煤气化甲醇联产电系统的工业示范研究

【摘要】： 能源是国民经济和社会发展的重要物资基础，我国能源发展面临着资源与环境的双重压力。在一次能源以煤为主而且煤炭消费比例长期不可能大幅下降的国情下，快速研发、示范和应用高效、洁净的煤炭综合利用核心关键技术，构建资源、能源、环境一体化的可持续发展能源系统，对我国具有特别重要的意义。 以煤为原料的电、燃料及其它化学品的联产技术是以煤气化为基础，将合成气净化、液化、燃气轮机发电、化学转化等多种技术优化组合，内部进行热流的梯级利用与集成以及C、H物流的综合经济最大化利用，从而实现煤炭的洁净、高效率、高经济性利用的技术。煤炭联产系统对于煤炭化工及煤炭洁净发电的发展和生态环境的改善都有极其重要的战略意义，世界各国正在大力推进其研究、发展和示范。 本文以新型煤气化技术、煤气化甲醇联产电系统关键技术在在充矿的研发与示范为依托，进行如下几个方面的研究： 1．兖矿高效洁净煤基甲醇联产电系统的创建及工艺技术的选择在公用相同的气化系统及公用工程系统条件下，对不同生产单元组合及技术选择而形成的联产系统进行了热力学第一定律和第二定律计算与对比分析，计算验证了串并联系统是目前商业化示范的优选方案。为使电能、热的生产过程与化工过程有机结合，分析评价了目前已经工业化的化工单元技术在联产系统中的应用适用性，并对各单元技术进行了匹配选择，最后根据技术发展和经济的权衡选择了兖矿联产系统中能量梯级利用的工程化方案。 2．联产系统的模拟与仿真研究采用模块化的建模方式，研究并开发了国内第一个完整的煤气化发电与甲醇联产系统的仿真平台。利用本仿真系统，模拟了煤气化发电与甲醇联产系统部分单元间的关联关系，特别是动力锅炉与空分空气压缩机系统的启动特性，气化与燃气轮机之间的燃气供应关联特性等，为煤气化发电与甲醇联产系统的联合调试与运行提供了理论依据和实践指导。 3．联产核心关键技术的工业化与示范 煤炭气化和燃气轮机是煤气化联产中的两大核心关键技术。在本示范工程中，新型四喷嘴对置式(OMB)煤气化技术和中低热值合成气燃气轮机改造技术都是第一次进行工业化示范。对两大核心关键技术的工业化设计和运行调试，并针对调试过程中的重大工程问题进行了研究与解决，验证了两大关键技术的工业化技术可行性，为联产系统的工业设计和调试积累了经验。 4．兖矿联产系统调试及运行情况分析 对兖矿联产系统调试与运行以来的运行故障、运行数据进行了统计与分析，揭示了联产系统工业化过程的技术问题的分布规律。研究表明，通过联产系统内局部技术问题的解决和系统中可靠性薄弱环节的改造，联产系统的工业化示范装置的运行可用率和可靠性分别达到了90．15%和98．22%，完全达到并超过了一般化工或电力商业化生产系统的运行可用率和可靠性。联产系统不同运行模式下的供电效率和总能利用效率的计算与分析表明，在满负荷串并联条件下的效率最高，验证了与联产系统的优化设计目标的一致性。 5．联产系统的环境影响分析 通过对联产系统中废气、污水、固体废物和噪音等污染物的来源、强度、特性进行了分析，设计了对各污染物的治理措施，对联产系统正常运行状态下的环境污染情况进行了环境监测验证，研究结果表明，联产系统的污染物治理措施与系统的生产系统结合紧密，在系统内部将大部分污染进行了治理，环境治理的额外投资得以降低，实现了联产系统的洁净生产。 【关键词】：煤炭联产 气化炉 燃气轮机 工业示范 模拟与仿真
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM611
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 引言14-23
• 1.1 煤炭联产是中国能源与煤化工发展的必然结果14-17
• 1.1.1 中国能源结构与煤炭使用现状14-15
• 1.1.2 煤化工的现状与发展趋势15-16
• 1.1.3 发展煤炭联产是解决我国煤炭高效洁净利用的最佳途径16-17
• 1.2 煤炭联产系统的发展现状及存在问题17-21
• 1.2.1 国外煤气化发电与甲醇联产的联产系统研发现状17-19
• 1.2.2 国内煤气化发电与甲醇联产的联产系统的研发现状19-20
• 1.2.3 当前煤炭联产面临的主要问题分析20-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-23
• 第二章 兖煤基甲醇联产电系统的创建及工艺技术的选择23-53
• 2.1 概述23
• 2.2 高效洁净煤基甲醇联产电系统的创建23-52
• 2.2.1 甲醇合成技术的选择23-25
