合成气净化单元能耗计算方法

㊀ 第23卷第2期

㊀ 2017年

3月

Clean Coal Technology

洁净煤技术

Vol．23㊀ No．2㊀ Mar. ㊀

2017㊀

合成气净化单元能耗计算方法

郜丽娟, 李初福, 姚金松, 张㊀ 峰

(北京低碳清洁能源研究所, 北京㊀ 102211)

摘㊀ 要:为了对某煤制烯烃全厂能量系统进行优化研究, 提出基于单元㊁ 子系统和全局分段递进协同优化的策略, 首先对全厂各个单元进行能耗计算和节能分析㊂ 在对合成气净化单元进行能耗分析和计算时, 发现目前合成气净化单元粗合成气中夹带水蒸气的折标系数没有统一的基准, 因此对合成气净化单元能耗计算方法进行了探索研究, 提出了合成气净化单元能耗计算方法, 规定了粗合成气中夹带水蒸气的折标系数选取方法以及单位能耗计算的基准㊂ 结果表明:提出的方法能较好地反映合成气净化单元的能效水平, 并为合成气净化单元对标分析提供统一计算基准, 为合成气净化单元能耗计算标准制定提供参考㊂

关键词:合成气净化; 能耗计算; 单元能耗; 对标分析

中图分类号:TE665．3㊀ ㊀ ㊀ 文献标志码:A㊀ ㊀ ㊀ 文章编号:1006-6772(2017)02-0082-04

Gao Lijuan,Li Chufu,Yao Jinsong,Zhang Feng

Calculation method of energy consumption in synthesis gas purification unit

Abstract :Inorder to optimize the energy system of a coal to olefin plant,a segmented progressive and collaborative optimization strategy

(National Institute of Clean and -Low -Carbon Energy , Beijing ㊀ 102211, China )

was proposed based on unit,subsystem and globally. It was found that the standard coal coefficient of water vapor in crude synthesis gas of unit energy consumption in synthesis gas purification unit was studied. The calculation method of energy consumption in synthesis gas purification unit was proposed. The method provided how to select the standard coal coefficient of water vapor in the crude synthesis gas and the calculation base of unit energy consumption. It provides a standard calculation for benchmarking analysis of synthesis gas purifica-tion unit and provides reference for the calculation standard draft of energy consumption of synthetic gas purification unit. Key words :synthesisgas purification;energy consumption calculation;unit energy consumption;benchmarking

was no unified benchmark with the synthesis gas purification unit energy consumption analysis and calculation. Thus the calculation method

0㊀ 引㊀ ㊀ 言

泛, 可以煤㊁ 焦炭㊁ 渣油㊁ 生物质㊁ 天然气以及沼气为也可以用来合成氨㊁ 甲醇㊁ 醋酸㊁ 烯烃的氢甲酰化产的化工原料㊂ 近年来开发成功的甲醇制低碳烯烃

合成气主要成分为CO 和H 2, 其来源较为广

中含有硫化物㊁ 羰基金属等杂质, 还可能含有一定量的含氧㊁ 含氯及含砷化合物[4], 为保护下游的合成催化剂, 必须尽可能将其脱除干净㊂ 许多经验已经证明彻底脱除合成气中的有害杂质, 能提高下游催化剂的使用寿命和活性稳定性, 因此合成气净化也是大型煤化工厂必不可少的一个单元㊂

合成气及天然气的脱硫脱碳过程是高能耗的过程, 对合成气及天然气净化单元进行能耗评价, 以降低能源消耗和生产成本, 对相关行业生产系统的高效运行具有重要意义[5-6]㊂ 李庆等[7]对天然气处理

原料生产[1]㊂ 合成气可用于生产合成油和天然气, 品及乙醇㊁ 低碳混合醇等, 用途十分广泛[2], 是重要(DMTO)技术促进C1化工和煤化工的发展, 也在一定程度上提高了合成气的市场需求量[3]㊂ 合成气

