煤氣化半顯熱回收串聯水煤氣變換反應流程的優化

呂劍淮，宿鳳明

(中國電能成套設備有限公司，北京100011)

0 前言

煤氣化系統中，高溫粗合成氣一般直接經過水激冷流程降溫除塵后進入高低溫水煤氣變換反應器調節C/H比例，激冷流程產生的飽和蒸汽可作為變換反應的介質［1－2］。這個流程的問題是水激冷產生的飽和水蒸氣熱品位不高，只能用作變換反應的反應氣，而且水蒸氣的產量要遠大于變換反應的用氣量，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串聯變換反應來提高系統能效的思路，即從氣化爐出來的粗合成氣首先經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，產生用于變換反應的飽和蒸汽，將飽和蒸汽和合成氣混合后送入變換反應器進行變換反應，變換反應需要的水蒸氣量根據變換反應的碳轉化率確定。本文對上述系統進行了優化計算研究，分析了半顯熱回收參數對變換反應的影響規律。

半顯熱回收串聯變換反應流程的思路以及其對能量效率的研究已有報道，米蘭理工大學的Martelli和普林斯頓大學的Kreutz提出了顯熱回收設備加部分激冷流程及后續變換反應的思路［3］。清華大學的張勇，倪維斗等人建立煤基合成氣液體燃料/電力多聯產仿真和優化模型，研究了水煤氣變換反應器對系統能源轉換效率與溫室氣體排放的影響，為多聯產系統能量優化提供依據［4］;哈爾濱工業大學的王穎，邱朋華等人對IGCC系統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的影響［5］;清華大學張晉，段遠源對以煤氣化為核心的多聯產系統做了能量分析，采用分析的方法研究了變換反應過程能量對整體多聯產系統效率的影響［6］;周運逵從能量的品質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流程，通過熱力學及化學平衡計算，研究了反應溫度。

1 流程概述

氣化爐產生的1500℃的高溫粗合成氣經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℃，之后進入變換反應器發生變換反應。變換反應器采用高溫和低溫變換反應器串聯的工藝。233.9℃的合成氣加熱到400℃進入高溫變換器反應，在高溫變換反應器出口經過冷卻降為低溫反應器壓力下的飽和溫度233℃，然后進入低溫變換反應器進一步反應，以提高反應轉化率。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變換反應流程模型。從氣化爐出來的高溫合成氣作為模型的入口參數，模型中各裝置的壓力、溫度，以及激冷水量等計算參數如表1所示。

表1 主要計算參數

3 計算結果與分析

3.1 半顯熱回收和全激冷程串聯變換反應流程的能效分析

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

表2 兩種系統的主要計算參數

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

圖2 半顯熱和全激冷系統的能量利用

圖3 半顯熱和全激冷系統的轉化率

為統一比較的基準，將兩個系統計算的脫碳率都定義在75%。由圖2中可見，系統2中能量a回收為零，而系統1中能量a回收較多。能量b適應高溫變換將合成氣從233.9℃加熱到400℃所需的熱量，在系統2中該部分的熱量增加，主要原因為全激冷過程中產生的水蒸氣量多，在相等合成氣量中攜帶的飽和蒸汽更多，導致該部分所需能量增加。能量c為變換反應回收的能量，是低品位能量。對兩個系統能量的比較可見半顯熱回收串聯變換反應的系統能量利用優于全激冷串聯變換反應系統的能量利用。

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

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，進而改變變換反應的轉化率，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，在變換反應總轉化率為75%基礎上，對廢熱鍋爐出口溫度在540～740℃范圍內，考察三種熱量的變化規律，得到的計算結果如圖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。可見，半顯熱回收流程，既能回收高品位熱量，來提高系統的效率以及滿足后序變換工藝中所需熱量，又能調節變換反應的轉化率，滿足系統不同的脫碳率要求。

3.3 廢熱鍋爐出口溫度對變換反應轉化率的影響

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

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

圖5 廢熱鍋爐出口溫度對轉化率的影響

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、低溫反應器的合成氣的水氣比升高，使得兩個反應器的轉化率變大，以至總反應轉化率增大。高溫反應轉化率不斷升高，CO和H2O以1:1反應，隨著反應程度的增大，反應掉的CO和H2O越來越多，使得進入低溫反應器的合成氣水氣比增加幅度大，同時低溫反應器的轉化率較高溫反應器高。兩種反應器的轉化率的變化幅度非常相似，然而總的轉化率變化幅度小。從反應轉化率角度出發，在半顯熱回收流程下，變換反應更易于調節。

4 結論

(1)與激冷串聯變換反應流程相比，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效率，又可以減低變換反應水氣比及激冷水量;

(2)半顯熱回收串聯變換反應流程可以回收高品位熱量保持系統效率，又能實現流程能量的優化匹配。

(3)從變換反應轉化率角度看，該流程易于調節反應轉化率。在廢熱鍋爐溫度升高的同時，高溫及低溫反應轉化率隨之增大。

［1］于遵宏，王輔臣，等.煤炭氣化技術［M］.北京:化學工業出版社，2010，7.

［2］閆志者.水碳反應比及其應用探討［J］.大氮肥，2006(2).

［3］Emanuele Martelli.Thomas Kreutz.Shell coal IGCCS with carbon capture:Conventional gas quench vs.innovative configurations.Applied Energy.2011，3978－3989.

［4］張勇，倪維斗，李政.水煤氣變換反應對多聯產系統能源轉換效率與溫室氣體排放的影響［J］.動力工程，2006(6).

［5］張晉.以煤氣化為核心的多聯產系統的能量分析［D］.北京:清華大學.

［6］王穎，邱朋華，吳少華.整體煤氣化聯合循環系統氣化島特性模擬研究［J］.中國電機工程學報，2010，30(2).

［7］周運逵.變換過程的有效能分析［J］.青島化工學院學報.

［8］吳林峰，李懷新.變換反應動力學的研究進展［J］.化工時刊，2009(2).

［9］縱秋云.高濃度CO變換催化劑裝填量的動力學計算及問題探討［J］.化肥設計，2006(10).

［10］王毅.水煤漿加壓氣化合成氨裝置CO變換反應設計［J］.煤化工，2010(12).