一種新的煤制天然氣工藝能源轉化效率計算方法及應用

楊言江（遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧 阜新123000）

0 引言

煤制天然氣技術是利用原煤通過煤氣化、變換、低溫甲醇洗、甲烷化等工序制取天然氣的工藝，副產石腦油、粗酚、焦油、硫磺、硫銨，同時產生大量熱量。在整個合成工藝過程中，產生的部分中壓蒸汽，由工藝介質帶走部分余熱，并產生大量工藝凝液，造成余熱被浪費。碎煤加壓氣化技術制取天然氣的能源利用效率在56.81%左右[1]，而損失的能量未被有效利用，能源利用效率與歐美國家相比仍有較大差距[2]。

本文以建設規模為公稱能力400萬Nm3/d（天然氣）項目為依托，從規劃能源利用效率計算方法，分析能耗分布情況入手，為初始工藝設計提供參考，合理設計利用余熱回收方法，可切實為提高低溫余熱回收提供有效手段。

1 碎煤加壓煤制天然氣能源利用現狀及新能源轉化效率計算方法

圖1所示，煤制天然氣技術是現代煤化工工藝中的一種，本文分析的煤制天然氣項目的碎煤加壓氣化技術采用褐煤為原料，氧氣和中壓蒸汽為氣化劑在固定床氣化爐中氣化劑與煤炭逆向接觸，發生氣化反應1產生粗煤氣、輕烴、石腦油、粗酚、焦油及放出大量熱Q1，將煤氣加熱及爐渣加熱，粗煤氣出爐后進入廢熱鍋爐產生0.5MPa 低壓蒸汽。粗煤氣經過洗滌冷卻后進入變化爐調整氫碳比，發生變化反應2產生變換氣及放出大量熱Q2，并產生4.8MPa中壓蒸汽，變換氣進入低溫甲醇洗裝置脫硫脫碳，脫除的H2S，輸送到硫回收裝置，CO2通過煙囪排放產生凈煤氣進入甲烷化進行甲烷化反應3生成甲烷（合成天然氣）同時放出大量熱Q3，同時通過廢熱鍋爐產生4.8MPa 中壓蒸汽。自煤氣水來的氣化洗滌水閃蒸出來的酸性氣IV、酚回收脫出酸性氣III與低溫甲醇洗脫出酸性氣I、II一起進入硫回收裝置，進入制硫爐發生反應4，同時由廢熱鍋爐產生4.8MPa 蒸汽，進入中壓蒸汽管網。

圖1 煤制天然氣能源轉化過程圖

由整個煤制天然氣能源轉化過程圖可以看出，煤的熱量一部分轉化成產品（天然氣、石腦油、中油、焦油、粗酚、硫磺、硫銨）；一部分轉化成蒸汽的熱量；一部分轉化成低溫廢熱或余熱（介質顯熱、爐渣、煙氣熱量）。現有的能源轉化計算方法直接計算煤轉化的產品部分能量，而沒有考慮在整個能源轉化過程中副產的蒸汽，更忽略了所產生余熱。如果轉化的蒸汽及余熱得到有效利用，那么煤轉化的熱量就得到有效利用，其能源轉化效率就應該考慮到此部分熱量。

2 煤制天然氣項目蒸汽與能耗統計分析

2.1 依托項目蒸汽統計

經對依托項目蒸汽分析，加壓氣化裝置通過廢熱鍋爐產生低壓蒸汽、變換裝置產生低壓蒸汽、煤氣水回收通過閃蒸產生低壓蒸汽，甲烷化裝置通過廢熱鍋爐回收反應熱產生中壓蒸汽、硫回收裝置通過廢熱鍋爐回收反應熱產生中壓蒸汽，參見表1。

表1 裝置產生蒸汽表

2.2 能耗分析

基于以上分析，提出考慮將裝置產生蒸汽及低溫余熱計算在內的新的能源轉化率計算方法并與相關文獻[1]中的方法進行對比，對比結果見表2：

表2 能耗統計表

通過對比考慮副產蒸汽的能源轉化效率為78.2%，在整個煤制天然氣過程中，所產生的蒸汽帶走反應產生的大量熱量約占整個能源轉化率的21.14%，考慮余熱回收的能源轉換效率為86%。而蒸汽的熱量多通過換熱、作功的形式釋放并得到利用，最后通過低溫余熱外排，如果低溫余熱得到有效利用，那么同樣也可以提高能源轉化率7.6%，同時減少冷卻水的用量。因此可以看出，如果有效的利用低溫余熱，則能顯著的提高能源轉化效率。

圖2 余熱利用原則工藝流程圖

3 余熱利用方法探討

煤制天然氣工藝未利用的余熱，主要有低壓凝液（透平凝液、工藝凝液）、排放廢熱（爐渣、煙氣）、煤氣顯熱、冷凝介質余熱、循環水回水余熱。

3.1 現有余熱的統計

煤制氣工廠現有余熱主要為透平凝液、工藝凝液、煤氣顯熱、洗渣水，其中，工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，同樣熱值（?值）工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，利用難度工藝顯熱＞工藝凝液＞透平凝液，主要是因為設備布置緊湊，新增換熱設備增設困難，與現有換熱系統匹配困難，參見表3。

