[[alternative]]Process optimization on synthetic natural-gas (SNG) production from an IGCC power plant

碩士[[abstract]]近年來由於減核減碳的意識抬頭，未來天然氣勢必會成為主要的發電能源， 由於在可見的未來，來自國外進口的台灣天然氣供應將呈現不穩定；因此，若能將合成天然氣製程融入先進的煤炭氣化複循環發電廠中，既可提供穩定、補充性質的天然氣供需系統，又能降低燃煤電廠的汙染問題。 本論文以此目標研究IGCC發電廠製造合成天然氣之程序設計暨最適化系統整合，研究中主要以合成天然氣每小時產量10,000公斤與複循環動力發電量12 MW為設計目標，整個系統包含六個製程： (1) 煤炭前處理； (2) 煤炭氣化； (3) 酸氣處理； (4) 化學遷移反應； (5) 甲烷化反應； (6) 複循環發電系統。最後再將程序最適化導入系統中，使得系統能源能較充分的被利用。程序最適化分析後吾人可得：(1) 在Bypass比設定為0.35時兩階段化學遷移反應進料溫度分別為290℃與180℃下，可控制生成物H2/CO莫耳比為3； (2) 在進料H2/CO莫耳比為3時，甲烷化反應操作溫度在240℃時，可得最大甲烷莫耳分率0.936，沉積碳質量流量由18,020降為16,220 kg/hr。論文中主要使用化工製程模擬軟體Aspen Plus進行程序合成與設計，最適化的部分則併入Aspen Simulation Workbook軟體以進行程序整合。[[abstract]]Recently, there is no denying the fact that people like to be eco-friendly, which means being kind to the environment. Therefore, people have started to reduce the use of nuclear energy and coal-fired power for these years. Hence, natural gas will certainly be the main power resource in the future. Unfortunately, the supply of natural gas from foreign countries to Taiwan will be difficult in a foreseeable future. As a result, we have set the process of producing natural gas from an integrated gasification combined cycle (IGCC) power plant to solve this problem. Not only would it solve the issue of providing a constant, supplemental source of natural gas but it also would reduce the pollution of coal power. For this reason, the goal in this thesis which is researching IGCC power plant with the process of producing natural gas in optimization. Moreover, producing 10,000 kilogram per hour of natural gas and earning 12 MW power is our base-case design situation. There are six processes involved in the whole system: (1) raw coal pretreatment (2) coal gasification (3) acid gas treatment (4) shift reactions (5) methanation (6) integrated power system. In addition, we have set the process, which is optimum, into the IGCC system; it would use the resource from this system sufficiently. In other words, in this system, the efficiency will be better than before. After process optimization, we found: (1) By setting the bypass ratio as 0.35 and controlling the two-stage shift reaction feeding temperatures at 290oC and 180oC, respectively, we are able to obtain a H2/CO ratio of 3. (2) When controlling the H2/CO ratio of 3 and maintaining the methanation reactor’s temperature at 240oC, we are able to obtain a mole fraction of methane as 0.936 and reduce the deposit carbon from 18,020 to 16,220 kg/hr. In this research, simulation program Aspen Plus is used to carry out the process synthesis and design. Additionally, Aspen Simulation Workbook is utilized to implement the process optimization.