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划) 资助项目(2011AA05A202)

收稿日期:2016-08-15; 责任编辑:孙淑君㊀ ㊀ DOI :10.13226/j. issn. 1006-6772. 2017. 02. 016

作者简介:郜丽娟(1985 ), 女, 吉林梅河口人, 工程师, 硕士, 从事煤洁净转化及反应工程方面的科研工作㊂ E -mail :gaolijuan@nicenergy. com 引用格式:郜丽娟, 李初福, 姚金松, 等. 合成气净化单元能耗计算方法[J].洁净煤技术,2017,23(2):82-85.

2017,23(2):82-85.

Gao Lijuan,Li Chufu,Yao Jinsong,et al. Calculation method of energy consumption in synthesis gas purification unit[J].Clean Coal Technology,

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(净化) 厂生产能耗的评价方法进行了研究, 通过对能耗设备㊁ 过程和影响因素的分析, 提出基准能耗的概念和计算方法㊂ 岑兆海[8]对天然气净化厂单元能耗评价指标进行了探讨, 提出脱硫单元用脱除每千摩尔酸气耗能; 脱水单元用脱除每千摩尔水耗能; 硫磺回收单元用酸气中每千摩尔硫化氢发生的蒸汽量, 作为天然气净化厂新的单元能耗评价指标㊂ 刘永健等[9]等对煤制合成天然气装置能耗分析与节能途径探讨, 对净化装置进行了用能分析, 给出其单中夹带水蒸气的折标系数选取没有给出规定, 在使用时其折标系数的选取也不相同, 因此不同的折标方法, 会引起相同工序的能耗差别比较大, 不便于工序的对标分析㊂ 且粗合成气中夹带的水蒸气参与后续的变换反应, 如果用外加水蒸气代替, 则水蒸气的压力必须达到合成气的压力才能进入后续的变换过程㊂ 因此本方法规定粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照粗合成气压力对应的蒸汽折标系数选取, 这样水蒸气的折标系数选取与粗合成气的压力相对元能耗及能量利用效率, 然而其在计算过程中, 粗煤气中夹带的水蒸气如何计算, 并没有给出相关要求㊂ 且目前大多数研究是针对合成气或天然气工艺方面进行节能降耗[10-14]大多针对整个装置或装置中其他单元, 提出的能耗计算和测试方法也, 针对合成气净化单元的能耗计算方法和节能降耗研究不多㊂ 然而由于不同气化工艺粗合成气中水蒸气含量差别大, 目前对粗合成气中夹带水蒸气的折标系数选取并没有给出相关规定, 因此其不同的折标方法, 会引起相同工序的能耗差别比较大, 不便于工序的对标分析和节能潜力分析㊂ 且国内对于合成气净化单元能耗计算方法尚无明确的标准及依据可循, 因此有必要对合成气净化单元能耗计算方法进行研究㊂ 本文以某煤制甲醇净化单元为例, 对净化单元能耗计算方法中水蒸气的折标系数以及单元能耗如何计算进行了研究㊂

1㊀ 合成气净化装置边界

气化产生的粗合成气, 经耐硫变换反应调整H /C 比后, 采用低温甲醇洗技术脱除去变换气中的酸性组分, 因此合成气净化单元主要由变换㊁ 脱硫㊁ 脱碳过程以及公用工程组成㊂ 其单元边界条件如图1所示

㊂

图1㊀ 合成气净化单元边界

Fig．1㊀ Border of synthesis gas purification unit

2㊀ 净化单元能耗计算方法

2．1㊀ 粗合成气中夹带水蒸气的折标系数规定

粗合成气中水蒸气含量大, 但目前对粗合成气

应, 从而在不同生产过程的净化单元进行节能分析时所参考的能耗数据更具有统一性和可比性, 可以用于不同生产过程的净化单元工序的对标分析㊂

因此净化单元综合能耗计算方法如下

E =

为净化单元综合能耗ð n

i =1

E i k i +E s k s -

式中, E ,kgce; ð m

j =1

E j k j (1)

