劉永健，何 暢，馮 霄，王季秋，李安學

（1中國石油大學化學工程學院，北京 102249；2遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧 阜新 123000）

能源是促進社會發(fā)展的重要因素，事關經濟安全和國家安全[1]。我國的石油、天然氣等資源賦存有限，豐富的煤炭資源為我國的能源化工發(fā)展提供了充足的原料。國內經濟快速發(fā)展、能源產品供需矛盾日益突出、能源利用效率低下以及過程污染嚴重，使得作為高效清潔能源的天然氣市場消費需求旺盛[2]。我國天然氣表觀消費量由2000年的245億立方米增加到2010年的1071億立方米，年均增長率達到 15.9%；未來二十年，中國天然氣年消費將達到 2275.4億～2965.4億立方米，年缺口 1075.4億 ～1765.4 億立方米[3]。立足國情，在加大開發(fā)常規(guī)天然氣資源及進口液化天然氣的同時，積極鼓勵企業(yè)發(fā)展以煤為原料制取合成天然氣的大型能源化工項目，對于緩解國內石油、天然氣短缺造成的壓力，保障國家能源結構安全具有重要意義。

人工合成天然氣工藝的能源轉換效率較高，國外有報道以煤和固體生物質通過氣化和甲烷化制取合成天然氣，總化學能轉化效率可達到 60%以上[4-5]。目前，國內已建/在建的煤制天然氣項目的總能量轉換效率維持在55%左右，普遍低于國外水平。在積極開發(fā)潔凈煤技術的同時，輔助以高效、系統(tǒng)的節(jié)能技術，能夠有效地提高煤制天然氣項目的能量利用效率和經濟性。本文通過對煤制天然氣工藝整體用能狀況進行分析，確定各單元的物料和能耗水平；比較了若干關鍵單元過程的多種工藝技術的特點和能耗水平，指出首先需要通過技術創(chuàng)新推動煤制天然氣項目節(jié)能減排工作；最后評估煤制天然氣系統(tǒng)用能特點，提出需要考慮系統(tǒng)能量梯級利用和進行全工藝換熱網絡的集成以深化節(jié)能挖潛，以及建立高效的能源管理體系來保障節(jié)能成果。本文旨在尋求煤制天然氣裝置中提高用能效率、降低能耗的方法和途徑，為煤制天然氣行業(yè)的節(jié)能減排方案的制定提供科學依據。

1 典型煤制天然氣工藝流程描述

某企業(yè)以勝利煤田的劣質褐煤為原料，項目一期設計規(guī)模為年產公稱13.4億立方米天然氣。全廠生產流程見圖1，采用Lurgi碎煤加壓氣化技術，生產的粗煤氣通過耐硫變換反應調整H/C比，并用低溫甲醇洗脫除去變換氣中的酸性組分。所得到的潔凈合成氣通過甲烷化、壓縮脫水來生產成品天然氣，同時副產焦油、石腦油、粗酚、硫磺等副產品。主要工藝裝置包括：空分、煤氣化、凈化、甲烷化和硫回收裝置。

圖1 煤制合成天然氣生產流程示意圖

表1 煤制天然氣項目能量平衡表

煤制天然氣項目主產品為合成天然氣，副產品有石腦油、中油、焦油和粗酚等，為方便能耗計算，主副產品產能均折合主產品1000 m3SNG產品為計算基準，天然氣產量為166.7×103m3/h。經計算，輸入的總能量為2.59 kg標煤/m3，轉移到副產品的能量為0.423 kg標煤/m3。工藝裝置綜合能耗為2.17 kg標煤/m3，總體能源轉化效率為 54.51%，低于《煤炭深加工示范項目規(guī)劃》要求的準入值為2.3 kg標煤/m3。項目能量平衡表見表1。

2 煤制天然氣主要用能裝置分析

2.1 煤氣化裝置用能分析

表2為煤氣化裝置原料、公用工程能耗平衡表。煤氣化單元是煤制天然氣過程中能耗最大的單元，能耗為18.242 MJ/m3，能量利用效率為74.32 %。固定床氣化過程中，上升的氣化劑與下降的碎煤逆流反應并換熱，導致出口粗煤氣的溫度只有 300℃左右，遠低于其它氣流床和流化床反應器，所以只能通過廢熱鍋爐回收其低壓蒸汽，而夾套產出的次中壓過熱蒸汽完全作為氣化蒸汽使用。

