基于CO2捕集的煤基費托合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?分析

于戈文，王延銘，楊小麗，吳剛強

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基于CO2捕集的煤基費托合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?分析

于戈文，王延銘，楊小麗，吳剛強

（內(nèi)蒙古科技大學化學與化工學院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

為了研究多聯(lián)產(chǎn)在節(jié)能和減排方面的表現(xiàn)，應用Aspen模擬軟件設計并模擬了3個不同工藝路線多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。運用有效能理論計算并分析了各多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總?效率及各子系統(tǒng)?損失，同時計算了碳捕集率和排放率。得出當化工端合成氣分流比分別為25%（案例-1）、75%（案例-2）、100%（案例-3）時，費托（FT）合成油的?值分別為1039.02MW、2928.91MW以及3905.22MW，發(fā)電的?值分別為2596.1MW、1235.4MW以及476.4MW，系統(tǒng)總?效率分別為42.80%、49.87%以及52.46%。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?損失主要分布在伴隨著化學?轉(zhuǎn)化的氣化過程、FT合成過程和分離過程。隨著化工端合成氣分流比的增加，二氧化碳的捕集率從79.36%減少到52.98%，而排放的碳單質(zhì)也從占輸入系統(tǒng)總碳量的5.32%下降到3.01%。結(jié)果表明：系統(tǒng)總?效率隨著合成氣的化學?轉(zhuǎn)化程度增大而增大，化工端比動力端對系統(tǒng)?效率有更大影響；串聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)與并聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)相比能夠更加高效、合理地利用能量；隨著合成氣用于化工端的比例增加，碳排放隨之減少。

模擬；?；合成氣；合成

煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個實現(xiàn)煤炭高效利用的規(guī)?；a(chǎn)系統(tǒng)，相對于單產(chǎn)系統(tǒng)而言在系統(tǒng)熱效率和環(huán)境友好性方面具有明顯優(yōu)勢，是解決能源與環(huán)境相容協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑之一[1-3]。目前，在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究多采用熱力學分析方法。BURAGOHAIN等[4]建立了基于生物質(zhì)氣化的費托（FT）合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學分析優(yōu)化模型。BECKER等[5]分析了FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率與經(jīng)濟問題。依托Aspen Plus軟件，岳晨等[6]對煤基FT合成油-電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了建模和熱力學分析研究。但以熱力學第一定律為基礎研究多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用規(guī)律無法準確體現(xiàn)不同品位能量的利用過程對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用效率的影響[7-9]。從能量利用效率研究的發(fā)展歷程來看，以?分析為目標，研究系統(tǒng)物理能的梯級利用以及化學能的梯級利用規(guī)律得到了普遍重視，國內(nèi)研究多以甲醇-電的聯(lián)產(chǎn)作為研究目標，并得出了十分有意義的結(jié)論[10-12]。

以FT合成為核心的煤制油工程是我國一項新興的能源產(chǎn)業(yè)，但也存在著能耗高、污染大的弊病。燃料-動力多聯(lián)產(chǎn)是有效提高煤制油工程的能量利用效率的重要方法之一。本文作者建立以氣流床加壓氣化為氣頭的FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用化學能與物理能綜合梯級利用理論，將?效率和CO2捕獲率作為多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設計優(yōu)化的目標函數(shù)。并分析多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?損失和?分布特點，以此來研究煤基FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成和能量優(yōu)化規(guī)律。

圖1 煤基FT合成油-電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖

1 建立多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型

1.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總體設計

利用低溫漿態(tài)床FT合成工藝，設計了煤基FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。氣流床加壓氣化產(chǎn)生合成氣，依據(jù)不同分流比分成兩股，一股經(jīng)FT合成產(chǎn)出的液態(tài)烴通過油品加工來生產(chǎn)石腦油、柴油以及LPG。另一股作為燃料氣進行發(fā)電。如果氣化后合成氣全部用于FT合成，只有尾氣用于發(fā)電，則實質(zhì)上構(gòu)成了一個串聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?；ざ说母鲉卧胁煌?guī)格、不同數(shù)量的蒸汽產(chǎn)生，同時也消耗蒸汽，副產(chǎn)蒸汽在首先滿足化工生產(chǎn)的前提下，多余的蒸汽都去發(fā)電。煤氣化后合成氣分流比不同，則用以生產(chǎn)FT合成油的原料氣流量不同、IGCC發(fā)電的燃料氣不同、化工端副產(chǎn)蒸汽發(fā)電量不同，從而導致整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量利用效率發(fā)生變化。

