煤-天然氣綜合利用制甲醇項目的節能降耗分析

彭 娜，李佐鵬，侯小鵬

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500）

習近平總書記強調，實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。而節能是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵支撐，是推動產業結構調整優化的重要舉措，是緩解能源供需矛盾的必然選擇，是培育高質量發展新動能的重要源泉。

能源消耗特別是化石能源消耗是我國二氧化碳排放最主要的來源。如期實現碳達峰、碳中和，必須堅定不移地把節約能源資源放在首位，充分發揮節能的源頭把控作用，以較低峰值水平實現碳達峰，推動我國能效水平提升至世界一流乃至全球領先水平，形成有效的碳排放控制閥門。

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司（以下簡稱榆能化）是一家大型煤、氣、油綜合利用化工企業，建有2套年產180萬t的煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置，該裝置利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉化“氫多碳少”的特點，實現了“碳氫互補”和能源的綜合利用，并不斷優化改進，挖掘了較多具有節能潛質的項目，大幅降低了噸甲醇產品綜合能耗。本文探討了榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目在“雙碳”政策下的節能優勢和節能措施。

1 主要工藝及耗能設備分析

榆能化甲醇聯合裝置主要由煤氣化、凈化、天然氣轉化及甲醇合成等4部分組成[1]，以煤、天然氣和渣油催化熱裂解（DCC）富氫氣為原料，通過煤氣化和天然氣蒸汽轉化制備合成氣生產MTO級甲醇。其中煤氣化采用多元料漿加壓氣化技術，所生產的粗煤氣經部分變換后，進入凈化單元，經過脫硫、脫碳，得到凈化煤基合成氣。凈化采用了低溫甲醇洗技術。天然氣經過一段蒸汽轉化，生成含氫、一氧化碳和二氧化碳的轉化氣，與凈化煤基合成氣和DCC富氫氣混合得到甲醇合成氣，并經甲醇合成、多效蒸發，生成MTO級甲醇產品。甲醇合成采用戴維低壓甲醇合成技術。甲醇裝置部分膜分離富氫氣通過變壓吸附（PSA）制取高純度氫氣作為副產品，并通過氫氣壓縮機加壓后送出界區。硫回收主要處理來自凈化單元和DCC裝置的酸性氣，回收硫磺作為副產品。

甲醇聯合裝置主要的耗能設備有高壓煤漿泵、氣化爐、洗滌塔、脫鹽水加熱器、磨煤機、低壓及真空閃蒸器、廢熱鍋爐、變換爐、除氧器、甲醇洗滌塔、熱再生塔、甲醇水分離塔、二氧化碳洗滌塔、尾氣洗滌塔、為低溫甲醇洗提供冷量的丙烯壓縮機、預轉化爐、轉化爐、鼓風機、引風機、高壓鍋爐給水泵、甲醇合成塔、煤基合成氣壓縮機、合成氣壓縮機、循環壓縮機以及所有機泵[2]。

因為整個工藝過程溫度、壓力的變化環節較多，導致能源的消耗與損失較大，所消耗的能源產品包括原煤、氧氣、天然氣、中低壓鍋爐水、脫鹽水、生產水、S1蒸汽（9.8 MPa、535℃）、S2蒸汽（4.0 MPa、435℃）、電等。

2 榆能化甲醇項目能耗情況

依據2021年國家發改委等部門發布的《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平》煙煤制甲醇標桿值1 400 kgce/t及GB 29436.2—2015《甲醇單位產品能源消耗限額》天然氣制甲醇標桿值1 150 kgce/t，按照榆能化甲醇項目裝置設計負荷比例（煤制甲醇40%，天然氣制甲醇60%）折算，裝置綜合能耗標桿值應為1 250 kgce/t。

榆能化甲醇聯合裝置能耗值見表1。該項目采用煤和油田氣為原料生產甲醇，甲醇聯合裝置1線單位甲醇能耗值連續3年（2019年、2020年、2021年）分別為1 226 kgce/t、1 221 kgce/t、1 205 kgce/t，持續降低，已達到業內領先水平；2020年底甲醇聯合裝置2線開車成功，2021年全年單位甲醇能耗值為1 184 kgce/t，兩期裝置能耗值均介于天然氣制甲醇企業單位能耗標桿值（1 150 kgce/t）和煤制甲醇企業單位能耗先進值（1 700 kgce/t）之間，且低于按比例折算的單位能耗標桿值（1 250 kgce/t）。

