煤制天然氣工藝能耗分析及節(jié)能措施探討

胥尚偉

摘 ?要：隨著工業(yè)和民用天然氣消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)的天然氣需求預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增加，其對(duì)天然氣的依賴在2020年將上升至37%。由于我國(guó)煤資源豐富，開(kāi)發(fā)煤制天然氣具有資源優(yōu)勢(shì)，因此開(kāi)發(fā)和研究我國(guó)煤制天然氣技術(shù)的優(yōu)化具有重要意義。通過(guò)對(duì)煤制天然氣裝置能耗的評(píng)估和分析，可以回收蒸汽，循環(huán)利用冷凝液化，廢熱鍋爐設(shè)置，空氣增壓膨脹過(guò)程設(shè)置，提高鍋爐給水的處理效率。

關(guān)鍵詞：煤制氣;調(diào)峰;能耗;甲醇

隨著生活水平的提高，居住的需求也在增加，在這方面，對(duì)清潔能源和天然氣清潔能源的需求也在增加，能源結(jié)構(gòu)的份額也在迅速增加。由于中國(guó)缺乏天然氣儲(chǔ)備，能源供應(yīng)有限，推動(dòng)天然氣的緊張局勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重。

一、工藝流程及理論分析

1.煤制氣加工工藝。粗煤氣化裝置、空分裝置產(chǎn)生氣化煤、煤和氧所需的氧，蒸汽產(chǎn)生氣化系統(tǒng)中二氧化碳和H2含量高的粗氣。粗煤氣通過(guò)調(diào)整耐硫轉(zhuǎn)化和甲醇洗脫硫脫碳的分布產(chǎn)生，鎳基催化劑產(chǎn)生的甲烷凈化二氧化碳系統(tǒng)，產(chǎn)生少量的反應(yīng)甲烷氣CO2和H2，甲烷最終采用干氣系統(tǒng)進(jìn)行壓縮，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 17820）和管輸天然氣對(duì)項(xiàng)目管理的要求。含硫濃硫酸氣體由硫回收裝置處理，回收硫元素，制備硫磺或硫酸產(chǎn)物。低溫甲醇洗脫硫脫碳產(chǎn)生的部分二氧化碳排放用于加壓后煤氣化設(shè)施中的煤粉或塊煤的加壓氣體輸送。

2.工藝優(yōu)化的煤制氣工藝。原料煤、氧氣和蒸汽產(chǎn)生氣體系統(tǒng)中含有CO2和H2的原煤，并生氣地直接從低溫調(diào)節(jié)器中送出甲烷，簡(jiǎn)單的熱量回收。脫碳系統(tǒng)利用甲烷合成凈化甲醇低溫甲醇洗脫碳。由于出口為干氣低溫甲醇洗，因此沒(méi)有必要設(shè)置天然氣干燥系統(tǒng)來(lái)滿足管道流的需要。

3.甲烷化原理。（1）原料氣間接轉(zhuǎn)化為甲烷。第一步：原料氣通過(guò)部分CO轉(zhuǎn)化得到，且生成的合成氣H2/CO值略高于3。

CO+H2O=H2+CO2

步驟2：凈化合成氣氛，即大部分二氧化碳脫硫和脫除，CO和CO2、H2的反應(yīng)如下。CO和CO2的大部分甲烷轉(zhuǎn)化。

CO+3H2=CH4+H2O（g） ? ? ?（1）

CO2+4H2=CH4+2H2O（g） ? ?（2）

反應(yīng)（2）比反應(yīng)（1）更容易、更快。除了反應(yīng)（1）和（2）之外，合成氣在進(jìn)入甲烷系統(tǒng)之前還需要良好的碳?xì)浠瘜W(xué)比。反應(yīng)的基礎(chǔ)是，在甲烷轉(zhuǎn)化之前，必須進(jìn)行部分轉(zhuǎn)化和脫碳。甲烷化間接粗煤氣需要兩種催化劑：反應(yīng)發(fā)生變化的催化劑，另一種催化劑促進(jìn)甲烷反應(yīng)。（2）原料氣直接甲烷化。即使發(fā)生脫硫后，粗煤氣也不會(huì)被轉(zhuǎn)化，CO通過(guò)氣體中的CO2直接在水蒸氣下產(chǎn)生。同時(shí)，粗煤氣中H2和CO2之間的反應(yīng)產(chǎn)生甲烷和水。

二、案例分析

1.工藝路線煤制氣。某公司天然氣原料主要是褐煤，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一期其產(chǎn)能為400萬(wàn)Nm3/d、固定床干法是一種排灰純氧碎煤方法，其工藝裝置見(jiàn)表1。

2.分析能源消耗。項(xiàng)目的主要產(chǎn)品是合成天然氣，其副產(chǎn)品有硫磺、銨、1#、2#焦油、苯混合、粗酚等。用于能耗計(jì)算的，以1000 Nm3SNG副產(chǎn)品的主要產(chǎn)品為計(jì)算依據(jù)，天然氣的每小時(shí)產(chǎn)量為166.7 nm3/h。煤制天然氣單位產(chǎn)品能量極限（GB 30179）。