E i 为净化过程中输入的第i 种原料或耗能工质数量, t 或kWh 或m 3或kgce ; k i 为输入的第i 种能源的折标系数,kgce /t /kWh 或kgce /m 3为输入的粗合成气中水蒸气的数量; n 为输入能源种类数量,t; k ; E s s 为输入的粗合成气中水蒸气的折标系数,kgce /t, 水蒸气折标系数按照粗合成气压力对应的蒸汽折标系数选取; E j 为净化过程中输出的第j 种能源实物量或耗能工质数量,t 或kWh 或m 3/t 或kgce ; /kWh k j 为输出的第j 种能源的折标系数,kgce 或kgce /m 3能源种类数量㊂

; m 为输出2．2㊀ 净化单元单位能耗的计算

净化单元的目的主要为除去粗合成气中的硫化

物㊁ 羰基金属等杂质, 得到纯净的CO 和H 单元单位能耗计算时2, 因此净化CO 和H , 规定单位产品以净化合成气中2的量为基准, 计算单位能耗㊂ 这样, 单位能耗可用于同行业单位能耗比较㊂ 其计算方法如下e =E /P (2)式中, e 为净化单元单位能耗,kgce /km 3元综合能耗H ,km ,kgce; P 为净化合成气中有效气; E 为净化单

(CO +2) 含量3㊂

3㊀ 能耗计算实例比较

2589 2008‘ 根据现有综合能耗计算通则国家能耗计算相“㊁GB 关标30180 2013

准如GB /T

‘ 2013煤制烯烃单位产品能源消耗限额合能耗计算方法‘ 石油化工设计能耗计算标准“㊁ GB 30178 , 以某厂净化单元某月生产数据为

“ 等中给出的综83

2017年第2期

洁净煤技术

例对净化单元使用开发的计算方法进行能耗计算, 其净化装置原料公用工程能耗平衡表见表1㊂

表1㊀ 净化单元原料㊁ 公用工程能耗平衡表

Table 1㊀ Raw materials and utilities energy balance sheet of purification unit

名称一㊁ 能量输入粗合成气体积水蒸气质量氮气0．46MPa 氮气0．50MPa 仪表风体积循环水质量除盐水质量3．燃料动力

电量二㊁ 能量输出产出合成气体积酸性气体积除氧水质量透平凝液质量高温冷凝液质量低温冷凝液质量变换不凝气体积低压蒸汽0．46MPa 低压蒸汽1．1MPa 中压蒸汽4．1MPa 三㊁ 能效计算/%四㊁ 能耗计算/tce

五㊁ 单位产品能耗/(kgce㊃km)

(以有效气计, 下同)

-3

数值单位能耗系数/MJ

总热值a /TJ 3956．233639．863639．86

0254．69151．740．120

总热值b /TJ 5181．674865．313639．861225．45254．69151．740．120

总热值c /TJ 4936．454620．093639．86980．23254．69151．740．120

总热值d /TJ 5154．364837．993639．861198．13254．69151．740．120

1．原料

378246．4km 3325224．3t 12943750m 3

1．25m 375568．01m 38989250t 675835．8t 6575853kWh 297436．7km 31273753m 3230081．2t 25615．62t 374453．7t 85589．43t 1898048m 347952．32t 181532t 15661．94t

9623

2．耗能工质

11．7211．721．584．1996．429．3811979．328．47152．81320．29320．[**************]．269．43

37．6765．1661．6761．674514．513563．0812．016．553．91119．9327．41132．49577．6357．7114．11-19049．29-65．3513．77

37．6765．1661．6761．674514．513563．0812．016．553．91119．9327．41132．49577．6357．787．1222764．7978．1013．77

37．6765．1661．6761．674514．513563．0812．016．553．91119．9327．41132．49577．6357．791．4514397．5349．3913．77

