基于夹点技术的煤气化制甲醇节能潜力分析

基于夹点技术的煤气化制甲醇节能潜力分析

环冷却水的能耗及节能潜力分析煤矿是一个能有效且高水耗的行业。以水煤浆气化制甲醇为例,t甲醇产品能耗为42GJ,而t甲醇产品热值为22.66GJ,其能量转化效率仅为54%;另一方面,由于换热网络不尽合理,大量采用循环冷却水,导致实际生产中吨产品耗水量大幅上升,t甲醇耗水高达10t以上。近年来,人们已经深刻地意识到:煤化工企业的发展要走可持续发展的道路,必须积极推广节能减排技术。要实现煤化工节能、节水、减排的目标,就必须采用可靠的技术手段,对现有工艺进行分析、改进。夹点技术由于其方法简单、灵活、实用,概念清晰,易于理解和掌握,并且在设计前即可预测能耗的目标值,因而在全世界的工艺优化领域得到迅速推广。采用夹点技术进行工艺优化,可以准确地诊断出能源使用的薄弱环节,明确地指出能源使用不合理的原因,并且揭示出可实现的节能潜力与改造效果,最终提出可行和有效的优化方案。1夹点资金的设置1978年Linnhoff和Umeda分别提出了换热器网络中的温度夹点问题,指出夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。所谓夹点技术,即将整个换热网络分成热力学上相互分离的两个子系统:夹点之上的子系统是热阱系统,加热公用工程向其输入热量,而没有任何热量流出;夹点之下的子系统是热源系统,由冷却公用工程从系统中带走热量,而没有任何热量从外界流入;在夹点处,热流量为零。换热网络夹点示意图如图1所示。如果发生跨越夹点的热量传递Q,即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行换热匹配,则根据夹点上下子系统的热平衡可知,夹点之上的加热公用工程量和夹点之下的冷却公用工程量都会增加Q。因此,为达到最小公用工程用量,夹点方法的设计原则是:(1)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器;(2)夹点之下不应设置任何公用工程加热器;(3)不应有跨越夹点的传热。采用夹点技术分析换热网络时,应该注意的是并非所有的换热网络都存在夹点,只有那些既需要加热公用工程、又需要冷却公用工程的换热网络才存在夹点。只需要一种公用工程(如蒸汽或者循环冷却水)的问题,称为阈值问题(见图2)。对于阈值问题,虽然公用工程用量不变,但这并不意味着没有优化的潜力。对只需要加热公用工程的阈值问题,如果使部分加热公用工程的需求温度降低,那么加热公用工程总量不变,温度降低,使整个换热过程有效能损失降低,加热公用工程费用降低;对只需要冷却公用工程的阈值问题,如果使部分冷却公用工程的需求温度升高,就可以减少较低温度冷量的需求,使整个换热过程有效能损失降低,冷却公用工程费用降低。2煤气化和甲醇加工的胡同分析2.1煤气化甲醇的合成工艺甲醇不仅是重要的化工原料,也是洁净燃料。发展大型煤制甲醇,并加工为烯烃和替代燃料,以煤代替石油,是国家能源安全的需要,也是化学工业高速发展的需要。典型的煤气化制甲醇的工艺流程包括:煤气化、渣水处理、变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合成及精馏等工艺单元。本文以某30万t/a煤气化制甲醇项目为例,以该项目的设计参数为基础数据,对渣水处理、变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合成及精馏工艺单元进行夹点分析,该项目的工艺流程示意图见图3。2.2各工艺单元的点分析2.2.1单位内部的物流数据分析将气化单元输送过来的黑水进行多级闪蒸处理,采用真空过滤机使渣和水分离,处理后的灰水循环使用。渣水处理单元的物流数据见下页表1,取最小传热温差为10℃进行分析,可以得到该单元的冷热物流复合曲线(见下页图4)。从下页图4中可以看出:冷热物流复合曲线没有形成夹点,是一个阈值问题,即渣水处理单元只需要冷却公用工程,其目标值和设计值都是19.9MW。2.2.2粗煤气回收变换热回收单元有两个主要的工艺目的:(1)将部分水煤气送入变换炉,使其中的CO与水蒸气在催化剂的作用下发生变换反应,转化成H2和CO2,从而调节合成反应原料气中的氢碳比;(2)尽可能地回收水煤气的热量,将粗煤气降温至40℃送至低温甲醇洗单元。变换热回收单元的物流数据见下页表2,取最小传热温差为10℃,分析可得该单元的冷热物流复合曲线(见图5)。