2.2 凈化裝置用能分析

表3是凈化裝置原料公用工程能耗平衡表。碎煤加壓氣化出爐溫度較低，粗煤氣成分復雜，其組分包括 CO、 H2、CO2、CH4、CnHm、Ar、硫化物和石腦油等，其中硫化物和CO2等酸性組分都是需要脫除的有害雜質。該廠的天然氣凈化裝置采用低溫甲醇洗技術，單元能耗為2.529 MJ/m3，能量利用效率為94.11%。

表2 煤氣化裝置原料、公用工程能耗平衡表

表3 凈化裝置原料、公用工程能耗平衡表

2.3 甲烷化裝置用能分析

該企業(yè)選用的是英國 Davy甲烷化工藝，主要通過兩段主反應器，兩段補充甲烷化反應器使反應生產符合國家天然氣產品標準的合成天然氣。裝置中甲烷化反應器與廢熱鍋爐直接相連，采用廢熱鍋爐和蒸汽過熱器將反應熱進行有效回收，副產中壓過熱蒸汽。

Davy甲烷化催化劑具有良好的變換功能，對合成氣中的CO2無嚴格要求，氣化能耗也明顯降低，同時產出的高壓蒸汽可循環(huán)使用，實現(xiàn)了能源的高效利用。甲烷化裝置產出和消耗見表4，能耗為1.665 MJ/m3，能量利用效率為96.00%。

2.4 其它裝置用能分析

煤制天然氣的其它單元用能分析見表 5，可以看出這些部分能耗也是比較明顯。該能耗主要來自兩個方面：一是各單元裝置的能耗，其中煤氣化和自備電廠能耗較為突出；二是能量利用過程中的熱損失和無效能量排出（例如不可利用的低壓熱源和低溫廢水等），達到了0.432 kg標煤/m3。因此，進行一方面創(chuàng)新煤基能源化工的工藝技術、探尋更合理高效的能源利用方式，另外提高全系統(tǒng)的能量回收效率和改變不合理能量利用方式，這對于降低煤制天然氣能耗，提高整個裝置用能效率，具有重要的意義。本文將通過比較目前工業(yè)可行的煤制天然氣工藝技術的優(yōu)劣，以運用系統(tǒng)集成理論，探討如何改善煤制天然氣裝置用能效率。

表4 甲烷化裝置原料、公用工程能耗平衡表

表5 其它裝置能量輸入、輸出平衡表

3 煤制天然氣系統(tǒng)節(jié)能途徑探討

煤基能源化工產品的加工生產過程中，一般會涉及熱效應強烈的物理化學反應，各環(huán)節(jié)都伴隨著能量/物質的轉移和損失。特別是在以煤制合成天然氣的過程中，全系統(tǒng)流程較長，物流溫度升降幅度大，單元反應過程復雜以及供選工藝方案較多等，造成系統(tǒng)各單元的用能辨識和集成困難等問題。因此，可以主要從以下幾個方面考慮系統(tǒng)能量效率提高的途徑：①關鍵單元過程技術的合理選擇；②工藝裝置用能效率提高；③全系統(tǒng)的能量梯級利用與熱網絡集成；④建立高效的能源管理體系。

3.1 關鍵單元過程技術選擇

能源化工過程中各單元過程以串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式在系統(tǒng)中排列組合。某單元過程工藝技術的選擇不僅決定其自身的物料和能量轉化效率，同時也對上、下游的單元過程產生一定影響。特別是對系統(tǒng)的主要反應單元的影響，全流程越長，其正/負放大效應越明顯。所以，要改善系統(tǒng)能量的損耗和轉化狀況，必須首先評估關鍵單元工藝的先進性和合理性。

