基于等離子氣化煤的化工動力系統(tǒng)優(yōu)化

武文韜 楊巨生

（1.陜西能源電力運營有限公司；2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院）

甲醇是一種重要的化工原料，在我國大多來源于煤炭但煤制甲醇技術(shù)的轉(zhuǎn)化率不夠高，余熱、弛放氣多，污染大等問題沒有有效解決。 近年來， 耗煤大戶亞臨界火電站降負荷運行已成常態(tài)，這直接導(dǎo)致效率下降，能量利用率低。 為實現(xiàn)煤炭的高效清潔利用，等離子氣化煤［1］是一種不錯的選擇， 等離子體的高溫高活性粒子的特點，為更加高效地利用煤炭提供了條件，但不可忽視的是其耗電大、余熱多的缺點。 因此，筆者在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上［2］，以能量梯級利用為指導(dǎo)原則，提出了以等離子氣化煤為核心的甲醇電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并借助Aspen Plus 模擬分析，旨在降低能量損失，提高煤炭的利用效率。

1 化工系統(tǒng)的模擬

電弧等離子體具有高溫、高能、高活性的特點，工業(yè)中利用此技術(shù)能夠使復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)快速發(fā)生，避免了氣化過程中大量的副反應(yīng)，提高了產(chǎn)品品質(zhì)［3］。 因此利用交流電產(chǎn)生等離子體技術(shù)原理， 構(gòu)建了一種新的等離子技術(shù)氣化煤的裝置， 模型如圖1 所示，RYield 模塊模擬煤在DECOMP 中放出揮發(fā)分， 生成半焦的過程；RGibbs 模擬氣化區(qū)LTZ、ITZ、HTZ 與L2， 半焦與在 其 中 反 應(yīng) 生 成 合 成 氣［4，5］；SEP2 用 于 分 離 合 成氣與煤渣。 結(jié)合實驗參數(shù)［6］對模型的氣化結(jié)果進行檢驗校對， 使其滿足相同情況下的實驗結(jié)果。輸入低位發(fā)熱量為29.56 MJ/kg 的煙煤， 物性方法采用NRTL。 制甲醇系統(tǒng)用低壓合成塔［7］，壓力控制在5～7 MPa， 物性方法采用IDEAL。 RYield模擬合成器REAC，產(chǎn)物在Flash 模塊中（S1、S2）分離成粗甲醇20、27 與弛放氣21 和28， 弛放氣一部分循環(huán)回合成塔中，模型如圖2 所示。 精餾是利用物質(zhì)的相變與組分的不同沸點使雜質(zhì)分離，此外為了能夠較好地分離不同成分，采用三塔雙效精餾工藝［8］，如圖3 所示，用RadFrac 模塊模擬精餾系統(tǒng)的預(yù)塔1、加壓塔4 和常壓塔7，物性方法采用NRTL。

圖1 等離子技術(shù)氣化煤裝置模型

圖2 甲醇合成子系統(tǒng)模型

圖3 粗甲醇精餾子系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)能耗分析

3 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化

3.1 300 MW 火電站汽輪機的模擬

根據(jù)山西大同境內(nèi)某300 MW 亞臨界機組的實際運行情況進行汽輪機的模擬。 汽輪機型號為N300-16/537/537，低壓缸共12 級，由于其左右對稱布置，左右的工況與蒸汽參數(shù)一致，所以只模擬其中一側(cè)。 共6 級，第2～5 級后均有抽汽，第6 級排汽，因此分為5 個壓力機組來模擬。汽輪機用COMP 模塊模擬，選擇Turbin 模式，需設(shè)定等熵效率、機械效率來限制其抽汽排汽參數(shù)。 冷凝器用HEATER 模塊模擬，其作用是模擬單股物流的冷凝，需設(shè)置出口物流溫度。 低壓加熱器為兩股物流換熱，用HeatX 模擬，需設(shè)定冷熱物流的出口溫度，水泵用Pump 模塊模擬，選擇COMP 壓縮機模式，需設(shè)定機械效率來確定出口物質(zhì)的壓力，物性方法采用STEAM-TA。

