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-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。 【关键词】：焦炉煤气 甲醇 燃气-蒸汽联合循环 多联产 压气机
【学位授予单位】：华北电力大学（河北）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM611
【目录】：

• 中文摘要5-6
• 英文摘要6-8
• 主要符号表8-14
• 第一章 绪论14-32
• 1.1 课题背景14-20
• 1.1.1 我国的能源生产与消费现状14-16
• 1.1.2 我国炼焦业现状16-18
• 1.1.3 焦炉煤气的资源及利用现状18-20
• 1.2 课题的研究意义20-21
• 1.3 国内外研究现状21-28
• 1.3.1 焦炉煤气的可利用方式21-24
• 1.3.2 焦炉煤气合成甲醇和发电关键技术的研究进展24-28
• 1.4 本文的主要研究内容28-32
• 1.4.1 以焦炉煤气为原料甲醇合成系统的模拟及性能分析28-29
• 1.4.2 燃用焦炉煤气的联合循环的性能模拟及分析29-30
• 1.4.3 焦炉煤气合成甲醇和发电的多联产系统性能模拟30-31
• 1.4.4 焦炉煤气利用系统的技术经济性评价31-32
• 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32-48
• 2.1 概述32
• 2.2 焦炉煤气脱硫工艺的设计32-33
• 2.3 空气分离系统建模33-37
• 2.3.1 基于深冷技术的空分系统流程33-34
• 2.3.2 空分系统的敏感性分析34-36
• 2.3.3 空分系统仿真结果36-37
• 2.4 焦炉煤气催化部分氧化制取甲醇合成气37-42
• 2.4.1 催化部分氧化反应机理37-38
• 2.4.2 焦炉煤气催化部分氧化工艺流程及仿真38-39
• 2.4.3 焦炉煤气催化部分氧化反应性能分析39-42
• 2.5 甲醇合成塔性能模拟42-45
• 2.5.1 甲醇合成塔出口物料平衡态组分计算42-43
• 2.5.2 气相法甲醇合成塔出口物料实际组分的计算43
• 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43-45
• 2.6 以焦炉煤气为原料的甲醇合成工艺设计及仿真45-47
• 2.6.1 鲁奇气相法甲醇合成工艺45-46
• 2.6.2 浆态床液相法甲醇合成工艺46-47
• 2.7 本章小结47-48
• 第三章 轴流式压气机的建模方法及性能分析48-65
• 3.1 基于基元叶栅法的轴流式压气机变工况模型48-52
• 3.1.1 静态状态参数与滞止状态参数的换算48-49
• 3.1.2 动叶栅进口参数的计算49-50
• 3.1.3 动叶栅出口参数的计算50-51
• 3.1.4 静叶栅出口参数的计算51
• 3.1.5 算例51-52
• 3.2 压气机的通用特性曲线52-58
• 3.2.1 折合参数和相似原理52-53
• 3.2.2 压气机通用特性曲线的绘制53-54
• 3.2.3 喘振边界线的确定54-55
• 3.2.4 进口可调导叶对压气机通用特性曲线的影响55-56
• 3.2.5 相对湿度对压气机通用特性曲线的影响56-58
• 3.3 基于相似定律外推压气机通用特性曲线方法的探讨58-64
• 3.3.1 概述58
• 3.3.2 相似定律在可压缩流体流动中的应用58-60
• 3.3.3 压气机通用特性曲线的外推方法60-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第四章 燃用焦炉煤气的燃气-蒸汽联合循环性能模拟65-101
• 4.1 简单循环燃气轮机系统建模及其变工况性能分析65-75
• 4.1.1 ISO条件下简单循环燃气轮机系统设计工况建模65-68
• 4.1.2 大气温度对简单循环燃气轮机系统性能的影响68-70
• 4.1.3 简单循环燃气轮机系统变工况建模70-72
• 4.1.4 燃气轮机负荷调节方式72-73
• 4.1.5 简单循环燃气轮机系统变工况计算结果及分析73-74
• 4.1.6 燃烧室内喷水对简单循环燃气轮机性能的影响74-75
• 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75-85
• 4.2.1 燃料热值变化时燃气轮机系统工况点的调整方案75-78
• 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78-80
• 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80-81
• 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81-84
• 4.2.5 最佳调整方案的选择84-85
• 4.3 蒸汽动力系统建模及变工况性能分析85-93
• 4.3.1 蒸汽动力系统的结构和参数85-86
• 4.3.2 设计工况下余热锅炉的性能计算86-87
• 4.3.3 余热锅炉的变工况性能计算87-89
• 4.3.4 蒸汽轮机性能计算89
• 4.3.5 冷端系统性能计算89-93
• 4.4 联合循环性能预测结果及分析93-100
• 4.4.1 燃烧天然气联合循环的性能预测93-96
• 4.4.2 燃烧焦炉煤气联合循环的性能预测96-98
• 4.4.3 凝汽器进出口冷却水温和压力预测98-100
• 4.5 本章小结100-101
• 第五章 焦炉煤气合成甲醇和发电的多联产系统性能模拟101-114
• 5.1 甲醇与发电多联产系统的容量设计和集成方案101-102
• 5.1.1 多联产系统的容量设计101
• 5.1.2 多联产系统的集成方案101-102
• 5.2 甲醇与发电多联产系统设计及仿真102-107
• 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102-103
• 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103-106
• 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106-107
• 5.3 多联产系统的性能评价107-109
• 5.3.1 多联产系统热效率的计算方法107
• 5.3.2 多联产系统性能计算结果及分析107-109
• 5.4 多联产系统变工况性能分析109-113
• 5.4.1 焦炉煤气量对多联产系统变工况性能的影响109-111
• 5.4.2 发电侧电力负荷对多联产系统变工况性能的影响111-113
• 5.5 本章小结113-114
• 第六章 焦炉煤气利用系统的技术经济性评价114-125
• 6.1 焦炉煤气利用系统的技术经济性评价方法114-119
• 6.1.1 技术经济性评价指标114-115
• 6.1.2 基准项目的选择115
• 6.1.3 基准项目参数的假定115-116
• 6.1.4 主要设备购置费估算116
• 6.1.5 项目总投资估算116
• 6.1.6 流动资金估算116
• 6.1.7 总成本费用估算116-119
• 6.1.8 可分配净利润估算119
• 6.1.9 净现金流量计算119
• 6.2 多联产系统甲醇、电成本分摊方法119
• 6.3 基准项目的技术经济性评价结果119-120
• 6.4 基准项目的敏感性分析120-122
• 6.4.1 焦炉煤气价格的敏感性分析120
• 6.4.2 电价或甲醇价格的敏感性分析120-122
• 6.4.3 产品产量的敏感性分析122
• 6.5 盈亏平衡分析122
• 6.6 不同规模投资项目技术经济性评价122-124
• 6.7 本章小结124-125
• 第七章 结论与展望125-128
• 7.1 本文主要结论125-127
• 7.2 后续研究展望127-128
• 参考文献128-137
• 致谢137-138
• 攻读博士学位期间发表的学术论文138-139
• 攻读博士学位期间的科研获奖情况139-140
• 详细摘要140-156

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