基于以上思想，設計了3個煤基FT合成油-電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)案例，如表1所示，對其能量利用情況進行對比研究。其中分流比表示氣化后合成氣分流到FT合成工藝去的合成氣流量占總合成氣流量的比例，案例-3的分流比為100%，成為了一個串聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

表1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)案例

1.2 多聯(lián)產(chǎn)評價指標

本文從兩個方面評價多聯(lián)產(chǎn)，一是系統(tǒng)?效率，定義如式(1)。

二是CO2捕獲率，定義如式(2)。

式中，CC表示捕獲的CO2的量，t/h；TC表示系統(tǒng)輸入的CO2的量，t/h。

1.3 主要子系統(tǒng)模擬

1.3.1 粉煤加壓氣化

建模方法：煤氣化過程可分解成3個過程，即煤的熱裂解過程、氣化過程以及氣固相分離的激冷過程，分別選用模型庫中RYield反應模塊、RGibbs反應模塊（氣化爐）及HEATER換熱模塊（廢鍋）和SEP分離模塊（脫灰）進行模擬，如圖2所示。物性方法采用RK-Soave方程。非常規(guī)組分COAL（煤）和ASH（灰）不參與相平衡和化學平衡計 算[13]，只計算此兩種非常規(guī)組分的焓及干基密度，計算煤的焓和真實干基密度采用HCOALGEN模型和DCOALGT模型。氣化流程如圖2所示。

煤樣選取東勝yt-1#煤，其煤質(zhì)分析結(jié)果見表2。

模擬結(jié)果如表3所示。為驗證模擬方法的準確性，選用Illion 6#煤進行氣化模擬計算，模擬結(jié)果與實際氣化結(jié)果也列于表3。

從表3模擬結(jié)果可以看出，Illion 6#煤的真實值和模擬值數(shù)據(jù)相近，說明該模擬方法能夠準確模擬煤的氣化過程。

圖2 氣流床氣化流程模擬

1.3.2 FT合成及油品加工

FT合成工藝采用低溫漿態(tài)床工藝，工藝流程見圖3。

表2 yt-1#煤的工業(yè)分析和元素分析（質(zhì)量分數(shù)）

表3 干粉煤氣化模擬的可靠性驗證和模擬結(jié)果

圖3 低溫漿態(tài)床FT合成工藝的流程圖

主要工藝參數(shù)：漿態(tài)床FT合成反應器250℃，2.50MPa；熱阱160℃；冷阱35℃；變壓吸附（PSA）H2純度≥99.99%；氫碳摩爾比(H2/CO)=1，CO總轉(zhuǎn)化率0.81，CO2的選擇性0.28，脫碳尾氣中殘 留的CO2摩爾分率CO2=0.01，尾氣循環(huán)比= 2.47。

對FT合成產(chǎn)物的組分，只考慮C1～C50的正構(gòu)烷烴和C2～C30的-烯烴，并采用DONNELLY等[14]提出的雙分布模型對FT合成產(chǎn)物的烴分布進行數(shù)據(jù)擬合回歸，即為式(3)。式(3)中取10，擬合結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，雙α分布模型能夠較準確地模擬FT合成的烴分布規(guī)律。表4列出了典型的Fe系催化劑FT合成烴分布以及油品加工的產(chǎn)品分布。

表4 典型的Fe基FT合成烴分布和油品精制的產(chǎn)品分布

1.3.3 燃氣輪機

模擬參數(shù)：空氣溫度15℃；空氣流量623.7kg/s；空氣壓縮比15.4；空壓機等熵效率87.5%；燃氣初溫1327℃；燃氣終溫609.4℃，燃氣輪機等熵效率89.5%。

