煤基乙炔—电多联产系统的模拟与优化

作     者：赵小楠 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨巨生

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：等离子反应器 燃煤电厂 煤热解 乙炔 多联产系统 Aspen Plus 

摘      要：等离子体热解煤制乙炔工艺为煤的直接转化利用提供了一种有前景的、低碳、清洁、高效的转化途径,可以有效地解决现有电石法制乙炔的“三废污染等问题,对推动煤炭资源的清洁高效利用具有重要意义。然而,随着等离子试验装置容量的不断扩大,其耗电量高、煤转化率低、余热多、煤渣(主要为焦炭半焦)和驰放气难以处理等潜在的问题日益凸显。为解决等离子体热解煤制乙炔工艺的这些不足,本文提出将乙炔生产化工过程与动力系统耦合构建乙炔-电力多联产系统的策略。首先利用Aspen Plus软件建立等离子气化系统和乙炔净化提纯系统的流程模型。然后利用该模型对等离子气化流程和乙炔净化提纯流程进行?平衡分析,并得出两个流程的?流图。根据?平衡计算结果得出:系统总输入?为74368.72MJ·h-1,产品收益?比重为19.03%,内部?总损失比重为9.47%,可回收利用的外部?总损失比重为71.50%。外部?损失中副产蒸汽的?损失仅为3.48%,而煤渣和驰放气的总?损失占输入?的68.02%,是造成系统能量损失的主要原因。?分析为多联产系统的设计优化和节能改造指明了正确方向。根据?损失的特点对三种动力系统进行比较分析,得出燃煤电厂动力系统最适合与乙炔化工生产过程整合构建乙炔-电力多联产系统。本文以某亚临界燃煤机组为蓝本分别建立了锅炉燃烧系统、锅炉换热面系统、汽轮机与回热系统等动力系统的模拟流程。将等离子装置的容量放大至78 MW后,根据“组分对口、分级转化和“品位对口、梯级利用多联产系统集成原则,将子系统耦合建立煤基乙炔-电力多联产系统的模拟流程。实施联产后,电厂发电量可增加112.13 MW,等离子装置煤渣排放减少17.84 t·h-1,驰放气的排放减少8.92 t·h-1,乙炔的当量单位能耗减少22.43 k W·h·kg-1,系统热效率提高9.87%。以乙炔产量为目标函数对系统工艺关键操作参数进行优化并以电能产量为目标函数联产系统的流程进行优化,实现系统能源资源利用率的最大化。优化模拟结果表明:等离子体最佳热解气氛为氢气,煤粉的最佳水分含量应小于5%,等离子体反应器的最佳工作压力为1atm,最佳温度区间为2100500 K,吸收塔的最佳塔板数为24,甲烷作为煤粉载气时对乙炔产率的促进效果不明显。得到最佳工艺操作参数后,对联产系统的流程进行优化,简化联产系统流程,提高能量利用效率。此优化后,等离子反应器的能耗降低约4.62 MW,汽轮机的回热抽汽量减少60.728 t·h-1,发电量增加8.16 MW。利用四种评价准则对联产系统的性能进行分析评价,得出随着等离子反应器功率的增大,联产系统的热效率、?效率、相对节能率及折合发电效率升高,折合比能耗降低,系统的最佳氢气循环比为18。