基于夾點(diǎn)技術(shù)的煤氣化制甲醇節(jié)能潛力分析

基于夾點(diǎn)技術(shù)的煤氣化制甲醇節(jié)能潛力分析

環(huán)冷卻水的能耗及節(jié)能潛力分析煤礦是一個(gè)能有效且高水耗的行業(yè)。以水煤漿氣化制甲醇為例,t甲醇產(chǎn)品能耗為42GJ,而t甲醇產(chǎn)品熱值為22.66GJ,其能量轉(zhuǎn)化效率僅為54%;另一方面,由于換熱網(wǎng)絡(luò)不盡合理,大量采用循環(huán)冷卻水,導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中噸產(chǎn)品耗水量大幅上升,t甲醇耗水高達(dá)10t以上。近年來(lái),人們已經(jīng)深刻地意識(shí)到:煤化工企業(yè)的發(fā)展要走可持續(xù)發(fā)展的道路,必須積極推廣節(jié)能減排技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)煤化工節(jié)能、節(jié)水、減排的目標(biāo),就必須采用可靠的技術(shù)手段,對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行分析、改進(jìn)。夾點(diǎn)技術(shù)由于其方法簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用,概念清晰,易于理解和掌握,并且在設(shè)計(jì)前即可預(yù)測(cè)能耗的目標(biāo)值,因而在全世界的工藝優(yōu)化領(lǐng)域得到迅速推廣。采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化,可以準(zhǔn)確地診斷出能源使用的薄弱環(huán)節(jié),明確地指出能源使用不合理的原因,并且揭示出可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能潛力與改造效果,最終提出可行和有效的優(yōu)化方案。1夾點(diǎn)資金的設(shè)置1978年Linnhoff和Umeda分別提出了換熱器網(wǎng)絡(luò)中的溫度夾點(diǎn)問(wèn)題,指出夾點(diǎn)限制了換熱網(wǎng)絡(luò)可能達(dá)到的最大熱回收。所謂夾點(diǎn)技術(shù),即將整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)分成熱力學(xué)上相互分離的兩個(gè)子系統(tǒng):夾點(diǎn)之上的子系統(tǒng)是熱阱系統(tǒng),加熱公用工程向其輸入熱量,而沒(méi)有任何熱量流出;夾點(diǎn)之下的子系統(tǒng)是熱源系統(tǒng),由冷卻公用工程從系統(tǒng)中帶走熱量,而沒(méi)有任何熱量從外界流入;在夾點(diǎn)處,熱流量為零。換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)示意圖如圖1所示。如果發(fā)生跨越夾點(diǎn)的熱量傳遞Q,即夾點(diǎn)之上熱物流與夾點(diǎn)之下冷物流進(jìn)行換熱匹配,則根據(jù)夾點(diǎn)上下子系統(tǒng)的熱平衡可知,夾點(diǎn)之上的加熱公用工程量和夾點(diǎn)之下的冷卻公用工程量都會(huì)增加Q。因此,為達(dá)到最小公用工程用量,夾點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)原則是:(1)夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器;(2)夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器;(3)不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱。采用夾點(diǎn)技術(shù)分析換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí),應(yīng)該注意的是并非所有的換熱網(wǎng)絡(luò)都存在夾點(diǎn),只有那些既需要加熱公用工程、又需要冷卻公用工程的換熱網(wǎng)絡(luò)才存在夾點(diǎn)。只需要一種公用工程(如蒸汽或者循環(huán)冷卻水)的問(wèn)題,稱為閾值問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。對(duì)于閾值問(wèn)題,雖然公用工程用量不變,但這并不意味著沒(méi)有優(yōu)化的潛力。對(duì)只需要加熱公用工程的閾值問(wèn)題,如果使部分加熱公用工程的需求溫度降低,那么加熱公用工程總量不變,溫度降低,使整個(gè)換熱過(guò)程有效能損失降低,加熱公用工程費(fèi)用降低;對(duì)只需要冷卻公用工程的閾值問(wèn)題,如果使部分冷卻公用工程的需求溫度升高,就可以減少較低溫度冷量的需求,使整個(gè)換熱過(guò)程有效能損失降低,冷卻公用工程費(fèi)用降低。