專利名稱：化工－動力多聯產系統及方法
技術領域：
本發明屬于能源與化工技術領域，具體地說涉及一種利用富碳原料同時生產液體燃料(化工產品)和電力的方法。
本發明還涉及實現上述方法所使用的化工-動力多聯產系統。
背景技術：
目前大部分化工生產流程和動力發電系統是相互獨立的，面對可持續發展的背景，分產化工流程與動力發電系統雖然也開始綜合考慮降低能耗、提高能源利用率與控制污染等多方面的問題，但分產系統往往片面地追求某個目標，強調以某一個問題為主，其他問題為輔，這一思路是多數分產系統無法滿足未來可持續能源系統要求的致命缺陷，使得分產系統很難同時克服能耗高、化學能利用過程損失大以及環境污染嚴重等問題。
基于領域交叉與融合的思路，化工-動力多聯產系統把化工生產流程和動力系統有機地結合在一起，在完成發電、供熱的同時，生產甲醇、二甲醚、氫氣等合成燃料與氨等化工產品，是同時滿足能源、化工以及環境等多功能、多目標綜合的能源利用系統。合理集成和整合的多聯產系統在使動力系統能源利用率提高和污染排放降低的同時，降低了化工生產過程能耗與初投資，因此成為未來符合可持續發展要求的主要資源利用技術之一。
目前的多聯產系統主要分為并聯型多聯產系統與串聯型多聯產系統兩類。以往國內外研究的多聯產系統多為并聯型，它是在保持原有化工生產流程和動力發電系統結構基本不變的基礎上，粗合成氣分別作為原料氣與燃料氣進入化工流程與動力系統，通過回收化工流程中的弛放氣為燃料或采用熱集成等措施來實現系統整體性能的提高。并聯型聯產系統可以視為分產流程的簡單疊加，沒有體現多聯產系統所要求的化工流程與動力系統有機結合的本質特點，其性能是多聯產系統中最低的，如并聯型甲醇-動力多聯產系統相對于分產系統的相對節能率(節能率)通常不超過6％。
除并聯型多聯產系統之外，目前也存在幾種常規的串聯型多聯產系統。串聯型多聯產系統的特點在于合成氣首先全部進入化工生產流程合成化工產品，動力發電系統的燃料是來自于化工生產流程中的未轉化為化工產品的合成氣。目前常規串聯型多聯產系統均采用一次通過合成方式在化工合成單元取消未反應氣循環物流，未反應的合成氣全部送往動力發電系統作為燃料。常規串聯型多聯產系統性能通常高于并聯型多聯產系統。根據是否調整合成氣的CO/H2比，常規串聯型多聯產系統也可以分為合成氣組分全調整(富H2合成)方案與合成氣組分無調整(富CO合成)方案兩類，后者性能稍高，但這兩類常規串聯型甲醇-動力多聯產系統的相對節能率也難以超過8％。
發明內容
針對當前化工-動力多聯產系統節能效果不理想的缺陷，本發明的目的在于提供一種利用富碳原料同時生產液體燃料(化工產品)和電力的方法。
本發明的又一目的在于提供實現上述方法所用的化工-動力多聯產系統。
為實現上述目的，本發明提供的化工-動力多聯產方法，以富碳原料制得的粗合成氣首先全部進入化工生產流程，經降溫、凈化后直接進行化工合成，合成氣轉化為化工產品，未轉化的合成氣一部分循環重新進行合成，另一部分作為燃料送往燃氣/蒸汽聯合循環發電系統。
所述的方法，其中富碳原料為煤、焦或重油。
所述的方法，富碳原料制得的粗合成氣不調整或小幅調整CO/H2比，保持合成反應新氣CO/H2比高于標準值0.5以上。
所述的方法，合成反應后未轉化的合成氣中，重新進行合成的合成氣與合成反應新氣的摩爾流量之比在3.5到7.5之間。
