摘要：當(dāng)前，煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)已成為煤化工產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，煤制合成天然氣工藝能耗主要包括原料煤消耗、水消耗、蒸汽消耗、電消耗等，其節(jié)能降耗不僅能降低煤制合成天然氣生產(chǎn)成本，還能減少污染物排放，符合低碳環(huán)保的發(fā)展理念。基于此，首先介紹了我國煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況和生產(chǎn)現(xiàn)狀，然后分析了煤制合成天然氣工藝的能耗組成和特點(diǎn)，最后指出降低降耗的關(guān)鍵所在，并提出相應(yīng)的節(jié)能途徑。

關(guān)鍵詞：煤制合成天然氣；能耗分析；節(jié)能途徑

隨著我國對(duì)能源需求的日益增加和對(duì)環(huán)境保護(hù)的愈發(fā)重視，煤制合成天然氣作為一種清潔高效的能源受到廣泛關(guān)注。近年來，我國煤制合成天然氣行業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為能源保供的重要組成部分。本文從煤制合成天然氣工藝的裝置能耗、存在問題、節(jié)能途徑3個(gè)方面進(jìn)行探討，基于對(duì)煤制合成天然氣工藝各裝置的能量平衡分析，并結(jié)合目前國內(nèi)外技術(shù)水平，提出了在工藝方面優(yōu)化流程，采用先進(jìn)工藝技術(shù)和裝備，以及在生產(chǎn)管理方面進(jìn)行合理的制度設(shè)計(jì)和技術(shù)改造等措施，從而達(dá)到降低煤制合成天然氣工藝能耗的目的。

1 研究背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來越大。雖然我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，但就總體能源現(xiàn)狀來看，多煤、少油、貧氣的矛盾尤為突出，而發(fā)展煤制合成天然氣則有利于緩解我國油氣短缺的問題。煤制合成天然氣是指煤經(jīng)加工轉(zhuǎn)換生產(chǎn)出來的合成天然氣，通過對(duì)煤制合成天然氣工藝進(jìn)行科學(xué)合理的節(jié)能設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效利用，在滿足能源需求方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，從環(huán)保角度來看，煤制合成天然氣裝置的能耗控制顯得更為關(guān)鍵，也成為符合社會(huì)發(fā)展需求的必然趨勢。

2 煤制合成天然氣工藝概述

煤制合成天然氣工藝的主要技術(shù)路線包括，首先通過碎煤氣化、粗煤氣變換、低溫甲醇洗凈化、甲烷合成及脫水干燥等將煤氣化反應(yīng)生成粗煤氣；其次通過耐硫耐油催化劑變換來調(diào)整氫碳比，并經(jīng)低溫甲醇洗除去硫化物及二氧化碳；最后通過合成、干燥、壓縮等加工工序，生產(chǎn)出合成天然氣。在生產(chǎn)過程中，煤氣化、耐油變換及甲烷合成環(huán)節(jié)釋放出大量的化學(xué)能和熱能，這些能量可以直接利用。煤制合成天然氣工藝產(chǎn)品甲烷含量高，且生產(chǎn)過程中的反應(yīng)熱也比較高，可說是一項(xiàng)能源轉(zhuǎn)換效率較高的工藝。

3 煤制合成天然氣工藝能耗現(xiàn)狀分析

煤制合成天然氣工藝系統(tǒng)是高能耗的化工裝置，其中原料煤轉(zhuǎn)化和煤氣水處理2個(gè)環(huán)節(jié)的能耗占較大比重，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，各裝置能耗也會(huì)相應(yīng)增加。我國煤制合成天然氣裝置能耗，與國外先進(jìn)水平相比差距較大。有資料顯示，受原料煤品質(zhì)和煤氣化工藝的影響，我國煤制天然氣裝置能耗較國外先進(jìn)水平偏高10%～20%[1]。我國煤制合成天然氣裝置能耗較高的原因主要為工藝設(shè)計(jì)不合理、流程長、設(shè)備參數(shù)選擇不當(dāng)、負(fù)荷分配不合理等造成系統(tǒng)運(yùn)行效率低，以及生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)不能嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)控制要求等[2]。

4 煤制合成天然氣工藝節(jié)能的必要性

煤制合成天然氣是我國現(xiàn)代煤化工的重要組成部分，但在其生產(chǎn)過程中會(huì)消耗大量的熱能和電能，若不采取有效措施，將會(huì)造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。因此，出于實(shí)現(xiàn)煤制合成天然氣工藝節(jié)能設(shè)計(jì)的考慮，從裝置設(shè)計(jì)、工藝操作和參數(shù)管理3方面入手采取相應(yīng)的節(jié)能措施。

首先，煤制合成天然氣生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，需通過對(duì)裝置的節(jié)能設(shè)計(jì)將其轉(zhuǎn)化為合成氣后再進(jìn)入合成爐，減少電能、蒸汽等能源浪費(fèi)。其次，轉(zhuǎn)化過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需采用有效節(jié)能操作進(jìn)行回收利用，避免熱能、電能等能源浪費(fèi)[3]。最后，加強(qiáng)對(duì)合成爐內(nèi)溫度和壓力等參數(shù)的控制，盡量提升其性能，將煤制合成天然氣裝置的熱能和電能進(jìn)行合理利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，以及有效提高煤制合成天然氣的生產(chǎn)效率。