2煤氣化和甲醇加工的胡同分析2.1煤氣化甲醇的合成工藝甲醇不僅是重要的化工原料,也是潔凈燃料。發(fā)展大型煤制甲醇,并加工為烯烴和替代燃料,以煤代替石油,是國(guó)家能源安全的需要,也是化學(xué)工業(yè)高速發(fā)展的需要。典型的煤氣化制甲醇的工藝流程包括:煤氣化、渣水處理、變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合成及精餾等工藝單元。本文以某30萬(wàn)t/a煤氣化制甲醇項(xiàng)目為例,以該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)渣水處理、變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合成及精餾工藝單元進(jìn)行夾點(diǎn)分析,該項(xiàng)目的工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。2.2各工藝單元的點(diǎn)分析2.2.1單位內(nèi)部的物流數(shù)據(jù)分析將氣化單元輸送過(guò)來(lái)的黑水進(jìn)行多級(jí)閃蒸處理,采用真空過(guò)濾機(jī)使渣和水分離,處理后的灰水循環(huán)使用。渣水處理單元的物流數(shù)據(jù)見(jiàn)下頁(yè)表1,取最小傳熱溫差為10℃進(jìn)行分析,可以得到該單元的冷熱物流復(fù)合曲線(見(jiàn)下頁(yè)圖4)。從下頁(yè)圖4中可以看出:冷熱物流復(fù)合曲線沒(méi)有形成夾點(diǎn),是一個(gè)閾值問(wèn)題,即渣水處理單元只需要冷卻公用工程,其目標(biāo)值和設(shè)計(jì)值都是19.9MW。2.2.2粗煤氣回收變換熱回收單元有兩個(gè)主要的工藝目的:(1)將部分水煤氣送入變換爐,使其中的CO與水蒸氣在催化劑的作用下發(fā)生變換反應(yīng),轉(zhuǎn)化成H2和CO2,從而調(diào)節(jié)合成反應(yīng)原料氣中的氫碳比;(2)盡可能地回收水煤氣的熱量,將粗煤氣降溫至40℃送至低溫甲醇洗單元。變換熱回收單元的物流數(shù)據(jù)見(jiàn)下頁(yè)表2,取最小傳熱溫差為10℃,分析可得該單元的冷熱物流復(fù)合曲線(見(jiàn)圖5)。從圖5中可以看出:冷熱物流復(fù)合曲線沒(méi)有形成夾點(diǎn),是一個(gè)閾值問(wèn)題,即變換熱回收單元只需要冷卻公用工程,其目標(biāo)值和設(shè)計(jì)值都是5.5MW,該單元內(nèi)部的冷卻公用工程包括:發(fā)生蒸汽和循環(huán)冷卻水,節(jié)能的途徑是盡量回收廢熱,產(chǎn)生更多的中壓蒸汽和低壓蒸汽,減少循環(huán)水的用量。2.2.3確定組合盤(pán)夾點(diǎn)低溫甲醇洗單元的主要任務(wù)是脫除粗煤氣中的H2S、COS、CO2等有害的氣體,得到合格的凈化氣,滿足甲醇合成反應(yīng)的要求。低溫甲醇洗單元的物流數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,該單元低溫物流較多,冷公用工程采用較為昂貴的丙烯制冷,權(quán)衡設(shè)備費(fèi)用和冷公用工程費(fèi)用,該單元取最小傳熱溫差為5℃,經(jīng)過(guò)夾點(diǎn)分析,可以得到該單元的冷熱物流復(fù)合曲線(見(jiàn)下頁(yè)圖6),從下頁(yè)圖6中可以看出:冷熱物流復(fù)合曲線的夾點(diǎn)溫度為102.5℃。進(jìn)一步分析夾點(diǎn)的結(jié)果表明:原設(shè)計(jì)的換熱網(wǎng)絡(luò)中存在跨越夾點(diǎn)傳熱的情況,即30-H13與30-C10、30-H15與30-C11,按照夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則,跨越夾點(diǎn)的傳熱會(huì)增加加熱公用工程和冷卻公用工程的消耗(見(jiàn)下頁(yè)表4)。所以,有必要對(duì)上述4個(gè)物流的換熱方式進(jìn)行深入分析。雖然遵循夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的三大原則,可以達(dá)到最小公用工程的用量,但是完全禁止能量穿越夾點(diǎn),會(huì)造成流股分割和換熱器增加,使流程復(fù)雜,設(shè)備投資增加。因此,最優(yōu)化的設(shè)計(jì)需要結(jié)合設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用、操作可靠性等因素來(lái)權(quán)衡。例如,甲醇水冷凝液30-C11的溫度比較低,對(duì)于年產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)t的甲醇裝置可以考慮回收其冷量。