本發明提供的用于實現上述方法的化工-動力多聯產能源系統，主要包括合成氣制備單元、顯熱回收單元、合成氣凈化單元、化工合成單元、動力發電系統；其中合成氣制備單元為氣化、拔頭、熱解、煉焦合成氣制備過程；化工合成單元為甲醇、二甲醚液體燃料或化工產品的合成過程；動力發電系統以串聯方式與化工合成單元連接。
所述的系統，其中動力發電系統為燃氣/蒸汽聯合循環發電系統；蒸汽透平的工質來源于余熱鍋爐和化工生產流程中余熱回收過程產生的蒸汽，動力發電系統除對外輸出電力產品外，也要為化工生產流程提供工藝過程需要的做功用或加熱用蒸汽。
根據上述內容可以看出，本發明是將富碳原料制備為粗合成氣，粗合成氣首先全部進入化工生產流程，不采用傳統組分調整方式調整粗合成氣組分達到標準值(主要是降低CO/H2的摩爾比以達到合成反應化學計量比)，而是取消成分調整過程(或雖經調整，但調整后CO/H2比高于標準值0.5以上)，粗煤氣經降溫與凈化后直接作為合成反應新氣用于合成化工產品，未轉化的合成氣一部分循環重新進入合成反應器，另一部分作為燃料送往燃氣/蒸汽聯合循環發電系統。循環的合成氣(循環氣)的流量與作為燃料的合成氣(燃料氣)的流量的比例關系可以通過改變循環倍率(循環氣流量與合成反應新氣流量之間的比例)調整，本發明提出的適度循環所要求的循環倍率在3.5到7.5的范圍之間。
本發明在化工流程與動力系統串聯型連接的基礎上，將合成氣組分無調整(或低調整)的合成反應新氣制備方式與未反應氣適度循環的利用方式獨創性地整合在一起由于采用合成氣組分無調整(或低調整)的合成反應新氣制備方式，合成反應新氣制備過程的能量利用大幅提高；采用未反應氣適度循環的利用方式，通過尋找最佳的未反應氣循環倍率，新系統在保證合成反應新氣的有效組分充分轉化為化工產品的前提下，有效利用能量，從而實現組分轉化與能量轉換利用的耦合與協調。
本發明提出的化工生產流程可以生產多種液體燃料或化工產品，可根據具體需求匹配某一種或多種化工生產流程，得出不同產品聯產的化工-動力多聯產系統，例如甲醇-動力的多聯產系統或二甲醚-動力多聯產系統等。
本發明提供的動力發電系統是燃氣/蒸汽聯合循環發電系統，與常規獨立的聯合循環發電系統不同的是，在多聯產系統中動力發電系統消耗的燃料氣為化工生產流程中的未轉化為化工產品的組分，動力發電系統也接收來自化工生產流程中顯熱回收單元產生的蒸汽作為蒸汽循環的作功工質。在對外輸出電力的同時，動力發電系統也要為化工生產流程提供所需要的做功用或加熱用蒸汽。
本發明的有益效果是，克服了已有的化工-動力多聯產系統節能效果不理想的缺陷，與已有節能效果最明顯的多聯產系統相比，新系統的節能效果可以大幅度提高(從8％提高到15％以上)，與分產系統相比可節約原料達10～20％。
圖1以煤為原料同時生產液體燃料(化工產品)和電力的化工-動力多聯產能源系統示意圖。
圖2甲醇合成單元流程示意圖。
圖3二甲醚合成單元流程示意圖。
圖4合成氣組分調整、未反應氣循環對串聯型多聯產系統節能率的影響圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
請參見附圖1，本發明提供的利用富碳原料同時生產液體燃料(化工產品)和電力的化工-動力多聯產能源系統，主要由合成氣制備單元(1)、顯熱回收單元(2)、合成氣凈化單元(3)、化工合成單元(4)、動力發電系統(5)組成。原料(6)在合成氣制備單元(1)中的制得粗合成氣在顯熱回收單元(2)中降溫回收顯熱，然后進入合成氣凈化單元(3)脫除酸性氣體得到合成反應新氣，合成反應新氣(10)與循環氣(11)混合進入化工合成單元(4)生產化工產品(13)，從化工合成單元(4)出來的未反應氣(9)被分為循環氣(11)與燃料氣(14)兩部分，循環氣(11)與合成反應新氣(10)混合后再次進入合成反應單元(4)，燃料氣送往動力發電系統(5)作為燃氣/蒸汽聯合循環燃料燃燒發電。顯熱回收單元(2)和化工合成單元(4)產生的蒸汽送往動力發電系統(5)作為蒸汽循環的工質。合成氣凈化單元(3)所需的蒸汽來自動力發電系統(5)。