3.1.1 煤氣化技術選擇分析

煤氣化技術是煤制天然氣系統(tǒng)的龍頭和基礎。目前，商業(yè)上可行的氣化爐型主要有GSP、Shell、Texaco、Lurgi和 BGL爐[6]，它們針對煤種、產品和廠址等不同的條件，各有長短。對于以劣質煤（褐煤或長焰煤）為原料制取合成天然氣的過程，與能量轉化效率有關的因素不僅是氣化爐自身的能量效率，其輸入的原料（氧耗）和輸出的產品組成（H/C、CH4、CO2以及廢水）也對全系統(tǒng)能量利用有多方面影響，所以需要利用層次分析法來進行綜合評價。表6可以看出相比氣流床，固定床Lurgi和BGL氣化爐表現(xiàn)出更高的綜合指標水平。其中Lurgi爐氣化后產生的粗煤氣中H/C和CH4組分含量較高，可明顯降低后續(xù)的變換和甲烷化裝置的負荷和能耗，同時該氣化工藝氧耗較低，配備的空分裝置的容量也相對較小。但Lurgi氣化工藝的弊端是產生高濃度CO2和大量廢水，使低溫甲醇洗和廢水處理工作量增大。在Lurgi固定床加壓氣化技術的基礎上開發(fā)而來的BGL （British Gas-Lurgi）塊/碎煤熔渣氣化技術，兼具高溫熔渣氣化與加壓固定床氣化技術的優(yōu)勢，煤耗更低，也克服了魯奇工藝氣化廢水成

表6 考慮用能影響的不同氣化爐型層次分析評價①

②粗合成氣出口的CH4和CO2都以干基為基準。

③氣化過程氧耗的單位是103m3(CO+H2+CH4)；廢水僅考慮污水中酚含量，單位是kg/m3SNG。分復雜、處理工藝投資大、氣化渣中含碳量較高的缺點，相比于魯奇氣化工藝能耗大大降低，是一種高效經濟的氣化技術。目前該技術已經完成大規(guī)模中試和工業(yè)化示范，技術成功應用于工業(yè)生產裝置之后可以考慮采用此工藝。

3.1.2 甲烷化技術選擇分析

甲烷化反應是在催化劑作用下的強放熱反應，對于催化劑要求較高。開發(fā)甲烷化催化反應器的最重要環(huán)節(jié)是有效地移出和控制反應熱，從而保證催化劑失活率降到最低。目前工業(yè)化運行裝置中比較成熟的有英國 DAVY公司甲烷化技術、丹麥托普索公司的TREMPTM技術和德國Lurgi公司的甲烷化技術[7]。以上技術都需要通過中間段換熱移出反應熱，這必然會導致冷負荷和能量損失的增加，同時也有可能引起反應偏離平衡而降低甲烷產量。所以，開發(fā)新型低溫或等溫甲烷化反應器和配套催化劑將會是節(jié)能降耗的一種有效途徑。20世紀70年代，德國林德公司開發(fā)了一種間接換熱的等溫固定床反應器[8]。采用甲烷化反應的同時，用副產高壓蒸汽連續(xù)移走反應熱的均溫型甲烷化合成技術，使甲烷化實現(xiàn)等溫合成。林德工藝的最大優(yōu)勢在于無需大量循環(huán)氣稀釋合成氣中的CO，從而節(jié)約循環(huán)壓縮功耗，提高副產蒸汽量和能量利用率；避免了焦爐氣或煤氣制天然氣中催化劑失活而需添加的水蒸氣，減少了能耗；以單臺反應器取代多臺甲烷化反應器和多臺熱回收器，大幅減少熱回收器的能耗。目前其用于煤制天然氣的商業(yè)化示范裝置正在設計及設備制造過程中[8]。

3.1.3 其它裝置技術分析

變換和凈化單元是煤制天然氣的重要中間環(huán)節(jié)，它們的技術方案選擇取決于兩者的優(yōu)化組合。即當變換單元使用非耐硫催化劑時，流程順序為“脫硫+變換+脫碳”，這樣導致粗煤氣在上游裝置冷卻而在下游裝置又加熱，出現(xiàn)較大幅度溫度起伏，能量利用不合理；而使用耐硫變換工藝和鈷鉬系催化劑時，流程程序則可變?yōu)椤懊摿?脫碳+變換”，從上游（如固定床）過來的200 ℃粗煤氣可以直接進入變換單元反應而無需補充額外蒸汽，同時粗煤氣由熱到冷也有利于回收熱量。

