煤直接化学链气化合成尿素过程建模与性能分析

＊崔富俊 刘旌江 周怀荣

（1.甘肃警察职业学院 甘肃 730046 2.兰州理工大学 石油化工学院 甘肃 730050）

传统煤制尿素过程会产生难以捕集的CO2，这导致了CO2排放高的问题，研究人员发现，低浓度的CO2是分离能耗高的主要原因[1]。另一方面，传统煤制尿素工艺中的煤气化单元的重要辅助设备空气深冷分离（CAS）装置，使用低温空气分离得到工业上广泛的认可，并得到技术和商业的支持，被用于工业中常用的制氧装置。然而，低温意味着空分装置能耗大（体积分数为95%的氧气能耗为200kWh/t）[2-3]。

煤直接化学链气化（CDCLG）是最有吸引力的技术，其具有高效制氢，低NOx排放和单独产生的CO2。我们根据CDCLG的特点，开发了一种基于CDCLG的煤制尿素工艺，纯的CO2、H2及N2恰好可以作为合成氨和尿素的原材料，节省了空气分离系统和传统煤制气的变换工艺，使其拥有良好的前景。

1.CDCLTU过程建模

CDCLTU的过程包括煤直接化学链气化单元（CDC LG）、合成氨单元（APU）、合成尿素单元（UPU）。

(1)煤直接气化制氢单元

煤在Aspen Plus不能被定义为常规固体，无法从Aspen Plus物质库找到，所以使用MIXCINC将煤定义为非常规固体[4]，煤的工业分析和元素分析，如表1所示。各单元关键模型及属性方法，如表2所示。煤直接气化制氢工艺，如图1所示。

图1 CDCLH过程建模图

表1 原煤工业分析和元素分析

表2 各单元关键模型及属性方法

如图1所示在850～1050℃和1～30atm下运行的燃烧反应器（FR）中发生的反应可表示为：

铁氧化物在燃烧反应器中被完全还原成铁，同时煤碳中少量氢元素被完全氧化成H2O，在反应器顶部排除含有少量蒸气和极少量酸性气体的CO2。

在水蒸气反应器（SR）发生水蒸气和被还原的Fe的反应并生成氢气，Fe和水蒸气逆流接触在600～900℃和1～30atm下的水蒸气反应器（SR）中发生的反应可表示为：

在空气反应器（AR）中Fe3O4被完全氧化成Fe2O3，生成的Fe2O3伴随着高温进入燃烧反应器，高温缺氧空气可用于蒸气和发电。反应式可表示为：

(2)合成氨单元

如图2所示，N2通过压缩机升压后，去除其中含有的少量氧气，与H2配比为H2/N2=3后进入干燥器，去除气体中含有的少量H2O换热压缩后进入催化反应器，反应完成后，产物经换热器通过冷凝产生液氨，剩余气体通过循环继续参与反应，少量气体作为吹扫气排出。

图2 合成氨工艺建模图

(3)合成尿素单元

在尿素合成部分，高压NH3气体和来自CO2气体部分的混合气体一起进入高压冷凝反应器，CO2和NH3生成氨基甲酸铵，产物被送入平推流反应器合成尿素，图3显示了合成尿素建模图。

图3 合成尿素工艺建模图

依据以上分析，通过过程模拟得到最终的模拟结果如表3，物流号对应流程图4物流号。

图4 合成尿素工艺流程简单流程图

表3 CDCLTU过程主要物流模拟数据

2.技术分析

(1)碳元素利用率

碳元素利用率可以由式（9）定义[5]。

其中，Cinput和Coutput表示系统输入/出的碳；Curea和Ccoal表示煤和尿素中C元素的量。

通过将CDCLG技术整合进传统煤气化制氢制尿素工艺，碳利用率从23.69%提升到了30.11%，这主要是煤化学链直接气化产生了更多的H2。通过将煤化学链直接气化技术引入传统煤制尿素工艺，大幅提高了碳利用率，减少碳排放成本。

(2)二氧化碳捕集能耗分析

CO2捕集主要考虑气体分离能耗，使用式（10）计算[6]。

其中R为摩尔气体常数为8.314J/(mol·K)；T0为298.15K；xCO2为混合气体CO2的浓度；Fsep为分离气体的摩尔流速，kmol/s；ηsep为分离效率。

传统的CTU工艺CO2捕集能耗为26850.64kW，而使用了化学链燃烧技术的CDCLTU工艺CO2捕集能耗为796.018kW，能耗下降了97.04%，这主要是化学链燃烧技术让CO2和H2在不同时期产生，导致了高浓度的CO2。

3.经济分析

图5显示了尿素生产成本和投资回收期，CTU过程的尿素单位生产成本为671.18元/吨-尿素，而CDCLTU的尿素单位生产成本为590元/吨-尿素，使用CDCLTU过程的单位尿素成本下降了12.18%。

图5 两种工艺的生产成本

4.结论

本文提出了一种将化学链技术整合到传统煤制尿素的新工艺，通过对CTU及CDCLTU工艺进行建模及技术经济性分析，得出以下结论。

（1）CDCLTU工艺可以将煤炭中的C全部转换为CO2，在燃烧反应器中可以完全产出99%的CO2，相较于传统CTU降低97.04%的CO2捕集能耗。

（2）CDCLTU工艺相比传统煤制尿素过程单位尿素成本低12.18%，经济优势明显。