圖2為本發明甲醇生產單元工藝流程圖。由圖1所示來源于合成氣凈化單元(3)的合成反應新氣(10)經過壓縮機(17)升壓并與循環氣(11)混合后，再經過壓縮機(18)進一步壓縮到甲醇合成壓力。高壓原料氣經過回熱器(21)預熱，進入甲醇合成塔(19)，進行甲醇合成。合成后的混合物在回熱器(21)放熱后進入氣液分離單元(22)將粗甲醇(16)與未反應氣(9)分離。粗甲醇(16)被送往精餾單元精制得到產品甲醇，未反應氣體一部分作為循環氣(11)繼續參加合成反應，另一部分作為燃料氣(14)送往動力發電系統(5)。
圖3為本發明二甲醚生產單元工藝流程圖。由圖1所示由來源于合成氣凈化單元(3)的合成反應新氣(10)經壓縮機(23)后預熱(25)再進入二甲醚合成反應器(24)，反應產物通過膨脹機(26)回收壓力能后冷卻(27)，再進入分離單元(29)，得到一定純度的二甲醚(30)。分離單元(29)出來的尾氣凈化后含大量未反應合成氣，一部分(11)循環與壓縮后的合成反應新氣(10)混合，另一部分作為燃料氣(14)送往動力發電系統(5)。
圖4所示為串聯型甲醇-動力多聯產系統中不同合成氣組分調整方式(從a點全調整方式到b點無調整方式)和不同未反應氣循環倍率(從b點無循環方式到部分循環方式，循環倍率逐漸提高)情況下系統節能率的變化情況。圖中的曲線a-b代表從合成氣組分全調整方式變化到無調整方式時，多聯產系統節能率的變化情況，曲線b-c代表從一次通過(無循環方式)到最佳循環倍率以及循環倍率持續上升情況下，多聯產系統節能率的變化情況。從圖中可以發現，針對循環倍率的變化存在最佳循環倍率區域，這一區域內的循環倍率可以保證此時多聯產系統節能效果最佳。
本發明是利用富碳原料的多聯產能源系統，與現有的多聯產系統相比具有以下特點在化工流程與動力系統以串聯型方式連接的基礎上，把合成氣組分無調整(或低調整)和未反應氣適度循環有機結合起來，在降低合成反應新氣制備能耗的同時，改善了合成反應新氣有效組分的利用。
綜上所述，本多聯產系統能夠明顯提高化工流程與動力系統的能量利用與組分利用水平，有利于能源的綜合利用和節約能源。
實施例1為采用本方法的煤基串聯型無調整、適度循環甲醇-動力多聯產系統，將圖2的甲醇生產單元替換圖1中化工生產單元即為煤基串聯型無調整、適度循環甲醇-動力多聯產系統流程圖。從煤氣化爐出來的粗合成氣組分和狀態參數如表1和表2所示。表3為串聯型多聯產系統性能對比數據，以相同的原料消耗量(267 10kJ)為前提，比較了分產系統、新型串聯型無調整適度循環系統(NA/PC)、常規串聯型無調整一次通過系統(NA/OTM)和常規串聯型全調整一次通過系統(FA/OTM)的性能。從表中可見，三種多聯產系統凈功輸出分別為5824kJ、6422kJ與8561kJ，同時分別生產甲醇0.3978kg、0.2974kg與0.2095kg。由于NA/PC采用了合成氣組分無調整、未反應氣適度循環方式(對應循環倍率為4.4)，合成反應新氣制備能耗低，甲醇合成單元的全程轉化率較高；FA/OTM系統由于采用了合成氣組分全調整方式，合成反應新氣制備能耗較高，而采用一次通過甲醇合成流程使得其合成反應新氣的有效成分并未得到充分利用；NA/OTM采用了合成氣組分無調整與一次通過甲醇合成方式，雖然合成反應新氣制備能耗較低，但由于采用了一次通過甲醇合成方式，最終僅有少部分合成反應新氣轉化為化工產品，合成反應新氣有效成分利用不夠充分。