3.2 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建方案

由 分析可知，等離子與甲醇系統(tǒng)對物理熱和弛放氣利用不足，因此將等離子、甲醇、亞臨界機組三系統(tǒng)做聯(lián)產(chǎn)改造來避免這種情況。

具體改進方案是：

a. 將甲醇合成單元的弛放氣 （主要成分為H2、CO）通入電站鍋爐中摻燒煤粉，以降低電站鍋爐用煤量，高溫蒸汽供給低壓加熱器，如圖4 中流股F9；

圖4 改進后的低壓缸回?zé)嵯到y(tǒng)

b. 等離子系統(tǒng)所產(chǎn)熱水通入甲醇合成器的換熱管束中，避免合成溫度升高影響轉(zhuǎn)化率；

c. 將低壓加熱器加熱后的蒸汽供給精餾塔再沸器，使它維持恒定的溫度，節(jié)約部分水；

d. 將合成塔換熱管束中產(chǎn)生的蒸汽（圖5 流股H、M、L）提供到等離子發(fā)生器中。 此外由于亞臨界機組為等離子系統(tǒng)供電，所以必須提高運行負荷，這樣使機組的熱效率得到了提升且弛放氣有效利用避免了污染與能量浪費。

圖5 改進后的合成系統(tǒng)

3.3 等離子裝置關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化

水蒸氣對等離子氣化的影響如圖6 所示。

圖6 水蒸氣對等離子氣化的影響

由圖6 可知， 在保持其余參數(shù)不變的情況下，當(dāng)水蒸氣供給量達到0.1 kmol/s 時，體系中的水蒸氣量增加明顯，但量較少，達到0.2 kmol/s 后H2生成量超過了CO 量。 這是因為水蒸氣與碳反應(yīng)生成等量的CO 與H2，但水蒸氣量達到0.2 kmol/s 后，其作用開始增強，會與CO 發(fā)生變換反應(yīng)生成CO2和H2， 所以從此點開始H2的含量開始逐漸超過CO 的量。 當(dāng)水蒸氣供給量為0.3 kmol/s 后主要成分H2與CO 的量開始下降。

水蒸氣的不斷供給會帶來以下后果： 在等離子裝置功率不變的情況下，能量平均分配減少，使活性粒子的能量減小，氣化效果下降；水分子會吸附在半焦顆粒表面，阻擋其表面空隙，這樣產(chǎn)生的直接后果就是既浪費了電能又使合成氣品質(zhì)下降；煤中水分太多會對氣化產(chǎn)生不利影響。

壓力對氣化的影響如圖7 所示，是通過提高水蒸氣的壓力來增加氣化壓力的情況， 隨著壓力的增加， 其中主要成分H2和CO 的含量不斷下降，與CH4、CO2的變化相反。 由于合成H2與CO是氣化反應(yīng)的主要反應(yīng)， 且屬于氣、 固兩相的反應(yīng)，反應(yīng)后體積會增大，壓力的增加對于體積增大的反應(yīng)會產(chǎn)生不利影響，CH4含量增加的原因也在于此。 此外高壓抑制了煤顆粒揮發(fā)分及其內(nèi)部焦油的放出［10］，阻礙了與氣化劑的進一步接觸，但可以使體積縮小，密度增大，粒子之間的碰撞概率增加，同時使得熱量傳遞得更加充分，這對增加反應(yīng)速率是有利的。 因此壓力變化對合成氣的平衡濃度有不利影響，對增大反應(yīng)速率、提高反應(yīng)裝置的空間利用效率具有促進作用。

