煤化學(xué)鏈氣化制甲醇工藝模擬與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

　　摘要：采用AspenplusV8.4軟件對常規(guī)煤氣化制甲醇(1.7Mt/a)和煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇(1.1Mt/a)兩種工藝技術(shù)進(jìn)行了流程模擬，并以裝置的單位甲醇的投資額和生產(chǎn)成本為指標(biāo)，分析比較了其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果顯示：常規(guī)煤氣化制甲醇裝置的單位甲醇總投資為2889.4元/t，甲醇生產(chǎn)成本為1647.4元/t;煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇總投資降低為2756元/t，甲醇生產(chǎn)成本降低為1420元/t。煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇投資低主要是因?yàn)槭∪チ丝辗种蒲鹾退�煤氣變換環(huán)節(jié)，而生產(chǎn)成本低則是由于副產(chǎn)高價(jià)值的氫氣。

　　關(guān)鍵詞：煤氣化;化學(xué)鏈氣化;合成氣;甲醇;流程模擬;技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

　　對于當(dāng)前“煤炭富裕、燃?xì)鈪T乏、油品短缺”的能源現(xiàn)狀，發(fā)展以煤炭為主的能源化工局面必將會(huì)應(yīng)勢而生。因此研究以煤制甲醇的技術(shù)不僅促進(jìn)化工行業(yè)的多元化，而且有效保障了國家能源安全戰(zhàn)略。隨著科技的不斷進(jìn)步，煤制甲醇的研究越來越多，Wang等[1]提出基于流化床煤氣化的煤制甲醇生產(chǎn)系統(tǒng)引起了關(guān)注，在系統(tǒng)中煤被熱解，揮發(fā)分轉(zhuǎn)化為合成氣在燃燒室中燃燒，熱能被用來發(fā)電，其余的殘留物在氣流床氣化爐中氣化生成合成氣，然 后轉(zhuǎn)化成甲醇。

　　化學(xué)論文范例：煤礦生產(chǎn)安全與瓦斯監(jiān)測

　　Gao等[2]對煤基甲醇制烯烴過程進(jìn)行了生命周期分析，研究節(jié)能和排放控制等方面的減排能力。Li等[3]對煤制甲醇系統(tǒng)的環(huán)境評價(jià)進(jìn)行了研究�；�于以上研究，煤制甲醇的生產(chǎn)技術(shù)引入化學(xué)鏈氣化技術(shù)來改善其工藝�；瘜W(xué)鏈氣化(Chemical鄄LoopingGasification，CLG)是在化學(xué)鏈燃燒(Chemical鄄LoopingCombustion，CLC)技術(shù)的理念上所提出的可以有效分離和捕集CO2，降低能量損失并減少NOx等有害氣體排放的新型氣化技術(shù)。

　　Huang等[4]研究了基于赤鐵礦的生物質(zhì)直接化學(xué)鏈氣化制取合成氣的反應(yīng)特性，結(jié)果表明鐵礦石載氧體的存在加速了生物質(zhì)中碳的轉(zhuǎn)化，并提高了合成氣產(chǎn)率。Niu等[5]和Tian等[6]在煤化學(xué)鏈氣化過程中通過載體床料和反應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)了定向調(diào)控煤氣化品質(zhì)。該技術(shù)系統(tǒng)簡單、能效高、運(yùn)行成本低，開發(fā)該技術(shù)對我國能源清潔高效利用有較為深遠(yuǎn)的意義。本文對常規(guī)煤氣化制甲醇和煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇兩種技術(shù)進(jìn)行了模擬和經(jīng)濟(jì)性分析，通過引入化學(xué)鏈氣化技術(shù)和化學(xué)鏈制氫技術(shù)來替代空分和常規(guī)氣化以及水煤氣變換，以經(jīng)濟(jì)性的方法計(jì)算出兩種工藝制甲醇的生產(chǎn)成本。

　　1煤氣化制甲醇工藝原理

　　常規(guī)煤氣化制甲醇的工藝包括空分單元、煤氣化、酸性氣體脫除、水煤氣變換、甲醇合成。煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇的工藝包括了煤化學(xué)鏈氣化、煤化學(xué)鏈制氫、酸性氣體脫除、甲醇合成。

　　2煤氣化制甲醇流程模擬

　　2.1常規(guī)煤氣化制甲醇

　　(1)空分單元(ASU)在模擬過程中，模擬的物性方法選擇PENG鄄ROB，所用到的模塊有分離器Split模塊、壓縮機(jī)Compr模塊、換熱器MHeatX模塊和空分精餾塔RadFrac模塊。