對比三種類型的多聯產系統的節能效果，NA/PC系統節能率為15％；FA/OTM系統的節能率最低，僅為5.3％；NA/OTM系統的節能率介于其他兩個系統之間，為8.1％。顯然，新型串聯型甲醇動力多聯產系統具有最佳的節能效果。
實施例2為采用采用本方法的煤基串聯型合成氣組分無調整、未反應氣適度循環的二甲醚-動力多聯產系統。將圖3二甲醚合成單元替換圖1中化工生產單元，即為煤基串聯型合成氣組分無調整、未反應氣適度循環的二甲醚-動力多聯產系統流程圖。合成氣的制備過程與實施例1相似，見表4和表5。以輸入煤量27.264kg/s為基準，對比動力分產系統(IGCC)、化工分產流程和多聯產系統，結果如表6所示。由表6可知，聯產系統的凈功輸出和二甲醚的產量明顯多于分產系統的綜合，相對節能率可達17.10％，具有明顯優勢。
表1合成氣狀態參數
表2氣化反應器出口合成氣組分
表3串聯型多聯產系統性能對比分析
表4合成氣狀態參數
表5氣化反應器出口合成氣組分
表6二甲醚合成與動力多聯產性能分析
權利要求
1.一種化工—動力多聯產方法，以富碳原料制得的粗合成氣首先全部進入化工生產流程，經降溫、凈化后直接進行化工合成，合成氣轉化為化工產品，未轉化的合成氣一部分循環重新進行合成，另一部分作為燃料送往燃氣/蒸汽聯合循環發電系統。
2.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述富碳原料為煤、焦或重油。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，富碳原料制得的粗合成氣不調整或小幅調整CO/H2比，保持合成反應新氣CO/H2比高于標準值0.5以上。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，合成反應后未轉化的合成氣中，重新進行合成的合成氣與合成反應新氣摩爾流量之比在3.5到7.5之間。
5.用于實現權利要求1所述方法的化工—動力多聯產能源系統，主要包括合成氣制備單元、顯熱回收單元、合成氣凈化單元、化工合成單元、動力發電系統；其中合成氣制備單元為氣化、拔頭、熱解、煉焦合成氣制備過程；化工合成單元為甲醇、二甲醚液體燃料或化工產品的合成過程；動力發電系統以串聯方式與化工合成單元連接。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，動力發電系統為燃氣/蒸汽聯合循環發電系統；蒸汽透平的工質來源于余熱鍋爐和化工生產流程中余熱回收過程產生的蒸汽，動力發電系統除對外輸出電力產品外，也要為化工生產流程提供工藝過程需要的做功用或加熱用蒸汽。
全文摘要
一種化工一動力多聯產方法，以富碳原料制得的粗合成氣首先全部進入化工生產流程，合成氣不經變換反應降低CO/H
文檔編號C10J3/86GK101024783SQ200610003198
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者金紅光, 高林, 林汝謀 申請人:中國科學院工程熱物理研究所