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 IV 圖目錄 IX 表目錄 XII 第一章、緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的與方法 2 第二章、煤炭氣化與甲烷化技術 3 2.1 煤炭特性 3 2.1.1 煤炭的分類 3 2.1.2 煤炭的化學結構 4 2.2 IGCC發電系統 5 2.3 煤炭前處理技術 6 2.4 煤炭氣化技術 7 2.4.1 煤炭氣化定義 7 2.4.2 煤炭氣化基本原理 8 2.4.3 煤炭氣化的分類 9 2.4.4 煤炭氣化效果的影響因素 12 2.5 煤氣淨化技術 13 2.5.1 除塵淨化處理 13 2.5.2 脫硫淨化處理 14 2.6 煤氣甲烷化技術 15 第三章、理論基礎 17 3.1 程序合成與設計理論 17 3.1.1 程序合成之經驗法則 17 3.1.2 洋蔥模式 20 3.1.3 程序的核心-反應器 21 3.1.4 分離和回流 21 3.1.5 換熱器網路 23 3.1.6公用設施 23 3.2 Aspen Plus 軟體簡介 24 3.2.1 Aspen Plus 基本架構： 24 3.2.2 Aspen Plus 模擬步驟： 25 3.3 Aspen Plus固體處理 28 3.3.1 成份種類 (Classes of Components) 28 3.3.2 成份屬性 (Components Attributes) 29 3.3.3 固體性質 (Solid Properties) 30 3.3.4 物流種類 (Stream Classes) 31 第四章、煤炭氣化複循環發電廠製造合成天然氣之整合設計 32 4.1 IGCC程序簡介與模擬設計 32 4.1.1 IGCC程序簡介 32 4.1.2 IGCC程序之製程設計與模擬 33 4.2 煤炭前處理之製程單元設計與模擬 36 4.2.1 進料煤炭於製程中之條件 36 4.2.2 煤炭前處理與乾燥處理之製程設計 38 4.2.3 煤炭前處理製程描述 38 4.3 煤炭氣化之製程單元設計與模擬 48 4.3.1 煤炭氣化之製程單元設計 48 4.3.2 煤炭氣化製程描述 50 4.4 Rectisol酸氣處理之製程單元設計與模擬 56 4.4.1 Rectisol酸氣處理之製程單元設計 56 4.4.2 Rectisol酸氣處理製程描述 56 4.5 複循環發電系統之製程單元設計與模擬 72 4.5.1 複循環發電系統之製程單元設計 72 4.5.2 複循環發電系統製程描述 72 4.6 化學遷移反應之製程單元設計與模擬 78 4.6.1 化學遷移反應之製程單元設計 78 4.6.2化學遷移反應之製程描述 78 4.7 甲烷化反應之製程單元設計與模擬 83 4.7.1 甲烷化反應之製程單元設計 83 4.7.2 甲烷化反應之製程描述 83 第五章、煤炭氣化複循環發電廠製造合成天然氣之最適化設計 89 5.1 Aspen Simulation Workbook (ASW) 使用簡介 89 5.2 粉煤系統最適化設計 98 5.2.1 粉煤粒徑分佈 98 5.2.2 粉煤粒徑與生成物、氣化溫度之關係 102 5.2.3 無煙煤及煙煤與生成物、氣化爐溫度之關係 104 5.3 氣化爐反應系統之最適化設計 106 5.4 化學遷移反應之最適化設計 107 5.4.1 Bypass Ratio對化學遷移反應後H2/CO莫耳比的影響 107 5.4.2 化學遷移反應器進料溫度對化學遷移反應後H2/CO的影響 110 5.5 甲烷化反應之最適化設計 114 5.5.1 反應器進料H2 /CO莫耳比對甲烷化反應後沉積碳與CO2的影響 114 5.5.2 反應器操作溫度對甲烷化反應後沉積碳與CO2的影響 116 5.5.3 反應器操作溫度對甲烷化反應後CH4與H2的影響 118 5.5.4 反應器進料H2 /CO莫耳比對甲烷化反應後CH4與H2的影響 120 5.6 SNG程序之最適化設計 122 第六章、結論與建議 130 6.1 結論 130 6.2 建議 132 參考文獻 133 附錄 136 圖目錄 圖2.1、煤炭之化學結構 4 圖2.2、煤炭的氣化過程 8 圖3.1、程序設計之洋蔥模式 20 圖3.2、整體分離系統組合 22 圖3.3、 Aspen Plus中熱力學模式選擇流程 27 圖4.1、煤炭氣化多目標 (含合成天然氣的量產) 最適化設計之系統整合方塊流程 34 圖4.2、Aspen Plus中煤炭氣化 (含合成天然氣的量產) 多目標最適化設計之程序模擬流程 35 圖4.2、煤炭前處理之程序流程 40 圖4.3、煤炭前處理之Aspen Plus程序模擬流程 41 圖4.4、煤炭氣化之程序流程 51 圖4.5、煤炭氣化之Aspen Plus程序模擬流程 52 圖4.6、Rectisol酸氣處理之程序流程 58 圖4.7、Rectisol酸氣處理之Aspen Plus程序模擬流程 59 圖4.8、複循環發電系統之程序流程 73 圖4.9、複循環發電系統之Aspen Plus程序模擬流程 74 圖4.10、化學遷移反應之程序流程 79 圖4.11、化學遷移反應之Aspen Plus程序模擬流程 80 圖4.12、甲烷化反應之程序流程 85 圖4.13、甲烷化反應之Aspen Plus程序模擬流程 86 圖5.1、開啟ASW設定 90 圖5.2、ASW中將模擬檔案加入至ASW設定 91 圖5.3、ASW中模擬檔案資料與Excel連結設定 91 圖5.4、ASW中開啟變數瀏覽器設定 92 圖5.5、ASW中appModel設定 92 圖5.6、ASW中變數瀏覽器input設定 93 圖5.7、ASW中變數瀏覽器output設定 93 圖5.8、ASW中匯出變數設定 94 圖5.9、ASW中模擬次數設定 94 圖5.10、ASW中進出口變數選擇設定 95 圖5.11、ASW中產生表格示意圖 95 圖5.12、ASW中Run Active Scenarios設定 96 