5 煤制合成天然氣工藝節(jié)能的可行性

從環(huán)保的角度出發(fā)，結(jié)合煤制合成天然氣工藝能耗現(xiàn)狀，對(duì)煤制合成天然氣工藝進(jìn)行節(jié)能分析，發(fā)現(xiàn)該工藝的能耗控制具有一定可行性。

5.1 生產(chǎn)過程

煤制合成天然氣工藝裝置能耗較高，占整體生產(chǎn)能耗的30%以上，如何降低其裝置能耗是一項(xiàng)亟需解決的問題。

煤制合成天然氣系統(tǒng)的主要耗能裝置有煤氣發(fā)生爐、變換爐、干燥器、合成氣壓縮機(jī)和低溫甲醇洗反應(yīng)器。從能量平衡分析來看，原料氣和蒸汽消耗是裝置能耗的主要來源，占裝置總能耗的95%以上。

在煤制合成天然氣工藝生產(chǎn)過程中，首先要認(rèn)真做好原料氣和蒸汽的供應(yīng)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的相關(guān)問題，并采取措施進(jìn)行調(diào)整[4]；其次要重視低溫甲醇洗反應(yīng)器的操作和維護(hù)，確保催化劑活性，而且低溫甲醇洗反應(yīng)器是煤制合成天然氣生產(chǎn)中耗能最大的裝置之一，其能源利用率不高，在生產(chǎn)操作中要還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的維護(hù)和管理；最后要應(yīng)對(duì)煤制合成天然氣裝置在生產(chǎn)過程中存在的熱量損失、動(dòng)力損失等問題，采取降低熱量損失、增加動(dòng)力消耗、降低動(dòng)力損耗、提高產(chǎn)品產(chǎn)量的措施來降低裝置能耗，其中動(dòng)力損失方面主要為壓縮空氣消耗及電消耗，采取措施時(shí)應(yīng)特別注意減少這2方面的能耗。

5.2 合成過程

在煤制合成天然氣生產(chǎn)的合成過程中，有大量的熱量被損失，使得煤制合成天然氣生產(chǎn)的能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。從能量平衡分析來看，其主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，一是合成氣凈化過程中，合成氣冷卻器、換熱設(shè)備、天然氣反應(yīng)器等設(shè)備的熱損失；二是為了防止天然氣合成器超溫，在設(shè)計(jì)天然氣反應(yīng)器時(shí)，均設(shè)置有循環(huán)氣壓縮機(jī)，通過循環(huán)氣壓縮機(jī)可將部分反應(yīng)氣返回至反應(yīng)器內(nèi)，以防止反應(yīng)器超溫，但這一設(shè)計(jì)使得天然氣合成的壓縮工序進(jìn)一步增加，能耗也隨之增加。

基于當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)水平，可通過多種技術(shù)手段有效降低合成氣凈化過程中的能耗。如，通過采用等溫甲烷合成技術(shù)，在甲烷合成反應(yīng)時(shí)及時(shí)將反應(yīng)熱提取出來，不但能減少反應(yīng)器熱損失，降低壓縮功耗，而且可使反應(yīng)一直在低溫下進(jìn)行，延長催化劑的使用壽命；通過采用高效冷卻裝置來降低冷卻器散熱損失；通過采用低能耗工藝設(shè)備來降低空氣預(yù)熱器熱損失等。

總體來說，煤制合成天然氣工藝合成過程的能源利用效率較低，生產(chǎn)裝置的熱損失較大，因此應(yīng)從提高天然氣反應(yīng)器熱能回收利用等方面對(duì)該工藝的能耗降低作進(jìn)一步研究。

6 煤制合成天然氣工藝節(jié)能途徑

煤制合成天然氣工藝是一種新型的能源轉(zhuǎn)化方法，但在實(shí)際應(yīng)用中存在能耗高、效率低等問題，因此節(jié)能降耗成為該工藝的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。本節(jié)主要對(duì)煤制合成天然氣工藝的節(jié)能途徑進(jìn)行探討，并從實(shí)際應(yīng)用的角度，對(duì)其可行性進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)、優(yōu)化工藝操作、優(yōu)化管理措施的節(jié)能對(duì)策，可有效降低煤制合成天然氣工藝能耗，提高綜合效率。

6.1 優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)

6.1.1 優(yōu)化設(shè)備材料

目前，煤制合成天然氣工藝主要采用的設(shè)備是空分設(shè)備、合成氣凈化設(shè)備和變換設(shè)備等。其中，空分設(shè)備又包括了空氣壓縮機(jī)、蒸汽發(fā)生器、高壓換熱器和低溫?fù)Q熱器等，而合成氣凈化設(shè)備包括了高壓過濾器、中壓過濾器、氣體冷卻器等。各個(gè)設(shè)備的性能直接關(guān)系到煤制合成天然氣工藝系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，因此在對(duì)煤制合成天然氣工藝的節(jié)能研究中，需對(duì)設(shè)備節(jié)能情況提起重視。一是在空氣壓縮機(jī)葉片的選材方面，應(yīng)注意選擇耐腐蝕的材料；二是在中壓過濾器、氣體冷卻器等設(shè)備的選材方面，可選擇不銹鋼材料；三是在高壓換熱器和低溫?fù)Q熱器的選材方面，可選擇不銹鋼材料。