表1 榆能化甲醇聯合裝置能耗值

3 榆能化甲醇項目降低能耗的相關措施

3.1 榆能化甲醇項目節能優勢

榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉化“氫多碳少”的特點，實現了“碳氫互補”和能源的綜合利用，有效提高了碳元素的回收利用率，大幅降低了CO2排放量，同時也降低了單位產品能耗。

3.2 榆能化甲醇項目節能措施

3.2.1 完善企業能源管理機制

為了提高企業的能源管理效果，必須重視企業管理模式，要健全生產過程中的節能環保管理機制。榆能化主要采取以下措施：第一，建立全面的企業能源管理系統以及管理網絡，將管理網絡擴展到各個生產中心的分管領導以及車間的能源管理專職員身上，確保能夠充分發揮生產過程中的基層監管人員的作用，從而形成全員齊抓共管節能降耗工作的格局。第二，為了提高企業的節能降耗效果，建立節能工作小組，對各生產車間的節能降耗工作進行嚴格監督和管理；定期召開節能降耗交流會議，對生產過程中的節能降耗工作進行分析和總結，吸取其中存在的失敗經驗，同時制定科學有效的措施，解決節能降耗過程中的問題。第三，建立健全能源消耗臺賬及能源計量器具臺賬，定期對能源消耗數據進行分析討論，尋找突破口，調整生產運行，確保工藝操作最優化，并定期對計量器具進行維護保養，確保能耗數據的準確性。第四，建立考核管理機制，針對不同車間制定能源消耗定額指標，明確管理職責，劃分區域，對水、電、氣、風浪費現象進行嚴格監管，并嚴格控制“三廢”排放，確保節能目標落到實處。

3.2.2 優化操作，節能減排，增產增效

為了提高企業的節能降耗效果，榆能化甲醇項目根據生產過程中所使用的生產設備以及生產工藝情況，在不違背操作規程的前提下，對耗蒸汽、耗電、耗水、耗燃料的工藝、設備進行優化。因榆能化目前建成并投產運行的有兩期甲醇項目，對部分介質進行了互聯互通改造。在生產運行過程中充分發揮一、二期裝置大系統互聯互通優勢，對原料天然氣、DCC干氣、DCC富氫氣等進行內部平衡，優化運行工況，提高裝置運行效率和甲醇產量，特別是在氣化裝置低負荷運行、倒爐或者故障停車時，系統氫氣富裕，經過合理分配可有效減少DCC富氫氣放空，提高氫氣利用率，增加甲醇產量；也可在部分設備檢修過程中發揮互聯互通優勢，在不停車的工況下完成檢修工作，大幅降低有效氣或者有效資源的排放，避免造成能源浪費，影響產量。

3.2.3 技術改造，解決運行難題，提高運行效率

榆能化甲醇項目自2015年8月由試生產轉入正式運行以來，面對多種運行困難：一是氣化爐燒嘴霧化效果差，導致煤漿燃燒效果變差，有效氣產量變低，粗、細渣中殘碳質量分數偏高（粗渣35%，細渣60%），同時煤漿量高于設計值，致使燒嘴磨損加劇，使用壽命縮短；二是長期以來轉化裝置一直存在煙氣溫度較高、引風機振動偏高（水平振動7 mm/s）等問題，制約轉化裝置負荷；三是合成裝置精餾頂部不凝氣分離罐氣相出口設計流量為2 819 m3/h，排放至火炬，實際運行氣相流量約3 500 m3/h，甲醇體積分數約13%，導致甲醇損失較多；四是進入夏季以后，循環水溫度升高，最高達到31℃，合成粗甲醇分離器入口溫度達到45℃、穩定塔塔頂冷凝液溫度達到55℃，造成合成系統反應效率下降，甲醇聯合裝置運行效率持續下降，甲醇產量降低。