　　(2)煤氣化(CG)該過程的模擬，物性方法選用PENG鄄ROB。首先將煤熱解為C、H2、O2、N2、H2O、S、Cl2、Ash(灰分)等組分，然后將空分單元中制成的純氧氣利用壓縮機(jī)和泵Pump模塊所輸送的H2O混合送入RGibbs反應(yīng)器完成氣化過程。利用RGibbs反應(yīng)器的目的是分相后吉布斯自由能最小化的原則計(jì)算平衡不需要規(guī)定化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)[7]。

　　(3)酸性氣體脫除(AGR)在凈化過程中所用到的酸性氣體脫除劑是甲基二乙醇胺(MEDA)[8]，用MEDA水溶液從氣體中吸收H2S、有機(jī)硫化物和CO2。此過程在用高活性銅基催化劑的低壓法合成甲醇情況下，所用到的模型是Radfrac模型，物性方法是ELECNRTL。

　　(4)水煤氣變換(WGS)在水煤氣變換過程中用REquil模型模擬變換反應(yīng)爐，用HeatX模型模擬換熱器，在進(jìn)行變換反應(yīng)模擬過程時(shí)使用的物性方法是PENG鄄ROB。發(fā)生的反應(yīng)在Co鄄Mo催化劑作用下進(jìn)行[9]。研究中通過此過程調(diào)節(jié)CO和H2的物質(zhì)的量比到2左右來制甲醇，反應(yīng)見式(1)[10]，用到的模塊是HeatX模塊和REquil模塊。CO+H2O→H2+CO2ΔH=鄄41kJ/mol(1)(5)甲醇合成(MS)本研究采用魯奇甲醇合成工藝建立過程模型，PENG鄄ROB是此工藝的物性方法。發(fā)生的主要反應(yīng)見式(2)、式(3)[9]。用到的模塊是REquil模塊。精餾用RadFrac模塊。CO+2H2→CH3OHΔH=鄄90.64kJ/mol(2)CO2+3H2→CH3OH+H2OΔH=鄄49.47kJ/mol(3)

　　2.2煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇化學(xué)鏈氣化(CLG)和化學(xué)鏈氣化制氫(CLGH)中所用的物性方法是PENG鄄ROB，所用到的模塊主要有RGibbs模塊、RStoic模塊、SSplit模塊，然后制得合成氣和氫氣。煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇中酸性氣體脫除和甲醇合成與常規(guī)煤氣化制甲醇流程模擬所用物性方法及單元操作模型相同，不再描述。

　　3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

　　本研究以單位甲醇總投資和生產(chǎn)成本為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。為規(guī)模為1.7×106t/a的常規(guī)煤氣化制甲醇和1.1×106t/a的煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇生產(chǎn)成本估算假設(shè)，為常規(guī)煤氣化制甲醇設(shè)備投資基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[22,23]，為煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇設(shè)備投資基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[24]，為投資中各部分的比例系數(shù)[24]，計(jì)算見式(4)~式(6)[25]。

　　4結(jié)論

　　本文對常規(guī)煤氣化制甲醇和煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇兩種工藝進(jìn)行模擬與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得到如下結(jié)論：

　　(1)常規(guī)煤氣化最優(yōu)操作條件為：水煤質(zhì)量比為0.45、氧煤質(zhì)量比為0.4，氣化溫度為1200℃，氣化壓力為2.5~5.2MPa。煤化學(xué)鏈氣化最優(yōu)條件為：煤載氧體質(zhì)量比為0.18，空氣煤質(zhì)量比為4.3，反應(yīng)器的壓力為3MPa，空氣反應(yīng)器溫度為1250℃。

　　(2)以規(guī)模為1.7Mt/a的常規(guī)煤氣化制甲醇和1.1Mt/a的煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇產(chǎn)品投資量來分析制甲醇的經(jīng)濟(jì)性，常規(guī)煤氣化制甲醇裝置的單位甲醇總投資為2889.4元/t，甲醇生產(chǎn)成本為1647.4元/t;煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇總投資降低為2756元/t、甲醇生產(chǎn)成本降低為1420元/t。煤化學(xué)鏈氣化制氫制甲醇投資低主要是因?yàn)槭∪チ丝辗种蒲鹾退�煤氣變換環(huán)節(jié)，而生產(chǎn)成本低則是由于副產(chǎn)高價(jià)值的氫氣。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：雷昕儒，孫喆

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