从图5中可以看出:冷热物流复合曲线没有形成夹点,是一个阈值问题,即变换热回收单元只需要冷却公用工程,其目标值和设计值都是5.5MW,该单元内部的冷却公用工程包括:发生蒸汽和循环冷却水,节能的途径是尽量回收废热,产生更多的中压蒸汽和低压蒸汽,减少循环水的用量。2.2.3确定组合盘夹点低温甲醇洗单元的主要任务是脱除粗煤气中的H2S、COS、CO2等有害的气体,得到合格的净化气,满足甲醇合成反应的要求。低温甲醇洗单元的物流数据见表3,该单元低温物流较多,冷公用工程采用较为昂贵的丙烯制冷,权衡设备费用和冷公用工程费用,该单元取最小传热温差为5℃,经过夹点分析,可以得到该单元的冷热物流复合曲线(见下页图6),从下页图6中可以看出:冷热物流复合曲线的夹点温度为102.5℃。进一步分析夹点的结果表明:原设计的换热网络中存在跨越夹点传热的情况,即30-H13与30-C10、30-H15与30-C11,按照夹点设计的原则,跨越夹点的传热会增加加热公用工程和冷却公用工程的消耗(见下页表4)。所以,有必要对上述4个物流的换热方式进行深入分析。虽然遵循夹点设计的三大原则,可以达到最小公用工程的用量,但是完全禁止能量穿越夹点,会造成流股分割和换热器增加,使流程复杂,设备投资增加。因此,最优化的设计需要结合设备投资、运行费用、操作可靠性等因素来权衡。例如,甲醇水冷凝液30-C11的温度比较低,对于年产量超过30万t的甲醇装置可以考虑回收其冷量。2.2.4充液系统的缺陷甲醇合成及精馏单元的主要任务是将净化合成气送入合成塔进行合成反应,生成粗甲醇,然后通过精馏塔除去杂质,最终得到合格的甲醇产品。甲醇合成及精馏单元的物流数据如第5页表5所示,取最小传热温差为10℃进行分析,可以得到该单元的冷热物流复合曲线(见下页图7)。从下页图7中可以看出:冷热物流复合曲线的夹点温度为78.6℃。进一步分析可知,甲醇合成及精馏系统中存在用能不合理的地方:(1)存在跨越夹点的传热:甲醇合成塔的入塔合成气80-C7与出塔合成气80-H10之间的换热。(2)夹点之上使用了冷却公用工程:出塔合成气80-H10在与入塔合成气换热后,温度仍高于夹点温度,却用了循环冷却水来冷却。虽然温度差不大,但是由于该流股流量很大,而且有甲醇冷凝的大量潜热,因此,应该充分利用这部分热量;另外,加压塔的精甲醇产品80-H3、甲醇精馏废水80-H6和杂醇馏分80-H8均高于夹点温度,却直接采用循环冷却水冷却。按照夹点设计的原则,跨越夹点的传热和夹点之上使用冷却公用工程会增加冷却公用工程和加热公用工程的消耗(见表6)。由表6可知,该单元的加热公用工程、冷却公用工程的节能潜力分别为33%和19%,所以,有必要结合不同项目的实际情况,对80-H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流的换热方式进行深入分析。2.2.5冷、热公用工程的用量增煤气化制甲醇的工艺流程中涉及到多个工艺单元。目前,每个工段都只考虑本工段内的能量平衡,工段内部可以用于热交换的物流相对较少,那么对于一些需要冷却的物流不得不采用冷却公用工程来吸收热量,同样对于一些需要加热的物流必须采用加热公用工程来提供热量,在这个过程中,冷、热公用工程的用量都增大了,造成了能量的双重损失。要实现一个过程工业的工厂设计能耗最少、水耗最小和环境污染最低,就必须把整个系统集成起来作为一个有机结合的整体来看待,系统越复杂,优化的潜力就越大,因为这时优化匹配的机会大大增加了。如果把渣水处理单元、变换热回收单元、低温甲醇洗单元和甲醇合成及精馏等单元作为一个整体来分析,取最小传热温差为10℃,则加热公用工程、冷却公用工程的节能潜力分别为208%和47%(见表7)。3单元内部的节能潜力很采用夹点技术对煤气化制甲醇工艺进行分析,是一种简便、有效的技术手段,不仅可以确定能量使用不合理的原因,还能揭示出可实现的节能潜力,为工艺改进提供明确的方向。本文对某30万t/a煤气化制甲醇项目的主要操作单元进行了夹点分析,得出以下结论:3.1渣水处理单元的换热网络问题属于阈值问题,即在这个单元内部只需要冷却公用工程,节能潜力有限,但是,渣水处理单元的闪蒸气可以考虑作为其他工艺单元的热源,以达到节能的目的。3.2变换热回收单元的换热网络问题属于阈值问题,单元内部的冷却公用工程包括:发生蒸汽和循环冷却水,节能的途径是尽量回收废热,产生更多的中压蒸汽和低压蒸汽,减少循环水的用量。3.3低温甲醇洗单元的换热网络匹配比较合理,但是还存在一定的优化空间,可以对30-H13、30-C10、30-H15、30-C11这4个物流的换热方式进行分析并优化。例如,甲醇水冷凝液30-C11的温度比较低,可以考虑将其冷量回收。3.4甲醇合成及精馏单元的加热公用工程、冷却公用工程的节能潜力