• 2.2.2 煤基甲醇联产电系统的创建25-26
• 2.2.3 联产系统各方案能的效率分析26-28
• 2.2.4 联产系统工艺方案的选择及单元技术的选择28-52
• 2.3 本章小结52-53
• 第三章 联产系统的模拟与仿真53-77
• 3.1 背景和意义53
• 3.2 技术研究方案53-56
• 3.2.1 技术路线53-54
• 3.2.2 整体设计方案54-56
• 3.3 项目实施内容及要求56-59
• 3.3.1 界面、建模与误差56-58
• 3.3.2 数据实时分析、优化功能58
• 3.3.3 其他内容和要求58-59
• 3.4 关键子系统的建模59-65
• 3.4.1 气化炉子系统59-65
• 3.5 联产系统模拟与仿真结果65-73
• 3.5.1 气化炉子系统65-67
• 3.5.2 脱硫脱碳子系统67-68
• 3.5.3 甲醇合成子系统68
• 3.5.4 燃气轮机和余热锅炉系统68-69
• 3.5.5 联产系统仿真平台的其它功能69-73
• 3.6 联产系统的动态特性模拟73-76
• 3.6.1 气化炉子系统的开停车动态特性73-74
• 3.6.2 动力锅炉与空分空气压缩机系统的启动特性74-76
• 3.7 本章小结76-77
• 第四章 联产核心关键技术的工业化与示范77-130
• 4.1 煤气化技术77-106
• 4.1.1 水煤浆气化技术的原料煤的评价和选择77-82
• 4.1.2 OMB新型气化技术的流程设计及设备选型82-88
• 4.1.3 OMB新型气化炉集散控制系统与设备88-91
• 4.1.4 OMB新型气化炉系统的调试与运行情况分析91-105
• 4.1.5 小结105-106
• 4.2 燃气轮机技术106-128
• 4.2.1 燃气轮机系统的改造与调试106-115
• 4.2.2 燃气轮机加湿及混烧的试验研究115-118
• 4.2.3 灵活燃料喷嘴的研发与运行验证118-128
• 4.2.4 小结128
• 4.3 本章小结128-130
• 第五章 联产系统调试及运行情况分析130-139
• 5.1 联产系统安装、系统调试及运行时间表130-131
• 5.2 联产系统主要运行故障、原因及其改进措施131-133
• 5.2.1 气化炉故障及解决方法131
• 5.2.2 燃机故障及解决方法131-132
• 5.2.3 空分故障及解决方法132
• 5.2.4 甲醇故障及解决方法132-133
• 5.3 联产系统可用率及可靠性133-135
• 5.3.1 可用率及可靠性的定义133
• 5.3.2 各故障造成系统停车时间及原因分析133-135
• 5.4 不同运行模式下的效率与能耗分析135-138
• 5.4.1 甲醇生产总能耗135-136
• 5.4.2 系统供电效率136
• 5.4.3 系统总能利用率136
• 5.4.4 联产系统在不同运行模式下的效率与能耗分析136-138
• 5.5 本章小结138-139
• 第六章 联产系统的环境影响分析139-151
• 6.1 主要污染源、污染物及治理措施139-142
• 6.1.1 废气及治理措施139-140
• 6.1.2 污水及处理措施140-141
• 6.1.3 固废的产生及处理141-142
• 6.1.4 噪音及处理措施142
• 6.2 联产系统运行期间的污染物监测与分析142-147
• 6.2.1 监测方法设计142-144
• 6.2.2 分析方法144-145
• 6.2.3 监测结果145-146
• 6.2.4 监测结果分析146-147
• 6.3 联产系统污染物近零排放的实现147-150
• 6.3.1 硫的近零排放148-149
• 6.3.2 水的近零排放149
• 6.3.3 其他污染物的近零排放149-150
• 6.4 本章小节150-151
• 第七章 结论与展望151-156
• 7.1 结论151-154
• 7.2 展望154-156
• 附录 1 OMB气化炉工艺流程的设计156-166
• 附录 2 OMB新型气化炉集散控制系统与设备166-178
• 附录 3 联产系统污染物监测结果178-183
• 参考文献183-190
• 攻读博士学位期间发表的论文190-191
• 攻读博士学位期间参加的科研项目191-192
• 攻读博士学位期间获得的奖励192-193
• 致谢193

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