6.1.2 優(yōu)化裝置性能

在對(duì)煤制合成天然氣工藝進(jìn)行節(jié)能研究的同時(shí)，也應(yīng)重視對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的投入力度，并采取相應(yīng)措施有效減少煤制合成天然氣工藝裝置在運(yùn)行過程中的能源浪費(fèi)。一是要對(duì)煤制合成天然氣工藝裝置周邊的環(huán)境進(jìn)行有效管理，降低其空氣中有害物質(zhì)濃度；二是要對(duì)煤制合成天然氣工藝裝置周圍的污染源進(jìn)行有效控制；三是要大力推廣新能源技術(shù)在煤制合成天然氣工藝裝置中的應(yīng)用。

6.2 優(yōu)化工藝操作

6.2.1 控制合成氣中CO比例

煤制合成天然氣工藝生產(chǎn)合成氣所用的原料為焦?fàn)t煤氣，其主要成分為甲烷和CO2，CO含量為15%～17%，通過對(duì)汽氧比的調(diào)整，可將合成氣中CO含量提高至17%～19%，實(shí)現(xiàn)降低能耗的效果。

煤制合成天然氣生產(chǎn)過程中，如果煤氣化不完全，則會(huì)使合成氣中CO含量過高，造成大量的煤炭損耗。這種情況下，需要優(yōu)化合成技術(shù)，通過減少合成氣中CO含量來達(dá)到降低工藝能耗的目的。

6.2.2 控制變換工藝參數(shù)

在進(jìn)行煤制合成天然氣工藝操作時(shí)，如有變換反應(yīng)溫度過高、壓力過高、溫度過低等情況，均會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的浪費(fèi)。因此，應(yīng)注意控制變換反應(yīng)溫度及壓力等，如當(dāng)變換反應(yīng)溫度降低時(shí)，可提高煤氣化的反應(yīng)速率；當(dāng)變換壓力升高時(shí)，可減少煤氣中CO含量。

6.2.3 調(diào)控合成氣系統(tǒng)

在煤制合成天然氣生產(chǎn)過程中，如有反應(yīng)不完全、溫度高、壓力大等問題，則可能出現(xiàn)合成氣中CO含量不足的情況[5]。因此，應(yīng)注意對(duì)合成氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，如當(dāng)合成氣溫度較低時(shí)，可采取降低煤漿濃度或降低變換反應(yīng)溫度等措施；當(dāng)合成氣溫度較高時(shí)，可采取提高煤粉濃度或降低變換反應(yīng)溫度等措施。

6.3 優(yōu)化管理措施

6.3.1 構(gòu)建完善的能源管理系統(tǒng)

構(gòu)建的能源管理系統(tǒng)，應(yīng)涵蓋煤制合成天然氣工藝流程的所有能耗點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注熱能和電能；應(yīng)有完善的數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)記錄煤炭、電力等資源的使用情況及各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，以便能源管理人員針對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)[6]。

6.3.2 建立健全節(jié)能考核體系

制定相應(yīng)的獎(jiǎng)懲制度，可對(duì)不能達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)的工作人員給予一定處罰，提高其對(duì)于節(jié)能要求的重視程度；同時(shí)，可對(duì)工作達(dá)標(biāo)的人員給予一定獎(jiǎng)勵(lì)，鼓勵(lì)其工作積極性。另外，還應(yīng)通過對(duì)能耗情況進(jìn)行定期檢查、統(tǒng)計(jì)、分析等方式，不斷完善煤制合成天然氣工藝節(jié)能考核體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的有效管理。

7 結(jié)論

綜上所述，煤制合成天然氣工藝能耗與節(jié)能途徑研究是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，未來還應(yīng)在以下3個(gè)方面加大力度，以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗效果。

①升級(jí)合成工藝，減少能源損失。如，采用水煤氣變換工藝和CO變換工藝，以提高水煤氣的轉(zhuǎn)化效率；采用等溫甲烷合成技術(shù)—CO變換與合成氣合成相結(jié)合的工藝路線，通過有效利用合成過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱，來降低循環(huán)氣壓縮機(jī)功耗，提高合成氣的產(chǎn)率；采用合理的空分操作和壓力控制技術(shù)，以降低合成氣中CO2含量等。

②采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，提高裝置自動(dòng)化水平。如，采用多爐多床、多塔多循環(huán)、低壓大流量等先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，以減少能源損失；同時(shí)在裝置自動(dòng)化方面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和改造等。

③對(duì)裝置進(jìn)行節(jié)能降耗改造。如，對(duì)合成氣壓縮機(jī)組和空分設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，調(diào)整其水平衡，提高其運(yùn)行效率。

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作者簡介

翟勇（1988—），男，漢族，甘肅通渭人，工程師，理學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代煤化工。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-22