焦炉煤气合成甲醇和发电系统关键技术研究

摘要

焦炉煤气热值较高，是一种优质的气体原料和燃料。我国焦炉煤气资源丰富，但实际利用的数量和水平非常低，造成了严重的资源浪费和环境污染。利用焦炉煤气合成甲醇和燃气一蒸汽联合循环发电具有广泛的应用前景，但由于合成甲醇和发电系统的设计、集成、仿真等问题还没有得到系统的研究，阻碍了对焦炉煤气的利用。基于此，本文研究了焦炉煤气合成甲醇和发电系统关键技术问题，主要内容包括以下几个方面： 研究了以焦炉煤气为原料催化部分氧化生产甲醇合成气系统的性能，分析了氧碳比、水碳比、炉前补碳对催化部分氧化反应性能及产物组成的影响，编写了甲醇合成模块的计算程序，设计了鲁奇气相法和浆态床液相法甲醇合成系统的工艺流程，并基于Aspen Plus软件模拟了甲醇合成系统的性能。 建立了燃气-蒸汽联合循环关键部件的数学模型：基于基元叶栅法建立了轴流式压气机的变工况模型，提出了基于泵与风机相似定律外推压气机通用特性曲线的方法，并将所得结果进行了验证；基于半经验公式对冷却空气的分配和计算方法进行了研究，建立了PG6541B简单循环燃气轮机性能计算模型，并验证了模型的正确性：提出了燃气轮机变负荷路线图的概念，证明了变负荷路线图是最佳的负荷调节方式；定义了余热锅炉各换热面的传热密度，研究了传热密度在设计工况和变工况下的计算方法，建立了具有整体除氧器的单压余热锅炉性能计算模型。基于所建立的各关键部件的数学模型，对燃烧天然气和焦炉煤气的联合循环性能进行了预测。 推导出了燃烧中低热值燃料时燃气轮机系统工况点的调整方案，定量计算了各调整方案对燃气轮机系统热经济性和安全性的影响，并综合热经济性、安全性和可操作性因素，得出增加压气机的压比和关小进口可调导叶的角度分别是燃用焦炉煤气系统和燃用煤基合成气系统的最佳工况点调整方案。 提出了焦炉煤气合成甲醇和发电的多联产系统设计方案，分析了各方案的性能，得出采用炉前补碳的气相法甲醇合成与联合循环发电的并联式多联产系统是最佳多联产集成方案。计算了焦炉煤气量发生变化时多联产系统的最佳化电比和变工况性能。分析了电力负荷变化时多联产系统的变工况策略，评估了电负荷的最大调节范围和多联产系统的性能。 从技术经济角度评价了焦炉煤气合成甲醇、燃气．蒸汽联合循环发电、并联式多联产三种基准项目的经济性，结果表明三种项目均可盈利。研究了多联产系统产品成本的分摊方法，进行了燃料(原料)价格、产品价格和产品产量的敏感性分析。评价了规模扩大对项目经济性的影响，为不同规模的焦化厂选出了最佳投资项目。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1我国的能源生产与消费现状

