[发明专利]以甲烷重整方式利用煤气化显热的多联产能源方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种以煤为主的、以煤和天然气、煤和焦炉煤气两种原料生产电力和化工产品的多联产能源系统，属于电力和化工生产技术领域。

背景技术

高压力、大容量的气流床煤炭气化技术不仅能够清洁、高效地将煤炭转化为电力(整体煤气化联合循环，IGCC)，也使得煤炭作为化工产品的生产原料成为现实。由于我国富煤少气的资源现状，从上世纪八十年代起，我国就注意引进煤炭气化技术生产化工产品，合成氨是最为典型的一种。近年来更是注重煤炭气化技术在化工行业的应用，除原先引进的Texaco(现为GE技术)气化技术以外，又先后引入近二十台Shell气化炉以及GSP气化技术，用于生产以甲醇为终端产品、或是中间产物的化工产品(如二甲醚、各种烯烃等碳一化学工业)。此外，我国也开始在煤炭气化清洁发电技术方面投入巨大的资源以加速其发展，2006年在《中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的“优化发展能源工业”一章中明确提出，“推进清洁煤发电，启动整体煤气化燃气一蒸汽联合循环电站工程”。这些先期投入的努力都为煤基或者以煤为主的多联产系统的发展奠定了良好的基础。

气化炉生产出的合成气温度很高，带有大量高品位的热能，对于这部分热能的利用，在目前不同生产目的的单产系统中，人们处理方法不同。对于以生产电力为目的的能源系统(IGCC)，对从气化炉出来的合成气所带显热利用与否，会影响整个IGCC系统的效率，一般来说，可使整个IGCC系统效率最大相差约3至4个百分点。人们针对这个问题做了大量工作，例如单纯以物理方式利用的有Texaco和Shell，Texaco气化炉有一种采用了辐射换热器和对流换热器设计的流程，用合成气的显热产生蒸汽送往余热锅炉以增加蒸汽循环的出力。由于蒸汽循环初温的限制，所产生水蒸气的温度通常在600℃以下，而由于灰熔点的原因，气化炉出口的合成气温度通常在1300℃以上，换热过程中间存在巨大的传热温差，这部分显热未能得到良好的利用。Shell炉采用高温合成气与低温净化后合成气掺混冷却的方法，使高温合成气冷却到900℃左右(这实际上导致很大的有效能损失)，再与余热锅炉中的水/水蒸气换热，由于产生的蒸汽送往蒸汽轮机发电，因此蒸汽温度通常也在600℃以下，换热温差也很大。而两段式气化炉(如三菱的空气气化炉和西安热工院的纯氧气化炉)，部分地采用了显热化学利用的方法，即第一段出口的高温合成气用来向第二段提供部分或全部气化热量，但气化炉合成气出口温度仍在1100℃左右，仍需设置换热器加热水/水蒸气。这些方法都没有很好地利用高品位的能量。而对于以生产化工产品为目的的单产系统而言，由于长期以来化工生产更注重原料成分及其高转化率(即化学能的利用)，对化工系统中物理能的利用不够重视，化工工艺流程所需热量和蒸汽都来自效率较低的公用工程，因此在单产化工产品的系统中，从节省系统投资的角度，气化炉后不设换热器，气化炉高温合成气所带的大量余热都被白白地抛弃掉。

甲醇是重要的化工原料，可生产众多的下游化工产品，如醋酸、二甲醚和MTBE等。除此之外，甲醇还有可能成为占最大份额的车用燃料和分布式供电的燃料。用于生产甲醇的主要原料为天然气、煤(含焦炉气)和油，目前在世界范围内，以天然气为原料生产的甲醇占绝对优势，在2002年生产的31Mt甲醇中，91％是以天然气为原料的。尽管我国是富煤的国家，2003年甲醇生产能力达5Mt，但以天然气为原料的占41％，这使我国甲醇产业在目前天然气价格一路彪升情形下面临严峻的考验。因此发展甲醇产业必须考虑我国富煤少气的国情，应该大力发展以煤为原料的甲醇生产系统，原来以天然气为原料的生产系统也应逐步向煤基系统靠拢。另外甲醇-电多联产系统能改善化工生产中传统的追求尽可能高的转化率的生产模式，并且能以参数更高的热力系统取代化工厂中参数低，效率低的自备电厂，改善化工系统能耗大的现状。

天然气基甲醇生产现状：在以天然气为原料制取甲醇的过程中，首先需要把天然气(主要成分为甲烷)转化成合成气(CO+H₂)，转化方法主要分为三类：①一段蒸汽转化，是传统的方法，但是由于转化后的合成气氢碳比较高，因此有些工厂会再补二氧化碳；②加热型两段转化(可实现国产化的方法)，即在一段炉中进行蒸汽转化反应，在自热式二段炉中加入纯氧进行部分催化氧化反应，以达到合适的氢碳比；③换热型两段转化(需进一步开发或引进的先进方法)，即由二段转化炉出口的高温气体直接提供一段蒸汽转化所需的热量，一段炉基本上不需外界加热。上述这三类工艺都需要消耗一部分作为燃料的天然气，为天然气转化过程提供热量和各种原料气、循环气压缩机提供压缩功。