煤直接化學鏈氣化合成尿素過程建模與性能分析

＊崔富俊 劉旌江 周懷榮

（1.甘肅警察職業學院 甘肅 730046 2.蘭州理工大學 石油化工學院 甘肅 730050）

傳統煤制尿素過程會產生難以捕集的CO2，這導致了CO2排放高的問題，研究人員發現，低濃度的CO2是分離能耗高的主要原因[1]。另一方面，傳統煤制尿素工藝中的煤氣化單元的重要輔助設備空氣深冷分離（CAS）裝置，使用低溫空氣分離得到工業上廣泛的認可，并得到技術和商業的支持，被用于工業中常用的制氧裝置。然而，低溫意味著空分裝置能耗大（體積分數為95%的氧氣能耗為200kWh/t）[2-3]。

煤直接化學鏈氣化（CDCLG）是最有吸引力的技術，其具有高效制氫，低NOx排放和單獨產生的CO2。我們根據CDCLG的特點，開發了一種基于CDCLG的煤制尿素工藝，純的CO2、H2及N2恰好可以作為合成氨和尿素的原材料，節省了空氣分離系統和傳統煤制氣的變換工藝，使其擁有良好的前景。

1.CDCLTU過程建模

CDCLTU的過程包括煤直接化學鏈氣化單元（CDC LG）、合成氨單元（APU）、合成尿素單元（UPU）。

(1)煤直接氣化制氫單元

煤在Aspen Plus不能被定義為常規固體，無法從Aspen Plus物質庫找到，所以使用MIXCINC將煤定義為非常規固體[4]，煤的工業分析和元素分析，如表1所示。各單元關鍵模型及屬性方法，如表2所示。煤直接氣化制氫工藝，如圖1所示。

圖1 CDCLH過程建模圖

表1 原煤工業分析和元素分析

表2 各單元關鍵模型及屬性方法

如圖1所示在850～1050℃和1～30atm下運行的燃燒反應器（FR）中發生的反應可表示為：

鐵氧化物在燃燒反應器中被完全還原成鐵，同時煤碳中少量氫元素被完全氧化成H2O，在反應器頂部排除含有少量蒸氣和極少量酸性氣體的CO2。

在水蒸氣反應器（SR）發生水蒸氣和被還原的Fe的反應并生成氫氣，Fe和水蒸氣逆流接觸在600～900℃和1～30atm下的水蒸氣反應器（SR）中發生的反應可表示為：

在空氣反應器（AR）中Fe3O4被完全氧化成Fe2O3，生成的Fe2O3伴隨著高溫進入燃燒反應器，高溫缺氧空氣可用于蒸氣和發電。反應式可表示為：

(2)合成氨單元

如圖2所示，N2通過壓縮機升壓后，去除其中含有的少量氧氣，與H2配比為H2/N2=3后進入干燥器，去除氣體中含有的少量H2O換熱壓縮后進入催化反應器，反應完成后，產物經換熱器通過冷凝產生液氨，剩余氣體通過循環繼續參與反應，少量氣體作為吹掃氣排出。

圖2 合成氨工藝建模圖

(3)合成尿素單元

在尿素合成部分，高壓NH3氣體和來自CO2氣體部分的混合氣體一起進入高壓冷凝反應器，CO2和NH3生成氨基甲酸銨，產物被送入平推流反應器合成尿素，圖3顯示了合成尿素建模圖。

圖3 合成尿素工藝建模圖

依據以上分析，通過過程模擬得到最終的模擬結果如表3，物流號對應流程圖4物流號。

圖4 合成尿素工藝流程簡單流程圖

表3 CDCLTU過程主要物流模擬數據

2.技術分析

(1)碳元素利用率

碳元素利用率可以由式（9）定義[5]。

其中，Cinput和Coutput表示系統輸入/出的碳；Curea和Ccoal表示煤和尿素中C元素的量。

通過將CDCLG技術整合進傳統煤氣化制氫制尿素工藝，碳利用率從23.69%提升到了30.11%，這主要是煤化學鏈直接氣化產生了更多的H2。通過將煤化學鏈直接氣化技術引入傳統煤制尿素工藝，大幅提高了碳利用率，減少碳排放成本。

(2)二氧化碳捕集能耗分析

CO2捕集主要考慮氣體分離能耗，使用式（10）計算[6]。

其中R為摩爾氣體常數為8.314J/(mol·K)；T0為298.15K；xCO2為混合氣體CO2的濃度；Fsep為分離氣體的摩爾流速，kmol/s；ηsep為分離效率。

傳統的CTU工藝CO2捕集能耗為26850.64kW，而使用了化學鏈燃燒技術的CDCLTU工藝CO2捕集能耗為796.018kW，能耗下降了97.04%，這主要是化學鏈燃燒技術讓CO2和H2在不同時期產生，導致了高濃度的CO2。

3.經濟分析

圖5顯示了尿素生產成本和投資回收期，CTU過程的尿素單位生產成本為671.18元/噸-尿素，而CDCLTU的尿素單位生產成本為590元/噸-尿素，使用CDCLTU過程的單位尿素成本下降了12.18%。

圖5 兩種工藝的生產成本

4.結論

本文提出了一種將化學鏈技術整合到傳統煤制尿素的新工藝，通過對CTU及CDCLTU工藝進行建模及技術經濟性分析，得出以下結論。

（1）CDCLTU工藝可以將煤炭中的C全部轉換為CO2，在燃燒反應器中可以完全產出99%的CO2，相較于傳統CTU降低97.04%的CO2捕集能耗。

（2）CDCLTU工藝相比傳統煤制尿素過程單位尿素成本低12.18%，經濟優勢明顯。