模擬方法：Compr模塊模擬空氣壓氣機和透平機，RGibbs模塊模擬燃燒室，物性方法采用PR-BM方程，模擬流程圖如圖5所示。模擬結(jié)果顯示燃氣輪機凈功率（255.1MW）和熱效率（36.75%）與實際工況下的凈功率（255.6MW）和熱效率（36.9%）誤差較小，保證了模擬計算的準確性。

圖5 燃氣輪機發(fā)電模擬流程圖

2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?計算

2.1 計算基準

?是相對于參考環(huán)境狀態(tài)下的有效能，本研究采用龜山-吉田模型作為?的計算基準[15]：環(huán)境溫度0為 298.15K；環(huán)境壓力0為1.013 25×105Pa；定義任何物質(zhì)處于該環(huán)境狀態(tài)下的物理?為零。化學?采用龜山-吉田環(huán)境模型為基準物系。

2.2 常規(guī)組分?計算

2.2.1 常規(guī)組分物理?計算

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的常規(guī)組分均處于非理想狀態(tài)，故常規(guī)組分物理?的計算需采用剩余焓和剩余熵進行修正，物理?計算公式如式(4)。

(4)

對于含有發(fā)生相變的物質(zhì)，還需計算潛熱?，如式(5)。

氣體混合物體系選用PR方程對熱力學狀態(tài)函數(shù)焓和熵進行修正。對于FT合成和油品精制單元產(chǎn)出的液態(tài)烴類混合物體系選用RK-Soave方程對熱力學狀態(tài)函數(shù)焓和熵進行修正[16]。兩種狀態(tài)方程計算剩余焓和剩余熵等的計算公式如式(6)～ 式(20)。

PR方程的壓縮因子的形式

PR方程計算剩余焓和剩余熵公式

RK-Soave方程的壓縮因子的形式如式(14)。

RK-Soave方程計算剩余焓和剩余熵公式

2.2.2 常規(guī)組分化學?計算

任一物質(zhì)ABC由單質(zhì)或元素A、B、C經(jīng)等溫等壓的可逆生成反應生成，如式(21)，從可逆生成反應的?平衡關系中可以推導出化學?的計 算式。

則此純物質(zhì)的化學?為如式(21)。

對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中混合物體系的化學?計算，還需計入由于各純組分混合而引起的?損耗，如式(21)。

2.3 非常規(guī)組分?計算

2.3.1 非常規(guī)固體組分?計算

煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中非常規(guī)固體組分包括煤和灰，壓力對非常規(guī)組分煤和灰的物理?影響極小，故物理?只與溫度有關。此外，煤的物理?與其化學?相比可以忽略不計，而灰在環(huán)境狀態(tài)規(guī)定中以固相形式存在，即化學?為零，且排出系統(tǒng)的固態(tài)灰渣帶有的顯熱一般未加以利用，可以看作是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?損失。故本文對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中非常規(guī)固體組分只計算煤的化學?，計算公式[17]如式(24)。

ch=34215.87[C] + 21.97[N]+116 702.76[H]+18 260.36[S]－13278.59[O]－298.15×0.717 68[M]+0.6276[O]×{32 792.8[C]+ 141791.11[H]－17723.84[O]+16 019.49[S]}kJ/kg COAL(24)

式中，C、N、H、S、O表示燃料煤中碳、氮、氫、硫、氧元素的質(zhì)量分數(shù)；M表示灰分。

2.3.2 非常規(guī)液體組分?計算

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中非常規(guī)液體組分主要集中在FT合成和油品加工單元產(chǎn)出的液態(tài)烴類混合物的液體燃料。從原則上來講，液體燃料與常規(guī)組分的?計算沒有本質(zhì)區(qū)別，只要能夠確定液體燃料的組成及其相關組分的基本物性參數(shù)。MARANO等[18-20]提出了ABCs（asymptotic behavior correlations）方法能夠準確地估算烷烴、烯烴及其同系物的物性參數(shù)，同時具有合理外推性。本文利用ABCs方法對缺失的長鏈烴類物性數(shù)據(jù)進行估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)物料與?量衡算

