数值甲醇/t22.87脱碳得到的CO2/m3(标态24282等温变换可利用能量/G J27.6低压废锅可利用能量/G J16.1甲醇合成可利用能量/G J57.4弛放气热值/G J193.0表4物料平衡表物流号A2(O2A3(CO2A4(液化气W1(水蒸气A11(气化室出口A12(激冷出口组分的摩尔分数H200000.29750.1566 CO00000.61200.3222CO201.0000000.03040.0160N200003.761710-3 1.9

13、80410-3 CH400004.805210-5 2.530410-5 H2O0001.00000.05600.5030H2S00003.286810-4 1.730510-4O21.000000000C4H10001.0000000流量/(km ol#h-1828.9600101.720013.3800187.38003145.79475975.3190温度/e40.000040.000040.0000250.00001500.0000198.7091压力/M Pa 3.50003.50003.50003.5000 3.2000 3.0000(续表4物流号A13(经等温变换A14(不经等温

14、变换A23(等温变换出口A30(脱碳出口B4(循环气+新鲜气B7(合成塔出口组分的摩尔分数H20.15660.15660.45500.68280.68190.6466 CO0.32220.32220.02380.27300.24720.2267CO20.01600.01600.31440.04020.04610.0464N21.980410-3 1.980410-31.980410-33.953610-30.02090.0230CH42.530410-5 2.530410-51.912010-5000H2O0.50300.50300.204709.301510-5 4.331110-3H2S

15、1.730510-4 1.730510-41.730510-4000M EO H00003.730610-30.0530D M E00003.042210-5 4.473510-5IBA*00006.309310-8 5.737610-6流量/(km ol#h-13713.61392261.70513713.61392993.129816474.64481516474.6448温度/e198.7091198.7091300.000040.000041.1692255.0000压力/M Pa 3.00003.00002.65002.4500 5.9500 6.0000物流号B13(循环气C1(粗

16、甲醇C5(精馏塔入口C8(产品尾气总和组分的摩尔分数H20.68209.530610-3000.6834CO0.24141.628910-4000.1994CO20.04740.0114000.0772N20.02451.374010-5000.0201H2O1.136810-40.90020.0808 1.777110-32.545610-4 M EO H4.558610-31.389610-40.91910.99820.0195D M E3.712810-51.052810-41.524610-14 1.669310-142.255610-4IBA*7.701310-89.530610-3

17、 1.086010-4 2.696710-81.557310-7流量/(km ol#h-113474.4733806.9002782.1711714.3809749.5599温度/e41.411031.006986.202040.000037.5031压力/M Pa5.90000.40000.40000.10000.1156*其它醇类4讨论(1煤的成分是决定产量的主要因素。本例选用的煤的灰分含量较低,因此1台投煤量720 t/d的GSP炉可以年产甲醇183k,t吨醇煤耗为1.311t(不包括燃料煤。但即使选用灰分中等的煤种,1台中型的GSP炉可以年产甲醇150kt 以上。(2除了煤耗以外,吨醇氧耗为812.4m3(标态,与其它煤气化法相仿。其它消耗中的CO2和水蒸气可从后续装置中得到。(3吨醇燃料液化气消耗为34.0kg,也可以