煤化学链气化制甲醇工艺模拟与技术经济分析

　　摘要：采用AspenplusV8.4软件对常规煤气化制甲醇(1.7Mt/a)和煤化学链气化制氢制甲醇(1.1Mt/a)两种工艺技术进行了流程模拟，并以装置的单位甲醇的投资额和生产成本为指标，分析比较了其技术经济性。结果显示：常规煤气化制甲醇装置的单位甲醇总投资为2889.4元/t，甲醇生产成本为1647.4元/t;煤化学链气化制氢制甲醇装置的单位甲醇总投资降低为2756元/t，甲醇生产成本降低为1420元/t。煤化学链气化制氢制甲醇投资低主要是因为省去了空分制氧和水煤气变换环节，而生产成本低则是由于副产高价值的氢气。

　　关键词：煤气化;化学链气化;合成气;甲醇;流程模拟;技术经济分析

　　对于当前“煤炭富裕、燃气匮乏、油品短缺”的能源现状，发展以煤炭为主的能源化工局面必将会应势而生。因此研究以煤制甲醇的技术不仅促进化工行业的多元化，而且有效保障了国家能源安全战略。随着科技的不断进步，煤制甲醇的研究越来越多，Wang等[1]提出基于流化床煤气化的煤制甲醇生产系统引起了关注，在系统中煤被热解，挥发分转化为合成气在燃烧室中燃烧，热能被用来发电，其余的残留物在气流床气化炉中气化生成合成气，然 后转化成甲醇。

　　化学论文范例：煤矿生产安全与瓦斯监测

　　Gao等[2]对煤基甲醇制烯烃过程进行了生命周期分析，研究节能和排放控制等方面的减排能力。Li等[3]对煤制甲醇系统的环境评价进行了研究。基于以上研究，煤制甲醇的生产技术引入化学链气化技术来改善其工艺。化学链气化(Chemical鄄LoopingGasification，CLG)是在化学链燃烧(Chemical鄄LoopingCombustion，CLC)技术的理念上所提出的可以有效分离和捕集CO2，降低能量损失并减少NOx等有害气体排放的新型气化技术。

　　Huang等[4]研究了基于赤铁矿的生物质直接化学链气化制取合成气的反应特性，结果表明铁矿石载氧体的存在加速了生物质中碳的转化，并提高了合成气产率。Niu等[5]和Tian等[6]在煤化学链气化过程中通过载体床料和反应控制，实现了定向调控煤气化品质。该技术系统简单、能效高、运行成本低，开发该技术对我国能源清洁高效利用有较为深远的意义。本文对常规煤气化制甲醇和煤化学链气化制氢制甲醇两种技术进行了模拟和经济性分析，通过引入化学链气化技术和化学链制氢技术来替代空分和常规气化以及水煤气变换，以经济性的方法计算出两种工艺制甲醇的生产成本。

　　1煤气化制甲醇工艺原理

　　常规煤气化制甲醇的工艺包括空分单元、煤气化、酸性气体脱除、水煤气变换、甲醇合成。煤化学链气化制氢制甲醇的工艺包括了煤化学链气化、煤化学链制氢、酸性气体脱除、甲醇合成。

　　2煤气化制甲醇流程模拟

　　2.1常规煤气化制甲醇

　　(1)空分单元(ASU)在模拟过程中，模拟的物性方法选择PENG鄄ROB，所用到的模块有分离器Split模块、压缩机Compr模块、换热器MHeatX模块和空分精馏塔RadFrac模块。

　　(2)煤气化(CG)该过程的模拟，物性方法选用PENG鄄ROB。首先将煤热解为C、H2、O2、N2、H2O、S、Cl2、Ash(灰分)等组分，然后将空分单元中制成的纯氧气利用压缩机和泵Pump模块所输送的H2O混合送入RGibbs反应器完成气化过程。利用RGibbs反应器的目的是分相后吉布斯自由能最小化的原则计算平衡不需要规定化学反应计量系数[7]。

　　(3)酸性气体脱除(AGR)在净化过程中所用到的酸性气体脱除剂是甲基二乙醇胺(MEDA)[8]，用MEDA水溶液从气体中吸收H2S、有机硫化物和CO2。此过程在用高活性铜基催化剂的低压法合成甲醇情况下，所用到的模型是Radfrac模型，物性方法是ELECNRTL。

　　(4)水煤气变换(WGS)在水煤气变换过程中用REquil模型模拟变换反应炉，用HeatX模型模拟换热器，在进行变换反应模拟过程时使用的物性方法是PENG鄄ROB。发生的反应在Co鄄Mo催化剂作用下进行[9]。研究中通过此过程调节CO和H2的物质的量比到2左右来制甲醇，反应见式(1)[10]，用到的模块是HeatX模块和REquil模块。CO+H2O→H2+CO2ΔH=鄄41kJ/mol(1)(5)甲醇合成(MS)本研究采用鲁奇甲醇合成工艺建立过程模型，PENG鄄ROB是此工艺的物性方法。发生的主要反应见式(2)、式(3)[9]。用到的模块是REquil模块。精馏用RadFrac模块。CO+2H2→CH3OHΔH=鄄90.64kJ/mol(2)CO2+3H2→CH3OH+H2OΔH=鄄49.47kJ/mol(3)

　　2.2煤化学链气化制氢制甲醇化学链气化(CLG)和化学链气化制氢(CLGH)中所用的物性方法是PENG鄄ROB，所用到的模块主要有RGibbs模块、RStoic模块、SSplit模块，然后制得合成气和氢气。煤化学链气化制氢制甲醇中酸性气体脱除和甲醇合成与常规煤气化制甲醇流程模拟所用物性方法及单元操作模型相同，不再描述。

　　3技术经济分析

　　本研究以单位甲醇总投资和生产成本为评价指标，进行技术经济分析。为规模为1.7×106t/a的常规煤气化制甲醇和1.1×106t/a的煤化学链气化制氢制甲醇装置的单位甲醇生产成本估算假设，为常规煤气化制甲醇设备投资基础数据[22,23]，为煤化学链气化制氢制甲醇设备投资基础数据[24]，为投资中各部分的比例系数[24]，计算见式(4)~式(6)[25]。

　　4结论

　　本文对常规煤气化制甲醇和煤化学链气化制氢制甲醇两种工艺进行模拟与技术经济分析，得到如下结论：

　　(1)常规煤气化最优操作条件为：水煤质量比为0.45、氧煤质量比为0.4，气化温度为1200℃，气化压力为2.5~5.2MPa。煤化学链气化最优条件为：煤载氧体质量比为0.18，空气煤质量比为4.3，反应器的压力为3MPa，空气反应器温度为1250℃。

　　(2)以规模为1.7Mt/a的常规煤气化制甲醇和1.1Mt/a的煤化学链气化制氢制甲醇装置的单位甲醇产品投资量来分析制甲醇的经济性，常规煤气化制甲醇装置的单位甲醇总投资为2889.4元/t，甲醇生产成本为1647.4元/t;煤化学链气化制氢制甲醇装置的单位甲醇总投资降低为2756元/t、甲醇生产成本降低为1420元/t。煤化学链气化制氢制甲醇投资低主要是因为省去了空分制氧和水煤气变换环节，而生产成本低则是由于副产高价值的氢气。

　　参考文献

　　[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，孙喆

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