3.節(jié)能措施生產(chǎn)工藝。在煤制設(shè)施中，每個(gè)單元以不同的方式連接在一起，每個(gè)單元的技術(shù)決定了直接影響原料煤項(xiàng)目能耗的技術(shù)的選擇和優(yōu)化，如氣化、凈化、甲烷化及污水處理等技術(shù)。在選擇技術(shù)時(shí)，還必須為每個(gè)生產(chǎn)過(guò)程選擇和優(yōu)化節(jié)能措施。（1）動(dòng)力裝置。系統(tǒng)優(yōu)化降低了能量損失，為了提高整體能量利用效率，化學(xué)組返回低壓蒸汽0.5 MPa（g）富余，用作高壓除氧器的加熱氣體。在動(dòng)力車(chē)間，當(dāng)蒸汽時(shí)，它有高、中、低壓，并通過(guò)化學(xué)裝置將冷凝液送到動(dòng)力車(chē)間的除氧器。比如保溫節(jié)能，取決于介質(zhì)和設(shè)備的不同溫度、管道設(shè)計(jì)、應(yīng)用和基本考慮因素，如硅酸鋁、巖棉等。這些材料輕質(zhì)、性能好保溫、損失率施工低，其計(jì)算用途是根據(jù)經(jīng)濟(jì)厚度法確定溫度厚度。（2）氣化裝置。廢熱鍋爐加壓氣化，粗煤氣利用低位熱能和飽和蒸汽，利用低壓蒸汽進(jìn)行后系列;氣化爐的高熱量由經(jīng)氣化爐夾套，從而產(chǎn)生中壓飽和壓力，作為氣體爐直接進(jìn)入氣體爐，從而減少需加熱的蒸汽鍋爐的數(shù)量。對(duì)冷卻變換進(jìn)行了利用，逐步利用熱能，采用優(yōu)質(zhì)熱能優(yōu)質(zhì)熱能利用余熱回收器裝置產(chǎn)生的低壓蒸汽回收熱量;粗煤氣低熱量使鍋爐的給水預(yù)熱，脫鹽水，從而節(jié)約熱水所消耗的蒸汽，減少冷循環(huán)水的消耗。（3）凈化器。氨壓縮機(jī)采用先進(jìn)高效的離心壓縮、透平蒸汽驅(qū)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換。甲醇洗的冷卻通過(guò)改進(jìn)的熱裝置，如纏繞式熱交換器，減小熱交換器的前冷卻溫差，并最大化冷量回收。

4.空分裝置。提高空氣壓力的方法，制冷量氣量大于氮?dú)猓c氮?dú)庋a(bǔ)充循環(huán)相同冷卻所需的空氣較少，以節(jié)省能源。使用透平膨脹機(jī)增壓直接用氣體膨脹運(yùn)行壓力調(diào)節(jié)器，以節(jié)省能源并提高冷卻功率。冷凝器透平采用真空冷卻器減少能耗和冷卻消耗。

5.甲烷設(shè)備。采用鍋爐、過(guò)熱、汽包等熱回收系統(tǒng)，有效回收過(guò)熱蒸汽4.8 MPa g;甲烷化中存在大量低熱量，且該過(guò)程通過(guò)除鹽水或預(yù)加熱鍋爐給水優(yōu)化。通過(guò)節(jié)流閃蒸、低壓蒸汽和低壓蒸汽補(bǔ)充了管網(wǎng)，同時(shí)降低冷卻器排污的負(fù)荷和循環(huán)水的消耗

6.硫回收。（1）過(guò)程中產(chǎn)生的余熱在高位熱下使用，通過(guò)在各級(jí)硫使用硫磺水冷凝器，增加了熱蒸汽和副產(chǎn)中壓蒸汽產(chǎn)生，預(yù)熱鍋爐給水，提高了過(guò)程效率。（2）產(chǎn)生的工藝?yán)淠骸⒛Y(jié)水、鍋爐排污和超臨界水深用作循環(huán)水補(bǔ)水回收水。

煤制天然氣單位能源成本（GB 30179）中煤制天然氣產(chǎn)品總能耗比綜合產(chǎn)品高，轉(zhuǎn)化率基準(zhǔn)值優(yōu)于51%的計(jì)算先進(jìn)值1.3噸/千標(biāo)方，（57%）先進(jìn)值。通過(guò)優(yōu)化煤制氣設(shè)施，能有效降低能耗，提高能源利用效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊蜀峰.煤制天然氣產(chǎn)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及對(duì)策研究[J].河南化工，2020（4）：21.

[2]馮曉明.煤制天然氣項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].化學(xué)工程，2020，38（10）：153-157.

[3]吳尚.煤制合成天然氣競(jìng)爭(zhēng)力分析[J].煤化工，2019，133（6）：1-4.

[4]汪潔.煤制天然氣技術(shù)發(fā)展概況與市場(chǎng)前景[J].天然氣化工，2020，35（1）：64-70.

[5]張星.國(guó)際煤制合成天然氣技術(shù)的專利格局[J].石油科技論壇，2019（4）：59-62.

[6]汪江.煤制天然氣發(fā)展概況與市場(chǎng)前景[J].瀘天化科技，2019（4）：335-341.