榆能化甲醇項目通過以下技術改造及工藝優化，來解決運行困難，探索節能降耗路徑：一是針對氣化爐燒嘴霧化效果差的問題，依據氣化裝置燒嘴使用情況對燒嘴尺寸進行優化、調整，穩定煤漿濃度，提高煤基合成氣產量；二是針對轉化裝置負荷受限問題，通過對轉化爐對流段改造，在原料天然氣預熱器之后增加換熱模塊（第三預轉化進料加熱器和燃料氣預熱器），同時針對轉化裝置引風機振動高的問題，通過技改增加煙氣噴淋降低煙氣溫度和加強運行監控等措施，進一步降低引風機振動，提升轉化裝置負荷；三是針對夏季循環水溫度升高的問題，采取在氣化倒爐時對合成部分水冷器（合成氣壓縮機透平冷凝器、穩定塔回流冷卻器等換熱器）進行反沖洗、增加合成系統除蠟頻率、投用降溫噴淋等措施，確保裝置夏季高負荷運行；四是針對精餾不凝氣排放至火炬，造成甲醇浪費問題，在精餾頂部不凝氣分離罐后設計洗滌裝置，將排放至火炬的精餾不凝氣中的甲醇回收，此舉同時還可降低富氫火炬凝液量，減少環境污染，增加甲醇產量；五是充分發揮氫碳互補優勢，降低二氧化碳排放，經過測算，榆能化甲醇項目生產1 t甲醇約排放CO20.92 t，而單純采用煤炭生產甲醇的同規模裝置，其噸甲醇CO2排放量為2.61 t，此項目（兩期產能共計372萬t/a）較同規模煤制甲醇裝置減排CO2約628萬t/a，減排幅度達65%。3.2.4 余熱回收，綜合利用能源

煤化工工廠的余熱較多，在滿足工藝和裝置要求的前提下，減少能源浪費的同時，可將余熱進行回收利用，達到節能降耗的目的。榆能化甲醇項目通過實施甲烷轉化裝置S4蒸汽（1.0 MPa、250℃）回收項目、合成裝置富產S3蒸汽（1.9 MPa、245℃）余熱發電項目等多個項目來提高余熱利用效率，降低能耗。S4蒸汽回收項目于2021年4月實施，平均每小時可回收蒸汽8.457 t，年節約標煤約5 400.8 t；S3蒸汽余熱發電項目于2020年11月建成，目前已累計發電11 425.96萬kWh。榆能化將進一步挖掘低溫余熱綜合利用項目來實現節能降耗，比如通過轉化氣余熱加熱變換裝置脫鹽水來實現節約蒸汽，降低除氧槽蒸汽用量，初步估算，此項目可節約0.5 MPa蒸汽22 t/h，折合標煤約

16 594 t/a。

3.2.5 科技創新，促進行業進步

為不斷提升企業競爭力，克服目前煤漿濃度低、碳轉化率低、能源浪費等問題，榆能化通過設立氣化水煤漿提濃、氣化爐渣綜合利用等示范項目來提高轉化效率、促進節能減排、降低環境影響，探索煤炭高效清潔轉化的發展途徑。氣化水煤漿提濃項目采用西北化工研究院高濃度料漿制備技術，新增水煤漿提濃系統部分與原棒磨機制漿系統配合制漿，可使煤漿質量分數在原濃度基礎上提高3個百分點以上。經預測，氣化裝置干煤消耗降低2.52 t/h，預計年節約標煤1.77萬t，此項目計劃2022年9月建成投入運行；氣化爐渣綜合利用項目預計每年可回收粗、細渣中含水分35%、熱值0.571 4 t ce/t的動力煤21萬t（渣產量70萬t/a，回收率按照30%計算），折標煤12萬t。

4 結 語

榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目單位產品能耗值已達國內先進水平，但在“雙碳”政策的驅動下，仍需不斷探索新的節能降碳路徑，降低能耗值，提高生產過程中能源的綜合利用率。下一步，榆能化將根據《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）》相關要求，持續優化操作、技術改造、挖掘利用余熱余壓、淘汰高能耗落后設備，保證企業的持續健康發展。