呂劍淮，宿鳳明

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100011)

0 前言

煤氣化系統(tǒng)中，高溫粗合成氣一般直接經(jīng)過水激冷流程降溫除塵后進入高低溫水煤氣變換反應(yīng)器調(diào)節(jié)C/H比例，激冷流程產(chǎn)生的飽和蒸汽可作為變換反應(yīng)的介質(zhì)［1－2］。這個流程的問題是水激冷產(chǎn)生的飽和水蒸氣熱品位不高，只能用作變換反應(yīng)的反應(yīng)氣，而且水蒸氣的產(chǎn)量要遠大于變換反應(yīng)的用氣量，從能量梯級利用的角度看，在一定程度上浪費了高品位的能量。本文提出了采用半顯熱回收系統(tǒng)串聯(lián)變換反應(yīng)來提高系統(tǒng)能效的思路，即從氣化爐出來的粗合成氣首先經(jīng)過廢熱鍋爐吸收高溫顯熱，獲得高品位的蒸汽，然后再送入激冷室進行激冷，產(chǎn)生用于變換反應(yīng)的飽和蒸汽，將飽和蒸汽和合成氣混合后送入變換反應(yīng)器進行變換反應(yīng)，變換反應(yīng)需要的水蒸氣量根據(jù)變換反應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率確定。本文對上述系統(tǒng)進行了優(yōu)化計算研究，分析了半顯熱回收參數(shù)對變換反應(yīng)的影響規(guī)律。

半顯熱回收串聯(lián)變換反應(yīng)流程的思路以及其對能量效率的研究已有報道，米蘭理工大學(xué)的Martelli和普林斯頓大學(xué)的Kreutz提出了顯熱回收設(shè)備加部分激冷流程及后續(xù)變換反應(yīng)的思路［3］。清華大學(xué)的張勇，倪維斗等人建立煤基合成氣液體燃料/電力多聯(lián)產(chǎn)仿真和優(yōu)化模型，研究了水煤氣變換反應(yīng)器對系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率與溫室氣體排放的影響，為多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量優(yōu)化提供依據(jù)［4］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王穎，邱朋華等人對IGCC系統(tǒng)中氣化島中顯熱回收方式進行了研究，分析了不同的顯熱回收方式對能量的利用情況以及對系統(tǒng)的影響［5］;清華大學(xué)張晉，段遠源對以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)做了能量分析，采用分析的方法研究了變換反應(yīng)過程能量對整體多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率的影響［6］;周運逵從能量的品質(zhì)角度用有效能的方法分析水煤氣變換流程中能量損失的原因［7］。

本文利用Aspen Plus軟件建立了半顯熱回收及變換反應(yīng)流程，通過熱力學(xué)及化學(xué)平衡計算，研究了反應(yīng)溫度。

1 流程概述

氣化爐產(chǎn)生的1500℃的高溫粗合成氣經(jīng)過冷合成氣回注后溫度降為900℃左右，首先進入廢熱鍋爐回收高品位顯熱，然后進入激冷流程，產(chǎn)生飽和蒸汽，成為汽－氣混合物，溫度降低為233.9℃，之后進入變換反應(yīng)器發(fā)生變換反應(yīng)。變換反應(yīng)器采用高溫和低溫變換反應(yīng)器串聯(lián)的工藝。233.9℃的合成氣加熱到400℃進入高溫變換器反應(yīng)，在高溫變換反應(yīng)器出口經(jīng)過冷卻降為低溫反應(yīng)器壓力下的飽和溫度233℃，然后進入低溫變換反應(yīng)器進一步反應(yīng)，以提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2 模型建立及計算條件

用Aspen Plus軟件建立了半顯熱回收串聯(lián)變換反應(yīng)流程模型。從氣化爐出來的高溫合成氣作為模型的入口參數(shù)，模型中各裝置的壓力、溫度，以及激冷水量等計算參數(shù)如表1所示。

表1 主要計算參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 半顯熱回收和全激冷程串聯(lián)變換反應(yīng)流程的能效分析

建立了半顯熱回收串聯(lián)變換反應(yīng)系統(tǒng)模型1和激冷串聯(lián)變換反應(yīng)系統(tǒng)模型2，分別從系統(tǒng)能量和轉(zhuǎn)化率角度分析了兩種系統(tǒng)的工藝性能。用于顯熱回收的廢熱鍋爐的出口溫度定為640℃是根據(jù)激冷產(chǎn)汽量和廢熱鍋爐顯熱回收熱量的優(yōu)化計算后確定。模型的計算條件如表2所示。

表2 兩種系統(tǒng)的主要計算參數(shù)

從系統(tǒng)的能量以及變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率看，系統(tǒng)能量有三種形式:(1)廢熱鍋爐顯熱回收熱量a;(2)加熱合成氣至高溫反應(yīng)溫度所需熱量b;(3)變換反應(yīng)熱的回收熱量c。其中能量a品位最高。變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率包括高溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、低溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及總轉(zhuǎn)化率。兩個系統(tǒng)的能量比較如圖2，轉(zhuǎn)化率的比較如圖3所示。