2.2.4充液系統(tǒng)的缺陷甲醇合成及精餾單元的主要任務(wù)是將凈化合成氣送入合成塔進(jìn)行合成反應(yīng),生成粗甲醇,然后通過(guò)精餾塔除去雜質(zhì),最終得到合格的甲醇產(chǎn)品。甲醇合成及精餾單元的物流數(shù)據(jù)如第5頁(yè)表5所示,取最小傳熱溫差為10℃進(jìn)行分析,可以得到該單元的冷熱物流復(fù)合曲線(見(jiàn)下頁(yè)圖7)。從下頁(yè)圖7中可以看出:冷熱物流復(fù)合曲線的夾點(diǎn)溫度為78.6℃。進(jìn)一步分析可知,甲醇合成及精餾系統(tǒng)中存在用能不合理的地方:(1)存在跨越夾點(diǎn)的傳熱:甲醇合成塔的入塔合成氣80-C7與出塔合成氣80-H10之間的換熱。(2)夾點(diǎn)之上使用了冷卻公用工程:出塔合成氣80-H10在與入塔合成氣換熱后,溫度仍高于夾點(diǎn)溫度,卻用了循環(huán)冷卻水來(lái)冷卻。雖然溫度差不大,但是由于該流股流量很大,而且有甲醇冷凝的大量潛熱,因此,應(yīng)該充分利用這部分熱量;另外,加壓塔的精甲醇產(chǎn)品80-H3、甲醇精餾廢水80-H6和雜醇餾分80-H8均高于夾點(diǎn)溫度,卻直接采用循環(huán)冷卻水冷卻。按照夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則,跨越夾點(diǎn)的傳熱和夾點(diǎn)之上使用冷卻公用工程會(huì)增加冷卻公用工程和加熱公用工程的消耗(見(jiàn)表6)。由表6可知,該單元的加熱公用工程、冷卻公用工程的節(jié)能潛力分別為33%和19%,所以,有必要結(jié)合不同項(xiàng)目的實(shí)際情況,對(duì)80-H3、80-H6、80-H8、80-H10、80-C7等物流的換熱方式進(jìn)行深入分析。2.2.5冷、熱公用工程的用量增煤氣化制甲醇的工藝流程中涉及到多個(gè)工藝單元。目前,每個(gè)工段都只考慮本工段內(nèi)的能量平衡,工段內(nèi)部可以用于熱交換的物流相對(duì)較少,那么對(duì)于一些需要冷卻的物流不得不采用冷卻公用工程來(lái)吸收熱量,同樣對(duì)于一些需要加熱的物流必須采用加熱公用工程來(lái)提供熱量,在這個(gè)過(guò)程中,冷、熱公用工程的用量都增大了,造成了能量的雙重?fù)p失。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)過(guò)程工業(yè)的工廠設(shè)計(jì)能耗最少、水耗最小和環(huán)境污染最低,就必須把整個(gè)系統(tǒng)集成起來(lái)作為一個(gè)有機(jī)結(jié)合的整體來(lái)看待,系統(tǒng)越復(fù)雜,優(yōu)化的潛力就越大,因?yàn)檫@時(shí)優(yōu)化匹配的機(jī)會(huì)大大增加了。如果把渣水處理單元、變換熱回收單元、低溫甲醇洗單元和甲醇合成及精餾等單元作為一個(gè)整體來(lái)分析,取最小傳熱溫差為10℃,則加熱公用工程、冷卻公用工程的節(jié)能潛力分別為208%和47%(見(jiàn)表7)。3單元內(nèi)部的節(jié)能潛力很采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)煤氣化制甲醇工藝進(jìn)行分析,是一種簡(jiǎn)便、有效的技術(shù)手段,不僅可以確定能量使用不合理的原因,還能揭示出可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能潛力,為工藝改進(jìn)提供明確的方向。本文對(duì)某30萬(wàn)t/a煤氣化制甲醇項(xiàng)目的主要操作單元進(jìn)行了夾點(diǎn)分析,得出以下結(jié)論:3.1渣水處理單元的換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題屬于閾值問(wèn)題,即在這個(gè)單元內(nèi)部只需要冷卻公用工程,節(jié)能潛力有限,但是,渣水處理單元的閃蒸氣可以考慮作為其他工藝單元的熱源,以達(dá)到節(jié)能的目的。3.2變換熱回收單元的換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題屬于閾值問(wèn)題,單元內(nèi)部的冷卻公用工程包括:發(fā)生蒸汽和循環(huán)冷卻水,節(jié)能的途徑是盡量回收廢熱,產(chǎn)生更多的中壓蒸汽和低壓蒸汽,減少循環(huán)水的用量。3.3低溫甲醇洗單元的換熱網(wǎng)絡(luò)匹配比較合理,但是還存在一定的優(yōu)化空間,可以對(duì)30-H13、30-C10、30-H15、30-C11這4個(gè)物流的換熱方式進(jìn)行分析并優(yōu)化。例如,甲醇水冷凝液30-C11的溫度比較低,可以考慮將其冷量回收。3.4甲醇合成及精餾單元的加熱公用工程、冷卻公用工程的節(jié)能潛力