IGCC–甲醇多联产系统节能分析

第32卷第20期中国电机工程学报Vol.32 No.20 Jul. 15, 20122012年7月15日Proceedings of the CSEE02012 Chin.Soc .for Elec.Eng.文章编号: 0258-8013 (2012) 20-0001-07中图分类号: TK 01文献标志码: A学科分类号: 470.20IGCC-~甲醇多联产系统节能分析李召召，代正华，林慧丽，龚欣，王辅臣(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海市 徐汇区200237)Analysis of Energy Saving of IGCC-methanol Polygeneration SystemsLI Zhaozhao, DAI Zhenghua, LIN Huili, GONG Xin, WANG Fuchen(Key Laboratory of Coal Gasifcation of Ministry of Education, East China University of Science and Technology,Xuhui District, Shanghai 200237, China)ABSTRACT: In order to evaluate the configurations of the摘要:为评价以气流床粉煤气化为基础的整体煤气化联合循integrated gasification combined cycle(IGCC)-methanol环(IGCC)-甲醇多联产系统配置方案，采用Aspen Plus软件polygeneration system based on entrained- bed pulverized coal对多联产系统进行系统模拟。配置方案中气化工艺分别采用gasification, the polygeneration systems were simulated by废锅流程和激冷流程，IGCC 和甲醇合成组合方式分别采用using Aspen Plus software. Different configurations, including串联和并联，以相对节能率作为指标对所建立的多联产系统wasteheat boiler process/quench process and series/parall进行评价。结果表明:废锅流程节能效果优于激冷流程。废combination of IGCC and methanol synthesis were evaluated锅并联组合通往甲醇侧的合成气比例增大时,相对节能率随by calculating the relative energy saving ratio. The results之增大;废锅串联组合合成甲醇循环气与新鲜气的比例增加show that the waste heat boiler process is more energy-efficient时，相对节能率增大。采用分摊算法分别计算了IGCC-甲than the quench process. For the parallel polygeneration醇废锅并联多联产系统的发电和甲醇合成的煤耗。随着通往systems with waste heat boiler process, the relative energy甲醇合成侧的合成气量的增加，供电的煤耗显著减少,甲醇saving ratio increases when the proportion of the synthesis ga合成的煤耗略有减少。to methanol side increases. For the series polygeneration关键词:粉煤气化;整体煤气化联合循环(IGCC)-甲醇多联产;废热锅炉;激冷;相对节能率saving ratio increases when the proportion of cycle gaincreases in the methanol synthesis process. Based o0引言allocation of energy，coal consumption of methanol synthesisIGCC电站的比投资费用高，经济.上仍然无法and power generation of the IGCC-methanol parallel system与常规燃煤电站竞争。将整体煤气化联合循环with waste heat boiler process were calculated respectively.(integrated gasification combined cycle，IGCC)和多When the proportion of the synthesis gas to methanol synthesis联产技术相结合，逐步提高对原料的综合利用度，side increases, coal consumption of power reduces significantly有效地提高经济效益，降低投资和运行成本。IGCCand coal consumption of methanol reduces slightly.多联产系统以IGCC发电技术为基础，可方便地实KEY WORDS: pulverized coal gasification; integrated现电能和液体燃料、化学品的联合生产，将煤的单gasification combined cycle(IGCC)-methanol poly generation;一利用模式发展为综合利用模式，从单一能源 企业waste heat boiler; quench; relative energy saving ratio发展为综合能源企业，达到煤炭高效、洁净、经济基金项目:国家863 高技术基金项目(2008AA050301，2009AA的利用。04Z159);国家重点基础研究发展计划项目(973项目>(2010C227000);目前，开始启动的多联产项目多为甲醇、电的教育部基本科研业务费探索研究专项基金(WB1014037)。