煤化學鏈氣化制甲醇工藝模擬與技術經濟分析

　　摘要：采用AspenplusV8.4軟件對常規煤氣化制甲醇(1.7Mt/a)和煤化學鏈氣化制氫制甲醇(1.1Mt/a)兩種工藝技術進行了流程模擬，并以裝置的單位甲醇的投資額和生產成本為指標，分析比較了其技術經濟性。結果顯示：常規煤氣化制甲醇裝置的單位甲醇總投資為2889.4元/t，甲醇生產成本為1647.4元/t;煤化學鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇總投資降低為2756元/t，甲醇生產成本降低為1420元/t。煤化學鏈氣化制氫制甲醇投資低主要是因為省去了空分制氧和水煤氣變換環節，而生產成本低則是由于副產高價值的氫氣。

　　關鍵詞：煤氣化;化學鏈氣化;合成氣;甲醇;流程模擬;技術經濟分析

　　對于當前“煤炭富裕、燃氣匱乏、油品短缺”的能源現狀，發展以煤炭為主的能源化工局面必將會應勢而生。因此研究以煤制甲醇的技術不僅促進化工行業的多元化，而且有效保障了國家能源安全戰略。隨著科技的不斷進步，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系統引起了關注，在系統中煤被熱解，揮發分轉化為合成氣在燃燒室中燃燒，熱能被用來發電，其余的殘留物在氣流床氣化爐中氣化生成合成氣，然 后轉化成甲醇。

　　化學論文范例：煤礦生產安全與瓦斯監測

　　Gao等[2]對煤基甲醇制烯烴過程進行了生命周期分析，研究節能和排放控制等方面的減排能力。Li等[3]對煤制甲醇系統的環境評價進行了研究。基于以上研究，煤制甲醇的生產技術引入化學鏈氣化技術來改善其工藝。化學鏈氣化(Chemical鄄LoopingGasification，CLG)是在化學鏈燃燒(Chemical鄄LoopingCombustion，CLC)技術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。

　　Huang等[4]研究了基于赤鐵礦的生物質直接化學鏈氣化制取合成氣的反應特性，結果表明鐵礦石載氧體的存在加速了生物質中碳的轉化，并提高了合成氣產率。Niu等[5]和Tian等[6]在煤化學鏈氣化過程中通過載體床料和反應控制，實現了定向調控煤氣化品質。該技術系統簡單、能效高、運行成本低，開發該技術對我國能源清潔高效利用有較為深遠的意義。本文對常規煤氣化制甲醇和煤化學鏈氣化制氫制甲醇兩種技術進行了模擬和經濟性分析，通過引入化學鏈氣化技術和化學鏈制氫技術來替代空分和常規氣化以及水煤氣變換，以經濟性的方法計算出兩種工藝制甲醇的生產成本。

　　1煤氣化制甲醇工藝原理

　　常規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。煤化學鏈氣化制氫制甲醇的工藝包括了煤化學鏈氣化、煤化學鏈制氫、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和泵Pump模塊所輸送的H2O混合送入RGibbs反應器完成氣化過程。利用RGibbs反應器的目的是分相后吉布斯自由能最小化的原則計算平衡不需要規定化學反應計量系數[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模型模擬變換反應爐，用HeatX模型模擬換熱器，在進行變換反應模擬過程時使用的物性方法是PENG鄄ROB。發生的反應在Co鄄Mo催化劑作用下進行[9]。研究中通過此過程調節CO和H2的物質的量比到2左右來制甲醇，反應見式(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。發生的主要反應見式(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煤化學鏈氣化制氫制甲醇化學鏈氣化(CLG)和化學鏈氣化制氫(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。煤化學鏈氣化制氫制甲醇中酸性氣體脫除和甲醇合成與常規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技術經濟分析

　　本研究以單位甲醇總投資和生產成本為評價指標，進行技術經濟分析。為規模為1.7×106t/a的常規煤氣化制甲醇和1.1×106t/a的煤化學鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇生產成本估算假設，為常規煤氣化制甲醇設備投資基礎數據[22,23]，為煤化學鏈氣化制氫制甲醇設備投資基礎數據[24]，為投資中各部分的比例系數[24]，計算見式(4)~式(6)[25]。

　　4結論

　　本文對常規煤氣化制甲醇和煤化學鏈氣化制氫制甲醇兩種工藝進行模擬與技術經濟分析，得到如下結論：

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

　　(2)以規模為1.7Mt/a的常規煤氣化制甲醇和1.1Mt/a的煤化學鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇產品投資量來分析制甲醇的經濟性，常規煤氣化制甲醇裝置的單位甲醇總投資為2889.4元/t，甲醇生產成本為1647.4元/t;煤化學鏈氣化制氫制甲醇裝置的單位甲醇總投資降低為2756元/t、甲醇生產成本降低為1420元/t。煤化學鏈氣化制氫制甲醇投資低主要是因為省去了空分制氧和水煤氣變換環節，而生產成本低則是由于副產高價值的氫氣。

　　參考文獻

　　[1]WangXM,YaarD.Feasibilityofpowerandmethanolproductionsbyentrainedflowcoalgasificationsystem[J].EnergyFuels,2018,32:7595鄄7610.

　　[2]GaoD,QiuX,ZhangYN,etal.Lifecycleanalysisofcoalbasedmethanol鄄to鄄olefinsprocessesinChina[J].ComputChemEng,2018,109:112鄄118.

　　[3]LiCC,BaiHT,LuYY,etal.Life鄄cycleassessmentforcoal鄄basedmethanolproductioninChina[J].JCleanerProd,2018,188:1004鄄1017.

　　[4]HuangZ,HeF,FengYP,etal.Synthesisgasproductionthroughbiomassdirectchemicalloopingconversionwithnaturalhematiteasanoxygencarrier[J].BioresourTechnol,2013,140:138鄄145.

　　作者：雷昕儒，孫喆

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