1.1.2我国炼焦业现状

1.1.3焦炉煤气的资源及利用现状

1.2课题的研究意义

1.3国内外研究现状

1.3.1焦炉煤气的可利用方式

1.3.2焦炉煤气合成甲醇和发电关键技术的研究进展

1.4本文的主要研究内容

1.4.1以焦炉煤气为原料甲醇合成系统的性能模拟及分析

1.4.2燃用焦炉煤气的联合循环的性能模拟及分析

1.4.3焦炉煤气合成甲醇和发电的多联产系统性能模拟

1.4.4焦炉煤气利用系统的技术经济性评价

第二章以焦炉煤气为原料的甲醇合成系统的性能模拟及分析

2.1概述

2.2焦炉煤气脱硫工艺的设计

2.3空气分离系统仿真研究

2.3.1基于深冷技术的空分系统流程

2.3.2空分系统的敏感性分析

2.3.3空分系统仿真结果

2.4焦炉煤气催化部分氧化制取甲醇合成气

2.4.1催化部分氧化反应机理

2.4.2焦炉煤气催化部分氧化工艺流程及仿真

2.4.3焦炉煤气催化部分氧化反应性能分析

2.5甲醇合成塔性能模拟

2.5.1甲醇合成塔出口物料平衡态组分计算

2.5.2气相法甲醇合成塔出口物料实际组分的计算

2.5.3浆态床液相法甲醇合成塔出口物料实际组分的计算

2.6以焦炉煤气为原料的甲醇合成工艺设计及仿真

2.6.1鲁奇气相法甲醇合成工艺

2.6.2浆态床液相法甲醇合成工艺

2.7本章小结

第三章轴流式压气机的建模方法及性能分析

3.1基于基元叶栅法的轴流式压气机变工况模型

3.1.1静态状态参数与滞止状态参数的换算

3.1.2动叶栅进口参数的计算

3.1.3动叶栅出口参数的计算

3.1.4静叶栅出口参数的计算

3.1.5算例

3.2压气机的通用特性曲线

3.2.1折合参数和相似原理

3.2.2压气机通用特性曲线的绘制

3.2.3喘振边界线的确定

3.2.4进口可调导叶对压气机通用特性曲线的影响

3.2.5相对湿度对压气机通用特性曲线的影响

3.3基于相似定律外推压气机通用特性曲线方法的探讨

3.3.1概述

3.3.2相似定律在可压缩流体流动中的应用

3.3.3压气机通用特性曲线的外推方法

3.4本章小结

第四章燃用焦炉煤气的燃气-蒸汽联合循环性能模拟

4.1简单循环燃气轮机系统建模及其变工况性能分析

4.1.1 ISO条件下简单循环燃气轮机系统设计工况建模

4.1.2大气温度对简单循环燃气轮机系统性能的影响

4.1.3简单循环燃气轮机系统变工况建模

4.1.4燃气轮机负荷调节方式

4.1.5简单循环燃气轮机系统变工况计算结果及分析

4.1.6燃烧室内喷水对简单循环燃气轮机性能的影响

4.2燃烧中低热值燃料时燃气轮机系统的应对方案及性能分析

4.2.1燃料热值变化时燃气轮机系统工况点的调整方案

4.2.2燃用中低热值燃料对简单循环燃气轮机热经济性的影响

4.2.3大气温度对燃用焦炉煤气的简单循环燃气轮机性能的影响

4.2.4燃用中低热值燃料对简单循环燃气轮机安全性的影响

4.2.5最佳调整方案的选择

4.3蒸汽动力系统建模及变工况性能分析

4.3.1蒸汽动力系统的结构和参数

4.3.2设计工况下余热锅炉的性能计算

4.3.3余热锅炉的变工况性能计算

4.3.4蒸汽轮机性能计算

4.3.5冷端系统性能计算

4.4联合循环性能预测结果及分析

4.4.1燃烧天然气联合循环的性能预测

4.4.2燃烧焦炉煤气联合循环的性能预测

4.4.3凝汽器进出口冷却水温和压力预测

4.5本章小结

第五章焦炉煤气合成甲醇和发电的多联产系统性能模拟

5.1甲醇与发电多联产系统的容量设计和集成方案

5.1.1多联产系统的容量设计

5.1.2多联产系统的集成方案

5.2甲醇与发电多联产系统设计及仿真

5.2.1气相法甲醇合成与联合循环发电的并联式多联产系统

5.2.2液相法甲醇合成与联合循环发电的并联式多联产系统

5.2.3液相法甲醇合成与联合循环发电的串联式多联产系统

5.3多联产系统的性能评价

5.3.1多联产系统热效率的计算方法

5.3.2多联产系统性能计算结果及分析

5.4多联产系统变工况性能分析

5.4.1焦炉煤气量对多联产系统变工况性能的影响

5.4.2发电侧电力负荷对多联产系统变工况性能的影响

5.5本章小结

第六章焦炉煤气利用系统的技术经济性评价

6.1焦炉煤气利用系统的技术经济性评价方法

6.1.1技术经济性评价指标

6.1.2基准项目的选择

6.1.3基准项目参数的假定

6.1.4主要设备购置费估算

6.1.5项目总投资估算

6.1.6流动资金估算

6.1.7总成本费用估算

6.1.8可分配净利润估算

6.1.9净现金流量计算

6.2多联产系统甲醇、电成本分摊方法

6.3基准项目的技术经济性评价结果

6.4基准项目的敏感性分析

6.4.1焦炉煤气价格的敏感性分析

6.4.2电价或甲醇价格的敏感性分析

6.4.3产品产量的敏感性分析

6.5盈亏平衡分析

6.6不同规模投资项目技术经济性评价

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1本文主要结论

7.2后续研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和科研获奖情况