氣體脫硫脫碳的方法多種多樣，大體上分為化學溶劑法、物理溶劑法、氧化還原法、膜分離等方法。其中低溫甲醇洗是一種技術合理和經濟的凈化方法，它可以在同一裝置內全部干凈地脫除各種有害成分。同時，由于氣體中的CO2和H2S分壓相對較高，所以有利于發(fā)揮低溫甲醇洗物理吸收特性，且溶液再生能耗少，可增加酸性氣體的溶解度，提高溶劑循環(huán)量和降低再生能量的消耗。低溫甲醇洗的冷源獲取主要方案有混合制冷、吸收制冷和壓縮制冷?；旌现评浜臀罩评渚衫孟到y(tǒng)富產的低壓蒸汽作為熱源，只能以氨為冷介質，其中混合制冷的冷能效率要高于吸收制冷。壓縮制冷采用中高壓蒸汽直接驅動，效率更高，可以采用氨或丙烯為冷介質。當系統(tǒng)的蒸汽管網中富余大量低壓蒸汽和低位熱源時，采用混合制冷方式無疑可以充分利用低位熱能，節(jié)省電耗和中高壓蒸汽。

3.2 工藝裝置用能效率提高

在確定系統(tǒng)各單元的工藝技術基礎上，需要對各裝置進行初步用能分析和評估，采用合理的節(jié)能措施。煤制天然氣的工藝裝置節(jié)能主要可以從以下幾個方面考慮。

（1）系統(tǒng)壓縮裝置利用蒸汽驅動法。對于能耗較高的空分空壓機、增壓機、氨壓機、天然氣首站壓縮機等采用蒸汽透平直接驅動，可提高壓縮效率，避免了能量轉換的損失，從而達到節(jié)能的目的。

（2）新型換熱設備、降溫設備和保溫材料合理使用。例如，系統(tǒng)剩余的冷量應該盡量回收，煤氣冷卻工段末端換熱器和低溫甲醇洗單元貧/富液冷端換熱器都應該采用效率高的纏繞式換熱器，有效地縮小冷端溫，最大限度地回收寶貴的冷量。

（3）動力裝置應同時采用抽凝機組和抽背機組。采用帶回熱的抽凝機組能減少低壓缸排汽，剩余的低壓缸排汽潛熱經排汽裝置冷卻后基本耗盡，所以減少低壓缸排汽就能減少機組冷源損失，提高機組效率。抽背機組完全用于供熱，沒有冷源損失，將做過功的低品位熱能對外供熱，達到“熱盡其用”，提高了熱利用率。

3.3 全系統(tǒng)的能量梯級利用與熱網絡集成

煤制天然氣工藝流程中，合成氣作為主要能量流載體連續(xù)經過煤氣化、變換、甲烷化和硫回收等熱效應強烈過程，此過程溫度變化幅度大、流動方向單一且各單元過程間相對獨立性強。正是由于這些特點，使得企業(yè)對于節(jié)能減排方案的研究更多的只是注重于單元內部工藝的改進和用能效率的提高，而忽視了將整個系統(tǒng)作為有機整體來開展能量梯級利用和用能全局優(yōu)化研究。

3.3.1 系統(tǒng)換熱網絡的優(yōu)化和改造

換熱網絡是系統(tǒng)能量回收利用的重要環(huán)節(jié)，其用能狀況的好壞決定著整個系統(tǒng)的用能效率。通常，由于煤制天然氣項目的設計時間短，對系統(tǒng)的能量集成優(yōu)化考慮不夠，只是在各單元內部簡單地設置換熱器，因此有必要重新對系統(tǒng)換熱網絡進行優(yōu)化和改造，為全系統(tǒng)的用能優(yōu)化奠定基礎。這就需要通過對整個系統(tǒng)各個裝置的流程、物流參數(shù)和操作參數(shù)進行了解、模擬和測算，提取出相應的物流數(shù)據，適當設置合理的溫位，采用先進的夾點技術對該項目的換熱網絡系統(tǒng)進行分析，通過夾點分析，找出其中用能不合理的地方，獲得相應的節(jié)能潛力，然后提出相應的優(yōu)化方案，并結合工藝特點和企業(yè)實際對方案進行調優(yōu)[9]。