37．6765．1661．6761．674514．513563．0812．016．553．91119．9327．41132．49577．6357．787．5921832．6374．913．77

㊀ ㊀ 注:a中未考虑粗合成气中水蒸气的能量, 即水蒸气的折标系数选择为0;b 中粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照粗合成气压力5．8MPa 对应的蒸汽折标系数计算;c 中粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照低压蒸汽0．7MPa 蒸汽折标系数计算;d 中粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照合成气中水蒸气的分压对应的折标系数计算, 经计算水蒸气的分压为3．02MPa㊂

㊀ ㊀ 由表1可知, 在不考虑粗合成气中水蒸气量的为-65．35kgce /km 3, 能效超过100%, 单位能耗为

计算, 其能效为91．45%, 其单位能耗为49．39

情况下, 净化单元能效为114．11%, 其单位能耗负值, 说明不考虑粗合成气中水蒸气的量不合理㊂ 因此, 按照水气比(变换过程中水蒸气与干基粗合成气的体积比) 将粗合成气的量与水蒸气量计算出来, 且粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照粗合成87．12%, 单位能耗为78．10kgce /km 3; 若粗合成气中水蒸气的折标系数不同, 其能耗和能效结果相差很大, 如计算结果c 和d 所示, 计算结果c 中粗合成气中水蒸气压力按照低压蒸汽0．7MPa 折标系数84

气压力对应的蒸汽折标系数计算, 其能效为

kgce /km 3, 计算结果d 中粗合成气中水蒸气折标系数按照合成气中水蒸气的分压对应的折标系数计

由表1可看出, 计算结果b 和计算结果d 能效算, 其能效为87．59%, 单位能耗为74．90kgce /km 3㊂ 接近, 是由于计算结果b 对应的蒸汽折标为粗合成气的压力5．8MPa, 其能量折算值为3768MJ, 计算结果d 中粗合成气中夹带水蒸气折标系数按照合成气中水蒸气的分压对应的折标系数计算, 经计算水蒸气的分压为3．02MPa, 其对应的蒸汽能量折算值为3684MJ, 两者的能量折算值相差不大, 因此计算出能耗结果比较接近, 而单位产品能耗相差近4%㊂

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由以上结果可以看出, 粗合成气中水蒸气如果不计入能耗, 是不合理的, 且粗合成气中水蒸气的折标系数选取的不同, 其单位产品能耗也会相差很大, 粗合成气中水蒸气的折标系数按照粗合成气压力对于的蒸汽折标系数进行计算和按照低压蒸汽对应的折标系数进行计算其能效相差4%左右, 单位能耗相差近29kgce /km 3, 说明粗合成气中夹带水蒸气的此对水蒸气的折标系数进行规定, 以便工序对比时量及折标系数的选择显著影响能耗和能效计算㊂ 因

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具有统一性, 也更便于工序的能耗对比㊂

4㊀ 建立统一的能量折算指标

合成气净化单元能量折算指标主要依据3个标准GB , 包括额“㊁GB 30180 2013 GB /T 2589 2008 30178 2013 ‘ 煤制烯烃单位产品能源消耗限‘ 综合能耗计算通则“㊁ ‘ 石油化工设计能耗计算标准“, 由于不同标准中相同物质的折标系数不同, 造成能2589 2008‘ 耗计算综合能耗计算通则结果有差别, 因此“, 建建立统一的能量

议按照GB /T 折算指标㊂

5㊀ 结㊀ ㊀ 语

本文对合成气净化单元能耗计算方法进行了研究, 确定粗合成气中夹带水蒸气的折标系数选取原则, 规定粗合成气中夹带水蒸气折标系数的选取按照粗合成气压力对应的蒸汽折标系数计算, 并规定单位能耗以净化气中有效气的量为基准进行计算㊂ 由此, 在相同工序进行对标分析和节能潜力分析时, 可以具有统一性, 为净化单元能耗计算提供了有益借鉴㊂

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