圖7 壓力對氣化的影響

圖8 是加入不同氣化劑對氣化的影響。

圖8 不同氣化劑對氣化的影響

在1 000 ℃， 加入0.21 kmol/s 的O2時體系中的碳已反應(yīng)完全，而加入CO2與空氣，在1 200 ℃，0.225、0.49 kmol/s 時碳才轉(zhuǎn)化完全。 原因是O2為氣化劑時會與碳發(fā)生完全與部分燃燒反應(yīng)，可以為氣化過程提供所需熱量。 加入CO2時，體系中的碳導(dǎo)致合成氣品質(zhì)降低，出現(xiàn)氣化裝置積炭等現(xiàn)象。 因此可以斷定，O2氣氛下可以減少等離子裝置的輸入功率，CO2氣氛下需要額外增加功率來提高反應(yīng)溫度。 因此對比O2與CO2氣氛下等離子氣化煤發(fā)現(xiàn)，O2氣氛下體系中熱量較多，在等離子氣化裝置功率較低時即可實現(xiàn)煤的完全氣化。

4 多聯(lián)產(chǎn)的實施結(jié)果

由以上改造方案和參數(shù)優(yōu)化為指導(dǎo)，實施聯(lián)產(chǎn)。 聯(lián)產(chǎn)后， 化工系統(tǒng)產(chǎn)生411 kmol 的弛放氣體，其發(fā)熱量等于3.19 t 煤的低溫發(fā)熱量，此方案可以每小時節(jié)約3.19 t 煤；甲醇合成子系統(tǒng)的初級換熱器每小時可以產(chǎn)生450 ℃的高溫水蒸氣833 kmol，通入汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)的低壓加熱器中，從低加5（DJ5）進入，分別流經(jīng)4 個低加后從低加8（DJ8）流出，使低壓缸每小時減少抽氣量15.624 t，低壓缸也因此可以多做1.254 MW 的功轉(zhuǎn)化成電能。 利用等離子氣化系統(tǒng)近1 200 ℃的合成氣可以產(chǎn)生100 ℃的熱水，將這部分熱水分為3 股通入甲醇合成子系統(tǒng)的換熱管束中，被加熱成168、160、100 ℃的飽和水蒸氣，它們分別進入PLA3、PLA2、PLA1 中以代替公用工程。 這樣在保證產(chǎn)量的前提下，為氣化系統(tǒng)每小時節(jié)約3.924 t水，同時由于等離子發(fā)生器冷、熱物流溫差的降低，使發(fā)生器 效率提高了1.69%，內(nèi)部損失比改進前每小時減少了1 793 MJ，使甲醇合成子系統(tǒng)的目的 效率提高了近40%。

5 結(jié)論

5.1 經(jīng)過 分析發(fā)現(xiàn)，弛放氣 數(shù)量太大是造成化工系統(tǒng)追求高轉(zhuǎn)化率的本質(zhì)原因。

5.2 研究結(jié)果顯示，等離子氣化過程中增加壓力不利于生成H2與CO，因此選擇常壓氣化；選擇O2作為氣化劑可以降低等離子裝置耗電量，提高體系中碳的轉(zhuǎn)化率，CO2作為氣化劑時需要額外增加等離子裝置的輸入功率才能使碳轉(zhuǎn)化完全，空氣作為氣化劑會使合成氣中有大量N2，不利于后續(xù)的化工合成；隨著水蒸氣的加入，CO2量增加較快且總量較其他雜質(zhì)成分多，可見水蒸氣供入量對生成CO2的選擇性較強， 在0.1～0.2 kmol/s時較為合適，超出此范圍后CO2的量會逐漸逼近主要成分的量。

5.3 實施多聯(lián)產(chǎn)后，甲醇合成子系統(tǒng)的 效率提高了40%，使發(fā)生器 效率提高了1.69%，內(nèi)部損失比改進前減少了1 793 MJ/h， 火電廠節(jié)煤量達到了3.19 t/h，排灰量降低0.347 t/h，汽輪機少抽氣15.624 t/h， 多做功1.254 MW， 化工系統(tǒng)節(jié)水3.924 t/h。