圖5.13、ASW中Run Scenarios設定 96 圖5.14、ASW中結果示意圖 97 圖5.15、煤炭前處理壓研機CR-101之設定 98 圖5.16、煤炭前處理壓研機CR-102之設定 98 圖5.17、煤炭前處理壓研機CR-103之設定 98 圖5.18、煤炭前處理篩析機SC-101之設定 99 圖5.19、煤炭前處理篩析機SC-102之設定 99 圖5.20、煤炭前處理篩析機SC-103之設定 99 圖5.21、粒徑分佈範圍設定 99 圖5.22、經前處理後粉煤粒徑分佈結果 100 圖5.23、煤炭未經前處理之累積粒徑質量分率 101 圖5.24、煤炭經前處理後之累積粒徑質量分率 101 圖5.25、Bypass Ratio與H2 /CO之關係 108 圖5.26、化學遷移反應器R-101進料溫度與反應後H2 /CO之關係 111 圖5.27、化學遷移反應器R-102進料溫度與反應後H2 /CO之關係 113 圖5.28、甲烷化反應器進料H2/CO比與反應後沉積碳之關係 115 圖5.29、甲烷化反應器進料H2/CO比與反應後CO2之關係 115 圖5.30、甲烷化反應器操作溫度與反應後沉積碳之關係 117 圖5.31、甲烷化反應器操作溫度與反應後CO2之關係 117 圖5.32、甲烷化反應器操作溫度與生成物CH4之關係 119 圖5.33、甲烷化反應器操作溫度與未甲烷化H2之關係 119 圖5.34、甲烷化反應器進料H2 /CO莫耳比與反應後CH4之關係 121 圖5.35、甲烷化反應器進料H2 /CO莫耳比與未甲烷化H2之關係 121 圖5.36、化學遷移與甲烷化反應之程序流程 124 圖5.37、化學遷移與甲烷化反應之Aspen Plus程序模擬流程 125 圖1、開啟Hierarchy設定 136 圖2、Hierarchy中流程之設計 137 圖3、Hierarchy中各區塊之連接 137 表目錄 表2.1、三種典型氣化法之比較 11 表3.1、Aspen Plus物流型態說明 25 表3.2、成份屬性型態之分析 29 表3.3、煤炭性質定義 30 表3.4、次物流組合之複合物流形式 31 表4.1、煙煤之組成分析 36 表4.2、煙煤之元素分析 36 表4.3、煙煤之硫成份分析 37 表4.4、進料煙煤之粒徑分佈 37 表4.5、煤炭前處理程序之煤炭粒徑分佈 42 表4.5、煤炭前處理程序之煤炭粒徑分佈 (續) 43 表4.6、煤炭前處理程序之物流資料 44 表4.6、煤炭前處理程序之物流資料 (續) 45 表4.6、煤炭前處理程序之物流資料 (續) 46 表4.6、煤炭前處理程序之物流資料 (續) 47 表4.7、熱裂解反應之產物與假設產率 48 表4.8、氣化反應之產物與相態 49 表4.9、煤炭氣化之物流資料 53 表4.9、煤炭氣化之物流資料 (續) 54 表4.9、煤炭氣化之物流資料 (續) 55 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 60 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 61 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 62 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 63 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 64 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 65 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 66 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 67 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 68 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 69 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 70 表4.10、Rectisol酸氣處理之物流資料 (續) 71 表4.11、複循環發電系統之物流資料 75 表4.11、複循環發電系統之物流資料 (續) 76 表4.11、複循環發電系統之物流資料 (續) 77 表4.12、化學遷移反應之物流資料 81 表4.12、化學遷移反應之物流資料 (續) 82 表4.13、甲烷化反應之產物與相態 83 表4.14、甲烷化反應之物流資料 87 表4.14、甲烷化反應之物流資料 (續) 88 表5.1、煤炭不同平均粒徑以及生成物組成、氣化溫度之關係 103 表5.2、無煙煤與煙煤之組成分析 104 表5.3、無煙煤與煙煤之元素分析 104 表5.4、為無煙煤與煙煤硫之成份分析 105 表5.5、無煙煤及煙煤與生成物、氣化爐溫度之關係 105 表5.6、氧氣流量與氣化爐之關係 106 表5.7、Bypass Ratio與H2 /CO之關係 109 表5.8、化學遷移反應器R-101進料溫度與反應後H2 /CO之關係 110 表5.9、化學遷移反應器R-102進料溫度與反應後H2 /CO之關係 112 表5.10、反應器進料H2/CO與反應後沉積碳及CO2之關係 114 表5.11、甲烷化反應器操作溫度與反應後沉積碳及CO2之關係 116 表5.12、甲烷化反應器操作溫度與反應後CH4及H2之關係 118 表5.13、甲烷化反應器進料H2 /CO比與反應後CH4及H2之關係 120 表5.14、原始設計與最適設計之比較 123 表5.15、化學遷移與甲烷化反應之物流資料 126 表5.15、化學遷移與甲烷化反應之物流資料 (續) 127 表5.15、化學遷移與甲烷化反應之物流資料 (續) 128 表5.15、化學遷移與甲烷化反應之物流資料 (續) 129[[note]]學號: 600400682, 學年度: 10