3個多聯(lián)產(chǎn)案例物料和?量衡算結(jié)果如表5 所示。

表5 煤基FT 合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)案例的計算結(jié)果

由表5可知，案例-3的FT合成油產(chǎn)量和?效率均最高，但電力輸出為476.44MW，而系統(tǒng)電力消耗為476.63MW，生產(chǎn)的電力剛好滿足系統(tǒng)自身的消耗。案例-1的FT合成油產(chǎn)量和?效率均最低，但其中的凈電力輸出最大，系統(tǒng)耗電量為426.95MW。隨著合成氣分流比增加，盡管凈電力輸出降低幅度更加明顯，但卻使更多的合成氣轉(zhuǎn)化為能量品位更高的液體燃料，這是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?效率遞增的主要原因。此外，隨著合成氣分流比增加，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部副產(chǎn)蒸汽量推動蒸汽輪機的電力輸出有所提高，同時系統(tǒng)自身電力消耗也有所減少，是造成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?效率遞增的另一個原因。

從CO2減排角度來看，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2捕獲是在低溫甲醇洗工藝和FT合成工藝中的脫碳工段進行。隨著化工端合成氣分流比降低，并聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)輸入動力端的富H2燃料氣比例大幅增加，使CO2捕獲率從52.98 % (案例-3)升高到79.36% (案例-1)。原因在于WGS反應產(chǎn)生1mol H2的同時有1mol CO2生成，故富H2燃料氣中CO2的含量也非常高，導致CO2捕獲量最多可達2342.48t/h (案例-1)。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放來源于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元中余熱鍋爐排放的尾氣，3個案例CO2排放量分別為146.55t/h（案例-1），104.08t/h（案例-2），82.84t/h（案例-3），即排放的碳單質(zhì)分別占輸入系統(tǒng)總碳量的5.32%、3.78%、3.01%，可見案例-3排放的碳元素更少。

3.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?損失分布

對3個多聯(lián)產(chǎn)案例各子系統(tǒng)進行計算與分析，并側(cè)重考察多聯(lián)產(chǎn)各子系統(tǒng)的?損失大小和分布狀況，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?損失主要分布在以下子系統(tǒng)：空分、氣化、Claus硫回收以及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電單元，其?損失之和占多聯(lián)產(chǎn)的總?損失的比例分別為89.83%（案例-1）、83.46%（案例-2）、78.17%（案例-3）。由此可見，多聯(lián)產(chǎn)的?損失主要來源是伴隨著化學?轉(zhuǎn)化的分離過程和化學反應過程。此外，計算結(jié)果還顯示，隨著化學反應程度增高，造成的?損失也增高。如合成氣用于FT合成端的變換（WGS-FT）和合成氣用于動力端的變換（WGS-power）深度要求不同，WGS-FT合成子系統(tǒng)的變換深度明顯低于WGS-power子系統(tǒng)，其?效率分別為95.97%（WGS-FT合成）、93.73%（WGS-power）。隨合成氣分流比降低，合成氣需轉(zhuǎn)化為富H2燃料氣的比例增大，變換工段的總化學反應程度增大，但由于WGS副產(chǎn)中低壓蒸汽量也在增大，最終使其?損失在多聯(lián)產(chǎn)?損失中占比較小。另外，雖然FT合成過程合成氣的總轉(zhuǎn)化率很高，化學能轉(zhuǎn)移較大，但其絕大部分轉(zhuǎn)化為能量品位高的液體燃料，同時也副產(chǎn)低壓蒸汽，熱量得到充分利用，是FT合成工段?損失較小的原因。