表3 現有余熱統計表

二2.1 2.2三3.1 3.2 3.3 3.4工藝凝液變換甲烷化工藝顯熱氣化變換甲烷化硫回收尾氣220 220 200 200 200 200 200 5 850000NM3/ h 640000NM3/ h 170000NM3/ h 10000NM3/ h水水粗煤氣變換氣合成氣焚燒尾氣

3.2 余熱利用方式

根據其能夠利用的技術途徑，結合工藝實際，將余熱分為3個等級：200～120℃；120～80℃；80～40℃。在調研其他裝置應用情況及分析現有余熱回收技術特點之上，余熱利用的基本特點如表4所示：

表4 現有余熱利用方式

[6]、[7][8]、[9][10]、[11][12]、[13]、[14]70～40余熱利用產生廢水、壓縮機冷卻水、循環水回水量大不易回收利用、設備投資大、運行費用高除濕、熱泵洗浴、洗浴

通過分析對比可以看出，采用冬季供熱，夏季制冷的方式回收低位余熱適合北方煤制天然氣工廠實際。

4 余熱利用方案設計

使用任意一種方式都不可能完全、有效的全部利用裝置產生的余熱，只有將以上幾種方式結合起來，才能最大限度利用低溫余熱。基于以上考慮，結合公司不同等級余熱分布情況，設計如圖2所示余熱利用流程。

自裝置來的工藝氣通過供暖換熱器為采暖用戶提供熱量，換熱后進入溴化鋰制冷機組，為機組提供所需的熱量，同時工藝、透平凝液也為溴化鋰機組提供熱量，機組產生冷量外供用戶，完后進入洗浴加熱器，為洗浴熱水提供熱量。在整個過程中，工藝氣、冷凝液的熱量得到最大限度的利用，為用戶提供連續穩定熱源。

4.1 集中供暖

供熱供回水溫度直接決定換熱溫差和換熱負荷，按最大負荷供水溫度117℃、回水55℃，平均負荷供水溫度100℃、回水55℃，最小負荷供水溫度90℃、回水55℃設計，三種情況考慮設計余熱回收系統，將最大負荷作為設置余熱回收供暖系統的供水設計指標。205t/h的熱水能夠為43萬m2，為1.7萬人供熱，此部分供暖方案基本能夠滿足依托項目的供暖需要。

4.2 制冷

低溫余熱利用的通病，夏季熱量過剩的問題過剩40%以上，為解決這個問題，溴化鋰吸收制冷就是一個很好的途徑。低溫水溴化鋰制冷機，它以90～80℃熱水為熱源，31～37℃循環水為冷卻水，采用溴化鋰工質進行吸收制冷，制取冷水5～7℃。則可為10 萬m2提供空調用冷量，可以為依托項目廠前區辦公樓、宿舍、食堂、化驗室提供冷量。

4.3 洗浴

經過供暖、制冷后的工藝顯熱及工藝凝液和蒸汽凝液經過換熱后溫度較低，基本低于70℃，而提供洗浴用水熱源可以最大限度的利用此部分余熱，供給用戶熱熱水按50℃計算，洗浴供水冬季按5℃選取，春、秋、夏季按照20℃選取。則設計供熱供熱溫度70℃，供熱回水40℃為準，可為9 萬用戶提供洗浴熱水，不僅可滿足依托項目廠區、生活區、辦公區洗浴用水需求，還可為附近居民區提供洗浴用熱水

4.4 方案經濟性比較

在文獻調研的基礎上估算各余熱回收方式的單位投資及運行費用，綜合考慮回收方式經濟性優先級別：供暖＞洗浴＞制冷，參見表5。

表5 經濟比較表

5 結語

（1）將煤制天然氣工藝過程中產生的蒸汽及低溫余熱計算到煤炭的能源轉化效率之內，如果蒸汽及低溫余熱得到有效利用，則可以顯著提高能源轉化效率，可以由57%提高到86%，將近提高近20個百分點。

（2）工藝介質為廠區供暖技術可行，但原有設備布置緊湊，安裝換熱、增壓設備空間略顯不足。因此，在裝置基礎設計階段即考慮增設或預留出供暖設備空間十分重要。

（3）采用工藝凝液、透平凝液為溴化鋰機組提供熱量產生空調冷量技術可行，比用電空調費用略低，但設備投資較高，經濟性略差。

（4）余熱提供洗浴用水工藝能夠利用品位最低余熱，且投資及運行費用都不高，找到大量、穩定的用戶、輸送距離短的用戶十分重要，則是優先考慮的余熱利用技術。

（5）采用工藝介質顯熱供暖可以冬季為廠區全部構建筑物提供供暖，溴化鋰機組制冷可以為廠前區職工進行制冷，剩余余熱可提供9萬人洗浴需求，遠遠超出廠區內職工需求，因此采用冬季供暖，夏季供熱與洗浴供水相結合的工藝回收裝置預熱的方案為廠區內生活用是可行的。

（6）比較三種工藝技術經濟性，綜合考慮運行費用與設備投資的條件下，選用回收技術優先性為：供熱＞洗浴＞制冷。