多联产系统。通过联产甲醇进- -步改善IGCC的效The National High Technology Research and Development of China率，并利用甲醇这一-液体燃料实现低谷 蓄能、高峰863 Program (2008AA050301， 2009AA04Z159);The National BasicResearch Program of China (973 Program) (2010C227000; Th发电。IGCC 与甲醇合成有2种基本的耦合方式":Fundamental Research Funds for the Ministry of Education(WB 1014037).并联方式和串联方式，如图1、2所示。在并联方第20期李召召等: IGCC- 甲醇多联产系统节能分析3时均选择了目前比较成熟的工艺。空分单元选择高部分发电。其中以IGCC单产系统副产的蒸汽最多，.压空分工艺。变换单元选择宽温串低温耐硫部分变为210 422 kg/h。激冷并联副产的蒸汽量最少，为换、段间激冷流程，设定入变换炉合成气水气比需27076kg/h。激冷并联流程与废锅并联流程相比，要达到1.1。 脱硫选择了国产化较好的聚乙二醇二变换单元需求的蒸汽减少了82031 kg/h,但是总的甲醚(new-style and high-effective solvent for副产蒸汽相差150402kg/h。 另外，各个单元的蒸汽desulfuration and decarbonization， NHD)法脱硫工品质不- -样。艺。由于液相甲醇技术工艺还未成熟!20]，甲醇合成从表5中可以看出，功耗最大的单元是空分单选择了目前比较成熟的Lurgi 列管式气相甲醇合成元，占总功耗的60%左右。另外，空分单元生产的技术，可以副产--部分蒸汽。联合循环单元采用0.6MPa的N2和O2加压到气化炉所需要的压力的M701FI21]型燃气轮机，余热锅炉的汽水系统及蒸汽压缩机、气化单元磨煤机、甲醇合成新鲜气和循环轮机均为双压再热式。气的压缩机、以及NHD脱硫过程都是功耗较大的单产系统和多联产系统煤(干)的流量均取单元。4000t/天。氧煤比为0.85kg氧/kg粉煤，蒸汽煤比从表6可以看出，相同的产品，IGCC- 甲醇多为200 kg蒸汽/t粉煤，气化温度为1380 C。出气联产系统比IGCC和甲醇2个单产系统分别生产节化炉的粗合成气经过废锅或者激冷降温，经洗涤除能效果明显。对于考察的几种方案，废锅流程的相尘后去下游装置。所用原料煤的性质和气化单元主对节能率高于激冷流程。这是因为废锅流程对显热.要流股的物流参数如表2、3所示。的充分利用，可以副产较多的蒸汽到联合循环发从表4可以看出，当采用废锅流程时，显热利电。相对节能率最大的是废锅串联多联产系统，为用更加合理，可以副产较多的水蒸气送往联合循环8.64%，其次是废锅并联多联产，为7.84%。表1多联产系统配置方案Tab. 1 Configurations of the polygeneration system名称配置方案IGCC废锅废锅流程的IGCC系统。甲醇激冷激冷流程的甲醇 合成系统，合成甲醇循环比为6.54.废锅并联废锅流程的 IGCC-甲醇并联多联产系统，合成气出水洗塔以后通往发电侧和合成甲醇侧的比例为5:5,合成甲醇循环比为5.69。激冷并联激冷流程的 IGCC-甲醇并联多联产系统，合成气出水洗塔以后通往发电侧和合成甲醇侧的比例为5:s,合成甲醇循环比为5.69。废锅串联废锅流程的 IGCC-甲醇串联多联产系统，合成甲醇循环比为1.68,大量未反应气体送往联合循环发电。激冷串联激冷流程的 IGcc-甲醇串联多联产系统，合成甲醇循环比为1.68，大量未反应气体送往联合循环发电。表2粉煤煤质分析数据Tab.2 Properties of pulverized coal工业分析1%元素分析1%高位热值灰熔点/C水份Md固定碳FCJ 挥发分 VMd_灰份 As_C H_NSa_ ASH_ Qgv(kJ/kg)1.1972.3211.6516.034.6628 70表3气化单元主要流股的物流参数Tab.3 Parameters of the main stream of the gasification unit摩尔分数1%单元项目温度/C压 力/MPaG流 量/(kmolh)H2ONH:ocO654.804 5000.99.6入气化炉804.20560100305.5000出废锅3.9015 6894.264.0526.20 62.253.16废锅流程出水洗塔543.7017 65323.29 55.32激冷流程出激冷室1433 69355.421.8912.20 28.981.472083.7629 85949.702.1313.77 32 .701.664中国电机工程学报第32卷表4各单元副产蒸汽与消耗蒸汽Tab.4 Production and consumption of steam of each unit流量/(kghl)单元IGCC废锅甲醇激冷 废锅并联废锅串联激冷并联澈冷串 联气化炉副产(5.5x10"Pa，270 C)45 92345923气化单元废锅副产蒸汽(5.5x10"Pa，394 C)232 434气化需要(5.5x10'Pa，330 C)-33648-33 648-33648. -33 648甲醇合成副产(3.5x10°Pa，242 °C)-139 29068 45297 04668 45497 044变换副产(2x10°Pa，212 C)44 34288 682甲醇合成221精馏需蒸汽(6x10'Pa, 159 C)-117723-57853-82 020-57855- -82 018变换需要(4x10°Pa，280 C)-11 706-87 884-175769脱硫脱硫需要(8x10'Pa，170 C)-34 287-34287 -34 287净蒸汽产量21042276 531177 478138 36127 07669 990表5各单元功耗Tab.5 Power consumption of each unitW项目IGCC废锅甲醇激冷废锅并联激冷并联激冷串联空分电耗49471 .4947149 471(化单元氧、氮压缩机10 12110 12激冷气循环1 380磨煤1 681 687687新鲜气压缩机5 0352589517772 5885 229甲醇合成.