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    • 論文
    主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

    研究構建綠氫重構的粉煤氣化制甲醇近零碳排放新工藝

    2022-01-07

      甲醇是重要的基本化工原料,在中國超過77%的甲醇產品來自于煤制甲醇技術,然而,煤制甲醇過程碳利用率僅為30%左右,系統的能效在45%左右。因此,降低煤化工過程溫室氣體的排放和提高系統能效成為迫切需要。

      

      近日,蘭州理工大學李貴賢教授團隊基于外源性的綠氫,重構了粉煤氣化煤制甲醇工藝,省掉了空分單元、變換單元,開發了短流程低溫甲醇洗單元,提出了粉煤氣化集成綠氫的近零碳排放煤制甲醇新工藝。相關研究成果以《綠氫重構的粉煤氣化煤制甲醇近零碳排放工藝研究》為題于1月6日在《化工進展》進行了網絡首發,孟文亮博士為第一作者。


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    煤制甲醇工藝流程框圖

      

      傳統煤制甲醇過程工藝流程為原煤在研磨機中磨碎,粉煤通過載氣CO2 通入氣化爐中,在氣化爐中生成粗合成氣。粗合成氣的熱量回收來產生高壓蒸汽或采用蒸汽透平發電。為了獲得理想的甲醇合成氫碳比,需要增加水煤氣變換反應將CO 和H2O 轉化成H2 和CO2,得到H2/CO 比為約2的合成氣。出水煤氣變換單元的合成氣進入酸氣脫除單元,該單元采用低溫甲醇洗工藝分離出大量的CO2 和幾乎全部含硫氣體,得到滿足氫碳比的凈合成氣進入甲醇合成單元合成粗甲醇,粗甲醇經過甲醇精餾單元進行提純。

      

      傳統煤制甲醇過程主要包括空分、煤氣化、水煤氣變換、酸氣脫除、甲醇合成以及甲醇精餾等單元。

      

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    近零碳排放煤制甲醇新工藝流程框圖


      近零碳排放煤制甲醇新工藝流程主要包括煤氣化、短流程酸氣脫除、甲醇合成以及甲醇精餾單元。煤氣化所需氧氣由電解水裝置提供,新工藝產生的粗合成氣不經過變換單元直接進入短流程的低溫甲醇洗單元,分離出幾乎全部含硫氣體,并盡可能降低CO2 的脫除率。甲醇合成反應器前需要補充綠氫來調節氫碳比,氫氣和凈合成氣壓縮、預熱后進入甲醇合成單元合成甲醇,最后,產生的粗甲醇經過精餾單元進行提純。傳統工藝和新工藝的煤氣化、甲醇合成以及甲醇精餾單元的建模過程保持一致。

      

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    碳流圖

    CG—煤氣化單元,coal gasification;WGS—水煤氣變換單元,water gas shift;AGR—酸氣脫除單元,acid gas removal;MS—甲醇合成單元,methanol synthesis;MD—甲醇精餾單元,methanol distillation;SAGR—短流程酸氣脫除單元,simplified acid gas removal


      近零碳排放的煤制甲醇新工藝與傳統煤制甲醇工藝的區別在于:

      

      (1)新工藝省略了高能耗的空分設備,煤氣化單元需要的氧氣由電解水裝置提供;


    (2)新工藝省略了水煤氣變換單元;

      

      (3)粗煤氣直接進入酸氣脫除單元,側重于脫硫脫碳的傳統低溫甲醇洗工藝不再適用于該體系,故提出了短流程的酸氣脫除工藝側重于脫硫;

      

      (4)CO 和CO2都作為有效成分進入甲醇合成反應器,通過外源性氫氣調節氫碳比用于合成甲醇。

      

      通過工藝模擬與分析,從碳元素利用率、CO2 排放、成本分析等角度對新工藝進行了評價,得到如下結論:

      

      (1)傳統煤制甲醇和新工藝碳元素利用率分別為41.5%和95.8%,CO2 氣體總排放強度分別為2.498~3.135 和0.064~0.349 t·t-1 MeOH,相比傳統煤制甲醇工藝,新工藝CO2 排放強度下降約88.87%~97.44%,直接CO2 排放量接近零,新工藝具有顯著的環境優勢。

      

      (2)在不考慮碳稅的條件下,以煤價為550 CNY·t-1,可再生能源發電電價為0.455 CNY·kWh-1 基準下,傳統煤制甲醇和新工藝產品成本分別為1897 和3717 CNY·t-1 MeOH。新工藝產品成本上升約1.96 倍,產品成本上升的原因主要在于原料H2 的價格昂貴。

      

      (3)產品成本對氫氣價格和碳稅的敏感性表明,對當氫氣價格為10.36 CNY·kg-1H2,碳稅為223.3 CNY·t-1 CO2 時,兩種工藝的產品成本相當。


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      責任編輯:宮在芹
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