圖6 煤基FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)的?損失分布圖

3.3 提高多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)?效率的措施

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行?衡算時，?效率與是否考慮子系統(tǒng)公用工程消耗有關。多聯(lián)產(chǎn)各子系統(tǒng)的?效率計算結(jié)果顯示，在考慮公用工程消耗時，只有WGS和FT合成子系統(tǒng)的?效率有所提高。原因在于WGS和FT合成充分利用了化學反應過程中釋放出的熱?來副產(chǎn)蒸汽，實現(xiàn)了化學?轉(zhuǎn)化過程中物理?的梯級利用，其?效率分別提高了7.72%（FT合成）、3.33% (WGS-power)和0.94%（WGS-FT 合成）。

4 結(jié)論

本文基于有效能理論，設計了煤基FT合成油-動力多聯(lián)產(chǎn)案例并進行模擬與?分析研究，得到如下結(jié)論。

（1）串聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)的能源轉(zhuǎn)化利用程度較高，具有合理的、高效的能量利用效率，缺點是電力輸出非常小，而并聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)具有較高的電力輸出能力，不同的分流比使多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有高度靈活性。

（2）多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?損失主要來源是伴隨著化學能轉(zhuǎn)化的分離過程和化學反應過程，化學反應程度越高，造成的?損失越高。

（3）多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的?效率提高決定于兩個因素：一是合成氣的化學能能否較大程度地轉(zhuǎn)化為能量品位更高的化學能；二是在合成氣化學能轉(zhuǎn)化過程中釋放出的熱?能否得到充分利用，實現(xiàn)物理能的梯級利用。

（4）在以富H2為發(fā)電原料氣的前提下，化工端的合成氣比例越大，碳排放率越小，越有利于 CO2的減排。

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[19] MARANO J J，HOLDER G D．General equation for correlating the thermophysical properties of-paraffins，-olefines，and other homologous series. 2．Asymptotic behavior correlations for PVT properties[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1997，36（5）：1895-1907．

[20] MARANO J J，HOLDER G D．General equation for correlating the thermophysical properties of-paraffins，-olefines，and other homologous series. 3．Asymptotic behavior correlations for thermal and transport properties[J]．Industrial & Engineering Chemistry Research，1997，36（5）：2399-2408．

Exergy analysis for the coal-based polygeneration system of FT syncrudes-power with CO2capture

YU Gewen，WANG Yanming，YANG Xiaoli，WU Gangqiang

（Chemistry and Chemical Engineering School，Inner Mongolia University of Science，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

For researching the performance of polygeneration systems in energy saving and emission reduction，three different polygeneration systems were designed and modeled by Aspen software. Based on the exergy theory，the total exergy efficiency and the exergy losses of sub-systems were simulated. Carbon capture ratio and carbon emission ratio were also analyzed. When the syngas split ratio of the chemical engineering side was 25%（Case-1），75%（Case-2） and 100%（Case-3），the FT Syncrude exergy was 1039.02MW，2928.91MW and 3905.22MW，and the electricity exergy was 2596.1MW，1235.4MW and 476.4MW with the total exergy efficiency of 42.80%，49.87% and 52.46%，respectively. The exergy losses were mainly distributed in the process getting along with the chemical exergy transformation such as the gasification，the FT synthesis and the separation processes. With increasing syngas split ratio in the chemical engineering side，the carbon dioxide capture ratio decreaseed from 79.36% to 52.98%. And the proportion of the carbon emission to the total carbon input fell from 5.32% to 3.01%. The results showed that the total exergy efficiency rose with increasing chemical exergy conversion degree. The chemical engineering side had a greater impact on exergy efficiency than power side. The tandem type polygeneration systems had more efficient and reasonable energy utilization than the polygeneration systems in parallel. The carbon emission reduced with increasing the syngas amount in the chemical engineering side.

simulation；exergy；syngas；synthesis

TQ53

A

1000–6613（2017）10–3682–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2109

2016-11-16；

2017-02-18。

國家自然科學研究基金（21466029）及內(nèi)蒙古自然科學研究基金（2014MS0210）項目。

于戈文（1971—），男，博士，教授，研究方向為煤化工、化工系統(tǒng)工程。E-mail：404122693@qq.com。