循环气压缩机0803 1701 8753 1731 894联合循环氮气压缩机31221 18717741144.202810224 .1022410 224其他56081总功耗76 56484 39980 38882 26979 18881 434表6分产系统 与联产系统综合比较Tab. 6 Comprehensive comparison of polygeneration systems and single production systems参数功耗/kW81434产功/kW639 904.369 595242 962357 128235 059净功输出kW563 340289 207160 693277 940153 625甲醇产量/(kg/h)129 38063 58290 14163 58390 139热转功效率n/%642.39合成能耗n/(GJ)42.52相对节能率//%7.84.645.857.38注:功耗是指系统各单元的总功耗，IGCC 废锅、甲醇激冷和多联产系统的功耗分别表示为Wp、WeE、 Wpe;产功是指联合循环部分燃气轮机和蒸汽轮机的做功之和:净功输出=产功-功耗, IGCC废锅和多联产系统的净功输出分别表示为W和Wp:甲醇激冷和多联产系统的甲醇产量分别为Fc和Fp.2.2多联产 系统发电和甲醇改变负荷的影响5:5，4:6， 3:7。 对于废锅串联多联产，通过调节甲通过.上面的分析发现，所选的方案中，废锅流醇合成塔循环气与新鲜气的比例来调节负荷，循环程优于激冷流程。以下将进一步分析废锅流程调节比分别为1.16，1.39， 1.68， 2.10, 2.26。负荷时的性能。对于废锅并联多联产，甲醇合成侧从表7中可知，对于并联多联产，随着合成甲循环比不变的情况下，直接调节出气化单元的合成醇侧所占的比例的上升，相对节能率明显上升，3:7气通往发电侧和甲醇侧的比例，分别为7:3, 6:4,时相对节能率为10.84%。这是因为并联多联产的集第20期李召召等: IGCC- 甲醇多联产系统节能分析5表7发电和合成甲醇调负荷的影响Tab.7 Effect of proportion of power generation and methanol synthesis废锅串联多联产(甲醇合成循环比)废锅并联多联产(合成气通往发电侧和合成甲醇侧的比例)参数1.161.391.682.102.267:36:446功耗/W82 31982 2352 26982 38282 42178 92379 72780388 81 19981 894产功/kW291 302 268 916 24 2 962 212 535 201 577481413 .424 352369 595 315 139260 690净功输出W/kW208 983 186 68160 693130 154119157402 490344 625289 207233 940 178 795甲醇产量F/(kg/h)77 87983 53690 14198 028100 72138 14550 86263 58276 29789 010相对节能率p/%5.046.108.648.919.345.356.387.849.3310.84成主要是甲醇合成未反应气到联合循环发电，联合循环向甲醇侧提供动力，合成甲醇侧的比例越大，集成效果越明显。说明在设计并联多联产系统时，可以考虑较大的甲醇合成负荷，改善多联产的节能效果。对于串联多联产，随着甲醇合成气循环比的增加，相对节能率也随着增加。说明对于串联多联产，在兼顾发电负荷的同时，还要保持适当的循环0.:7 IGCC比，使甲醇合成处于较高的负荷才更为经济。比例2.3并联多联产发电和合成甲醇煤耗的计算(b)供电煤耗在计算多联产系统经济性时常采用分摊算法1217,图3合成甲醇和供电的煤耗与 “比例”的关系本文采用分摊算法的思想进--步分析废锅并联多Fig.3 Relationship between coal consumption of联产系统发电煤耗和合成甲醇的煤耗。将IGCC-甲methanol and power and“the ratio”醇多联产系统分成气化单元、甲醇合成和发电3部电煤耗为0.296 kg煤(干)(kW.h)，并联多联产系统分，煤经过气化单元气化后转化为合成气，假设送合成气通往甲醇合成侧和发电侧的比例为3:7时,往甲醇侧的合成气和送往发电侧的合成气热值完供电的煤耗为0.210kg煤(干)/(kW-h), 7:3时，为全等价，根据两侧的合成气消耗量，将多联产系统0.273 kg煤(千)/(kW:h)。随着通往甲醇合成侧的合气化单元的能耗以煤耗的形式分摊到甲醇侧和发成气量的增加，供电的煤耗显著减少，甲醇合成的电侧。图3为单产系统和多联产系统合成甲醇和供煤耗略有减少，系统能量利用率增大，这与相对节电的煤耗与合成气通往甲醇侧和发电侧的比例的能率分析的结论一致。关系。IGCC-甲醇多联产系统，一方 面甲醇合成驰放从图3(a)可以看出，甲醇单产系统合成甲醇的气送往联合循环单元发电，提高IGCC侧的发电效煤耗为1.481t 煤(干)t甲醇。并联多联产系统合成率;另一方面IGCC侧向甲醇合成侧提供动力，气通往甲醇合成侧和发电侧的比例为3:7时，合成IGCC效率的提高又进--步降低了甲醇合成的能甲醇的煤耗为1.451t 煤(干)/t甲醇，而7:3时，为耗。另外，联合循环单元高压、中压和低压蒸汽轮1.493t煤(干)/t甲醇。从图3(b)可以看出，多联产发机可以与系统充分集成，实现不同品味蒸汽能量的电侧的煤耗低于IGCC发电系统，其中IGCC的供梯级利用也是多联产系统节能的重要原因。1.3结论i 1.1)IGCC甲醇多联产系统比IGCC和甲醇单产0.9系统节能效果明显。0.62)对于本文考察的4个多联产方案，以相对节能率为指标，进行了分析评价，气化工艺采用废0.0锅流程节能效果优于激冷流程。