圖2 半顯熱和全激冷系統(tǒng)的能量利用

圖3 半顯熱和全激冷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率

為統(tǒng)一比較的基準(zhǔn)，將兩個系統(tǒng)計算的脫碳率都定義在75%。由圖2中可見，系統(tǒng)2中能量a回收為零，而系統(tǒng)1中能量a回收較多。能量b適應(yīng)高溫變換將合成氣從233.9℃加熱到400℃所需的熱量，在系統(tǒng)2中該部分的熱量增加，主要原因為全激冷過程中產(chǎn)生的水蒸氣量多，在相等合成氣量中攜帶的飽和蒸汽更多，導(dǎo)致該部分所需能量增加。能量c為變換反應(yīng)回收的能量，是低品位能量。對兩個系統(tǒng)能量的比較可見半顯熱回收串聯(lián)變換反應(yīng)的系統(tǒng)能量利用優(yōu)于全激冷串聯(lián)變換反應(yīng)系統(tǒng)的能量利用。

變換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率主要受溫度和水氣比的影響。兩個系統(tǒng)的高低溫變換反應(yīng)溫度是相同的，主要影響因素是反應(yīng)水氣比。從圖3可見，系統(tǒng)2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高于系統(tǒng)1，其中高溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率要高出將近10%。從水氣比的變化上看，系統(tǒng)2的水氣比要比系統(tǒng)1的高出很多，特別是低溫反應(yīng)水氣比高出1倍多。從系統(tǒng)1到系統(tǒng)2，變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的增加，主要因為反應(yīng)水氣比的增加造成的，但是總的轉(zhuǎn)化率增加并不明顯。

3.2 廢熱鍋爐出口溫度對總能量的影響

本節(jié)研究在該流程中，廢熱鍋爐出口溫度對其能量的影響。三種能量形式已在上節(jié)中說明。在廢熱鍋爐入口溫度確定的情況下，改變廢熱鍋爐出口溫度勢必引起顯熱回收的變化。該溫度的變化又相當(dāng)于激冷單元入口溫度變化，在定量的激冷給水，入口溫度的變化又會引起合成氣中飽和蒸汽的含量變化，進而改變變換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，最后對能量a、b造成影響。改變廢熱鍋爐出口溫度，對三種熱量的影響如圖4所示。

圖4 廢熱鍋爐出口溫度對流程能量的影響

在上述計算中，在變換反應(yīng)總轉(zhuǎn)化率為75%基礎(chǔ)上，對廢熱鍋爐出口溫度在540～740℃范圍內(nèi)，考察三種熱量的變化規(guī)律，得到的計算結(jié)果如圖4所示:隨著廢熱鍋爐出口合成氣溫度的升高，能量a逐漸減小，能量b及能量c增加，三者熱量之和減小，其變換趨勢和廢熱鍋爐回收熱量變化相似，廢熱鍋爐顯熱回收熱量為主導(dǎo)部分。從圖4中可見，隨著廢熱鍋爐出口溫度的升高，廢熱鍋爐回收的熱量減少，如果用于加熱合成氣部分，該部分熱量是足夠的?？梢?，半顯熱回收流程，既能回收高品位熱量，來提高系統(tǒng)的效率以及滿足后序變換工藝中所需熱量，又能調(diào)節(jié)變換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，滿足系統(tǒng)不同的脫碳率要求。

3.3 廢熱鍋爐出口溫度對變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

半顯熱回收后序為變換反應(yīng)工藝的流程，顯熱回收和變換反應(yīng)為兩個獨立單元。廢熱鍋爐出口溫度是半顯熱回收流程的關(guān)鍵參數(shù)。該溫度的確定需考慮多方面的因素:顯熱回收熱量;顯熱回收設(shè)備的結(jié)構(gòu);合成氣中堿金屬的結(jié)晶溫度;激冷水量等。本文通過在不同廢熱鍋爐出口溫度情況下，對變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率進行研究。

變換反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，反應(yīng)的溫度越低，越有利于反應(yīng)的正向進行，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率越高;反應(yīng)物的濃度越高，也有利于反應(yīng)的正向進行。但是反應(yīng)溫度低，會降低反應(yīng)速度。本文采用中溫串聯(lián)低溫變換反應(yīng)器，反應(yīng)器模型選用軟件中的Requil平衡反應(yīng)器。其影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 廢熱鍋爐出口溫度對轉(zhuǎn)化率的影響

從圖中可見，隨著廢熱鍋爐出口合成氣溫度的升高，合成氣中水蒸氣的量增加，所以進入高、低溫反應(yīng)器的合成氣的水氣比升高，使得兩個反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率變大，以至總反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增大。高溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不斷升高，CO和H2O以1:1反應(yīng)，隨著反應(yīng)程度的增大，反應(yīng)掉的CO和H2O越來越多，使得進入低溫反應(yīng)器的合成氣水氣比增加幅度大，同時低溫反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率較高溫反應(yīng)器高。兩種反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率的變化幅度非常相似，然而總的轉(zhuǎn)化率變化幅度小。從反應(yīng)轉(zhuǎn)化率角度出發(fā)，在半顯熱回收流程下，變換反應(yīng)更易于調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

(1)與激冷串聯(lián)變換反應(yīng)流程相比，半顯熱流程在滿足不同脫碳率要求的同時，既可回收高品位熱量以提高系統(tǒng)效率，又可以減低變換反應(yīng)水氣比及激冷水量;

(2)半顯熱回收串聯(lián)變換反應(yīng)流程可以回收高品位熱量保持系統(tǒng)效率，又能實現(xiàn)流程能量的優(yōu)化匹配。

(3)從變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率角度看，該流程易于調(diào)節(jié)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。在廢熱鍋爐溫度升高的同時，高溫及低溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨之增大。

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