3.3.2 系統(tǒng)蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化

煤化工項目會用到大量不同規(guī)格蒸汽作為工藝介質，蒸汽動力系統(tǒng)是否合理設置對整個系統(tǒng)用能起到決定性的作用。由表1可知，煤制天然氣系統(tǒng)中25%～30%的能源輸入是以燃料煤的形式投入到自備電廠中，以熱電聯(lián)產形式提供電力和蒸汽，系統(tǒng)同時回收其它裝置產生的余熱，以實現(xiàn)全廠的蒸汽網絡平衡。一般煤制天然氣企業(yè)生產和使用四個不同等級蒸汽，即高壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽、次中壓過熱蒸汽和次低壓蒸汽。蒸汽動力系統(tǒng)的合理設置對整個系統(tǒng)用能起到決定性的作用。有必要尋求整體性能最優(yōu)的蒸汽動力系統(tǒng)，使蒸汽品位和使用場合相吻合，如高壓過熱蒸汽供給空分空壓機、天然氣壓縮機及氨壓縮機透平使用；中壓過熱蒸汽作為甲烷化循環(huán)氣壓縮機驅動及補充加壓煤氣化蒸汽使用，以減少運行費用，達到節(jié)能降耗的目標。總之，蒸汽動力系統(tǒng)中各個單元設備需要按照不同品位蒸汽性能上的特點和規(guī)律加以匹配聯(lián)合，在一定的輸入條件和輸出要求條件下，根據“高質高用，低質低用，分級匹配”的能量梯級利用原則，可以采用數(shù)學規(guī)劃法建立相應的數(shù)學模型，優(yōu)化鍋爐與汽機的配置，達到合理匹配和最優(yōu)運行。

同時，應注意需要對蒸汽系統(tǒng)產生的凝結水實行閉路回收，將高溫凝結水和乏汽分離，前者直接進入鍋爐，后者進行再處理用于再生產，避免了能源浪費，同時也保障了蒸汽系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

3.3.3 全系統(tǒng)的能量優(yōu)化

煤制天然氣系統(tǒng)的單元用能各有特點。由熱負荷表2～表5可知，氣化、甲烷化、變換和硫回收單元為副產蒸汽單元，而制冷、酚氨回收等為蒸汽消耗單元。一般解決辦法是對各個單元用能狀況進行評估和優(yōu)化，設置各自的換熱網絡，從而“吃干榨盡”其多余能量，而忽視了全廠用能的整體熱聯(lián)合。因此，需要打破各個單元自成體系的局面，進行單元間的相互協(xié)調，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的用能狀況優(yōu)化。采用過程能量綜合技術，在考慮整體夾點位置和各裝置夾點位置的相互關系的基礎上，考慮反應熱的合理利用、換熱網絡的優(yōu)化、蒸汽動力系統(tǒng)的優(yōu)化、設備操作參數(shù)的優(yōu)化、塔系的熱集成和低溫熱的利用等環(huán)節(jié)，采用夾點技術與數(shù)學規(guī)劃方法相結合的方法，建立數(shù)學優(yōu)化模型，通過求解獲得整體用能最優(yōu)的方案，并利用層次分析法、多目標綜合等方法進行最優(yōu)方案的決策，從而達到能量系統(tǒng)合理匹配、多級利用的目標。

3.4 建立高效的能源管理體系

高效的能源管理體系是企業(yè)節(jié)能減排成果的保障。建立煤制天然氣系統(tǒng)的能源管理體系最重要的是加強能量計量和監(jiān)控，這表現(xiàn)在：①建立多級計量系統(tǒng)以及各裝置、設備、建筑的能耗標準，加快節(jié)能考核和監(jiān)督標準化進程，完善節(jié)能標準化體系；②定期檢查和清理換熱器，減小傳熱熱阻，提高換熱效率；③設置整個裝置的自動控制系統(tǒng)，自動調整裝置停開車的時間段，還結合天然氣不同季節(jié)的需求，調整夏季和冬季不同工況下整個裝置的運行，確保裝置在低負荷下運行而導致其用能效率下降，能耗增加；④定期對供熱系統(tǒng)進行熱平衡測試，杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，以便及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，防止能量損失。

4 結 語

本文首先通過對典型煤制天然氣項目用能分析，確定系統(tǒng)各單元能耗和能源利用效率。在這基礎上，探討了尋求實現(xiàn)煤制天然氣裝置中高效節(jié)能的有效途徑。經分析，煤制天然氣裝置能量利用效率依然有提升的空間，特別是合理選擇關鍵的單元過程技術，如果能夠將新型的BGL煤氣化技術和甲烷化等溫反應技術商業(yè)化，將有望降低煤制天然氣的能耗。同時，不僅要提高各單元的工藝裝置用能效率，更重要的是在合理評估煤制天然氣用能特點的基礎上，考慮系統(tǒng)能量梯級利用和進行全工藝換熱網絡的集成；最后是需要建立高效的能源管理體系，以保障節(jié)能減排成果。

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