比较了多联产系统7:36:45:54:63:7甲醇单产合成甲醇和发电取不同比例的情况，甲醇侧所占的(a)合成甲醇的煤耗比值越大，系统的相对节能率越大。对于废锅并联6中国电机工程学报第32卷多联产系统，当通往发电侧与通往合成甲醇侧的的energy system producing coking heat ，methanol and合成气比例达到3:7时相对节能率达到10.84%;对electricity[J]. Fuel, 2010， 89(7): 1353- 1360.于废锅串联多联产系统，当合成甲醇循环比为2.268] KimJ， Park M，Kim C. Performance improvement ofintegrated coal gasification combined cycle by a new时，相对节能率达到9.34%。approach in exergy analysis[J] . Korean Journal of3)用分摊算法计算了废锅并联多联产系统单Chemical Engineering，2001， 18(1): 94-100.位甲醇和电的煤耗，并联多联产合成气通往甲醇合9] Duan Y Y, Zhang J，Shi L，et al. Exergy analysis of成侧和发电侧的比例为3:7时，甲醇合成的煤耗从methanol-IGCC polygeneration technology based on coal甲醇合成单产系统的1.481t 煤(干)/t甲醇降低到gasification[J]. Tsinghua Science and Technology, 2002,1.451t煤(干)/t甲醇，供电煤耗从IGCC单产系统的7(2): 190-193.0.296 kg煤(干)(kW.h)降低到0.210kg 煤(干)/1[10] WangZF, ZhengD X，JinH G. Energy inegration ofacetylene and power polygeneration by flowrate-exergy(kW.h)。diagram[J]. Applied Energy，2009， 86(3): 372-379.该文仅从能量的角度分析了IGCC甲醇多联产[11] Tsatsaronis G ，Kapanke K ，Marigorta A M系统的配置方案，在以后的工作中还要从经济性、B. Exergoeconomic estimates for a novel zero-emission装置规模和CO2减排的优势等角度来进一步考察process generating hydrogen and electric powerIGCC甲醇多联产系统的配置方案。[J]. Energy, 2008， 33(2): 321-330.[12] ZhouL, HuS Y，Li YR，et al. Study on co-feed and参考文献co-production system based on coal and natural gas for[1] 王逊，肖云汉.串并联与并联形式的联产系统效率比较producing DME and eletricity[J]. Chemical Engineering[].中国电机工程学报，2005， 25(2): 144-149.Jourmal, 2008，136(1): 31-40.Wang Xun, Xiao Yunhan. Efficiency comparison of series-[13]金红光，林汝谋.能的综合梯级利用与燃气轮机总能系parallel co-production system and parallel co-production统[M].北京:科学出版社，2008: 196- 201.system[J]. Proceedings of the CSEE， 2005， 25(2):Jin Hongguang，Lin Rumou. The comprehensive and144- 149(in Chinese).cascade utilization of energy and the total energy system[2] 麻林巍，倪维斗，李政，等.以煤气化为核心的甲醇、of gas turbine[M]. Bejing: Science Press， 2008 :电的多联产系统分析(下)[J].动力工程，2004， 24(3):196-201(in Chinese).603-608.[14] Yang H, Li Y R，Shen J Z, et al. Evaluating wasteMa Linwei, Ni Weidou, Li Zheng, et al. Analysis of thetreatment，recycle and reuse industrial system : anpolygeneration system of methanol and electricity basedapplication of the emergy approach[J] . Ecologicalon coal gasification (2)[J]. Power Engineering, 2004,Modelling，2003， 160(1-2): 13-21.24(3): 603-608(in Chinese).[15] Helen H L, Kulkarni M A, Singh A, et al. A game theory[3] Xiang WG, ChenSY, XueZP, et al. Investigation ofbased approach for emergy analysis of industrialcoal gasification hydrogen and electricity co-productionecosystem under uncertainty[J]. Clean Technologies and .plant with three-reactors chemical looping processEnvironmental Policy, 2004， 6(3): 156-161.[J]. International Joumnal of Hydrogen Energy，2010,[16]王灵梅，倪维斗，李政.基于能值的不同煤基发电系统35(16): 8580-8591.的可持续性评价[].中国电机工程学报，2006， 26(13):[4] Lin H，Jin H G，Lin G，et al. Economic analysis of98-102.coal-based polygeneration system for methanol and powerWang Lingmei，Ni Weidou ，i Zheng. Sustainabilityproduction[J]. Energy, 2010， 35(2): 858-863.evaluation of coal generation electricity system based on[5] 倪维斗，李政，江华.煤基多联产系统(化工过程动力emergy account[J]. Proceedings of the CSEE， 2006,装置)的分析[].煤炭转化，2003, 26(4); 1-4.26(13): 98- 102(in Chinese). .Ni Weidou, Li Zheng, Jiang Hua. Analysis of the coal[17]李政，刘广建，倪维斗，甲醇/电联产系统的能耗特性based polygeneration system (chemical process-power[].中国电机工程学报，2008， 28(8): 1-6.plant)[J]. Coal Conversion, 2003, 26(4): 1-4(in Chinese). .iZheng，LiuG[6] Ng K S，Sadhukhan J. Process integration and economicconsumptionperformance of methanol/electricityanalysis of bio-oil platform for the production of methanolcogeneration systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2008,and combined heat and power[J] . Biomass and28(8): 1-6(in Chinese). .Bioenergy，2011， 35(3): 1153-1169.[18]林汝谋，孙士恩，金红光，等.双气头多联产系统的相[7] Sun S E, Jin H G, Gao L, et al. Study on a multifunctional对节能率及其参照基准[J].中国电机工程学报，2009,第20期李召召等: IGCC- 甲醇多联产系统节能分析729(11); 1-7.[22]王明华，李政，冯静，等.甲醇/电联产系统中甲醇合Lin Rumou, Sun Shien, Jin Hongguang, et al. Energy成与精馏模拟及变负荷研究[J].热能动力工程，2008,saving ratio and its reference performance benchmark of23(4): 363-368.polygeneration systems with two kinds of fuel gasWang Minghua, Li Zheng, Feng Jing, et al. Simulation[J]. Proceedings of the CSEE， 2009， 29(11): 1-7(inand research of methanol synthesis and distillation ofChinese).methanol/electricity cogeneration system[J]. Journal of[19]陈斌，高林，金红光.二甲醚/动力多联产系统初步研Engineering for Thermal Energy and Power, 2008, 23(4):究[D].工程热物理学报，2004， 25(5): 741-744.363-368(in Chinese).Chen Bin，Gao Lin， Jin Hongguang. The study ofDME/power cogenerationsystem[]Journal of收稿日期: 2011-12-25。Engineering Thermophysics, 2004， 25(5): 741-744(in作者简介:李召召(1986)，男，硕士研究生，从事[20] Quin R, Dahl T A，Toseland B A. An evaluation ofIGCC-甲醇多联产系统的模拟和优化研synthesis gas contaminants as methanol synthesis catalyst究，zhaolizhide@ 163.com;poisons[J]. Applied Catalysis A: General, 2004, 272(1-2):代正华(1977)，男，副教授，硕士生导61-68.李召召师，主要从事含碳物料气化系统的过程模[21]董君，王松岭，陈海平，等. M701F型燃气轮机性能拟、设计和优化，以及气化过程中关键设分析[D].电力科学与工程，2005(14): 12-14备的数值计算等方面的研究工作，本文通Dong Jun ，Wang Songling ，Chen Haiping ，et讯作者，chinadai @ ecust.edu.cn。al. Performance analysis of M701F gas turbine[J]. Electric(责任编辑张媛媛)Power Science and Engineering， 2005(14): 12- 14(in